CN111931361B - 一种馈电电参量可调的多发射单接收wpt优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法，包括：根据多发射单接收WPT系统建立电流型和电压型优化电路的等效电路；获取各个参量之间的关系式，并根据电流型优化电路，优化各发射线圈上的电流参量，获得系统的最大负载获得功率，与加载在各发射线圈上的电压源馈电电压参量；根据电压型优化电路，优化各电压源馈电电压，获得系统的最大负载获得功率，与流入各发射端口的电流参量；系统定功率输入且满足最大负载获得功率传输时，调节电压型优化电路的发射端并联电容C的值，实现在确定传输距离上对发射端馈电电压参量和输入电流参量的调节。本发明为避免多发射单接收WPT系统出现过压和过流引起电路器件的损毁提供明确的指导。

Description

一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法

技术领域

本发明涉及多发射单接收无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)技术领域，尤其涉及一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法。

背景技术

近年来，近场磁谐振WPT技术由于能够通过无线的方式将电能高效地传递到负载上而获得越来越多的研究。

最初由美国麻省理工科研团队实现的单发射单接收磁谐振WPT可在收发端相距2m处，电能传输效率达40％。随后，针对系统控制、电能传输稳定性分析、空间磁场的生物体损害等方面开展了诸多的理论与实验研究。这种单发射线圈结构系统，当接收线圈远离发射线圈超过一定阈值，负载获得功率会快速降低。这种缺陷催生并加速多发射线圈WPT系统的发展，多发射线圈WPT系统可以通过设置多发射线圈的分布结构有效提高WPT的一维距离、二维范围大小、三维空间大小。针对本专利涉及的多发射单接收线圈系统，可根据接收线圈所处的不同位置选择相应的发射线圈进行供电，这种方案需要对接收线圈所处位置进行定位以及设计对发射线圈进行馈电控制的电路，但是可以避免所有发射线圈接入馈电电路引起的较大功率损耗。也可优化各发射线圈上电流参量的幅度和相位来实现最大的负载获得功率的传输。

然而上述多发射单接收WPT方面的研究。为获得最大负载获得功率的传输，都需要优化各发射线圈上的电流参量以及控制多个馈电源电压参量。对于优化发射电流参量或馈电电压参量超过系统元件的限流值或电源最大供电电压值，导致系统元器件损坏或不能实现最大负载获得功率的传输问题，目前还缺乏一套步骤明确，理论成熟的设计方案。

发明内容

本发明提供了一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法，主要涉及基于电压型优化电路实现馈电电压参量和输入电流参量的可调方法，为总馈电功率确定的条件下，实现最大负载获得功率传输以及馈电电压参量和输入电流参量的可调提供明确的指导。

第一方面，本发明提供一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法，包括：

步骤1，根据多发射单接收WPT系统建立两种等效电路；所述多发射单接收WPT系统包括若干个高频电源、若干个发射线圈以及单个接收线圈；所述两种等效电路包括电流型优化电路和电压型优化电路；

所述电流型优化电路的发射端和接收端均采用电容C串联补偿拓扑；所述电压型优化电路的发射端采用串电感-并电容-串电容的LCC补偿拓扑，所述电压型优化电路的接收端采用电容C串联补偿拓扑；

步骤2，根据所述电流型优化电路，利用基尔霍夫电路定律获得所述电流型优化电路的总馈入系统功率和负载获得功率分别与各发射线圈上的电流参量的关系式；

根据所述电压型优化电路，利用基尔霍夫电路定律获得所述电压型优化电路的总馈入系统功率和负载获得功率分别与各电压源馈电电压参量的关系式；

步骤3，根据所述电流型优化电路，利用拉格朗日乘数法优化所述各发射线圈上的电流参量，获得系统的最大负载获得功率，并推导获得对应的加载在所述各发射线圈上的电压源馈电电压参量；

根据所述电压型优化电路，利用拉格朗日乘数法优化所述各电压源馈电电压，获得系统的最大负载获得功率，并推导获得对应的流入各发射端口的电流参量；

步骤4，根据所述步骤2和步骤3获得的结果，在系统定功率输入和满足最大负载获得功率传输的条件下，调节所述电压型优化电路的发射端并联电容C的值，实现在确定传输距离上对发射端馈电电压参量和输入电流参量的调节。

进一步地，在一种实现方式中，所述若干个发射线圈沿着一维直线排列，所述单个接收线圈所在平面平行于发射线圈所在平面，且所述单个接收线圈所在平面与发射线圈所在平面相距一段距离放置。

进一步地，在一种实现方式中，所述步骤1包括：

计算所述多发射单接收WPT系统的两种等效电路的第i个发射线圈与接收线圈传输品质因素Q_TiR：

Q_TiR＝ω₀M_TiR/r′_R，

其中，ω₀为多发射单接收WPT系统的谐振频率，M_TiR为第i个发射线圈与接收线圈间的互感量，1≤i≤n，n表示发射线圈的总个数，n≥2且为正整数，r′_R为接收线圈寄生电阻r_R与负载电阻r_L之和。

进一步地，在一种实现方式中，所述步骤2包括：

针对所述电流型优化等效电路，根据基尔霍夫电路定律获得所述电流型优化电路的总馈入系统功率P_C,T和负载获得功率PDL_C关于各发射线圈上电流参量I_C,Ti的函数式：

