CN113839472B - 一种阻抗自动匹配的磁耦合无线电能传输充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻抗自动匹配的磁耦合无线电能传输充电装置，其包括信号发生器、功率放大器、L型阻抗匹配网络、可切换线圈、接收线圈和负载；信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与L型阻抗匹配网络相连，L型阻抗匹配网络与可切换线圈相连，可切换线圈与接收线圈间通过磁耦合进行无线电能传输，接收线圈与负载相连接。L型阻抗匹配网络包括一个电容阵列和一个电感阵列，控制器可通过阻抗匹配网络各个支路的支路开关控制电容阵列或电感阵列中的相应支路的电容或电感的通断，从而改变L型阻抗匹配网络的电容值和电感值。本发明通过在负载阻抗和发射线圈内阻之间设置阻抗匹配网络，从而使得该无线输电线圈能够适应不同负载的不同功率需求。

Description

一种阻抗自动匹配的磁耦合无线电能传输充电装置

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种阻抗自动匹配的磁耦合无线电能传输充电装置。

背景技术

随着时代的发展，电力设备的发展也日新月异，电力设备应用在各种各样复杂的场合中。传统的有线电能传输由于存在输电线路容易破损老化而产生电火花的问题，严重影响了电气设备的寿命甚至影响人们的人身安全，已经不能满足人们对于高品质生活水平的需求。磁耦合谐振传输技术具有传输功率适中、效率高、距离适中的特点，具有重要的研究价值和应用意义。

虽然无线传能有很多优点，但是在工程应用中仍存在很多问题。在许多应用场景中，例如生物医学中的生物电子设备、电动汽车、无人机和移动电子设备的充电，都需要灵活的转移位置和较高的充电效率。移动设备充电时，接收线圈偏移系统的充电效率会急剧下降，不同的充电终端由于所需功率不同，需要不同的充电平台。理想情况下，充电平台应该具有通用性，并能实现功率自适应和距离自适应。为解决移动无线充电的上述问题，许多方法被提出，例如自适应频率跟踪、阻抗匹配法、线圈结构设计。

频率跟踪技术是通过WPT/MRC系统中附加高频电流检测器、差分放大器、相位补偿器、锁相环等一系列复杂的电路来实现对发射回路谐振频率的跟踪控制。但是，这些附加的电路会使系统变得复杂，影响了系统的可靠性和效率，系统在水平与偏移方向上的抗偏移能力不够。

阻抗匹配法是在WPT系统中发射端加入阻抗匹配电路使以实现系统的阻抗匹配，从而来提高系统的效率，然而，单纯的阻抗匹配法也无法提高线圈之间的输电效率。

发明内容

针对现有的无线电能传输系统难以适应不同负载的不同功率需求的问题，本发明公开了一种阻抗自动匹配的磁耦合无线电能传输充电装置，包括信号发生器、功率放大器、L型阻抗匹配网络、可切换线圈、接收线圈和负载。功率放大器的内阻为R_s，发射线圈n的内阻为R_n，发射线圈n的补偿电容为C_n，接收线圈L_RX包含寄生电阻和补偿电容C_RX，寄生电阻的阻值为R_RX，可切换线圈包含N₀个可用于无线电能传输的发射线圈。接收线圈的电感为L_RX，负载的电阻为R_L，可切换线圈的电感为L_n。信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与L型阻抗匹配网络相连，L型阻抗匹配网络与可切换线圈相连，可切换线圈与测距模块相连，测距模块和L型阻抗匹配网络均与控制器相连，信号发生器、功率放大器、可切换线圈、L型阻抗匹配网络、测距模块位于无线电能传输的发射端，可切换线圈与接收线圈间通过磁耦合进行无线电能传输，接收线圈与负载相连接，接收线圈与负载位于无线电能传输的接收端。

当负载阻抗和发射线圈的内阻相等时，激励源输出功率最大，负载可以获得最大功率输出。Z_in为该磁耦合无线电能传输线圈的输入阻抗，其计算公式为：

当线圈发生偏移时，互感M_n变化，当切换线圈时，R_n变化，当电池充电时，R_L会变化，所以为了使接收端功率达到最大，应该加入匹配网络使

Z_in,opt＝R_s；

L型阻抗匹配网络包括一个电容阵列和一个电感阵列，电容阵列中的每个电容支路均包含一个支路开关，电感阵列中的每个电感支路均包含一个支路开关，控制器可通过各个支路的支路开关控制电容阵列或电感阵列中的相应支路的电容或电感的通断，从而改变L型阻抗匹配网络的电容值和电感值。

