CN113224856A - 一种可重构电流型无线电能传输系统的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可重构电流型无线电能传输系统的优化方法；可重构电流型系统也会面临当工作在电压谐振式时，由于不同负载的差异使得系统传递至不同负载的能量以及能量传输效率PTE并不能保持最优的问题。本发明的过程如下：步骤一、建立系统最优负载阻抗表达式和对应的最大传输效率的表达式。步骤二、阻抗匹配网络参数设计。本发明在可重构电流型无线电能传输系统中引入L型阻抗匹配网络，使得可重构电流型无线电能传输系统能够工作在最大传输功率附近。本发明基于可重构电流型无线电能传输系统，通过结合阻抗匹配网络，使得系统以电压模式工作时只需要调整阻抗匹配网络的元器件参数，就能在不同负载条件下均实现最大功率传输。

Description

一种可重构电流型无线电能传输系统的优化方法

技术领域

本发明属于无线可充电传感器网络能量供应技术领域，具体涉及一种可重构电流型无 线电能传输系统的带阻抗匹配优化方法

背景技术

因为电压谐振式系统和电流谐振式系统分别适用在耦合距离或负载值较小和较大，即 接收端电压较大和较小的场景。而在植入式医疗、传感器、无线射频识别和无线充电设备 等的应用背景下，都会面临由于线圈的耦合条件(包括相对距离和相对方向等)、电路谐 振状态或者负载的改变导致的接收端接收功率变化的问题。而可重构电流型系统基于对接 收端电压幅值的检测，使得系统在接收端电压较大时工作在电压谐振式，接收端电压较小 时工作在电流谐振式，分别使系统获得更高的能量传输效率(Power TransferEfficiency， PTE)和电压转换效率(Voltage Conversion Efficiency，VCE)，同时拓展了系统的传输距 离和负载范围，使得系统可以应用在传输距离和负载变化较大的场景。

但可重构电流型系统也会面临当工作在电压谐振式时，由于不同负载的差异使得系统 传递至不同负载的能量(Power Deliveredto Load，PDL)以及能量传输效率PTE并不能保 持最优的问题，甚至PDL和PTE都为一个极小值，因而并不能满足负载所需系统提供的能量。而为了解决这一问题，本文提出了基于可重构电流型系统工作在电压谐振式时与阻抗匹配技术相结合的技术方案和电路结构，使得在系统以电压谐振式运行时，在任意负载下均能使得系统输出最大功率，保证最大功率传输效率，并且同时不会影响系统以电流谐振式运行时的性能。

发明内容

本发明提供一种可重构电流型磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输效率优化方法。

本发明一种可重构电流型无线电能传输系统的优化方法的优化对象是可重构电流型无 线电能传输系统，其包括发送端和接收端。所述的接收端包括接收线圈L2、匹配电感Ls、 匹配电容Cp、开关管M1、开关管M2、开关管M3、开关管M4和电容C2。所述接收线 圈L2的一端通过开关管M4连接到负载RL的第一输入端，通过串联的匹配电感Ls和开 关管M3连接到负载RL的第一输入端；接收线圈L2的另一端连接到负载RL的第二输入 端。串联的匹配电容Cp、开关管M1并联在接收线圈L2、匹配电感Ls的两端或并联在接 收线圈L2的两端。串联的匹配电容C2、开关管M2并联在接收线圈L2的两端。

该带阻抗匹配的可重构电流型无线电能传输系统的优化方法具体如下：

步骤一、建立系统最优负载阻抗Z_eqr,opt表达式和对应的最大传输效率η_max表达式分别如 式(4)、式(5)所示：

其中，Q₁为发送线圈的品质因数；Q₂为接收线圈的品质因数；R_eqr,opt为系统最优负载 值；Re(·)表示提取复数的实部；Im(·)表示提取复数的虚部；j为虚数单位。

步骤二、阻抗匹配网络参数设计。

2-1若负载值R_L<R_eqr,opt，阻抗匹配网络选择先并联电容C_p然后串联电感L_s的方式。此时， 阻抗匹配网络和负载端的输入阻抗Z_eqr如式(6)所示；

