CN116014913B - 基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统及参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统及参数优化方法，属于无线电能传输技术领域，目的在于解决中程传输距离下传统两线圈谐振式无线电能传输系统效率较低，且由于抗偏移能力较差使得传输效率波动较大，造成系统稳定性较低的技术问题，以无源阵列线圈组的位置、单元线圈长、宽、匝数、谐振频率等作为决策变量，对无源阵列线圈组的参数进行全局优化设计，使得中距离无线电能传输系统的传输效率得到提升，并较大的提升了系统的抗偏移能力，提高了系统的稳定性和鲁棒性。

Description

基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统及参数优化方法

技术领域

本申请涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统及参数优化方法。

背景技术

自人类社会进入到电气时代后，电能传输方式总是存在刻板印象，即通过金属导线进行直接接触传输。但随着电气设备不断地更新、升级以及使用环境的不断变化，传统插拔式充电方式面临着挑战，比如插排使用不规范极容易影响用户安全；充电导线会限制手机、笔记本等移动电子设备的使用位置；此外导线也占用了大量空间资源、消耗了大批金属资源；特别是面对一些特殊应用场合，如人体、矿井、水下等，传统输电方式不再适用。

无线电能传输技术彻底摆脱导线的束缚，显著提升用户体验，如人体内窥胶囊、电动汽车等都显明其具有高安全性、高灵活性、易操作性和低维护率等诸多优点。近年来该技术得到国内外工业界和学术界的广泛关注，成为电工技术领域研究的热点之一。

1893年特斯拉首先提出无线电能传输的概念，但因各种因素影响致使其发展缓慢；在20世纪90年代，新西兰奥克兰大学对电磁耦合感应无线电能传输系统进行了大量理论、建模和控制方面的研究，开启了国际对无线电能传输技术研究的热潮；在2007年MIT提出谐振式无线电能传输的概念又丰富了该技术领域的新内容。

对于电磁WPT系统来讲，长距离就意味着拥有稍强耦合效果的谐振式系统也有着较小的耦合系数，这将大幅度降低系统传输效率与负载功率；此外在实际WPT系统中，发射线圈与接收线圈之间相对位置的偏移客观存在，而当两线圈之间发生偏移时，线圈之间的耦合系数迅速下降，导致输出功率、传输效率发生较大波动，对系统稳定性造成较大影响。无线电能传输系统的传输距离、传输效率和负载功率等性能参数优化是当前实现性能优良的无线电能传输系统设计领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请提供一种基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统，其目的在于解决中程传输距离下传统两线圈谐振式无线电能传输系统效率较低，且由于抗偏移能力较差使得传输效率波动较大，造成系统稳定性较低的技术问题。

本申请的技术方案如下：

根据本申请实施例的第一方面，提供一种基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统，包括发射线圈和接收线圈，其特征在于，所述发射线圈和所述接收线圈分别与对应的补偿电容构成工作频率为f₀的原边谐振回路和副边谐振回路，在所述发射线圈和所述接收线圈之间设置有无源阵列线圈组，所述无源阵列线圈组在同一平面上按4*4排列，内层的4个子线圈为尺寸和匝数相同的I型线圈，并与对应的谐振补偿电容分别构成谐振频率f₁的串联谐振回路；外层的12个子线圈为尺寸和匝数相同的II型线圈，并与对应的谐振补偿电容分别构成谐振频率f₂的串联谐振回路。

可选的，所述I型线圈和II型线圈均为方形平面螺旋线圈，且长、宽尺寸相同。

可选的，所述发射线圈和所述接收线圈均为圆形平面螺旋线圈。

可选的，所述原边谐振回路前端设置有直流电源和逆变器，所述副边谐振回路后端设置有整流滤波电路和用电负载。

可选的，系统满足以下约束关系：

其中：U_in表示发射线圈前端逆变器输出电压，I表示线圈电流，Z表示线圈阻抗，X表示线圈电抗，M为互感，工作角频率ω＝2πf₀，R_eq表示负载等效电阻，各个变量对应下标t表示发射线圈，r表示接收线圈，I表示无源阵列线圈组中内层I型线圈，IIc表示无源阵列线圈组中外层角落位置II型线圈，IIs表示无源阵列线圈组中外层边线位置II型线圈，IIc_i,IIs_i,I_i,i＝1,2,3,4分别表示按编号排序后对应类型的线圈，M_A、M_B、M_C为中间变量。