其中，r_Ti为第i个发射线圈的寄生电阻；

所述电压型优化等效电路第i个发射端LCC补偿拓扑的串电感-并电容-串电容的约束条件为：

其中，L_Ti为第i个发射线圈的自电感，L_Ci、C_Ci和C_Ti分别为第i个发射端的LCC补偿拓扑的串电感、并联电容和串电容；

针对所述电压型优化等效电路，根据基尔霍夫电路定律及所述LCC补偿拓扑的约束条件获得电压型优化电路的总馈入系统功率P_V,T和负载获得功率PDL_V关于各发射端电压源电压参量V_V,Si的函数式：

进一步地，在一种实现方式中，所述步骤3包括：

针对所述电流型优化电路，在式(1)中所述电流型优化电路的总馈入系统功率P_C,T确定的条件下，利用拉格朗日乘数法优化所述各发射线圈上电流参量I_C,Ti，使得式(2)中所述电流型优化电路的负载获得功率PDL_C达到最大所需的第i个发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT为：

其中，r_Tj为第j个发射线圈的寄生电阻，Q_TsR为第s个发射线圈与接收线圈传输品质因素，1≤j≠s≤n且j≠i；

将所述第i个发射线圈上优化电流参量I_C,Ti,OPT带入式(2)得到电流型优化电路的最大负载获得功率PDL_C,MAX：

根据基尔霍夫电路定律将式(5)的所述电流型优化电路的第i个发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT对应到电流型优化等效电路的第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT：

其中，Q_TjR为第j个发射线圈与接收线圈传输品质因素，I_C,Tj,OPT为使得式(2)中电流型优化电路的负载获得功率PDL_C达到最大所需的第j个发射线圈优化电流参量，M_TiTj为第i个发射线圈与第j个发射线圈间的互感量，1≤i≤n，1≤j≤n；

结合式(7)，用两个以上的电压源实现所述多发射单接收WPT系统在电流型优化电路的最大负载获得功率PDL_C,MAX传输；

针对所述电压型优化电路，在式(3)总馈入系统功率P_V,T确定的约束条件下，利用拉格朗日乘数法优化所述各发射端电压源电压参量V_V,Si使得式(4)的所述电压型优化电路的负载获得功率PDL_V达到最大所需的第i个发射端电压源优化电压参量V_V,Si,OPT为：

其中，C_Cs为第s个发射端的LCC补偿拓扑的并联电容；

将所述第i个发射端电压源优化电压参量V_V,Si,OPT带入式(4)得到最大负载获得功率PDL_V,MAX：

根据基尔霍夫电路定律将式(8)的第i个发射端电压源优化电压参量V_V,Si,OPT对应到电压型优化电路馈电端口的优化输入电流参量I_V,Ii,OPT：

其中，C_Cj为第j个发射端的LCC补偿拓扑的并联电容，V_V,Sj,OPT为使得式(4)的所述电压型优化电路的负载获得功率PDL_V达到最大所需的第j个发射端电压源优化电压参量，1≤i≤n，1≤j≤n。

进一步地，在一种实现方式中，所述步骤4包括：

对于有相同的总馈电功率P_T进入所述电流型优化电路和电压型优化电路，即P_C,T＝P_V,T＝P_T，获得电流型优化电路和电压型优化电路的最大负载获得功率相同，即PDL_C,MAX＝PDL_V,MAX＝PDL_MAX；

在所述各发射线圈寄生电阻相同，即r_Ti＝r_T，且电压型优化电路所有LCC补偿电路的并联电容相同，即C_Ci＝C_C时，所述电压型优化电路的第i个发射端电压源优化电压参量V_V,Si,OPT、第i个馈电端口的优化输入电流参量I_V,Ii,OPT与电流型优化电路的第i个发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT、第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT的关系为：

I_V,Ii,OPT＝ω₀C_CV_C,Si,OPT (12)

当发射线圈与接收线线圈的相对位置确定后，基于所述电流型优化电路，通过优化发射线圈电流得到第i个发射线圈上优化电流参量I_C,Ti,OPT，进一步优化第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT，以获得最大负载获得功率PDL_MAX；

若所述发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT超过了系统元件的最高电流限制，或电压源输出最高电压参量值小于所述第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT，则优化获得的第i个发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT和第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT不能应用于实际系统实现最大负载获得功率PDL_MAX传输；

由式(11)和式(12)式可知，通过调节电压型优化电路的LCC补偿电路的并联电容C_C，可同时实现最大负载获得功率PDL_MAX传输和第i个发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT和第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT的可调。

第二方面，本发明公开一种多发射单接收WPT系统，用于执行所述一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法，所述方法包括：

步骤1，根据多发射单接收WPT系统建立两种等效电路；所述多发射单接收WPT系统包括若干个高频电源、若干个发射线圈以及单个接收线圈；所述两种等效电路包括电流型优化电路和电压型优化电路；

所述电流型优化电路的发射端和接收端均采用电容C串联补偿拓扑；所述电压型优化电路的发射端采用串电感-并电容-串电容的LCC补偿拓扑，所述电压型优化电路的接收端采用电容C串联补偿拓扑；

步骤2，根据所述电流型优化电路，利用基尔霍夫电路定律获得所述电流型优化电路的总馈入系统功率和负载获得功率分别与各发射线圈上的电流参量的关系式；

根据所述电压型优化电路，利用基尔霍夫电路定律获得所述电压型优化电路的总馈入系统功率和负载获得功率分别与各电压源馈电电压参量的关系式；

步骤3，根据所述电流型优化电路，利用拉格朗日乘数法优化所述各发射线圈上的电流参量，获得系统的最大负载获得功率，并推导获得对应的加载在所述各发射线圈上的电压源馈电电压参量；