其中，整合变量

整合变量

为了消除接收端的无功损耗并实现最大功率传输，需使Z_eqr＝Z_eqr,opt，如式(7)所示；

计算匹配电容Cp的电容值C_p和匹配电感Ls的电感值L_s的值，如式(8)所示；

2-2.若负载值R_L>R_eqr,opt，阻抗匹配网络选择先串联L_s然后并联C_p的方式；阻抗匹配 网络和负载端的输入阻抗Z_eqr如式(9)所示；

为了消除接收端的无功损耗并实现最大功率传输，需使Z_eqr＝Z_eqr,opt，如式(10)所示；

计算匹配电容Cp的电容值C_p和匹配电感Ls的电感值L_s的值，如式(11)所示；

由此完成带阻抗匹配的可重构电流型无线电能传输系统的优化。

作为优选，步骤一的具体过程如下：计算纯电阻网络下的接收端效率η_r如式(1)所示

其中，R_eqr为阻抗Z_eqr的实部；Z_eqr为从匹配电感Ls和匹配电容Cp组成的阻抗匹配网络看入的等效输入阻抗；R₂为接收线圈L2自身的等效电阻。

计算反射阻抗Z_rt的实部R_rt和发送线圈谐振时的发送端的传输效率η_t如式(2)所示：

其中，

Z_rt为反射阻抗；ω为工作角频率；k为耦合系数；L₁为发送线圈的电感值；L₂为接收线圈的电感值。

根据η_r和η_t计算整体传输效率η为式(3)：

根据发送线圈的品质因数Q₁＝ωL₁/R₁；接收线圈的品质因数Q₂＝ωL₂/R₂，换算得到系 统最优负载阻抗Z_eqr,opt表达式和对应的最大传输效率η_max表达式分别如式(4)、式(5)所 示。

作为优选，所述匹配电感Ls的电感值、匹配电容Cp的电容值根据各项工作参数确定， 使得无线电能传输功率达到最大。

作为优选，所述的发送端包括串联的信号源、补偿电容C1和发送线圈L1；

本发明的有益效果如下：

1、本发明在可重构电流型无线电能传输系统中引入L型阻抗匹配网络，使得可重构 电流型无线电能传输系统能够工作在最大传输功率附近。

2、本发明基于可重构电流型无线电能传输系统，通过结合阻抗匹配网络，使得系统以 电压模式工作时只需要调整阻抗匹配网络的元器件参数，就能在不同负载条件下均实现最 大功率传输。

附图说明

图1(a)为本发明采用L-II型的阻抗匹配网络电路图；

图1(b)为图1(a)所示系统的控制模块图。

图2(a)为本发明工作在电压模式下的系统电路图；

图2(b)为图2(a)所示系统的控制模块图。

图3(a)为本发明以电压模式工作的等效电路图；

图3(b)为本发明以电流模式工作的等效电路图。

图4为磁耦合谐振式无线电能传输系统电路图。

图5为图4所示系统将接收端等效至发送端原理图。

图6(a)为L型阻抗匹配网络中的L-I型网络结构；

图6(b)为L型阻抗匹配网络中的L-II型网络结构。

图7(a)为实验中在系统输入电压有效值为6.31V，等效负载Reqr为12Ω时阻抗匹配前(左图)、后(右图)负载两端电压；

图7(b)为实验中在系统输入电压有效值为6.31V，等效负载Reqr为220Ω时阻抗匹配前(左图)、后(右图)负载两端电压；

图7(c)为实验中在系统输入电压有效值为6.31V，等效负载Reqr为1kΩ时阻抗匹配前(左图)、后(右图)负载两端电压；

图7(d)为实验中在系统输入电压有效值为6.31V，等效负载Reqr为5.1kΩ时阻抗匹配前(左图)、后(右图)负载两端电压。

图8为仿真和实验所测负载接受功率PDL随等效负载值Reqr的变化关系曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明。

