CN112290695B - 一种基于磁谐振的mimo磁安全充电方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于磁谐振的MIMO磁安全充电方法，所述该方法由N个TXs端和Q个RXs端组成，相互之间通过MRC‑WPT系统控制，所述该控制系统通过如下步骤控制：步骤1：为充电线圈建立足够简单且精确的磁场分布模型；步骤2：对系统磁安全约束进行离散化；步骤3：在磁安全约束下，对系统充电效率优化问题进行求解，本发明针对常见的充电线圈，创新地提出了一套基于磁力线划分的足够简单且精确的建模方法，使得MIMO MRC‑WPT系统中的磁安全问题找到了突破口，为后续的相关研究工作打下了基础。
Description
技术领域
本发明设计基于磁谐振的MIMO磁安全充电方法，属于无线充电技术领域。
背景技术
近年来，基于磁场媒介的短距离无线充电技术(Wireless Power Transmission)已经被广泛应用于不同场景，为移动终端设备、传感器网络以及电动汽车等等提供无线能量传输。其中，基于磁谐振耦合(Magnetic Resonant Coupling)的实现方式较基于电感耦合(Inductive Coupling，或称磁耦合)的实现方式有着更高的效率和更长的充电距离。而随着多输入多输出技术(Multiple-Input Multiple-Output)被引入，这一优势又被大大加强。因此，基于磁谐振的MIMO无线充电技术在工业界和学术界引起了广泛的关注。
但是，长久以来存在于磁谐振充电系统中的磁辐射(ElectromagneticRadiation)安全问题一直没有得到根本性的解决。加之MIMO技术的引入，其波束汇聚的特点使得在接受端设备形成的磁辐射更大。例如，早前提出的MagneticMIMO[1]和MultiSpot[2]系统已经被通过实验[3]证实会违反国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)制定的磁辐射安全标准[4]。因此，为了实现系统充电性能与人体健康之间的更好权衡，对考虑磁安全限制的充电性能优化算法的研究是十分重要且有意义的。
目前国际上已有一些相关研究工作，其在进行系统充电性能优化的同时，考虑了磁安全限制。但是，这些研究工作或是只考虑了十分简单的场景[5][6]，其结论不具有普适性和扩展性，或是属于射频(Radio Frequency)充电领域[7][8]，其结论对我们的工作虽有着一定的指导意义，但却不能直接应用于磁谐振充电领域。
我们在此方案中借鉴了以往磁谐振充电系统中的设计经验，并在进行系统充电性能优化的同时，首次考虑了系统的磁安全限制。即，在多输入多输出环境中，保证系统空间范围内任意一点的磁场强度不高于国际上制定的安全阈值，并且实现系统发射端到接收端的总能量传输最大化。
发明内容
本发明的目的是为了在磁安全限制下对MIMO磁谐振充电系统实现最大化能量传输，通过提取整个系统充电可达空间中有效的离散化磁安全约束，以及求解在磁安全约束下的充电性能优化问题来达到这一要求，本发明可采取下述技术方案：一种基于磁谐振的MIMO磁安全充电方法，其特征在于所述该方法由N个TXs端和Q个RXs端组成，相互之间通过MRC-WPT系统控制，所述该控制系统通过如下步骤控制：
步骤1：为充电线圈建立足够简单且精确的磁场分布模型；
步骤2：对系统磁安全约束进行离散化；
步骤3：在磁安全约束下，对系统充电效率优化问题进行求解。
作为优选：所述该步骤算法包括电路公式和磁场公式，其中
电路公式为：
通过应用基尔霍夫定律，系统电流和电压公式的矩阵形式。
在公式(1)-(5)中，其中的符号含义如下：
磁场公式为：
根据毕奥·萨伐尔定律，用ζ来表示系统所考虑的可达空间，用p表示空间ζ中的任意一点，用表示p点的磁场强度向量(x、y、z方向)。