发射端测距模块测量接收线圈与发射线圈的水平偏移距离h与垂直偏移距离d并将测量的距离发送给控制器，控制器根据收到的距离，计算发射线圈与接收线圈的互感M_n和发射线圈内阻R_n，进而计算该磁耦合无线电能传输线圈的输入阻抗Z_in，其计算公式为：

控制器判断计算Z_in是否等于R_s，若Z_in≠R_s，控制器计算接收线圈与发射线圈处于当前位置时实现该磁耦合无线电能传输线圈的阻抗匹配，阻抗匹配网络的电容阵列的所需的电容值X1和电感阵列的所需的电感值X2，控制器根据此电容值X1和电感值X2分别计算电容阵列和电感阵列中的每个支路开关的通断状态，并根据计算结果，控制阻抗匹配网络中的电容阵列和电感阵列中的每个支路开关设置到相应的通断状态，从而使阻抗匹配网络调节到所需的电容值和电感值。

当功率放大器的内阻R_s>R_L时，为实现该磁耦合无线电能传输线圈的阻抗匹配，阻抗匹配网络的电容阵列的所需的电容值X1和电感阵列的所需的电感值X2的计算公式分别为：

控制器根据此电容值X1和电感值X2分别计算电容阵列和电感阵列中的每个支路开关的通断状态。

控制器利用基于人工神经网络的机器学习方法，计算电容阵列和电感阵列中的每个支路开关的通断状态，将阻抗匹配网络的所有支路开关的通断状态用通断矩阵T表示，T＝[t₁₁,t₁₂,…,t_1N；t₂₁,t₂₂,…,t_2N],其中，N为电感阵列或电容阵列中所包含的电感或电容的数量，通断矩阵T的第一行向量表示电容阵列的所有支路开关的通断状态，通断矩阵T的第二行向量表示电感阵列的所有支路开关的通断状态，对于t_ij＝1，表示该电感阵列或电容阵列中的第j个支路开关为接通状态，对于t_ij＝0，表示该电感阵列或电容阵列中的第j个支路开关为断开状态，i＝1,2，j＝1,2，…，N；该人工神经网络的输入为接收线圈与发射线圈之间的水平偏移距离和垂直偏移距离，其输出为通断矩阵T；利用接收线圈与发射线圈之间的不同的水平偏移距离和垂直偏移距离，以及对应位置下该磁耦合无线电能传输线圈实现阻抗匹配时阻抗匹配网络的通断矩阵T，作为训练样本数据，输入到该人工神经网络中对其进行训练，待完成训练后，控制器利用该完成训练的人工神经网络，计算接收线圈与发射线圈之间处于当前距离时阻抗匹配网络的通断矩阵T，进而得到电容阵列和电感阵列中的每个支路开关的通断状态。

对于发射线圈，控制器计算发射线圈与接收线圈的互感M_n，互感M_n的计算公式为：

其中，N₁、N₂分别为发射线圈与接收线圈的每层匝数，r₁为发射线圈的半径，r₂为接收线圈的半径，μ₀为真空磁导率，R_QN为两线圈上任意两点间距离，θ和φ分别为接收线圈上的任意点相对于发射线圈上的任意点的方位角和俯仰角，R_QN的计算公式为：

控制器根据费雷拉公式计算发射线圈的内阻R_n，其计算公式为：

R_n＝R_DC+R_AC，

式中，R_DC为发射线圈的直流电阻，R_AC为发射线圈的交流电阻，ρ为铜的电阻率，m和N分别为线圈的层数和匝数，l_w为发射线圈的铜线长度，d_s为发射线圈的铜线直径，f为电流频率，单位为Hz，r_s为发射线圈的铜线半径，n_s为发射线圈的铜线的数量，f_h为发射线圈的交流电阻值为直流电阻值两倍时的交流电频率,μ为介质的磁导率，k为导体中电线的面积与导体带绝缘体的面积之比。

本发明的有益效果为：

本发明通过在负载阻抗和发射线圈内阻之间设置阻抗匹配网络，能够根据充电环境的变化，实时调整阻抗匹配网络的电容和电感参数，从而使得该无线输电线圈能够适应不同负载的不同功率需求，同时在线圈发生偏移的时实现了充电效率的最大化。本发明电路简单且损耗小，其成本低，且只需控制阻抗匹配网络的支路开关的通断即可调节其电容和电感参数，具有应用范围广的优点。