如图1(a)和1(b)所示，一种带阻抗匹配的可重构电流型无线电能传输系统，包括发送端和接收端。发送端包括串联的信号源、补偿电容C1和发送线圈L1；接收端包括接 收线圈L2、匹配电感Ls、匹配电容Cp、开关管M1、开关管M2、开关管M3、开关管 M4、电容C2和负载R_L。发送线圈L1的寄生电阻记为电阻R1。发送线圈L2的寄生电阻 记为电阻R2；负载RL的寄生电容记为电容CL。接收线圈L2的一端通过开关管M4连接 到负载RL的第一输入端，通过串联的匹配电感Ls和开关管M3连接到负载RL的第一输 入端；接收线圈L2的另一端连接到负载RL的第二输入端。串联的匹配电容Cp、开关管 M1并联在接收线圈L2、匹配电感Ls的两端或并联在接收线圈L2的两端。串联的匹配电 容C2、开关管M2并联在接收线圈L2的两端。匹配电感Ls和匹配电容Cp形成一个L型 的阻抗匹配网络。匹配电感Ls的电感值、匹配电容Cp的电容值根据各项工作参数确定， 使得无线电能传输功率达到最大。开关管M1、开关管M2、开关管M3、开关管M4由外 部的控制器来控制开闭；控制器可以选用单片机。

该带阻抗匹配的可重构电流型无线电能传输系统的工作原理为：首先通过包络检测电 路对接收端线圈两端电压V_R幅值进行检测，通过模式选择电路判断接收线圈输出的电压 V_R相对于参考电压(V_ref)的小或大来决定系统将工作在电流模式(Current Mode，CM)或者是电压模式(Voltage Mode，VM)，当工作在电流模式时，会通过电流模式的控制电 路去产生相应的开关信号CM_GATE和CM_charge，以控制开关管M2和开关管M4的导 通与关断；开关管M2会以设定的周期(N*T_p，T_p为系统工作周期，N一般取值为3～20) 循环通断；当开关管M2导通时，开关管M4断开，此时L₂C₂网络进行能量积累，当经过 (N-1/4)*T_p时间积累后，所有能量都储存在电感L₂上，此时CM_GATE控制开关管M2 断开，CM_charge控制关管M4导通，由于电感L₂上电流不能突变且通过开关管M4流向 负载是其唯一的放电通路，所以L₂C₂以等效电流源的形式向负载供电，充电阶段会在T_p/4 时间内完成；当工作在电压模式时，M2和M4均导通，L₂C₂网络以等效电压源的形式向 负载传递能量。

而在可重构电流型谐振式无线供电系统的基础上结合L型阻抗匹配网络，可将任意负载 值匹配为最优值，从而实现了系统以电压模式工作时在任意负载条件下的最大功率传输，由 于在实际应用中R_L>R_eqr,opt更为普遍；本发明采用L-II型阻抗匹配结构，其工作原理为：首先 通过包络检测电路对接收端电压幅值V_R进行检测，再经模式选择电路将V_R与参考电压V_ref(一 般为3V)进行比较，当V_R>V_ref时，系统将以VM模式运行，其等效电路如图6(a)所示； 当V_R<V_ref时，系统将以CM模式运行，其等效电路如图6(b)所示。而当系统以VM模式 工作时，此时VM_GATE为高电平，M1导通，M2、M4截止，同时会触发VM模式控制电 路，当补偿电容C_p两端电压V_Cp大于负载两端电压V_L时，M3导通给负载供电。

当系统接收端电压幅值V_R较小，系统将以CM模式工作，此时会触发CM模式控制 电路，开关管M1、M3截止，当M2断开且V_R跳变的过程中大于V_L时，会使得CM_charge 为低电平，M4导通以给负载供电。

该带阻抗匹配的可重构电流型无线电能传输系统的优化方法具体如下：

步骤1、根据普通磁耦合谐振式无线电能传输系统，来推导出其最大功率传输条件。 普通磁耦合谐振式无线电能传输系统如图4和5所示；普通磁耦合谐振式无线电能传输系 统，其输入端包括信号源、输入阻抗匹配网络IMNt、电容C1、发送线圈L1和电阻R1；

输出端包括电容C2、接收线圈L2和输入阻抗匹配网络IMNr和负载RL。Z_eqr为从匹配电 感Ls和匹配电容Cp组成的阻抗匹配网络看入的等效输入阻抗，当系统的传输线圈谐振时， 接收端为纯电阻网络，则此时接收端的效率η_r如式(1)所示