第二方面，本申请提供一种基于上述混合谐振的抗偏移无线电能传输系统的参数优化方法，包括：

S1：确定系统工作频率f₀，并测定发射线圈自感L_t、接收线圈自感L_r、发射线圈电阻R_t和接收线圈电阻R_r；

S2：匹配原边谐振回路补偿电容C_t和副边谐振回路补偿电容C_r，使其满足：

S3：设定无源阵列线圈组中I型线圈和II型线圈的结构参数和对应串联谐振回路的谐振频率为决策变量，通过系统约束关系得出系统传输效率和接收线圈等效互感，以系统传输效率和接收线圈等效互感作为目标函数，利用多目标遗传算法进行全局寻优；

S4：选择全局最优状况下的决策变量作为无源阵列线圈组中的参数进行系统设计。

可选的，步骤S3中I型线圈和II型线圈的结构参数包括Ⅰ型线圈的长l_Ⅰ、宽w_Ⅰ、匝数n_Ⅰ和Ⅱ型线圈的长l_Ⅱ、宽w_Ⅱ、匝数n_Ⅱ；根据各个线圈的结构参数确定Ⅰ型线圈的自感L_Ⅰ和Ⅱ型线圈的自感L_Ⅱ，然后根据对应串联谐振回路的谐振频率f₁和f₂匹配对应的补偿电容，确定各个线圈电抗和线圈间的互感。

可选的，按照

匹配I型线圈的补偿电容C₁和II型线圈的补偿电容C₂。

可选的，所述系统约束关系为：

其中：U_in表示发射线圈前端逆变器输出电压，I表示线圈电流，Z表示线圈阻抗，X表示线圈电抗，M为互感，工作角频率ω＝2πf₀，R_eq表示负载等效电阻，各个变量对应下标t表示发射线圈，r表示接收线圈，I表示无源阵列线圈组中内层I型线圈，IIc表示无源阵列线圈组中外层角落位置II型线圈，IIs表示无源阵列线圈组中外层边线位置II型线圈，IIc_i,IIs_i,I_i,i＝1,2,3,4分别表示按编号排序后对应类型的线圈，M_A、M_B、M_C为中间变量。

可选的，按照以下公式确定系统传输效率和接收线圈等效互感：

其中，η表示系统传输效率，Δy表示接收线圈轴线偏移距离，N表示接收线圈匝数，S_r表示接收线圈所在平面单元，B_t是发射线圈在竖直方向的磁感应强度。

有益效果：

本申请所涉及的一种基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统，包括发射线圈和接收线圈，其特征在于，所述发射线圈和所述接收线圈分别与对应的补偿电容构成工作频率为f₀的原边谐振回路和副边谐振回路，在所述发射线圈和所述接收线圈之间设置有无源阵列线圈组，所述无源阵列线圈组在同一平面上按4*4排列，内层的4个子线圈为尺寸和匝数相同的I型线圈，并与对应的谐振补偿电容分别构成谐振频率f₁的串联谐振回路；外层的12个子线圈为尺寸和匝数相同的II型线圈，并与对应的谐振补偿电容分别构成谐振频率f₂的串联谐振回路。这样的系统使得中距离无线电能传输系统的传输效率得到提升，并提升了系统的抗偏移能力，提高了系统的稳定性和鲁棒性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理，并不构成对本申请的不当限定。

图1是根据一示例性实施例示出的一种基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统的结构示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统的无线电能传输等效电路模型示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的一种基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统参数优化方法采用的多目标遗传算法的流程示意图；

图4是根据一示例性实施例示出的一种基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统在无源阵列线圈已介入发射线圈和接收线圈最优位置时，能量传输效率和等效互感随接收线圈移动的变化关系对比图；

图5是根据一示例性实施例示出的一种基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统在经过20V的直流电压源逆变后的SIMULINK各电流仿真波形示意图。

具体实施方式

为了使本领域普通人员更好地理解本申请的技术方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

下面将结合附图1～附图5对本申请实施例的一种基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统进行详细的说明，其中，图1为本申请一示例性实施例提供的一种基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统的结构示意图。如图1所示，本申请实施例提供的一种基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统包括所述抗偏移无线电能传输系统包括发射线圈1、接收线圈2以及设置在发射线圈1和接收线圈2之间的无源阵列线圈组3。