在只有一个线圈(记为线圈s)的简单情况下，p点的场强公式如下所示，
其中，表示线圈的场强因子向量，i表示线圈s上的电流。
在存在多个线圈(记共有S个线圈)的情况下，p点的场强公式为S个线圈分别在p点场强的矢量和，其矩阵形式如下，
其中，表示S个线圈的场强因子矩阵，
表示S个线圈的电流向量。
当线圈上通交流电时，的模长也是时变的，其推导过程如下，
其中，上标*和’分别表示矩阵的共轭转置和转置操作，real()表示取实部部分。
因此，模长的峰值也可以推导出，
由上，在所提出的MRC-WPT系统中，共有N个TXs和Q个RXs。因此，根据公式(1)和(9)，并经过简单地推导，可以得到在我们的系统中计算任意一点p场强峰值的公式：
其中，
FT(p)和FR(p)分别代表TXs和RXs的场强因子矩阵。
通过优化调度系统发射端电流，来使得系统从发射端到接收端的总能量传输达到最大化。因此可以得到如下公式：
subject to
其中
由上，我们已经离散化并提取了有效的系统磁安全约束，因此，我们用Ψ来表示有效的系统磁安全约束，仍用p来表示其中一条有效约束，即对于Ψ中任意一点p，其由公式(10)计算出来的场强峰值要小于最大场强限制。另外，在忽略了RX-RX互感之后，我们假设发射端电流相位全为0，接收端电流相位全为90°。因此，发射端电流就变为一个实数向量，即有成立。这样，我们的问题也就转换成一个标准的半正定Semi-Definite Problem问题。我们重新形式化了我们的问题，如下所示：
max{X}Tr(T*RRYX)， (12)
subject to
Tr(RTX)+Tr(Y*RRYX)≤Pmax， (C12a)
其中，上述公式中的符号如下：
通过转换，就可以很好地被成熟的凸优化技术ADMM来解决。
本发明首次地在MIMO MRC-WPT系统中考虑了磁安全问题，创新地提出了一套基于磁力线划分的足够简单且精确的建模方法，使得MIMO MRC-WPT系统中的磁安全问题找到了突破口，为后续的相关研究工作打下了基础；通过针对系统中的冗余磁安全约束，创新地提出了两条过滤规则：“边界”规则和“遮挡”规则；提出了一套基于磁谐振的MIMO磁安全充电算法，在保证系统可观的充电性能的前提下，解决了长期存在于MIMO MRC-WPT系统中的磁安全问题。
附图说明
图1为算法流程图。
图2为线圈样式及参数。
图3为线圈精确理论模型。
图4为基于磁力线的模型划分过程。
图5为同构采样点。
图6为“边界”规则。
图7为“遮挡”规则。
图8为系统架构示意图。
图9为应用场景示意图。
图10为实验应用场景图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍:本发明的目的是为了在磁安全限制下对MIMO磁谐振充电系统实现最大化能量传输，通过提取整个系统充电可达空间中有效的离散化磁安全约束，以及求解在磁安全约束下的充电性能优化问题来达到这一要求。该算法主要分为以下3个部分:
“EMR Model”：即Electromagnetic Radiation Model，为充电线圈建立足够简单且精确的磁场分布模型。目前在无线充电系统中的磁安全研究工作主要集中在射频领域，其系统磁场分布模型可以看做是全向的2D分布，且磁场强度随距离呈现2次方衰减。这跟基于充电线圈的磁谐振充电系统中的3D磁场分布相比，其磁场分布模型就显得相对简单，且其理论公式不能直接应用在磁谐振充电系统中。因此，我们针对常见的充电线圈，推导出了一个普适的磁场分布建模方法。这样，在系统考虑的空间内，空间中任意一点的磁场强度值都是可以计算的，即系统中所有线圈(包括发射线圈和接受线圈)分别对其产生磁场的矢量和。