根据所述电压型优化电路，利用拉格朗日乘数法优化所述各电压源馈电电压，获得系统的最大负载获得功率，并推导获得对应的流入各发射端口的电流参量；

步骤4，根据所述步骤2和步骤3获得的结果，在系统定功率输入和满足最大负载获得功率传输的条件下，调节所述电压型优化电路的发射端并联电容C的值，实现在确定传输距离上对发射端馈电电压参量和输入电流参量的调节。

由以上技术方案可知，本发明实施例中提供一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法。所述方法包括：步骤1，根据多发射单接收WPT系统建立两种等效电路；所述多发射单接收WPT系统包括若干个高频电源、若干个发射线圈以及单个接收线圈；所述两种等效电路包括电流型优化电路和电压型优化电路；所述电流型优化电路的发射端和接收端均采用电容C串联补偿拓扑；所述电压型优化电路的发射端采用串电感-并电容-串电容的LCC补偿拓扑，所述电压型优化电路的接收端采用电容C串联补偿拓扑；步骤2，根据所述电流型优化电路，利用基尔霍夫电路定律获得所述电流型优化电路的总馈入系统功率和负载获得功率分别与各发射线圈上的电流参量的关系式；根据所述电压型优化电路，利用基尔霍夫电路定律获得所述电压型优化电路的总馈入系统功率和负载获得功率分别与各电压源馈电电压参量的关系式；步骤3，根据所述电流型优化电路，利用拉格朗日乘数法优化所述各发射线圈上的电流参量，获得系统的最大负载获得功率，并推导获得对应的加载在所述各发射线圈上的电压源馈电电压参量；根据所述电压型优化电路，利用拉格朗日乘数法优化所述各电压源馈电电压，获得系统的最大负载获得功率，并推导获得对应的流入各发射端口的电流参量；步骤4，根据所述步骤2和步骤3获得的结果，在系统定功率输入和满足最大负载获得功率传输的条件下，调节所述电压型优化电路的发射端并联电容C的值，实现在确定传输距离上对发射端馈电电压参量和输入电流参量的调节。

本发明在总系统输入功率确定情况下，以获得系统最大负载获得功率为目标，基于拉格朗日乘数法优化电流型优化电路各发射线圈上的电流参量以及优化电压型优化电路各电压源的馈电电压参量，实现系统最大负载获得功率的传输。此外，通过建立电流型优化电路与电压型优化电路的参数关系，分析得到通过调节电压型优化电路发射端LCC匹配电路的并联电容值以实现电压源的馈电电压参量和发射线圈上的电流参量的可调。本发明解决了在总馈入系统功率确定条件下，实现系统最大负载获得功率的传输和发射端电压源的馈电电压参量和发射线圈上的电流参量可调的关键难题，为多发射单接收系统进行高效而不损坏系统元件的WPT提供了明确的指导。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例部分提供的一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法的工作流程示意图；

图2a是本发明实施例部分提供的一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法中电流型优化电路的等效电路示意图；

图2b是本发明实施例部分提供的一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法中电压型优化电路的等效电路示意图；

图3是本发明实施例部分提供的一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法的多发射单接收线圈排布模型示意图；

图4a是本发明实施例部分提供的一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法中传输距离不同时，利用电流型优化电路获得最大负载获得功率需优化的电流参量值与小车离开距离的关系示意图；

图4b是本发明实施例部分提供的一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法中传输距离不同时，利用电流型优化电路获得最大负载获得功率与小车离开距离的关系示意图；

图5a是本发明实施例部分提供的一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法中传输距离一定时，利用电压型优化电路实现第三发射线圈的端口电压源馈电电压参量可调的分析示意图；

图5b是本发明实施例部分提供的一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法中传输距离一定时，利用电压型优化电路实现第三发射线圈的端口输入电流参量可调的分析示意图；

图6a是本发明实施例部分提供的一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法中传输距离为D_T＝0.3m时，FEKO软件仿真磁场分布示意图；

图6b是本发明实施例部分提供的一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法中传输距离为D_T＝0.7m时，FEKO软件仿真磁场分布示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例公开一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法，本方法应用于发射电流参量或馈电电压参量超过系统元件的限流值或电源最大供电电压值，导致系统元器件损坏或不能实现最大负载获得功率的应用场景。

如图1所示，本发明实施例所述的一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法，包括：

步骤1，根据多发射单接收WPT系统建立两种等效电路；所述多发射单接收WPT系统包括若干个高频电源、若干个发射线圈以及单个接收线圈；所述两种等效电路包括电流型优化电路和电压型优化电路；

所述电流型优化电路的发射端和接收端均采用电容C串联补偿拓扑；所述电压型优化电路的发射端采用串电感-并电容-串电容的LCC补偿拓扑，所述电压型优化电路的接收端采用电容C串联补偿拓扑；

步骤2，根据所述电流型优化电路，利用基尔霍夫电路定律获得所述电流型优化电路的总馈入系统功率和负载获得功率分别与各发射线圈上的电流参量的关系式；

根据所述电压型优化电路，利用基尔霍夫电路定律获得所述电压型优化电路的总馈入系统功率和负载获得功率分别与各电压源馈电电压参量的关系式；

步骤3，根据所述电流型优化电路，利用拉格朗日乘数法优化所述各发射线圈上的电流参量，获得系统的最大负载获得功率，并推导获得对应的加载在所述各发射线圈上的电压源馈电电压参量；

根据所述电压型优化电路，利用拉格朗日乘数法优化所述各电压源馈电电压，获得系统的最大负载获得功率，并推导获得对应的流入各发射端口的电流参量；

步骤4，根据所述步骤2和步骤3获得的结果，在系统定功率输入和满足最大负载获得功率传输的条件下，调节所述电压型优化电路的发射端并联电容C的值，实现在确定传输距离上对发射端馈电电压参量和输入电流参量的调节。

