CN112787413B - 一种mimo型磁耦合谐振无线电能传输的功率分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MIMO型磁耦合谐振无线电能传输的功率分配方法，给定输入端电源的探测电压并依次测量发射端电流、接收端负载电压和电流，然后计算当前耦合状态下的状态转移矩阵；给定接收端负载的目标功率，再由欧姆定律得到各个负载分配的目标电压值，求解得到每路激励所需的电压矢量或电流矢量，不断重复此过程，直到输出功率接近目标功率，实现功率分配。本发明方法计算量小，功率分配准确，功率传输稳定。

Description

一种MIMO型磁耦合谐振无线电能传输的功率分配方法
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种无线电能传输的功率分配方法。
背景技术
磁耦合谐振式无线电能传输技术基于电磁场近场耦合理论，通过建立强耦合谐振关系实现无线电能传输，可以高效率地实现高功率电能传输，传输距离远，电能传输过程对人体没有伤害。在传统的单输入单输出(single input single output，SISO)无线电能传输系统中，由于采取一对一模式进行电能传输，无线电能传输系统无法同时为多个负载提供能量，而且当接收设备的接收线圈发生位置偏移、角度倾斜时，传输效率也会大大降低，但是由于SISO型无线电能传输系统操作简便，目前应用广泛。
与SISO型无线电能传输系统相比，多输入多输出(multiple input multipleoutput，MIMO)型无线电能传输系统具有多个发射端和接收端，可同时对多个设备提供能量，并通过对发射端的多个线圈有针对性的进行控制，可以实现最优的输出功率，同时克服了传统无线电能传输系统由于收发线圈位置偏移、角度倾斜而产生的效率低下等问题。目前基于MIMO无线电能传输系统的研究中，大部分研究者给出了提高接收端设备接收功率的方法，但是对于具有不同功率需求多个接收端，没有提出有效进行功率分配的方法。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种MIMO型磁耦合谐振无线电能传输的功率分配方法，给定输入端电源的探测电压并依次测量发射端电流、接收端负载电压和电流，然后计算当前耦合状态下的状态转移矩阵；给定接收端负载的目标功率，再由欧姆定律得到各个负载分配的目标电压值，求解得到每路激励所需的电压矢量或电流矢量，不断重复此过程，直到输出功率接近目标功率，实现功率分配。本发明方法计算量小，功率分配准确，功率传输稳定。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤1：建立无线电能传输系统的输入输出等效电路模型；
将无线电能传输系统n个接收端的输出电压Uo＝[Uo1,Uo2,…,Uon]T与m个发射端电源的电压Ui＝[Ui1,Ui2,…,Uim]T的关系定义为：
Uo＝aUi (1)
其中a为n*m项的状态转移矩阵；Ui中第m项表达式为：
Uim(t)＝Uimcos(wt+φim) (2)
其中，Uim(t)是第m个发射端电源在t时刻的电压，Uim是第m个发射端电源的电压幅值，w是发射端电源电压的输出电压频率，φim是第m个发射端电源电压的相位，以第1个发射端电源的电压为参考零相位；
将发射端电源的电流Ii＝[Ii1，Ii2，…Iim]T与电压的关系定义为：
Ii＝cUi (3)
其中c为m*m项的状态转移矩阵；
Ii中第m项表达式为：
Iim(t)＝Iimcos(wit+φim) (4)
其中，Iim(t)是第m个发射端电源在t时刻的电流，Iim是第m个发射端电源的电流幅值；
步骤2：设定功率分配原理；
设n个接收端负载的目标功率分别为PRx1，PRx2，...，PRxn，由欧姆定律求得各个接收端的目标输出电压矢量为Uow；
给各个发射端电源施加探测电压矢量UiT，此时各个发射端电源的电流矢量为IiT，测量得到各个接收端输出电压矢量为UoT，则转移矩阵a和c确定如下：