附图说明

图1为本发明的磁耦合无线电能传输线圈的组成结构图；

图2为本发明的阻抗匹配原理图；

图3为本发明的阻抗自动匹配的磁耦合无线电能传输充电装置的组成结构图；

图4为本发明的L型匹配网络组成示意图；

图5为本发明的继电器开关阵列阻抗匹配网络示意图；

图6为BP神经网络基本原理图；

图7为基于神经网络的阻抗匹配流程图；

图8为本发明的阻抗匹配流程图。

具体实施方式

为了更好的了解本发明内容，这里给出一个实施例。

针对现有的无线电能传输系统难以适应不同负载的不同功率需求的问题，本发明公开了一种阻抗自动匹配的磁耦合无线电能传输充电装置，包括信号发生器、功率放大器、L型阻抗匹配网络、可切换线圈、接收线圈和负载。功率放大器的内阻为R_s，发射线圈n的内阻为R_n，发射线圈n的补偿电容为C_n，接收线圈L_RX包含寄生电阻R_RX和补偿电容C_RX，可切换线圈包含N₀个可用于无线电能传输的发射线圈。接收线圈的电感为L_RX，负载的电阻为R_L，可切换线圈的电感为L_n。信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与L型阻抗匹配网络相连，L型阻抗匹配网络与可切换线圈相连，可切换线圈与测距模块相连，测距模块和L型阻抗匹配网络均与控制器相连，信号发生器、功率放大器、可切换线圈、L型阻抗匹配网络、测距模块位于无线电能传输的发射端，可切换线圈与接收线圈间通过磁耦合进行无线电能传输，接收线圈与负载相连接，接收线圈与负载位于无线电能传输的接收端。

图1为本发明的磁耦合无线电能传输线圈的组成结构图；图2为本发明的阻抗匹配原理图；图3为本发明的阻抗自动匹配的磁耦合无线电能传输充电装置的组成结构图；图4为本发明的L型匹配网络组成示意图；图5为本发明的继电器开关阵列阻抗匹配网络示意图；图6为BP神经网络基本原理图；图7为基于神经网络的阻抗匹配流程图；图8为本发明的阻抗匹配流程图。

当负载阻抗和发射线圈的内阻相等时，激励源输出功率最大，负载可以获得最大功率输出。Z_in为该磁耦合无线电能传输线圈的输入阻抗，

当线圈发生偏移时，互感M_n变化，当切换线圈时，R_n变化，当电池充电时，R_L会变化，所以为了使接收端功率达到最大，应该加入匹配网络使

Z_in,opt＝R_s；

L型阻抗匹配网络包括一个电容阵列和一个电感阵列，电容阵列中的每个电容支路均包含一个支路开关，电感阵列中的每个电感支路均包含一个支路开关，控制器可通过各个支路的支路开关控制电容阵列或电感阵列中的相应支路的电容或电感的通断，从而改变L型阻抗匹配网络的电容值和电感值。加入L型阻抗匹配网络的系统如图3所示。参数X1和X2代表电抗参数，X>0时，代表此时元件呈感性，X<0时，代表此时元件呈容性。

发射端测距模块测量接收线圈与发射线圈的水平偏移距离h与垂直偏移距离d并将测量的距离发送给控制器，控制器根据收到的距离，计算发射线圈与接收线圈的互感M_n和发射线圈内阻R_n，进而计算该磁耦合无线电能传输线圈的输入阻抗Z_in，其计算公式为：

控制器判断计算Z_in是否等于R_s，若Z_in≠R_s，控制器计算接收线圈与发射线圈处于当前位置时实现该磁耦合无线电能传输线圈的阻抗匹配，阻抗匹配网络的电容阵列的所需的电容值X1和电感阵列的所需的电感值X2，控制器根据此电容值X1和电感值X2分别计算电容阵列和电感阵列中的每个支路开关的通断状态，并根据计算结果，控制阻抗匹配网络中的电容阵列和电感阵列中的每个支路开关设置到相应的通断状态，从而使阻抗匹配网络调节到所需的电容值和电感值。

当功率放大器的内阻R_s>R_L时，为实现该磁耦合无线电能传输线圈的阻抗匹配，阻抗匹配网络的电容阵列的所需的电容值X1和电感阵列的所需的电感值X2的计算公式分别为：