进一步地，按照上述步骤，通过优化电压型优化电路各发射端口馈电电压参量和输入电流参量来实现系统的最大负载获得功率的传输，并通过调节所述电压型优化电路发射端LCC匹配电路的并联电容值以实现发射端口电压源的馈电电压参量和输入电流参量的可调。

本发明实施例所述的一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法中，所述若干个发射线圈沿着一维直线排列，所述单个接收线圈所在平面平行于发射线圈所在平面，且所述单个接收线圈所在平面与发射线圈所在平面相距一段距离放置。本实施例中，所述的若干个发射线圈与单个接收线圈的排布结构适用于动态WPT的应用场景，尤其契合电动汽车动态充电的场合。

本发明实施例所述的一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法中，所述步骤1包括：

由所述多发射单接收WPT系统的电流型优化电路方案，结构如图2a所示，其中r_Ti、L_Ti、C_Ti分别为发射线圈的寄生电阻、发射线圈自电感、发射线圈匹配谐振电容，本实施例中，1≤i≤n，n表示发射线圈的总个数，n≥2且为正整数。V_C,Si和I_C,Ti分别为加载到发射线圈上电压源电压参量和流入发射线圈的电流参量。r_R、L_R、C_R、I_C,R和r_L分别为单个接收线圈的寄生电阻、接收线圈自电感、接收线圈匹配谐振电容、接收线圈上的电流和负载电阻。M_TiTj和M_TiR分别为发射线圈间的互感和发射线圈与接收线线圈间的互感，本实施例中，1≤i≠j≤n。

由所述多发射单接收WPT系统的电压型优化电路方案，结构如图2b所示，其中V_V,Si和I_V,Ii分别为加载到发射端口上电压源电压参量和流入发射端口的电流参量。I_V,R为接收线圈上的电流，L_Ci、C_Ci、C_Ti分别为匹配LCC电路的串联电感、并联电容、串联电容。而C_Ti在所述电流型优化电路方案中是直接与L_Ti构成谐振串联的电容。

计算获得图2a和图2b中所述多发射单接收WPT系统的两种等效电路的第i个发射线圈与接收线圈传输品质因素Q_TiR：

Q_TiR＝ω₀M_TiR/r′_R，

其中，ω₀为多发射单接收WPT系统的谐振频率，M_TiR为第i个发射线圈与接收线圈间的互感量，1≤i≤n，n表示发射线圈的总个数，n≥2且为正整数，r′_R为接收线圈寄生电阻r_R与负载电阻r_L之和。

本发明实施例所述的一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法中，所述步骤2包括：

针对所述电流型优化等效电路，根据基尔霍夫电路定律获得所述电流型优化电路的总馈入系统功率P_C,T和负载获得功率PDL_C关于各发射线圈上电流参量I_C,Ti的函数式：

其中，r_Ti为第i个发射线圈的寄生电阻；

所述电压型优化等效电路第i个发射端LCC补偿拓扑的串电感-并电容-串电容的约束条件为：

其中，L_Ti为第i个发射线圈的自电感，L_Ci、C_Ci和C_Ti分别为第i个发射端的LCC补偿拓扑的串电感、并联电容和串电容；

针对所述电压型优化等效电路，根据基尔霍夫电路定律及所述LCC补偿拓扑的约束条件获得电压型优化电路的总馈入系统功率P_V,T和负载获得功率PDL_V关于各发射端电压源电压参量V_V,Si的函数式：

本发明实施例所述的一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法中，所述步骤3包括：

针对所述电流型优化电路，在式(1)中所述电流型优化电路的总馈入系统功率P_C,T确定的条件下，利用拉格朗日乘数法优化所述各发射线圈上电流参量I_C,Ti，使得式(2)中所述电流型优化电路的负载获得功率PDL_C达到最大所需的第i个发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT为：

其中，r_Tj为第j个发射线圈的寄生电阻，Q_TsR为第s个发射线圈与接收线圈传输品质因素，1≤j≠s≤n且j≠i；

将所述第i个发射线圈上优化电流参量I_C,Ti,OPT带入式(2)得到电流型优化电路的最大负载获得功率PDL_C,MAX：

根据基尔霍夫电路定律将式(5)的所述电流型优化电路的第i个发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT对应到电流型优化等效电路的第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT：

其中，Q_TjR为第j个发射线圈与接收线圈传输品质因素，I_C,Tj,OPT为使得式(2)中电流型优化电路的负载获得功率PDL_C达到最大所需的第j个发射线圈优化电流参量，M_TiTj为第i个发射线圈与第j个发射线圈间的互感量，1≤i≤n，1≤j≤n；

结合式(7)，用两个以上的电压源实现所述多发射单接收WPT系统在电流型优化电路的最大负载获得功率PDL_C,MAX传输；

针对所述电压型优化电路，在式(3)总馈入系统功率P_V,T确定的约束条件下，利用拉格朗日乘数法优化所述各发射端电压源电压参量V_V,Si使得式(4)的所述电压型优化电路的负载获得功率PDL_V达到最大所需的第i个发射端电压源优化电压参量V_V,Si,OPT为：

