CN113691029A - 基于线圈位置优化排布的wpt系统效率提升方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于线圈位置优化排布的WPT系统效率提升方法，包括以下步骤：建立基于线圈排布的WPT系统传输效率模型；分析线圈排布下与WPT系统传输效率提升有关的参数；根据与效率提升有关的参数计算相邻线圈之间的距离。本发明优化了线圈的位置排布，使系统在能量传输过程中始终工作在高效状态，有效改善了远距离无线电能传输过程中效率较低的问题。

Description

基于线圈位置优化排布的WPT系统效率提升方法

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，具体涉及一种基于线圈位置优化排布的WPT系统效率提升方法。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)技术借助空间中的能量载体(如电场、磁场、微波、电磁波等)，将电能由电源侧传递到负载侧。其中，感应式WPT技术作为一种安全、可靠的非接触式供电技术，可解决传统有线电能传输设备的诸多缺陷，避免了传统拔插系统存在的接触火花，漏电等安全问题，并使人类应用电能的方式更加灵活。目前，该技术已被广泛应用于人体植入医疗设备、感应式加热器、电动车以及手机等移动设备的无线充电平台。

感应式WPT系统包括能量发射端和能量接收端两部分。能量发射端包括高频逆变器、发射端谐振补偿网络和发射线圈，高频逆变器将直流电变为高频交流电，高频交流电流经过谐振补偿网络，在发射线圈中产生高频交流磁场。接收端包括接收线圈、接收端谐振补偿网络和高频整流器，接收线圈感应到发射线圈产生的高频磁场后，经过接收端谐振补偿网络，向高频整理器输出高频交流电，高频整流器则将交流电变为直流电，向负荷提供电能，实现电能从发射端到接收端的无线传输。

在较远距离下，发射线圈和接收线圈两线圈的传输效率会受到限制而不能满足实际需求，为了实现中远距离无线电能传输，通常会加入中继线圈，利用中继线圈的磁耦合谐振来实现中远距离能量传输。现有的多中继模式无线电能传输系统大多只考虑线圈之间互感值相等的情况，对于线圈间互感值不等的情况则没有考虑，也即没有考虑线圈之间的位置优化排布，这往往会影响系统的传输效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于线圈位置优化排布的WPT系统效率提升方法，可以解决现有技术中没有考虑线圈之间的位置优化排布而影响系统的传输效率的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

基于线圈位置优化排布的WPT系统效率提升方法，包括以下步骤：

建立基于线圈排布的WPT系统传输效率模型；

分析线圈排布下与WPT系统传输效率提升有关的参数；

根据与效率提升有关的参数计算相邻线圈之间的距离。

进一步的，所述与WPT系统传输效率提升有关的参数包括输入电压V_in、相邻线圈间互感值M_(n-1)n、角频率ω、电源内阻R_e、MOS管等效电阻R_mos、各个回路线圈电阻R_i。

进一步的，所述分析线圈排布下与WPT系统传输效率提升有关的参数包括：

根据系统负载R_L，计算WPT系统中整流器交流输入侧的等效负载R_eq；

根据WPT系统等效电路模型，列写KVL回路方程，求其各个回路电流；

计算各个回路的有功功率；

得到WPT系统传输效率模型及影响WPT系统传输效率的参数。

进一步的，所述等效负载R_eq的计算公式为：

进一步的，所述各个回路电流的计算公式为：

I＝Z^-1V，其中：

进一步的，所述各个回路的有功功率的计算公式为：

进一步的，所述WPT系统传输效率模型用公式表达为：

其中：M＝[M₁₂ M₂₃ … M_(n-2)(n-1) M_(n-1)n]^T。

进一步的，所述根据与效率提升有关的参数计算相邻线圈之间的距离包括：

根据WPT系统传输效率模型，在输入电压V_in、角频率ω、各回路电阻不变的条件下，确定所求目标函数；

依据目标函数，确定约束函数；

根据目标函数和约束函数，在编程求解器里即确定相邻两个线圈的互感值的最优解，进而确定相邻线圈之间的距离。

进一步的，所述目标函数的表达式为：

其中I_n表示各个回路电流。

进一步的，所述约束函数的表达式为：

其中：

N₁、N₂为相邻两个线圈的匝数，m₁、m₂为相邻两个线圈的平均半径，d为相邻两线圈的距离，μ₀为真空磁导率。

本发明的基于线圈位置优化排布的WPT系统效率提升方法，优化了线圈的位置排布，使系统在能量传输过程中始终工作在高效状态，有效改善了远距离无线电能传输过程中效率较低的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为WPT系统的电路拓扑图；