在一些实施例中，发射线圈1和所述接收线圈2分别与对应的补偿电容构成工作频率为f₀的原边谐振回路和副边谐振回路。

在一些实施例中，发射线圈1和接收线圈2均为圆形平面螺旋线圈，无源阵列线圈组3为方形平面螺旋线圈混合组，无源阵列线圈组3由两种具有不同谐振频率的方形线圈组合而成。

由于圆形平面螺旋线圈结构简单且拥有良好的对称性，基于此，本申请实施例的发射线圈1和接收线圈2均为圆形平面螺旋线圈。

在一些实施例例中，I型线圈和II型线圈均为方形平面螺旋线圈，且长、宽尺寸相同。

参考图1和图2所示，发射线圈1、接收线圈2和无源阵列线圈组3的等效电路均为串联谐振电路。具体的，所述无源阵列线圈组在同一平面上按4*4排列，内层的4个子线圈为尺寸和匝数相同的I型线圈31，按照2*2的形式排列，并与对应的谐振补偿电容分别构成谐振频率f₁的串联谐振回路；外层的12个子线圈为尺寸和匝数相同的II型线圈32，环绕4个Ⅰ型线圈31且共平面放置，并与对应的谐振补偿电容分别构成谐振频率f₂的串联谐振回路。

在一些实施例中，发射线圈1固定在平面基板上，接收线圈2固定在待充电设备的底部，无源阵列线圈组3位于发射线圈1和接收线圈2之间。

在另一些实施例中，由发射线圈和对应的补偿电容构成的原边谐振回路前端设置有直流电源和逆变器，由接收线圈和对应的补偿电容构成的副边谐振回路后端设置有整流滤波电路和用电负载。

进一步的，参考图1所示，将无源阵列线圈组3加载到无线电能传输系统介于发射线圈1与接收线圈2之间且满足下列约束条件

其中：U_in表示发射线圈前端逆变器输出电压，I表示线圈电流，Z表示线圈阻抗，X表示线圈电抗，M为互感，工作角频率ω＝2πf₀，R_eq表示负载等效电阻，各个变量对应下标t表示发射线圈，r表示接收线圈，I表示无源阵列线圈组中内层I型线圈，IIc表示无源阵列线圈组中外层角落位置II型线圈，IIs表示无源阵列线圈组中外层边线位置II型线圈，IIc_i,IIs_i,I_i,i＝1,2,3,4分别表示按编号排序后对应类型的线圈，M_A、M_B、M_C为中间变量。

根据毕奥--萨伐尔定律、法拉第电磁感应定律可分别得出混合谐振系统发射磁场、无源阵列线圈组感应产生的磁场关系如下：

其中，B_t是发射线圈在空间中Z方向的磁感应强度，B₀是自由控件磁感应强度；ω是系统工作频率对应的角速度；

I_i是无源阵列线圈组单元线圈受到发射磁场感应产生的电流，i为无源阵列线圈组单元线圈编号；ψ是无源阵列线圈与发射线圈间的磁通量；Z_i是无源阵列线圈组单元线圈在系统工作频率点的阻抗；L_i是无源阵列线圈组单元线圈的自感；ω_i是无源阵列线圈组单元线圈的谐振频率；S是无缘阵列线圈组的单元面积；

B_i是无源阵列线圈组单元线圈产生的磁感应强度；r是无源阵列线圈组单元线圈的边长，μ₀是为真空磁导率其值。

根据发射线圈1、接收线圈2和无源阵列线圈组3的磁场关系满足公式：

通过分别设计无源阵列线圈组的谐振频率可以实现“磁场聚焦”，进而提高系统传输效率与系统抗偏移能力，从而满足实际需求。

参考图1、图3所示，本申请实施例提供的基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统还包括处理器，用于执行本申请实施例提供的混合谐振系统参数优化方法，其中，该混合谐振系统参数优化方法包括：

S1：确定系统工作频率f₀，并测定发射线圈自感L_t、接收线圈自感L_r、发射线圈电阻R_t和接收线圈电阻R_r；

S2：匹配原边谐振回路补偿电容C_t和副边谐振回路补偿电容C_r，使其满足：

S3：设定无源阵列线圈组中I型线圈和II型线圈的结构参数和对应串联谐振回路的谐振频率为决策变量，通过系统约束关系得出系统传输效率和接收线圈等效互感，以系统传输效率和接收线圈等效互感作为目标函数，利用多目标遗传算法进行全局寻优；