其中，C_Cs为第s个发射端的LCC补偿拓扑的并联电容；

将所述第i个发射端电压源优化电压参量V_V,Si,OPT带入式(4)得到最大负载获得功率PDL_V,MAX：

根据基尔霍夫电路定律将式(8)的第i个发射端电压源优化电压参量V_V,Si,OPT对应到电压型优化电路馈电端口的优化输入电流参量I_V,Ii,OPT：

其中，C_Cj为第j个发射端的LCC补偿拓扑的并联电容，V_V,Sj,OPT为使得式(4)的所述电压型优化电路的负载获得功率PDL_V达到最大所需的第j个发射端电压源优化电压参量，1≤i≤n，1≤j≤n。

本发明实施例所述的一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法中，所述步骤4包括：

对于有相同的总馈电功率P_T进入所述电流型优化电路和电压型优化电路，即P_C,T＝P_V,T＝P_T，获得电流型优化电路和电压型优化电路的最大负载获得功率相同，即PDL_C,MAX＝PDL_V,MAX＝PDL_MAX；

在所述各发射线圈寄生电阻相同，即r_Ti＝r_T，且电压型优化电路所有LCC补偿电路的并联电容相同，即C_Ci＝C_C时，所述电压型优化电路的第i个发射端电压源优化电压参量V_V,Si,OPT、第i个馈电端口的优化输入电流参量I_V,Ii,OPT与电流型优化电路的第i个发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT、第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT的关系为：

I_V,Ii,OPT＝ω₀C_CV_C,Si,OPT (12)

当发射线圈与接收线线圈的相对位置确定后，基于所述电流型优化电路，通过优化发射线圈电流得到第i个发射线圈上优化电流参量I_C,Ti,OPT，进一步优化第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT，以获得最大负载获得功率PDL_MAX；

若所述发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT超过了系统元件的最高电流限制，或电压源输出最高电压参量值小于所述第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT，则优化获得的第i个发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT和第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT不能应用于实际系统实现最大负载获得功率PDL_MAX传输；

由式(11)和式(12)式可知，通过调节电压型优化电路的LCC补偿电路的并联电容C_C，可同时实现最大负载获得功率PDL_MAX传输和第i个发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT和第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT的可调。

结合本发明实施例公开的一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法，本发明实施例还公开一种多发射单接收WPT系统，用于执行所述一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法，所述方法包括：

步骤1，根据多发射单接收WPT系统建立两种等效电路；所述多发射单接收WPT系统包括若干个高频电源、若干个发射线圈以及单个接收线圈；所述两种等效电路包括电流型优化电路和电压型优化电路；

所述电流型优化电路的发射端和接收端均采用电容C串联补偿拓扑；所述电压型优化电路的发射端采用串电感-并电容-串电容的LCC补偿拓扑，所述电压型优化电路的接收端采用电容C串联补偿拓扑；

步骤2，根据所述电流型优化电路，利用基尔霍夫电路定律获得所述电流型优化电路的总馈入系统功率和负载获得功率分别与各发射线圈上的电流参量的关系式；

根据所述电压型优化电路，利用基尔霍夫电路定律获得所述电压型优化电路的总馈入系统功率和负载获得功率分别与各电压源馈电电压参量的关系式；

步骤3，根据所述电流型优化电路，利用拉格朗日乘数法优化所述各发射线圈上的电流参量，获得系统的最大负载获得功率，并推导获得对应的加载在所述各发射线圈上的电压源馈电电压参量；

根据所述电压型优化电路，利用拉格朗日乘数法优化所述各电压源馈电电压，获得系统的最大负载获得功率，并推导获得对应的流入各发射端口的电流参量；

步骤4，根据所述步骤2和步骤3获得的结果，在系统定功率输入和满足最大负载获得功率传输的条件下，调节所述电压型优化电路的发射端并联电容C的值，实现在确定传输距离上对发射端馈电电压参量和输入电流参量的调节。

具体的，本发明所述实施例由5个发射线圈TX_i(i＝1,…,5)和单个接收线圈构成，排布方式如图3所示为：所述5个发射线圈TX_i沿着直线排列，发射线圈TX_i中心从左到到右连线为x轴。5个发射线圈TX_i直线排列总长度D＝2m，两两TX_i间隔距离D_I＝0.5m，研究的坐标原点O处于第三个发射线圈TX₃中心点处，经过原点垂直x轴向上为y轴。所述单个接收线圈RX与发射线圈TX_i中心点所在平面相距D_T，本实施例给出D_T＝0.3m和0.7m两个传输距离上的系统特性。RX与TX₃的水平偏移距离为D_M，当RX位于y轴左边则D_M<0，当RX位于y轴右边则D_M>0，当RX处于y轴上则D_M＝0m。

本实施例发射线圈和接收线圈尺寸相同，用直径为1.2m、电导率为5.7×10⁷S/m铜材料多股利兹线绕制线圈。线圈直径和绕制的圈数分别为0.31m和25。系统谐振角频率ω₀＝6.28×10⁶rad/s，负载电阻R_L＝100Ω，由电路理论计算得所述实施例的r_Ti＝r_R＝1.96Ω、L_Ti＝L_R＝40.55μH，电流型优化电路的谐振匹配电容C_Ti＝C_R＝625pF。电压型优化电路C_R＝625pF，而C_Ti和L_Ci则由LCC补偿拓扑串的约束条件

和并联调节电容C_Ci确定，本实施例中取C_Ci＝5×10^-11F和5×10^-7F两个值。

如图4a所示，为在接收线圈与发射线圈间传输距离D_T＝0.3m和0.7m时，利用电流型优化电路获得最大负载获得功率PDL_MAX需优化5个发射线圈上的电流参量值与小车离开坐标原点距离D_M的关系示意图；如图4b所示，为在接收线圈与发射线圈间传输距离D_T＝0.3m和0.7m时，利用电流型优化电路获得最大负载获得功率PDL_MAX与小车离开坐标原点距离D_M的关系示意图；