图2为基于线圈排布的WPT系统传输效率模型图；

图3为本发明的基于线圈位置优化排布的WPT系统效率提升方法的步骤图。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

本发明的基于线圈位置优化排布的WPT系统效率提升方法，包括以下步骤：

步骤S1、建立基于线圈排布的WPT系统传输效率模型。

本发明的基于线圈位置优化排布的WPT系统效率提升方法利用图1和图2所示的等效模型和电路拓扑图来进行说明。

WPT系统包括发射端和接收端，所述发射端包括直流输入电源，其直流输入电压为V_dc，所述直流输入电源电连接全桥逆变器。全桥逆变器包含四个MOS管S₁、S₂、S₃和S₄。v_gs1-v_gs4分别对应四个MOS管的门极信号，所述全桥逆变器电连接发射线圈L₁，发射线圈L₁与中继线圈L₂磁耦合，其互感为M₁₂，中继线圈L₂与中继线圈L₃磁耦合，其互感为M₂₃，中继线圈L₃中继线圈L₄，其互感为M₃₄，以此类推，直至第(n-1)个中继线圈L_(n-1)与接收端的接收线圈L_n磁耦合，其互感为M_(n-1)n。除了接收线圈L_n外，接收端还包括与接收线圈电连接的整流器，所述整流器与负载电阻R_L电连接，发射线圈L₁串联谐振电容C₁，中继线圈L₂串联谐振电容C₂，中继线圈L₃串联谐振电容C₃,以此类推，第(n-1)个中继线圈L_(n-1)串联谐振电容C_(n-1),接收线圈L_(n)串联谐振电容C_(n)，发射线圈、各个中继线圈与接收线圈的寄生电阻分别为R₁、R₂、……、R_n-1、R_n。

步骤S2、分析线圈排布下与WPT系统传输效率提升有关的参数。

与WPT系统传输效率提升有关的参数分析过程如下：

为了补偿发射线圈、中继线圈和接收线圈的自感，C₁、C₂、…、C_n-1和C_n应该满足下式：

其中，ω＝2πf，为WPT系统的工作角频率，f是WPT系统的工作频率。

步骤S2具体包括：

步骤S201、根据系统负载R_L，计算WPT系统中整流器交流输入侧的等效负载R_eq：

步骤S202、根据N线圈的WPT系统等效电路模型，列写KVL回路方程，求其各个回路电流：

其中：

R_e为电源内阻，R_mos为MOS管等效电阻，R₁、R₂、…、R_n-1、R_n分别为线圈内阻；

根据矩阵分析相关理论，可求各回路电流为：

I＝Z^-1V (5)

其中：

步骤S203、在求出各个回路电流的前提下，计算各个回路的有功功率：

WPT系统的传输效率用公式表示为：

将公式(1)～(8)带入公式(9)中，得到多变量影响下的WPT系统传输效率模型：

其中：

M＝[M₁₂ M₂₃… M_(n-2)(n-1) M_(n-1)n]^T (11)

从公式(10)可得知，为保证WPT系统能实现远距离、高效率的能量传输，必须考虑输入电压V_in、线圈间互感值M₁₂、M₂₃、…、M_(n-1)n以及角频率ω和电源内阻R_e、MOS管等效电阻R_mos、各个回路线圈电阻(R₁、R₂、…、R_n-1、R_n)之间的约束问题。因此，与WPT系统传输效率提升有关的参数包括输入电压V_in、线圈间互感值M_(n-1)n、角频率ω、电源内阻R_e、MOS管等效电阻R_mos、各个回路线圈电阻R_i。

步骤S3、根据与效率提升有关的参数计算相邻线圈之间的距离。

相邻线圈指发射线圈与第一个中继线圈，第一个中继线圈与第二个中继线圈，第n-1个中继线圈与接收线圈。

进一步地，步骤S3包括：

步骤S301、根据公式(10)的WPT系统传输效率模型，在输入电压V_in、角频率ω、各回路电阻不变条件下，确定所求目标函数：

步骤S302、依据目标函数，确定约束函数：

其中：

N₁、N₂为相邻两个线圈的匝数，m₁、m₂为相邻两个线圈的平均半径，d为相邻两线圈的距离，μ₀为真空磁导率。

步骤S303、根据所给出的目标函数和约束函数，在编程求解器里即可确定各个互感的最优解，进而确定各个线圈间的距离。

本发明在WPT系统的发射侧和接收侧加入多个中继线圈，通过在编程求解器里面对系统的目标函数和约束函数进行编程，可以给出在系统传输效率较高的前提下，线圈间的最优互感值，进而确定线圈的优化排布，同时可以改善远距离无线电能传输过程中系统能效较低的问题。