a＝UoTUiT -1 (5)
c＝IiTUiT -1 (6)
根据式(1)得到各个发射端电源的目标电压矢量Uie为：
Uie＝a-1Uow (7)
由式(3)得到各个发射端电源的目标电流矢量Iie为：
Iie＝ca-1Uow (8)
分别给m个发射端电源施加电压矢量Uie或电流矢量Iie，得到各个接收端的输出电压，再根据欧姆定律得到各个接收端的负载功率；
步骤3：功率分配实现；
步骤3-1：给定m组发射端电源探测电压，设定n个接收端负载的目标功率，由步骤2的方法得到各个接收端的负载功率；
步骤3-2：重复执行步骤3-1，直到接收端的负载功率在设定的接收端负载的目标功率的正负10％范围内，结束执行，从而实现功率分配。
本发明的有益效果如下：
本发明提供一种MIMO型磁耦合谐振无线电能传输的功率分配方法，该方法无需复杂的运算，运算所需数据量小，降低了计算难度，因采用实时计算求解，实时性好，可以进行实时的输出功率跟踪，实现稳定的功率分配。
附图说明
图1为本发明方法的功率分配流程图。
图2为本发明的MIMO型磁耦合谐振式无线电能传输系统输入输出等效电路模型。
图3为本发明实施例三发射两接收磁耦合谐振式无线电能传输系统框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
MIMO型磁耦合谐振式无线电能传输系统的输入输出等效电路模型见图2。进行功率分配的原理是：根据每个输出端设备的功率需求，通过对电路模型中状态转移矩阵进行逆运算，求得该系统每个发射端电源的电压(电流)幅度和相位，通过控制系统的每个发射端电源的电压(电流)幅度和相位，对具有不同功率需求的负载进行功率分配。
如图1所示，一种MIMO型磁耦合谐振无线电能传输的功率分配方法，包括以下方法：
步骤1：建立无线电能传输系统的输入输出等效电路模型；
将无线电能传输系统n个接收端的输出电压Uo＝[Uo1，Uo2，…，Uon]T与m个发射端电源的电压Ui＝[Ui1，Ui2，…，Uim]T的关系定义为：
Uo＝aUi (1)
其中a为n*m项的状态转移矩阵；Ui中第m项表达式为：
Uim(t)＝Uimcos(wt+φim) (2)
其中，Uim(t)是第m个发射端电源在t时刻的电压，Uim是第m个发射端电源的电压幅值，w是发射端电源电压的输出电压频率，φim是第m个发射端电源电压的相位，以第1个发射端电源的电压为参考零相位；
将发射端电源的电流Ii＝[Ii1，Ii2，…Iim]T与电压的关系定义为：
Ii＝cUi (3)
其中c为m*m项的状态转移矩阵；
Ii中第m项表达式为：
Iim(t)＝Iimcos(wit+φim) (4)
其中，Iim(t)是第m个发射端电源在t时刻的电流，Iim是第m个发射端电源的电流幅值；
步骤2：设定功率分配原理；
对于MIMO型磁耦合谐振无线电能传输系统，通过调整发射端电源的电压或电流幅值和相位可以改变传输到接收端的功率，因此只要能求得合适的发射电压矢量Ui0(包括电压幅度和相位)或者发射电流矢量Ii0(包括电流幅度和相位)，就能给接收线圈输出所需要的功率(目标输出功率)，即给系统进行功率分配；
设n个接收端负载的目标功率分别为PRx1，PRx2，...，PRxn，由欧姆定律求得各个接收端的目标输出电压矢量为Uow；
给各个发射端电源施加探测电压矢量UiT，此时各个发射端电源的电流矢量为IiT，测量得到各个接收端输出电压矢量为UoT，则转移矩阵a和c确定如下：
a＝UoTUiT -1 (5)
c＝IiTUiT -1 (6)
根据式(1)得到各个发射端电源的目标电压矢量Uie为：
Uie＝a-1Uow (7)
由式(3)得到各个发射端电源的目标电流矢量Iie为：
Iie＝ca-1Uow (8)
分别给m个发射端电源施加电压矢量Uie或电流矢量Iie，得到各个接收端的输出电压，再根据欧姆定律得到各个接收端的负载功率；
步骤3：功率分配实现；
步骤3-1：给定m组发射端电源探测电压，设定n个接收端负载的目标功率，由步骤2的方法得到各个接收端的负载功率；