控制器利用基于人工神经网络的机器学习方法，计算电容阵列和电感阵列中的每个支路开关的通断状态，将阻抗匹配网络的所有支路开关的通断状态用通断矩阵T表示，T＝[t₁₁,t₁₂,…,t_1N；t₂₁,t₂₂,…,t_2N],其中，N为电感阵列或电容阵列中所包含的电感或电容的数量，通断矩阵T的第一行向量表示电容阵列的所有支路开关的通断状态，通断矩阵T的第二行向量表示电感阵列的所有支路开关的通断状态，对于tij＝1，表示该电感阵列或电容阵列中的第j个支路开关为接通状态，对于t_ij＝0，表示该电感阵列或电容阵列中的第j个支路开关为断开状态，i＝1,2，j＝1,2，…，N；该人工神经网络的输入为接收线圈与发射线圈之间的水平偏移距离和垂直偏移距离，其输出为通断矩阵T；利用接收线圈与发射线圈之间的不同的水平偏移距离和垂直偏移距离，以及对应位置下该磁耦合无线电能传输线圈实现阻抗匹配时阻抗匹配网络的通断矩阵T，作为训练样本数据，输入到该人工神经网络中对其进行训练，待完成训练后，控制器利用该完成训练的人工神经网络，计算接收线圈与发射线圈之间处于当前距离时阻抗匹配网络的通断矩阵T，进而得到电容阵列和电感阵列中的每个支路开关的通断状态。

对于发射线圈，控制器计算发射线圈与接收线圈的互感M_n，互感M_n的计算公式为：

其中，N₁、N₂分别为发射线圈与接收线圈的每层匝数，r₁为发射线圈的半径，r₂为接收线圈的半径，μ₀为真空磁导率，R_QN为两线圈上任意两点间距离，θ和φ分别为接收线圈上的任意点相对于发射线圈上的任意点的方位角和俯仰角，R_QN的计算公式为：

控制器根据费雷拉公式计算发射线圈的内阻R_n，其计算公式为：

R_n＝R_DC+R_AC，

式中，R_DC为发射线圈的直流电阻，R_AC为发射线圈的交流电阻，ρ为铜的电阻率，m和N分别为线圈的层数和匝数，l_w为发射线圈的铜线长度，d_s为发射线圈的铜线直径，f为电流频率，单位为Hz，r_s为发射线圈的铜线半径，n_s为发射线圈的铜线的数量，f_h为发射线圈的交流电阻值为直流电阻值两倍时的交流电频率,μ为介质的磁导率，k为导体中电线的面积与导体带绝缘体的面积之比；

对于增加了L型阻抗匹配网络的电路进行分析，得到其内阻为：

Z_in＝R_in+jX_in

进一步，L型阻抗匹配网络要实现电路的阻抗变换，使得变换后的阻抗值满足目标阻抗R_s。则参数Rin和Xin应满足

当目标阻抗R_s>R_L时，两个方程能够得到实数解并且加入匹配网络的电路能实现阻抗的变化，达到匹配的效果。可得到X1和X2的实数解为

为了提升系统抗偏移的反应速度，采用BP神经网络来提升系统的反应速度。如图7为基于神经网络的阻抗匹配流程图，输入层h和d分别为水平偏移距离和垂直距离，输出层为电容阵列C1n，C2n和电感阵列Ln。通过大量的样本数据，当输入为d和h时，可以快速定位到C1n，C2n，Ln对应的支路开关的通断状态。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种阻抗自动匹配的磁耦合无线电能传输充电装置，其特征在于，其包括信号发生器、功率放大器、L型阻抗匹配网络、可切换线圈、接收线圈和负载；功率放大器的内阻为R_s，发射线圈n的内阻为R_n，接收线圈L_RX包含寄生电阻，其阻值为R_RX，可切换线圈包含N₀个可用于无线电能传输的发射线圈，负载的电阻为R_L；信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与L型阻抗匹配网络相连，L型阻抗匹配网络与可切换线圈相连，可切换线圈与测距模块相连，测距模块和L型阻抗匹配网络均与控制器相连，信号发生器、功率放大器、可切换线圈、L型阻抗匹配网络、测距模块位于无线电能传输的发射端，可切换线圈与接收线圈间通过磁耦合进行无线电能传输，接收线圈与负载相连接，接收线圈与负载位于无线电能传输的接收端；

