CN112311104B - 一种类eit多中继无线电能传输系统及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种类EIT多中继无线电能传输系统及其设计方法。本发明借鉴量子系统中的电磁感应透明原理，通过设计参数，保证系统工作在本征态，以实现最大功率输出。在此基础上，设计系统的本征矢量，保证系统的本征矢量中对应中继线圈的元素为0，使得中继线圈能够有效增强耦合而极少消耗能量，以此提升系统的效率实现同时兼顾系统输出功率和传输效率。本发明提出的技术方案可以适用于任意多中继线圈架构系统。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输系统，具体涉及一种类EIT多中继无线电能传输系统及其设计方法。
背景技术
针对磁耦合无线电能传输(Magnetic coupling wireless power transfer，MC-WPT)系统的能效和有效传能距离之间的矛盾问题，目前常用的解决方法是在发射端和接收端之间增加中继线圈，以此来提升系统的能效和空间能力。增加中继的实质就是通过增加中继线圈增强发射端和接受端的耦合强度。但中继线圈自身通常会增加额外的损耗，因此会相应的降低系统能耗。针对这一问题，现有解决方法都是针对特定中继线圈结构系统，对相关参数进行优化，所以能效提升效果有限。且相应的参数设计方法依赖于具体结构系统，难以推广应用到任意多中继线圈结构中。
发明内容
发明目的：为克服现有技术的缺陷，本发明提出一种类EIT多中继无线电能传输系统及其设计方法。本发明借鉴量子系统中的电磁感应透明原理，通过设计参数，保证系统工作在本征态，以实现最大功率输出。在此基础上，设计系统的本征矢量，保证系统的本征矢量中对应中继线圈的元素为0，使得中继线圈能够有效增强耦合而极少消耗能量，以此提升系统的效率实现同时兼顾系统输出功率和传输效率。本发明提出的技术方案可以适用于任意多中继线圈架构系统。
技术方案：为实现上述技术效果，本发明提出以下技术方案：
一种类EIT多中继无线电能传输系统的设计方法，包括以下步骤：
(1)在无线电能传输系统的原边电路和副边电路之间增设若干级联的中继电路，各中继电路分别与前后电路耦合，以实现电能传输；
(2)将原、副边电路和中继电路均等效为RLC串联谐振回路，得到一个包含n个RLC串联谐振回路的等效电路模型；
(3)根据基尔霍夫电压定律描述等效电路模型的电压-电流关系式；
(4)根据电压-电流关系式计算出系统工作在本征频率时的系统效率表达式：
其中，η表示系统效率，ω表示系统工作频率，ωq表示系统本征频率，Rj为第j个回路的总电阻，j＝1，2，…，n，RL表示负载电阻，
为系统工作在本征态时等效电路的特征向量；
(5)根据量子理论中的电磁感应透明原理，计算系统参数，使得系统的特征向量满足中间元素为零，即
到
都为零，此时系统效率为：
进一步的，所述步骤(3)中，根据基尔霍夫电压定律描述出的等效电路模型的电压-电流关系式为：
其中，Lj、Cj分别为第j个回路的自感和补偿电容，uj表示Cj两端的电压，Mij表示第i个回路的线圈与第j个回路的线圈之前的耦合系数；v1表示电源电压。
进一步的，所述系统本征频率的计算方法为：
将所述电压-电流关系式转化为以下形式：
V＝[v1 0 … 0]T
I＝[i1 i2 … in]T
U＝[u1 u2 … un]T
C＝diag(C1 C2 … Cn)n×n
R＝diag(R1 R2 … Rn)n×n
其中，ij为第j个回路的电流；
系统本征频率的计算公式为：
另外，本发明还提出一种类EIT多中继无线电能传输系统，包括原边电路、副边电路以及原副边电路之间依次级联的若干中继电路，各中继电路分别与前、后电路耦合，以实现电能传输；所述原、副边电路和中继电路均能够等效为RLC串联谐振回路，记整个系统中RLC串联谐振回路共计n个，系统效率满足以下公式：
其中，η表示系统效率，ω表示系统工作频率，ωq表示系统本征频率，R1为第1个回路的总电阻，Rn为第n个回路的总电阻，RL表示负载电阻，
为系统工作在本征态时等效电路特征向量中对应第1个回路的元素，