其中，R_eqr为阻抗Z_eqr的实部，R₂为接收线圈L2自身的等效电阻。将接收端等效到发送端的电路模型如图2所示，其中Z_rt为反射阻抗，即接收端反射至发射端的等效阻抗。

当系统处于谐振状态且工作角频率为ω时，反射阻抗Z_rt的实部R_rt和发送线圈谐振时的 发送端的传输效率η_t可表示为式(2)：

其中，

k为耦合系数；L₁为发送线圈的电感值；L₂为接收线圈的电感值。

由η_r和η_t可得到整个系统的传输效率η为式(3)：

发送线圈与接收线圈各自的品质因数分别为Q₁＝ωL₁/R₁，Q₂＝ωL₂/R₂，可以得到系统 整体的传输效率η关于Q₁和Q₂、耦合系数k、等效负载R_eqr的效率表达式，根据

可得到系统最优负载阻抗Z_eqr,opt表达式和对应的最大传输效率η_max表达式分别如式(4)、 式(5)所示：

其中，R_eqr,opt为系统最优负载值，即系统最优负载阻抗Z_eqr,opt的实部；Re(·)表示提取复 数的实部；Im(·)表示提取复数的虚部。

步骤2、阻抗匹配网络选型。一般地，可以借助阻抗匹配网络将任意负载匹配为系统 的最优负载，从而实现最大的功率传输效率。而通常阻抗匹配网络包括L型、π型和T型，L型阻抗匹配网络只需要两个元件(电感或电容)实现，因L型结构因其使用的元件数目 少，其相应的匹配元件所带来的损耗也相对较少，并且阻抗匹配精准度较高，所以本发明 中选择了L型阻抗匹配网络。

步骤3、阻抗匹配网络参数设计。若负载值R_L小于系统最优负载值R_eqr,opt，则L型阻抗 匹配网络将分别采用L-I型结构；若负载值R_L大于系统最优负载值R_eqr,opt，则L型阻抗匹配 网络将分别采用L-II型结构，如图6(a)和6(b)所示。

(1)当R_L<R_eqr,opt时，前述传输系统简化为磁耦合谐振式无线电能传输系统的等效电路 如图6(a)所示，阻抗匹配网络先并联电容C_p然后串联电感L_s构成；即电感Ls设置在电容 Cp靠近负载一侧。此时，阻抗匹配网络和负载端的输入阻抗Z_eqr可表示为：

其中，

为了消除接收端的无功损耗并实现最大功率传输，需使Z_eqr＝Z_eqr,opt，即：

可得到L-I型阻抗匹配网络参数C_p和L_s的值：

(2)当R_L>R_eqr,opt时，等效电路如图6(b)所示，阻抗匹配网络先串联L_s然后并联 C_p构成；即电感Ls设置在电容Cp靠近接收线圈的一侧。此时，阻抗匹配网络和负载端的 输入阻抗Z_eqr可表示为：

为了消除接收端的无功损耗并实现最大功率传输，需使Z_eqr＝Z_eqr,opt，即：

得到L-II型阻抗匹配网络参数L_s和C_p的值：

这样，便可进行所有负载条件下的L型阻抗匹配网络参数设计。

以下通过仿真与实验对本发明优化后的效果验证。可重构电流型磁耦合谐振式无线供 电系统添加阻抗匹配网络后，在Multisim软件中仿真和实验验证，其系统参数为：系统工 作频率f_p为1MHz，发送、接收线圈电感值L₁＝L₂＝5.8μH，寄生电阻R₁＝R₂＝1.09Ω，耦合 系数k＝0.15，谐振电容C₁、C₂和稳压电容C_L的取值分别为4.4nF、4.4nF和100nF。计 算得出系统的最优负载阻抗值Z_eqr,opt＝5.57–j36.42，未进行阻抗匹配的系统在等效负载R_eqr≈220Ω时为最优负载(等效负载R_eqr由负载R_L并联C_L再与M3或M4串联构成)。

仿真和实验中，分别取用R_eqr阻值分别为12Ω，68Ω，220Ω，560Ω，1kΩ，2kΩ和5.1kΩ的负载，探究系统与阻抗匹配网络结合前后的负载接收功率PDL随等效负载R_eqr的变化关系，其中当系统输入电压有效值为6.31V，R_eqr为12Ω、220Ω、1kΩ和5.1kΩ的 实验数据图分别如图7(a)、(b)、(c)和(d)所示。并将仿真和实验所测数据绘制 成点线图如图8所示。