图2展示了在我们系统中所采用的充电线圈样式以及线圈参数。如图3所示，我们以线圈中心为原点，建立本地坐标系，并进一步建立了精确的线圈理论模型。然而，常用的充电线圈并非是完整对称的同心圆模型，为了方便计算，我们对线圈理论模型进行了近似。我们直接把线圈看做是由一组同心圆组成，并且证明了近似所带来的误差是可以接受的。在进行近似后，我们得到了一个绕Z轴旋转对称的理论模型。
为了得到一个足够简单且精确的模型，我们进一步对模型进行了划分。图4展示了我们创新地提出的基于磁力线的划分过程。由于我们近似后的模型是Z轴旋转对称的，因此我们只需要关心在X-Z平面上的磁力线分布。我们利用了欧拉折线拟合的方法去拟合X-Z平面上的磁力线分布，但由于磁力线分布的不规则性，我们很难去直接做划分。考虑到数学上存在的曲线连续扩张映射，我们把磁力线一一映射成了一组同心圆分布。我们对映射空间中呈同心圆分布的磁力线进行径向和环向上的均等划分，并通过反映射，最终得到了在原始空间中的划分结果。
“Constraint Discretization”：对系统磁安全约束进行离散化。磁谐振充电系统中的磁安全约束，即保证系统所考虑的空间中任意一点的磁场强度不超过限定的安全阈值。由于我们所考虑的是一个连续的物理空间，如果要保证所考虑空间中任意一点的磁场强度都要满足磁安全约束，就会产生无穷多个约束。因此，我们基于蒙特卡洛采样的方法，对空间进行了离散化，从而将无限个的约束转化为有限个。由于，我们之前已经对单个线圈的磁场分布模型进行了网格状划分，所以，在布置离散采样点之后，我们需要对同构的采样点进行过滤。如图5所示，如果两个采样点(2和3)分别对每个线圈来说都落在同一个网格内，那么这就构成了同构采样点。我们需要过滤掉其中一个，避免产生同构约束。
尽管过滤了同构约束，但系统仍然会存在冗余的约束。进一步，我们也设计了冗余约束过滤规则，对离散化产生的冗余约束进行筛除：①“边界”规则，根据我们推导的系统中任意一点处磁场强度的精确公式(后面公式推导部分介绍)，我们发现任意一点处的磁场强度对系统发射端电流具有凸函数性质。因此，在限定最大值的发射端电流的可取值空间中，一条磁约束的最大磁场强度值在发射端电流可行空间的边界处取得。图6展示一个包含两个发射线圈的系统，其某一点处的场强在电流取值空间的边界处取得，即图中标出的红圈。因此，我们可以认为一条约束是冗余的，只要它在系统发射端电流可行空间边界处所取得的最大场强值仍然小于磁场安全阈值。②“遮挡”规则，如图7所示，对于系统中任意两点，如果它们对于每一个线圈都具有同样的观察角，那么更远的那个点的磁场强度就会比相对较近的那个点小。基于这一发现，通过两两比较具有相同观察角的约束点，每次我们可以过滤掉较远的那个点。
“SDP Based Solution”：在磁安全约束下，对系统充电效率优化问题进行求解。在得到系统磁安全约束后，我们最后需要在磁安全约束下，对系统发射端电流进行调度，以达到系统充电效率最大化。由于接受线圈之间的互感较发射线圈之间的互感、以及发射线圈与接受线圈之间的互感相比小了两个数量级，并且一般来说，接收线圈是被很好地分开放置的。因此，我们可以忽略接受线圈之间互感。在忽略接受线圈之后互感之后，我们的问题接下来也就可以很好地转换成了标准的半正定问题，并且可以通过现有成熟的凸优化技术(ADMM)来解决。
系统架构概述
如图8所示，所提出的MRC-WPT系统由N个TXs和Q个RXs。该系统采用磁谐振技术(谐振频率ω)，其中自感和电容在每个TX/RX上调谐，使他们的影响相互抵消。因此，在这项工作中，我们可以忽略有关电感和电容的项。另外，我们假设在TX和RX之间存在某种通信通道，比如Qi规范中的带内通信协议，或者Rezence规范中的蓝牙。RXs可以通过此通信通道反馈其阻抗状态。
电路公式
如下所示，通过应用基尔霍夫定律，我们推导出了系统电流和电压公式的矩阵形式。
在公式(1)-(5)中，其中的符号含义如表1所示。
表1电路符号含义
磁场公式