如图5a和图5b所示，为接收线圈与发射线圈间传输距离为D_T＝0.3m情况下，利用电压型优化电路实现第三发射线圈的端口电压源馈电电压参量和输入电流参量可调的分析示意图；

本实施例给出接收线圈与发射线圈间传输距离分别为D_T＝0.3m、0.7m时，接收线圈处于第三发射线圈上方D_M＝0m，整个系统在xoy平面上的磁场分布情况分别如图6a和图6b所示，图中标注了沿y方向上最大磁场强度H_YMAX和最大负载获得功率PDL_MAX。

本发明实施例所述的一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法包括：步骤1，根据多发射单接收WPT系统建立两种等效电路；所述多发射单接收WPT系统包括若干个高频电源、若干个发射线圈以及单个接收线圈；所述两种等效电路包括电流型优化电路和电压型优化电路；所述电流型优化电路的发射端和接收端均采用电容C串联补偿拓扑；所述电压型优化电路的发射端采用串电感-并电容-串电容的LCC补偿拓扑，所述电压型优化电路的接收端采用电容C串联补偿拓扑；步骤2，根据所述电流型优化电路，利用基尔霍夫电路定律获得所述电流型优化电路的总馈入系统功率和负载获得功率分别与各发射线圈上的电流参量的关系式；根据所述电压型优化电路，利用基尔霍夫电路定律获得所述电压型优化电路的总馈入系统功率和负载获得功率分别与各电压源馈电电压参量的关系式；步骤3，根据所述电流型优化电路，利用拉格朗日乘数法优化所述各发射线圈上的电流参量，获得系统的最大负载获得功率，并推导获得对应的加载在所述各发射线圈上的电压源馈电电压参量；根据所述电压型优化电路，利用拉格朗日乘数法优化所述各电压源馈电电压，获得系统的最大负载获得功率，并推导获得对应的流入各发射端口的电流参量；步骤4，根据所述步骤2和步骤3获得的结果，在系统定功率输入和满足最大负载获得功率传输的条件下，调节所述电压型优化电路的发射端并联电容C的值，实现在确定传输距离上对发射端馈电电压参量和输入电流参量的调节。

本发明在系统输入功率确定和获得最大负载获得功率为前提条件下，基于拉格朗日乘数法，利用电压型优化电路方案实现发射端电压源电压参量和输入电流参量可调的目标。本发明步骤详细、理论充分、实用性强，为实现多发射单接收WPT系统最大负载获得功率传输的同时又满足发射端电压源电压参量和输入电流参量可调功能提供了明确的指导。

具体实现中，本发明还提供一种计算机存储介质，其中，该计算机存储介质可存储有程序，该程序执行时可包括本发明提供的一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法的各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，ROM)或随机存储记忆体(random access memory，RAM)等。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。

Claims (3)

1.一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法，其特征在于，包括：

步骤1，根据多发射单接收WPT系统建立两种等效电路；所述多发射单接收WPT系统包括若干个高频电源、若干个发射线圈以及单个接收线圈；所述两种等效电路包括电流型优化电路和电压型优化电路；

所述电流型优化电路的发射端和接收端均采用电容C串联补偿拓扑；所述电压型优化电路的发射端采用串电感-并电容-串电容的LCC补偿拓扑，所述电压型优化电路的接收端采用电容C串联补偿拓扑；

步骤2，根据所述电流型优化电路，利用基尔霍夫电路定律获得所述电流型优化电路的总馈入系统功率和负载获得功率分别与各发射线圈上的电流参量的关系式；

根据所述电压型优化电路，利用基尔霍夫电路定律获得所述电压型优化电路的总馈入系统功率和负载获得功率分别与各电压源馈电电压参量的关系式；

步骤3，根据所述电流型优化电路，利用拉格朗日乘数法优化所述各发射线圈上的电流参量，获得系统的最大负载获得功率，并推导获得对应的加载在所述各发射线圈上的电压源馈电电压参量；

根据所述电压型优化电路，利用拉格朗日乘数法优化所述各电压源馈电电压，获得系统的最大负载获得功率，并推导获得对应的流入各发射端口的电流参量；

步骤4，根据所述步骤2和步骤3获得的结果，在系统定功率输入和满足最大负载获得功率传输的条件下，调节所述电压型优化电路的发射端并联电容C的值，实现在确定传输距离上对发射端馈电电压参量和输入电流参量的调节；

所述步骤1包括：

计算所述多发射单接收WPT系统的两种等效电路的第i个发射线圈与接收线圈传输品质因素Q_TiR：

Q_TiR＝ω₀M_TiR/r′_R，

其中，ω₀为多发射单接收WPT系统的谐振频率，M_TiR为第i个发射线圈与接收线圈间的互感量，1≤i≤n，n表示发射线圈的总个数，n≥2且为正整数，r′_R为接收线圈寄生电阻r_R与负载电阻r_L之和；

所述步骤2包括：

针对所述电流型优化等效电路，根据基尔霍夫电路定律获得所述电流型优化电路的总馈入系统功率P_C,T和负载获得功率PDL_C关于各发射线圈上电流参量I_C,Ti的函数式：

其中，r_Ti为第i个发射线圈的寄生电阻；

所述电压型优化等效电路第i个发射端LCC补偿拓扑的串电感-并电容-串电容的约束条件为：

其中，L_Ti为第i个发射线圈的自电感，L_Ci、C_Ci和C_Ti分别为第i个发射端的LCC补偿拓扑的串电感、并联电容和串电容；

针对所述电压型优化等效电路，根据基尔霍夫电路定律及所述LCC补偿拓扑的约束条件获得电压型优化电路的总馈入系统功率P_V,T和负载获得功率PDL_V关于各发射端电压源电压参量V_V,Si的函数式：