可知，在未进行阻抗匹配时，只有在负载R_eqr＝220Ω左右时的负载接收功率PDL与阻抗匹配后一致，而当负载值增大或减小时，系统的负载接收功率均会降低；而在进行阻抗匹配之后，可以保持在各负载条件下系统对负载的最大功率传输。实验结果与仿真数据相吻合，理论得到验证。

Claims (3)

1.一种可重构电流型无线电能传输系统的优化方法，用于优化可重构电流型无线电能传输系统；所述的可重构电流型无线电能传输系统包括发送端和接收端；其特征在于：所述的接收端包括接收线圈L2、匹配电感Ls、匹配电容Cp、开关管M1、开关管M2、开关管M3、开关管M4和电容C2；所述接收线圈L2的一端通过开关管M4连接到负载RL的第一输入端，通过串联的匹配电感Ls和开关管M3连接到负载RL的第一输入端；接收线圈L2的另一端连接到负载RL的第二输入端；串联的匹配电容Cp、开关管M1并联在接收线圈L2、匹配电感Ls的两端或并联在接收线圈L2的两端；串联的匹配电容C2、开关管M2并联在接收线圈L2的两端；

该优化方法的具体步骤如下：

步骤一、建立系统最优负载阻抗Z_eqr,opt表达式和对应的最大传输效率η_max表达式分别如式(4)、式(5)所示：

其中，Q₁为发送线圈的品质因数；Q₂为接收线圈的品质因数；R_eqr,opt为系统最优负载值；Re(·)表示提取复数的实部；Im(·)表示提取复数的虚部；j为虚数单位；

步骤二、阻抗匹配网络参数设计；

2-1若负载值R_L<R_eqr,opt，阻抗匹配网络选择先并联电容C_p然后串联电感L_s的方式；此时，阻抗匹配网络和负载端的输入阻抗Z_eqr如式(6)所示；

其中，整合变量

整合变量

为了消除接收端的无功损耗并实现最大功率传输，需使Z_eqr＝Z_eqr,opt，如式(7)所示；

计算匹配电容Cp的电容值C_p和匹配电感Ls的电感值L_s的值，如式(8)所示；

2-2.若负载值R_L>R_eqr,opt，阻抗匹配网络选择先串联L_s然后并联C_p的方式；阻抗匹配网络和负载端的输入阻抗Z_eqr如式(9)所示；

为了消除接收端的无功损耗并实现最大功率传输，需使Z_eqr＝Z_eqr,opt，如式(10)所示；

计算匹配电容Cp的电容值C_p和匹配电感Ls的电感值L_s的值，如式(11)所示；

由此完成带阻抗匹配的可重构电流型无线电能传输系统的优化。

2.根据权利要求1所述的一种可重构电流型无线电能传输系统的优化方法，其特征在于：步骤一的具体过程如下：计算纯电阻网络下的接收端效率η_r如式(1)所示

其中，R_eqr为阻抗Z_eqr的实部；Z_eqr为从匹配电感Ls和匹配电容Cp组成的阻抗匹配网络看入的等效输入阻抗；R₂为接收线圈L2自身的等效电阻；

计算反射阻抗Z_rt的实部R_rt和发送线圈谐振时的发送端的传输效率η_t如式(2)所示：

其中，

Z_rt为反射阻抗；ω为工作角频率；k为耦合系数；L₁为发送线圈的电感值；L₂为接收线圈的电感值；

根据η_r和η_t计算整体传输效率η为式(3)：

根据发送线圈的品质因数Q₁＝ωL₁/R₁；接收线圈的品质因数Q₂＝ωL₂/R₂，换算得到系统最优负载阻抗Z_eqr,opt表达式和对应的最大传输效率η_max表达式分别如式(4)、式(5)所示。

3.根据权利要求1所述的一种可重构电流型无线电能传输系统的优化方法，其特征在于：所述的发送端包括串联的信号源、补偿电容C1和发送线圈L1。

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