步骤3-2：重复执行步骤3-1，直到接收端的负载功率在在设定的接收端负载的目标功率的正负10％范围内，结束执行，从而实现功率分配。
具体实施例：
给具有三发射端和两接收端的磁耦合谐振式无线电能传输系统的2个均为10Ω的负载电阻分别分配10W和2.5W的功率，根据欧姆定律，可以计算得到2个接收端的目标输出电压为Uow＝[10∠0°,5∠0°]T。
实施例1：利用电压矢量进行功率分配
系统启动后，首先给定三组探测电压阵列UiT1(V)、UiT2(V)、UiT3(V)见表1。系统测量发射端电流IiT1(A)、IiT2(A)、IiT3(A)、接收端负载的电流IoT1(V)、IoT2(A)和电压UoT1(V)、UoT2(V)，测量结果如下：
表1线圈输入输出参数
根据式(5)，计算当前耦合状态下的状态转移矩阵a，结果如下：
为实现既定目标功率输出，计算该三发射两接收磁耦合谐振式无线电能传输系统的发射电压源参数，由式(7)求得发射电压矢量Uie为：
给三发射两接收磁耦合谐振式无线电能传输系统施加上述求得的发射电压矢量Uie进行功率传输，测量并计算得到两负载的接收功率PRX1和PRX2分别为9.8w、2.7w，误差小于10％。
实施例2：利用电流矢量进行功率分配
在得到如表1所示的测量数据后，根据式(6)，计算当前耦合状态下的状态转移矩阵c，结果如下：
为实现既定目标功率输出，计算该三发射两接收磁耦合谐振式无线电能传输系统的发射电流参数，由式(8)求得发射电流矢量Iie为：
同样给三发射两接收磁耦合谐振式无线电能传输系统施加上述求得的发射电流矢量Iie，测量并计算得到两负载的接收功率PRX1和PRX2分别为9.4w、2.3w，误差小于10％。

Claims (1)

1.一种MIMO型磁耦合谐振无线电能传输的功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立无线电能传输系统的输入输出等效电路模型；
将无线电能传输系统n个接收端的输出电压Uo＝[Uo1，Uo2，…，Uon]T与m个发射端电源的电压Ui＝[Ui1，Ui2，…，Uim]T的关系定义为：
Uo＝aUf (1)
其中a为n*m项的状态转移矩阵；Ui中第m项表达式为：
Uim(t)＝Uimcos(wt+φim) (2)
其中，Uim(t)是第m个发射端电源在f时刻的电压，Uim是第m个发射端电源的电压幅值，w是发射端电源电压的输出电压频率，φim是第m个发射端电源电压的相位，以第1个发射端电源的电压为参考零相位；
将发射端电源的电流Ii＝[Ii1，Ii2，…Iim]T与电压的关系定义为：
Ii＝cUi (3)
其中c为m*m项的状态转移矩阵；
If中第m项表达式为：
Iim(t)＝Iimcos(wit+φim) (4)
其中，Iim(t)是第m个发射端电源在f时刻的电流，Iim是第m个发射端电源的电流幅值；
步骤2：设定功率分配原理；
设n个接收端负载的目标功率分别为PRx1，PRx2，...，PRxn，由欧姆定律求得各个接收端的目标输出电压矢量为Uow；
给各个发射端电源施加探测电压矢量UiT，此时各个发射端电源的电流矢量为IiT，测量得到各个接收端输出电压矢量为UoT，则转移矩阵a和c确定如下：
a＝UoTUiT -1 (5)
c＝IiTUiT -1 (6)
根据式(1)得到各个发射端电源的目标电压矢量Ufe为：
Ufe＝a-1Uow (7)
由式(3)得到各个发射端电源的目标电流矢量Iie为：
Ife＝ca-1Uow (8)
分别给m个发射端电源施加电压矢量Ufe或电流矢量Ife，得到各个接收端的输出电压，再根据欧姆定律得到各个接收端的负载功率；
步骤3：功率分配实现；
步骤3-1：给定m组发射端电源探测电压，设定n个接收端负载的目标功率，由步骤2的方法得到各个接收端的负载功率；
步骤3-2：重复执行步骤3-1，直到接收端的负载功率在设定的接收端负载的目标功率的正负10％范围内，结束执行，从而实现功率分配。
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