为系统工作在本征态时等效电路特征向量中对应第n个回路的元素。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1)本发明通过设计系统参数使得系统本征矢量对应的中继线圈的元素为0以此实现“类EIT”特性，该设计方法适用于任意多中继线圈结构系统。
2)基于本专利设计的方法，能够使得中继线圈有效增强耦合强度而不过多消耗能量，从而能够有效提升系统的能效。
3)本专利通过保证系统工作在本征频率，实现最大功率输出，在此基础上提升系统的传输效率，实现同时兼顾输出功率和传输效率。
附图说明
图1为实施例1涉及的系统等效电路图；
图2为实施例涉及的三线圈系统输出功率和传输效率随工作频率的变化曲线示意图；
图3为实施例涉及的三线圈系统输出功率和传输效率随d23的变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
实施例1：
本实施例提出一种类EIT多中继无线电能传输系统的设计方法，包括系统设计和参数设计两部部分。
系统部分设计如下：在无线电能传输系统的原边电路和副边电路之间增设若干级联的中继电路，各中继电路分别与前后电路耦合，以实现电能传输；将原、副边电路和中继电路均等效为RLC串联谐振回路，得到一个包含n个RLC串联谐振回路的等效电路模型，如图1所示。图1中，包含n个线圈，每个线圈串联连接一个补偿电容构成相应的振荡回路，带有下标j的变量表示第j个回路的相关电参数。Rpj，Lj和Cj分别代表第j个回路的内阻，自感以及补偿电容；ij和uj为第j个回路的电流和补偿电容Cj两端的电压，v1和RL为电源电压和负载电阻，Mij为线圈i和线圈j之间的互感。Rj为第j个回路的总电阻，当j≠n时，Rj＝Rpj，j＝n时，Rj＝Rpj+RL。
参数设计原理如下：
由基尔霍夫电压定律可得
定义电源电压矢量、回路电流矢量和电容电压矢量分别为V＝[v1 0 … 0]T，I＝[i1 i2 … in]T，U＝[u1 u2 … un]T，上式可以转化为：
其中
系统工作在本征频率时，可以获得最大的输出功率，系统本征频率表达式为：
ωq 2为矩阵[LC]-1的特征值，假设这一特征值对应的特征向量为
由矩阵理论可得：
当ω＝ωq时，将系统第j个回路的电流表示为
式中
其中
根据式(6)可得出第j个回路的电流幅值为：
Mc-WPT系统效率表达式为：
将式(8)代入式(9)可得：
式(10)即为系统效率最终表达式，此时系统工作在本征频率下，所以输出功率为最大值，但是无法保证传输效率的大小，通过对表达式进行分析，我们可以得出此时系统效率完全是由系统的本征矢量元素比决定的。结合量子理论中的电磁感应透明原理，我们可以通过设计系统参数使得系统特征矢量满足中间元素为零(即
到
都为零)，那么系统效率表达式即可化简为式(11)，这样就可以大大提升系统的效率，实现同时兼顾系统的输出功率和传输效率，此时系统称为类EIT多中继无线电能传输系统。
实施例2：
本实施例以三线圈系统为例，分析类EIT磁耦合无线电能传输系统需要满足的条件。系统的电感矩阵和电容矩阵分别为
令λ＝ωq 2，代入式(5)可得
将式(12)代入上式可得
根据类EIT原理，令
可解得
可得到系统的本征频率为
联立式(15)中的两个式子可得
(M12M23L1-M12 2M13)C1＝(M12M23L3-M23 2M13)C3 (17)
所以类EIT磁耦合无线电能传输系统需满足的条件为：
假设L1＝L2＝L3，C1＝C2＝C3，代入式(18)，化简得到类EIT三线圈无线电能传输系统最终需满足的条件为：
为了验证本发明提出的类EIT多中继无线电能传输系统及其设计方法的有效性，基于图1所示系统电路原理图采用MATLAB软件，对类EIT三线圈无线电能传输系统进行仿真验证。记系统中参数如下：
L1＝L2＝L3＝57μH，C1＝C2＝C3＝61.507nF，Rp1＝Rp2＝Rp3＝0.13Ω，RL＝2Ω，类EIT模式系统工作频率为
发射端、中继端以及接收端之间的互感约束关系为M12＝M23，由于三个线圈结构完全相同，因此可以用两线圈之间的距离表示两线圈之间的互感值，即d12＝d23。
为了验证系统工作频率为ω＝ωq时输出功率最大，设置系统满足d12＝d23＝15cm，调整系统的工作频率在0.6ωq～1.4ωq之间变化，系统输出功率和传输效率图见图2所示。