S4：选择全局最优状况下的决策变量作为无源阵列线圈组中的参数进行系统设计。

在一些实施例中，根据所述混合谐振系统工作频率f₀、发射线圈尺寸、接收线圈尺寸与相对位置，可确定I型线圈和II型线圈的结构参数，具体包括Ⅰ型线圈的长l_Ⅰ、宽w_Ⅰ、匝数n_Ⅰ和Ⅱ型线圈的长l_Ⅱ、宽w_Ⅱ、匝数n_II，各个线圈的结构参数确定所述Ⅰ型线圈的自感L_Ⅰ和所述Ⅱ型线圈的自感L_II，Ⅰ型线圈的谐振频率对应的角速度ω_Ⅰ、Ⅱ型线圈的谐振频率对应的角速度ω_Ⅱ，然后根据对应串联谐振回路的谐振频率f₁和f₂匹配对应的补偿电容，确定各个线圈电抗和线圈间的互感。

在一些实施例中，可按照

匹配I型线圈的补偿电容C₁和II型线圈的补偿电容C₂。

在另一些实施例中，确定Ⅰ型线圈的补偿电容C₁和Ⅱ型线圈的补偿电容C₂，使之分别满足公式

利用反射阻抗理论，得到系统原边补偿电容C_T，使之满足系统输入阻抗虚部为0。

此外，根据发射线圈、无源阵列线圈组在空间中的磁场关系，确定出接收线圈与发射线圈及无源阵列线圈组等效互感M_rt’，其中，所述发射线圈、所述无源阵列线圈组在空间中的磁场关系满足公式

其中，η表示无线电能传输系统的传输效率，Δy表示接收线圈轴线偏移距离，N表示接收线圈匝数，S_r表示接收线圈所在平面单元，i_t表示原边线圈电流，I_T和I_R分别表示流经所述发射线圈和所述接收线圈电流，U_in表示逆变器输出电压，R_eq是经整流过后的等效负载。

采用数学语言对上述解析方程组进行分析可知，上述解析方程组的求解可以简化为具有约束条件的非线性规划问题，决策变量为无源阵列线圈组的Ⅰ型线圈长l_Ⅰ、宽w_Ⅰ、匝数n_Ⅰ和Ⅱ型线圈的长l_Ⅱ、宽w_Ⅱ、匝数n_Ⅱ，目标函数被设立为混合谐振系统传输效率η和用以表述系统抗偏移能力的接收线圈与发射线圈及无源阵列线圈组的等效互感M_rt’。

在一些实施例中，采用改良后的带有精英策略的非支配排序遗传算法计算所述预设解析方程组并得到全局最优解，进而得到优化之后的无源阵列线圈组参数，其中，所述无源阵列线圈组参数包括无源阵列线圈尺寸、谐振频率、无源阵列线圈组的位置。

参考图3所示，基于带有精英策略的非支配排序遗传算法的现有缺陷本申请实施例利用分段logistic混沌映射对带有精英策略的非支配排序遗传算法进行改良，以避免算法因初始化而陷入局部最优的情况。改良后的带有精英策略的非支配排序遗传算法的最大优势是能够有效的搜索到全局最优解，求解过程如图3所示，输入相对应初始参数，生成初始种群，依据所设定的目标函数与约束条件，对种群进行评价选择，再进行相应的交叉与变异，进行迭代找寻。待找到合适的结果，或已满足所设定的终止条件时，结束最优解的寻找，并输出此结果进而得到全局最优解。

本申请所涉及的一种基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统，以无源阵列线圈组的位置、单元线圈长、宽、谐振频率等作为决策变量，以混合谐振系统传输效率和接收线圈等效互感作为目标函数，利用改良后的多目标遗传算法对无源阵列线圈组的参数进行全局优化设计，使得中距离无线电能传输系统的传输效率得到提升，并较大的提升了系统的抗偏移能力，提高了系统的稳定性和鲁棒性。