所述步骤3包括：

针对所述电流型优化电路，在式(1)中所述电流型优化电路的总馈入系统功率P_C,T确定的条件下，利用拉格朗日乘数法优化所述各发射线圈上电流参量I_C,Ti，使得式(2)中所述电流型优化电路的负载获得功率PDL_C达到最大所需的第i个发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT为：

其中，r_Tj为第j个发射线圈的寄生电阻，Q_TsR为第s个发射线圈与接收线圈传输品质因素，1≤j≠s≤n且j≠i；

将所述第i个发射线圈上优化电流参量I_C,Ti,OPT带入式(2)得到电流型优化电路的最大负载获得功率PDL_C,MAX：

根据基尔霍夫电路定律将式(5)的所述电流型优化电路的第i个发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT对应到电流型优化等效电路的第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT：

其中，Q_TjR为第j个发射线圈与接收线圈传输品质因素，I_C,Tj,OPT为使得式(2)中电流型优化电路的负载获得功率PDL_C达到最大所需的第j个发射线圈优化电流参量，M_TiTj为第i个发射线圈与第j个发射线圈间的互感量，1≤i≤n，1≤j≤n；

结合式(7)，用两个以上的电压源实现所述多发射单接收WPT系统在电流型优化电路的最大负载获得功率PDL_C,MAX传输；

针对所述电压型优化电路，在式(3)总馈入系统功率P_V,T确定的约束条件下，利用拉格朗日乘数法优化所述各发射端电压源电压参量V_V,Si使得式(4)的所述电压型优化电路的负载获得功率PDL_V达到最大所需的第i个发射端电压源优化电压参量V_V,Si,OPT为：

其中，C_Cs为第s个发射端的LCC补偿拓扑的并联电容；

将所述第i个发射端电压源优化电压参量V_V,Si,OPT带入式(4)得到最大负载获得功率PDL_V,MAX：

根据基尔霍夫电路定律将式(8)的第i个发射端电压源优化电压参量V_V,Si,OPT对应到电压型优化电路馈电端口的优化输入电流参量I_V,Ii,OPT：

其中，C_Cj为第j个发射端的LCC补偿拓扑的并联电容，V_V,Sj,OPT为使得式(4)的所述电压型优化电路的负载获得功率PDL_V达到最大所需的第j个发射端电压源优化电压参量，1≤i≤n，1≤j≤n；

所述步骤4包括：

对于有相同的总馈电功率P_T进入所述电流型优化电路和电压型优化电路，即P_C,T＝P_V,T＝P_T，获得电流型优化电路和电压型优化电路的最大负载获得功率相同，即PDL_C,MAX＝PDL_V,MAX＝PDL_MAX；

在所述各发射线圈寄生电阻相同，即r_Ti＝r_T，且电压型优化电路所有LCC补偿电路的并联电容相同，即C_Ci＝C_C时，所述电压型优化电路的第i个发射端电压源优化电压参量V_V,Si,OPT、第i个馈电端口的优化输入电流参量I_V,Ii,OPT与电流型优化电路的第i个发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT、第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT的关系为：

I_V,Ii,OPT＝ω₀C_CV_C,Si,OPT (12)

当发射线圈与接收线线圈的相对位置确定后，基于所述电流型优化电路，通过优化发射线圈电流得到第i个发射线圈上优化电流参量I_C,Ti,OPT，进一步优化第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT，以获得最大负载获得功率PDL_MAX；

若所述发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT超过了系统元件的最高电流限制，或电压源输出最高电压参量值小于所述第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT，则优化获得的第i个发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT和第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT不能应用于实际系统实现最大负载获得功率PDL_MAX传输；

由式(11)和式(12)式可知，通过调节电压型优化电路的LCC补偿电路的并联电容C_C，可同时实现最大负载获得功率PDL_MAX传输和第i个发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT和第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT的可调。

2.根据权利要求1所述的一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法，其特征在于，所述若干个发射线圈沿着一维直线排列，所述单个接收线圈所在平面平行于发射线圈所在平面，且所述单个接收线圈所在平面与发射线圈所在平面相距一段距离放置。

3.一种多发射单接收WPT系统，其特征在于，用于执行一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法，所述方法包括：

步骤1，根据多发射单接收WPT系统建立两种等效电路；所述多发射单接收WPT系统包括若干个高频电源、若干个发射线圈以及单个接收线圈；所述两种等效电路包括电流型优化电路和电压型优化电路；

所述电流型优化电路的发射端和接收端均采用电容C串联补偿拓扑；所述电压型优化电路的发射端采用串电感-并电容-串电容的LCC补偿拓扑，所述电压型优化电路的接收端采用电容C串联补偿拓扑；

步骤2，根据所述电流型优化电路，利用基尔霍夫电路定律获得所述电流型优化电路的总馈入系统功率和负载获得功率分别与各发射线圈上的电流参量的关系式；

根据所述电压型优化电路，利用基尔霍夫电路定律获得所述电压型优化电路的总馈入系统功率和负载获得功率分别与各电压源馈电电压参量的关系式；

步骤3，根据所述电流型优化电路，利用拉格朗日乘数法优化所述各发射线圈上的电流参量，获得系统的最大负载获得功率，并推导获得对应的加载在所述各发射线圈上的电压源馈电电压参量；