图2所示横坐标为对频率进行归一化后的值，即ω*＝1处表示ω＝ωq，根据图中仿真结果可以得出，当系统的工作频率等于本征频率时，系统输出功率为最大值，传输效率也较高。
为了验证系统满足互感条件M12＝M23时传输效率较高，设置系统工作频率为ω＝ωq，固定d12＝15cm，d23从5cm以5cm的步长逐渐增加到25cm，系统输出功率和传输效率图见图3所示。
图3(a)中，每个坐标点表示在该传输距离下的最大输出功率，从图3可以得出当d23＝15cm时，系统传输效率较高，输出功率为最大。因此本专利提出的方法可以同时兼顾系统输出功率和传输效率，使其均保持在较高水平。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种类EIT多中继无线电能传输系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在无线电能传输系统的原边电路和副边电路之间增设若干级联的中继电路，各中继电路分别与前后电路耦合，以实现电能传输；
(2)将原、副边电路和中继电路均等效为RLC串联谐振回路，得到一个包含n个RLC串联谐振回路的等效电路模型；
(3)根据基尔霍夫电压定律描述等效电路模型的电压-电流关系式；
(4)根据电压-电流关系式计算出系统工作在本征频率时的系统效率表达式：
其中，η表示系统效率，ω表示系统工作频率，ωq表示系统本征频率，Rj为第j个回路的总电阻，j＝1，2，…，n，RL表示负载电阻，
为系统工作在本征态时等效电路的特征向量；
(5)根据量子理论中的电磁感应透明原理，计算系统参数，使得系统的特征向量满足中间元素为零，即
到
都为零，此时系统效率为：
2.根据权利要求1所述的一种类EIT多中继无线电能传输系统的设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中，根据基尔霍夫电压定律描述出的等效电路模型的电压-电流关系式为：
其中，Lj、Cj分别为第j个回路的自感和补偿电容，uj表示Cj两端的电压，Mij表示第i个回路的线圈与第j个回路的线圈之前的耦合系数；v1表示电源电压。
3.根据权利要求2所述的一种类EIT多中继无线电能传输系统的设计方法，其特征在于，所述系统本征频率的计算方法为：
将所述电压-电流关系式转化为以下形式：
V＝[v1 0…0]T
I＝[i1 i2…in]T
U＝[u1 u2…un]T
C＝diag(C1 C2…Cn)n×n
R＝diag(R1 R2…Rn)n×n
其中，ij为第j个回路的电流；
系统本征频率的计算公式为：
4.一种基于权利要求1至3任意一项所述方法实现的类EIT多中继无线电能传输系统，其特征在于，包括原边电路、副边电路以及原副边电路之间依次级联的若干中继电路，各中继电路分别与前、后电路耦合，以实现电能传输；所述原、副边电路和中继电路均能够等效为RLC串联谐振回路，记整个系统中RLC串联谐振回路共计n个，系统效率满足以下公式：
其中，η表示系统效率，ω表示系统工作频率，ωq表示系统本征频率，R1为第1个回路的总电阻，Rn为第n个回路的总电阻，RL表示负载电阻，
为系统工作在本征态时等效电路特征向量中对应第1个回路的元素，
为系统工作在本征态时等效电路特征向量中对应第n个回路的元素。
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| Determining the Maximum Power Transfer Points for MC-WPT Systems With Arbitrary Number of Coils;Yue Sun等;《IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS》;20181130;第33卷(第11期);全文 * |
| Efficient weakly-radiative wireless energy transfer: An EIT-like approach;R.E.Hamam等;《Annals of Physics》;20090831;第324卷(第8期);全文 * |
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