L型阻抗匹配网络包括一个电容阵列和一个电感阵列，电容阵列中的每个电容支路均包含一个支路开关，电感阵列中的每个电感支路均包含一个支路开关，控制器可通过各个支路的支路开关控制电容阵列或电感阵列中的相应支路的电容或电感的通断，从而改变L型阻抗匹配网络的电容值和电感值；

发射端测距模块测量接收线圈与发射线圈的水平偏移距离h与垂直偏移距离d并将测量的距离发送给控制器，控制器根据收到的距离，计算发射线圈与接收线圈的互感M_n和发射线圈内阻R_n，进而计算该磁耦合无线电能传输线圈的输入阻抗Z_in，其计算公式为：

控制器判断计算Z_in是否等于R_s，若Z_in≠R_s，控制器计算接收线圈与发射线圈处于当前位置时实现该磁耦合无线电能传输线圈的阻抗匹配，阻抗匹配网络的电容阵列的所需的电容值X1和电感阵列的所需的电感值X2，控制器根据此电容值X1和电感值X2分别计算电容阵列和电感阵列中的每个支路开关的通断状态，并根据计算结果，控制阻抗匹配网络中的电容阵列和电感阵列中的每个支路开关设置到相应的通断状态，从而使阻抗匹配网络调节到所需的电容值和电感值。

2.如权利要求1所述的阻抗自动匹配的磁耦合无线电能传输充电装置，其特征在于，

当功率放大器的内阻R_s>R_L时，为实现该磁耦合无线电能传输线圈的阻抗匹配，阻抗匹配网络的电容阵列的所需的电容值X1和电感阵列的所需的电感值X2的计算公式分别为：

控制器根据此电容值X1和电感值X2分别计算电容阵列和电感阵列中的每个支路开关的通断状态。

3.如权利要求1所述的阻抗自动匹配的磁耦合无线电能传输充电装置，其特征在于，

控制器利用基于人工神经网络的机器学习方法，计算电容阵列和电感阵列中的每个支路开关的通断状态，将阻抗匹配网络的所有支路开关的通断状态用通断矩阵T表示，T＝[t₁₁,t₁₂,…,t_1N；t₂₁,t₂₂,…,t_2N],其中，N为电感阵列或电容阵列中所包含的电感或电容的数量，通断矩阵T的第一行向量表示电容阵列的所有支路开关的通断状态，通断矩阵T的第二行向量表示电感阵列的所有支路开关的通断状态，对于t_ij＝1，表示该电感阵列或电容阵列中的第j个支路开关为接通状态，对于t_ij＝0，表示该电感阵列或电容阵列中的第j个支路开关为断开状态，i＝1,2，j＝1,2，…，N；该人工神经网络的输入为接收线圈与发射线圈之间的水平偏移距离和垂直偏移距离，其输出为通断矩阵T；利用接收线圈与发射线圈之间的不同的水平偏移距离和垂直偏移距离，以及对应位置下该磁耦合无线电能传输线圈实现阻抗匹配时阻抗匹配网络的通断矩阵T，作为训练样本数据，输入到该人工神经网络中对其进行训练，待完成训练后，控制器利用该完成训练的人工神经网络，计算接收线圈与发射线圈之间处于当前距离时阻抗匹配网络的通断矩阵T，进而得到电容阵列和电感阵列中的每个支路开关的通断状态。

4.如权利要求1所述的阻抗自动匹配的磁耦合无线电能传输充电装置，其特征在于，

对于发射线圈，控制器计算发射线圈与接收线圈的互感M_n，互感M_n的计算公式为：

其中，N₁、N₂分别为发射线圈与接收线圈的每层匝数，r₁为发射线圈的半径，r₂为接收线圈的半径，μ₀为真空磁导率，R_QN为两线圈上任意两点间距离，θ和φ分别为接收线圈上的任意点相对于发射线圈上的任意点的方位角和俯仰角，R_QN的计算公式为：

控制器根据费雷拉公式计算发射线圈的内阻R_n，其计算公式为：

R_n＝R_DC+R_AC，

式中，R_DC为发射线圈的直流电阻，R_AC为发射线圈的交流电阻，ρ为铜的电阻率，m和N分别为线圈的层数和匝数，l_w为发射线圈的铜线长度，d_s为发射线圈的铜线直径，f为电流频率，单位为Hz，r_s为发射线圈的铜线半径，n_s为发射线圈的铜线的数量，f_h为发射线圈的交流电阻值为直流电阻值两倍时的交流电频率,μ为介质的磁导率，k为导体中电线的面积与导体带绝缘体的面积之比。

Images