根据毕奥·萨伐尔定律，我们知道一个位置、大小固定的充电线圈对空间中一定点产生的磁场强度只与线圈上的电流大小成正比，其正比系数只与线圈形状、大小和线圈与点之间的相对位置有关系。因此，在进行充电线圈磁场公式的推导过程我们用ζ来表示系统所考虑的可达空间，用p表示空间ζ中的任意一点，用表示p点的磁场强度向量(x、y、z方向)。
在只有一个线圈(记为线圈s)的简单情况下，p点的场强公式如下所示，
其中，表示线圈的场强因子向量，i表示线圈s上的电流。
在存在多个线圈(记共有S个线圈)的情况下，p点的场强公式为S个线圈分别在p点场强的矢量和，其矩阵形式如下，
其中，表示S个线圈的场强因子矩阵，
表示S个线圈的电流向量。
当线圈上通交流电时，的模长也是时变的，其推导过程如下，
其中，上标*和’分别表示矩阵的共轭转置和转置操作，real()表示取实部部分。
因此，模长的峰值也可以推导出，
由上，在所提出的MRC-WPT系统中，共有N个TXs和Q个RXs。因此，根据公式(1)和(9)，并经过简单地推导，可以得到在我们的系统中计算任意一点p场强峰值的公式：
其中，
FT(p)和FR(p)分别代表TXs和RXs的场强因子矩阵。
我们的目标是，在保证系统充电可达空间范围内任意一点的磁场强度不高于国际上制定的安全阈值的前提下，通过优化调度系统发射端电流，来使得系统从发射端到接收端的总能量传输达到最大化。因此，我们的问题可以被形式化为如中，我们将电流和线圈对空间中任意一点所产生的场强因子进行了分离。下公式：
subject to
其中，上述公式中的符号含义如表2所示。
表2符号含义
由上，我们已经离散化并提取了有效的系统磁安全约束。因此，我们用Ψ来表示有效
的系统磁安全约束，仍用p来表示其中一条有效约束，即对于Ψ中任意一点p，其由公式(10)计算出来的场强峰值要小于最大场强限制。另外，在忽略了RX-RX互感之后，我们假设发射端电流相位全为0，接收端电流相位全为90°。因此，发射端电流就变为一个实数向量，即有成立。这样，我们的问题也就转换成一个标准的半正定(Semi-Definite Problem)问题。我们重新形式化了我们的问题，如下所示：
max{X}Tr(Y*RRYX)， (12)
subject to
Tr(RTX)+Tr(Y*RRYX)≤Pmax， (C12a)
其中，上述公式中的符号含义如表3所示。表3符号含义
通过转换，最后的问题(12)就可以很好地被成熟的凸优化技术(ADMM)来解决。
在我们的实际实验中，我们发现国际制定的磁安全标准具有很强的限制，导致实际系统的充电性能十分低。因此，我们对磁安全标准进行了一定的放松，并参考了地磁场的大小，设置了一组不同的最大场强限制。同时，我们又提出了安全距离的概念，如图9所示，即人体组织距离线圈边缘的水平距离。
针对不同的实际场景(主要是与实际系统中TX数目、RX数目、线圈之间的摆放位置以及实际物理环境条件有关)，我们的算法会找到不同安全距离下的最佳最大场强限制，来实现保证系统磁安全的同时，使得系统仍然具有可观的充电性能。例如，在我们的实验场景下，根据我们的实验结果，当充电安全距离达到80cm或者最大场强限制达到5uT的时候，磁安全限制将不再影响系统的充电性能。
在图10中，考虑了两种不同的应用场景，分别是2TXs-2TXs(左图)和4TXs-4TXs(右图)。在本系统中，考虑了几种不同的接收设备，分别有LED灯泡(额定功率3W)、小风扇(额定功率1W)以及一部智能手机(额定功率5W)。
本系统接收端平面距离发射端平面约15cm。在系统中，所有发射端、接收端和中继端的谐振频率均为1.0MHz，这处在普通无线电能传输系统的频率范围内，也不会干扰其他的无线设备的频段。
本系统将我们提出的在磁安全约束下的优化算法，与其他几种经典优化算法在磁安全约束下的表现进行了对比。从实验结果看，我们的算法在不同场景下都具有明显的优势，具有普适性。
1.本发明首次地在MIMO MRC-WPT系统中考虑了磁安全问题；