以一小型电子设备无线充电系统为例，对本申请实施例的一种基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统进行举例说明。也即采用20V直流电压源作为逆变器输入电压，优化之后得到的混合谐振系统线圈参数如下表1所示。图4是无源阵列线圈组介入发射线圈和接收线圈最优位置前后能量传输效率和等效互感随接收线圈移动的变化关系对比图，可以看出，在较大的偏移距离下，混合谐振系统传输效率和抗偏移能力均强于同等条件下的两线圈无线电能传输系统。从图5可以看出混合谐振系统的原边电流和电压相位一致，极大的降低了逆变器的损耗，提高了混合谐振系统的传输效率，此外混合谐振系统相位关系也验证了本申请实施例的优化方法与分析的正确性。

表1混合谐振系统线圈参数

本申请实施例描述的应用场景是为了更加清楚的说明本申请实施例的技术方案，并不构成对于本申请实施例提供的技术方案的限定，本领域普通技术人员可知，随着新应用场景的出现，本申请实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统，包括发射线圈和接收线圈，其特征在于，所述发射线圈和所述接收线圈分别与对应的补偿电容构成工作频率为f₀的原边谐振回路和副边谐振回路，在所述发射线圈和所述接收线圈之间设置有无源阵列线圈组，所述无源阵列线圈组在同一平面上按4*4排列，内层的4个子线圈为尺寸和匝数相同的I型线圈，并与对应的谐振补偿电容分别构成谐振频率f₁的串联谐振回路；外层的12个子线圈为尺寸和匝数相同的II型线圈，并与对应的谐振补偿电容分别构成谐振频率f₂的串联谐振回路；

所述原边谐振回路前端设置有直流电源和逆变器，所述副边谐振回路后端设置有整流滤波电路和用电负载；

且系统满足以下约束关系：

其中：U_in表示发射线圈前端逆变器输出电压，I表示线圈电流，Z表示线圈阻抗，X表示线圈电抗，M为互感，工作角频率ω＝2πf₀，R_eq表示负载等效电阻，各个变量对应下标t表示发射线圈，r表示接收线圈，I表示无源阵列线圈组中内层I型线圈，IIc表示无源阵列线圈组中外层角落位置II型线圈，IIs表示无源阵列线圈组中外层边线位置II型线圈，IIc_i,IIs_i,I_i,i＝1,2,3,4分别表示按编号排序后对应类型的线圈，M_A、M_B、M_C为中间变量。

2.根据权利要求1所述的基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统，其特征在于：所述I型线圈和II型线圈均为方形平面螺旋线圈，且长、宽尺寸相同。

3.根据权利要求1所述的基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统，其特征在于：所述发射线圈和所述接收线圈均为圆形平面螺旋线圈。

4.如权利要求1-3任一所述基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统的参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定系统工作频率f₀，并测定发射线圈自感L_t、接收线圈自感L_r、发射线圈电阻R_t和接收线圈电阻R_r；

S2：匹配原边谐振回路补偿电容C_t和副边谐振回路补偿电容C_r，使其满足：

S3：设定无源阵列线圈组中I型线圈和II型线圈的结构参数和对应串联谐振回路的谐振频率为决策变量，通过系统约束关系得出系统传输效率和接收线圈等效互感，以系统传输效率和接收线圈等效互感作为目标函数，利用多目标遗传算法进行全局寻优；

S4：选择全局最优状况下的决策变量作为无源阵列线圈组中的参数进行系统设计。

5.根据权利要求4所述的基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统的参数优化方法，其特征在于，步骤S3中I型线圈和II型线圈的结构参数包括Ⅰ型线圈的长l_Ⅰ、宽w_Ⅰ、匝数n_Ⅰ和Ⅱ型线圈的长l_Ⅱ、宽w_Ⅱ、匝数n_Ⅱ；根据各个线圈的结构参数确定Ⅰ型线圈的自感L_Ⅰ和Ⅱ型线圈的自感L_Ⅱ，然后根据对应串联谐振回路的谐振频率f₁和f₂匹配对应的补偿电容，从而确定各个线圈电抗和线圈间的互感。

6.根据权利要求5所述的基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统的参数优化方法，其特征在于，按照

匹配I型线圈的补偿电容C₁和II型线圈的补偿电容C₂。

7.根据权利要求5或6所述的基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统的参数优化方法，其特征在于，按照以下公式确定系统传输效率和接收线圈等效互感：

其中，η表示系统传输效率，Δy表示接收线圈轴线偏移距离，N表示接收线圈匝数，S_r表示接收线圈所在平面单元，B_t是发射线圈在竖直方向的磁感应强度。

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