下面以4个线圈为例进行详细说明：

4个线圈的WPT系统传输效率模型如图2所示，图1为四线圈结构的WPT系统电路拓扑图。

为了补偿发射线圈、中继线圈和接收线圈的自感，C₁、C₂、C₃和C₄应该满足下式：

其中，ω＝2πf为系统的工作角频率，f是系统的工作频率。

根据N线圈等效电路模型，列写KVL回路方程，求其各个回路电流：

其中:

R_e为电源内阻，R_mos为MOS管等效电阻，R₁、R₂、R₃、R₄分别为线圈内阻；R_eq为整流器的等效电阻：

求解可得各回路电流为：

其中M₁₂、M₂₃、M₃₄为相邻线圈之间的互感值，ω为系统的角频率。

在求出各个回路电流的前提下，计算各个回路的有功功率：

进而求出系统的传输效率模型：

进一步地，所述四线圈排布下的效率提升，可将公式(17)～(21)带入公式(22)中得到多变量影响下的系统传输效率模型：

为保证WPT系统能实现远距离、高效率的能量传输，必须考虑输入电压V_in、线圈间互感值M₁₂、M₂₃、M₃₄以及角频率ω和电源内阻R_e、MOS管等效电阻R_mos、各个回路线圈电阻(R₁、R₂、R₃、R₄)之间的约束问题。

进一步地，在步骤c中，根据式(23)得出的系统传输效率模型，在输入电压V_in、角频率ω、各回路电阻不变条件下，确定所求目标函数：

依据所给出的目标函数，给出约束函数：

其中：

N₁、N₂为相邻两个线圈的匝数，m₁、m₂为线圈的平均半径，d为相邻两线圈的距离，μ₀为真空磁导率。

根据所给出的目标函数和约束函数，在编程求解器里即可确定各个互感的最优解，进而确定各个线圈间的距离。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于线圈位置优化排布的WPT系统效率提升方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立基于线圈排布的WPT系统传输效率模型；

分析线圈排布下与WPT系统传输效率提升有关的参数；

根据与效率提升有关的参数计算相邻线圈之间的距离。

2.根据权利要求1所述的基于线圈位置优化排布的WPT系统效率提升方法，其特征在于，所述与WPT系统传输效率提升有关的参数包括输入电压V_in、相邻线圈间互感值M_(n-1)n、角频率ω、电源内阻R_e、MOS管等效电阻R_mos、各个回路线圈电阻R_i。

3.根据权利要求2所述的基于线圈位置优化排布的WPT系统效率提升方法，其特征在于，所述分析线圈排布下与WPT系统传输效率提升有关的参数包括：

根据系统负载R_L，计算WPT系统中整流器交流输入侧的等效负载R_eq；

根据WPT系统等效电路模型，列写KVL回路方程，求其各个回路电流；

计算各个回路的有功功率；

得到WPT系统传输效率模型及影响WPT系统传输效率的参数。

4.根据权利要求3所述的基于线圈位置优化排布的WPT系统效率提升方法，其特征在于，所述等效负载R_eq的计算公式为：

5.根据权利要求3所述的基于线圈位置优化排布的WPT系统效率提升方法，其特征在于，所述各个回路电流的计算公式为：

I＝Z^-1V，其中：

6.根据权利要求5所述的基于线圈位置优化排布的WPT系统效率提升方法，其特征在于，所述各个回路的有功功率的计算公式为：

7.根据权利要求6所述的基于线圈位置优化排布的WPT系统效率提升方法，其特征在于，所述WPT系统传输效率模型用公式表达为：

其中：M＝[M₁₂ M₂₃ … M_(n-2)(n-1) M_(n-1)n]^T。

8.根据权利要求2所述的基于线圈位置优化排布的WPT系统效率提升方法，其特征在于，所述根据与效率提升有关的参数计算相邻线圈之间的距离包括：

根据WPT系统传输效率模型，在输入电压V_in、角频率ω、各回路电阻不变的条件下，确定所求目标函数；

依据目标函数，确定约束函数；

根据目标函数和约束函数，在编程求解器里即确定相邻两个线圈的互感值的最优解，进而确定相邻线圈之间的距离。

9.根据权利要求8所述的基于线圈位置优化排布的WPT系统效率提升方法，其特征在于，所述目标函数的表达式为：

其中I_n表示各个回路电流。

10.根据权利要求9所述的基于线圈位置优化排布的WPT系统效率提升方法，其特征在于，所述约束函数的表达式为：

其中：

N₁、N₂为相邻两个线圈的匝数，m₁、m₂为相邻两个线圈的平均半径，d为相邻两线圈的距离，μ₀为真空磁导率。

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