2.本发明针对常见的充电线圈，创新地提出了一套基于磁力线划分的足够简单且精确的建模方法，使得MIMO MRC-WPT系统中的磁安全问题找到了突破口，为后续的相关研究工作打下了基础；
3.本发明针对系统中的冗余磁安全约束，创新地提出了两条过滤规则：“边界”规则和“遮挡”规则；
4.本发明提出了一套基于磁谐振的MIMO磁安全充电算法，在保证系统可观的充电性能的前提下，解决了长期存在于MIMO MRC-WPT系统中的磁安全问题。
Claims (1)
1.一种基于磁谐振的MIMO磁安全充电方法，其特征在于所述方法由N个TXs端和Q个RXs端组成，相互之间通过MRC-WPT系统控制，所述控制系统通过如下步骤控制：
步骤1：为充电线圈建立磁场分布模型；
步骤2：对系统磁安全约束进行离散化；
步骤3：在磁安全约束下，对系统充电效率优化问题进行求解；
所述步骤算法包括电路公式和磁场公式，其中
电路公式为：
通过应用基尔霍夫定律，系统电流和电压公式的矩阵形式：
在公式(1)-(5)中，其中的符号含义如下：
磁场公式为：
根据毕奥·萨伐尔定律，用ζ来表示系统所考虑的可达空间，用p表示空间ζ中的任意一点，用表示p点的磁场强度向量，x、y、z方向；
在只有一个线圈，记为线圈s的简单情况下，p点的场强公式如下所示，
其中，表示线圈的场强因子向量，i表示线圈s上的电流，在存在多个线圈，记共有S个线圈的情况下，p点的场强公式为S个线圈分别在p点场强的矢量和，其矩阵形式如下，
其中，表示S个线圈的场强因子矩阵，
表示S个线圈的电流向量；
当线圈上通交流电时，的模长也是时变的，其推导过程如下，
其中，上标*和’分别表示矩阵的共轭转置和转置操作，real()表示取实部部分；
因此，模长的峰值也可以推导出，
由上，在所提出的MRC-WPT系统中，共有N个TXs和Q个RXs，因此，根据公式(1)和(9)，并经过简单地推导，可以得到在系统中计算任意一点p场强峰值的公式：
其中，
FT(p)和FR(p)分别代表TXs和RXs的场强因子矩阵；
通过优化调度系统发射端电流，来使得系统从发射端到接收端的总能量传输达到最大化，因此可以得到如下公式：
受约束于
其中
由上，已经离散化并提取了有效的系统磁安全约束，因此，用Ψ来表示有效的系统磁安全约束，仍用p来表示其中一条有效约束，即对于Ψ中任意一点p，其由公式(10)计算出来的场强峰值要小于最大场强限制，另外，在忽略了RX-RX互感之后，假设发射端电流相位全为0，接收端电流相位全为90°，因此，发射端电流就变为一个实数向量，即有成立，这样，问题也就转换成一个标准的半正定问题，重新形式化了问题，如下所示：
max{X}Tr(Y*RRYX)， (12)
受约束于
Tr(RTX)+Tr(Y*RRYX)≤Pmax， (12a)
其中，上述公式中的符号如下：
通过凸优化技术ADMM来解决。
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Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010233124A (ja) * | 2009-03-29 | 2010-10-14 | Kimitake Utsunomiya | 埋め込み型共振アンテナを持つトランシーバ |
| CN102810126A (zh) * | 2012-07-18 | 2012-12-05 | 上海交通大学 | 一种用于降低mimo-ue sar的方法及其仿真系统 |
| CN108923898A (zh) * | 2018-05-30 | 2018-11-30 | 重庆邮电大学 | 硬件损伤下无线能量传输的大规模mimo系统能效优化方法 |
| CN109768817A (zh) * | 2019-01-22 | 2019-05-17 | 重庆邮电大学 | 无线能量传输的大规模MIMO系统基于max-min公平的资源分配方法 |