根据所述电压型优化电路，利用拉格朗日乘数法优化所述各电压源馈电电压，获得系统的最大负载获得功率，并推导获得对应的流入各发射端口的电流参量；

步骤4，根据所述步骤2和步骤3获得的结果，在系统定功率输入和满足最大负载获得功率传输的条件下，调节所述电压型优化电路的发射端并联电容C的值，实现在确定传输距离上对发射端馈电电压参量和输入电流参量的调节；

所述步骤1包括：

计算所述多发射单接收WPT系统的两种等效电路的第i个发射线圈与接收线圈传输品质因素Q_TiR：

Q_TiR＝ω₀M_TiR/r′_R，

其中，ω₀为多发射单接收WPT系统的谐振频率，M_TiR为第i个发射线圈与接收线圈间的互感量，1≤i≤n，n表示发射线圈的总个数，n≥2且为正整数，r_R′为接收线圈寄生电阻r_R与负载电阻r_L之和；

所述步骤2包括：

针对所述电流型优化等效电路，根据基尔霍夫电路定律获得所述电流型优化电路的总馈入系统功率P_C,T和负载获得功率PDL_C关于各发射线圈上电流参量I_C,Ti的函数式：

其中，r_Ti为第i个发射线圈的寄生电阻；

所述电压型优化等效电路第i个发射端LCC补偿拓扑的串电感-并电容-串电容的约束条件为：

其中，L_Ti为第i个发射线圈的自电感，L_Ci、C_Ci和C_Ti分别为第i个发射端的LCC补偿拓扑的串电感、并联电容和串电容；

针对所述电压型优化等效电路，根据基尔霍夫电路定律及所述LCC补偿拓扑的约束条件获得电压型优化电路的总馈入系统功率P_V,T和负载获得功率PDL_V关于各发射端电压源电压参量V_V,Si的函数式：

所述步骤3包括：

针对所述电流型优化电路，在式(1)中所述电流型优化电路的总馈入系统功率P_C,T确定的条件下，利用拉格朗日乘数法优化所述各发射线圈上电流参量I_C,Ti，使得式(2)中所述电流型优化电路的负载获得功率PDL_C达到最大所需的第i个发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT为：

其中，r_Tj为第j个发射线圈的寄生电阻，Q_TsR为第s个发射线圈与接收线圈传输品质因素，1≤j≠s≤n且j≠i；

将所述第i个发射线圈上优化电流参量I_C,Ti,OPT带入式(2)得到电流型优化电路的最大负载获得功率PDL_C,MAX：

根据基尔霍夫电路定律将式(5)的所述电流型优化电路的第i个发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT对应到电流型优化等效电路的第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT：

其中，Q_TjR为第j个发射线圈与接收线圈传输品质因素，I_C,Tj,OPT为使得式(2)中电流型优化电路的负载获得功率PDL_C达到最大所需的第j个发射线圈优化电流参量，M_TiTj为第i个发射线圈与第j个发射线圈间的互感量，1≤i≤n，1≤j≤n；

结合式(7)，用两个以上的电压源实现所述多发射单接收WPT系统在电流型优化电路的最大负载获得功率PDL_C,MAX传输；

针对所述电压型优化电路，在式(3)总馈入系统功率P_V,T确定的约束条件下，利用拉格朗日乘数法优化所述各发射端电压源电压参量V_V,Si使得式(4)的所述电压型优化电路的负载获得功率PDL_V达到最大所需的第i个发射端电压源优化电压参量V_V,Si,OPT为：

其中，C_Cs为第s个发射端的LCC补偿拓扑的并联电容；

将所述第i个发射端电压源优化电压参量V_V,Si,OPT带入式(4)得到最大负载获得功率PDL_V,MAX：

根据基尔霍夫电路定律将式(8)的第i个发射端电压源优化电压参量V_V,Si,OPT对应到电压型优化电路馈电端口的优化输入电流参量I_V,Ii,OPT：

其中，C_Cj为第j个发射端的LCC补偿拓扑的并联电容，V_V,Sj,OPT为使得式(4)的所述电压型优化电路的负载获得功率PDL_V达到最大所需的第j个发射端电压源优化电压参量，1≤i≤n，1≤j≤n；

所述步骤4包括：

对于有相同的总馈电功率P_T进入所述电流型优化电路和电压型优化电路，即P_C,T＝P_V,T＝P_T，获得电流型优化电路和电压型优化电路的最大负载获得功率相同，即PDL_C,MAX＝PDL_V,MAX＝PDL_MAX；

在所述各发射线圈寄生电阻相同，即r_Ti＝r_T，且电压型优化电路所有LCC补偿电路的并联电容相同，即C_Ci＝C_C时，所述电压型优化电路的第i个发射端电压源优化电压参量V_V,Si,OPT、第i个馈电端口的优化输入电流参量I_V,Ii,OPT与电流型优化电路的第i个发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT、第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT的关系为：

I_V,Ii,OPT＝ω₀C_CV_C,Si,OPT (12)

当发射线圈与接收线线圈的相对位置确定后，基于所述电流型优化电路，通过优化发射线圈电流得到第i个发射线圈上优化电流参量I_C,Ti,OPT，进一步优化第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT，以获得最大负载获得功率PDL_MAX；

若所述发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT超过了系统元件的最高电流限制，或电压源输出最高电压参量值小于所述第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT，则优化获得的第i个发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT和第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT不能应用于实际系统实现最大负载获得功率PDL_MAX传输；

由式(11)和式(12)式可知，通过调节电压型优化电路的LCC补偿电路的并联电容C_C，可同时实现最大负载获得功率PDL_MAX传输和第i个发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT和第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT的可调。

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