| CN109977973A (zh) * | 2017-12-28 | 2019-07-05 | 深圳先进技术研究院 | 充电系统接收端状态估计方法、装置、设备和存储介质 |
| CN109995121A (zh) * | 2019-05-05 | 2019-07-09 | 中国科学技术大学 | 功率最优化的多对多无线充电设备及控制方法 |
| CN111064239A (zh) * | 2019-11-01 | 2020-04-24 | 东南大学 | 一种三维无线充电系统负载定位及功率恒定控制方法 |
| CN111082542A (zh) * | 2019-12-26 | 2020-04-28 | 重庆大学 | 一种应用辛普森积分法的磁耦合谐振线圈设计方法 |
| CN111106676A (zh) * | 2020-01-08 | 2020-05-05 | 国网河北省电力有限公司雄安新区供电公司 | Lcc-s型mc-wpt系统的磁耦合机构参数多目标优化方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7521890B2 (en) * | 2005-12-27 | 2009-04-21 | Power Science Inc. | System and method for selective transfer of radio frequency power |
-
2020
- 2020-09-14 CN CN202010961296.9A patent/CN112290695B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010233124A (ja) * | 2009-03-29 | 2010-10-14 | Kimitake Utsunomiya | 埋め込み型共振アンテナを持つトランシーバ |
| CN102810126A (zh) * | 2012-07-18 | 2012-12-05 | 上海交通大学 | 一种用于降低mimo-ue sar的方法及其仿真系统 |
| CN109977973A (zh) * | 2017-12-28 | 2019-07-05 | 深圳先进技术研究院 | 充电系统接收端状态估计方法、装置、设备和存储介质 |
| CN108923898A (zh) * | 2018-05-30 | 2018-11-30 | 重庆邮电大学 | 硬件损伤下无线能量传输的大规模mimo系统能效优化方法 |
| CN109768817A (zh) * | 2019-01-22 | 2019-05-17 | 重庆邮电大学 | 无线能量传输的大规模MIMO系统基于max-min公平的资源分配方法 |
| CN109995121A (zh) * | 2019-05-05 | 2019-07-09 | 中国科学技术大学 | 功率最优化的多对多无线充电设备及控制方法 |
| CN111064239A (zh) * | 2019-11-01 | 2020-04-24 | 东南大学 | 一种三维无线充电系统负载定位及功率恒定控制方法 |
| CN111082542A (zh) * | 2019-12-26 | 2020-04-28 | 重庆大学 | 一种应用辛普森积分法的磁耦合谐振线圈设计方法 |
| CN111106676A (zh) * | 2020-01-08 | 2020-05-05 | 国网河北省电力有限公司雄安新区供电公司 | Lcc-s型mc-wpt系统的磁耦合机构参数多目标优化方法 |
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