一种基于最大功率匹配的无线电能传输系统功率效率优化方法

摘要

本发明公开了一种基于最大功率匹配的无线电能传输系统功率效率优化方法，具备在实现无线电能传输系统功率匹配状态下的功率和效率的联合优化。针对要求中等传输距离而发射侧和接收侧参数都不可变动的无线电能传输系统，本方法实现了系统在接入某一固定大小负载时产生多个匹配功率点以及匹配功率点所对应的效率点；其次根据负载需求，在所产生的多个匹配功率点及其对应的效率点中选取合适的功率和效率点作为系统的工作点。本法满足负载对于功率的需求，并在此基础上对效率及功率进行优化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线电能传输系统功率效率优化的方法，适用于米级中距离无线电能传输，同时不改变发射端及接收端参数的无线电能传输系统。

背景技术

在中距离无线电能传输技术层面，如何优化负载功率和传输效率一直都是一个研究的热点问题。目前，为了实现在长距离场合较大功率和较高效率的电能无线传输，首先，系统的谐振频率通常都比较高，可达几MHz～几十MHz；第二，设计尺寸较大的谐振线圈来改善传输性能；第三，优化系统参数以实现系统的阻抗匹配。但是，在较高的谐振频率下，高频电源难以实现较大功率的输出，同时过高的谐振频率不仅缩小了系统的稳定域度，并且对于器件的要求也特别高。通过设计较大尺寸的谐振线圈的方法在传输空间有限的场合下无法应用。关于通过阻抗匹配实现负载功率和系统效率的优化，则研究的较多，但都限于在发射侧或接收侧进行控制和优化。在发射侧和接收侧都受限制而不便改变时，这些方法就缺失了应用的可能。

发明内容

发明目的：为了克服现有方案的不足，本发明提出了一种基于最大功率匹配的无线电能传输系统功率效率优化方法。

技术方案：一种基于最大功率匹配的无线电能传输系统功率效率优化方法，所述无线电能传输系统包括线圈半径均为r且同轴设置的发射线圈、中继线圈以及接收线圈，发射线圈和接收线圈之间的距离为d₀₂，并满足d₀₂＝(10～12)r；所述发射线圈和接收线圈的匝数均为N，所述中继线圈的匝数为2N，所述中继线圈接入补偿电容环路的有效匝数在1～2N范围内可调，所述中继线圈和发射线圈之间的距离d₀₁可调；所述方法包括如下步骤：

1)，对于某一固定负载R_L，设定0.1r为中继线圈的单位移动距离，依次改变中继线圈的位置，在每个位置上动态改变所述中继线圈接入补偿电容环路的有效匝数并调整补偿电容至系统谐振频率一致，如果所述接收线圈的负载功率出现功率峰值点，则将该功率峰值点设为匹配功率点并测量此时的传输效率；在中继线圈与发射线圈的距离d₀₁ 及中继线圈与接收线圈的距离d₁₂均大于2r的范围内，得到由若干个匹配功率点构成的匹配功率点集合以及由匹配功率点所对应的效率点构成的效率点集合；

2)，从匹配功率点集合和对应的效率点集合中，选择满足负载功率要求并有最高效率的点作为无线电能传输系统的工作点；

3)，根据选择的工作点来调整中继线圈的位置以及所述中继线圈接入补偿电容环路的有效匝数，实现系统功率效率的优化。

2.根据权利要求1所述的一种无线电能传输系统功率效率优化方法，其特征在于：所述步骤1)中，还包括对所述功率峰值点的校准步骤：

A)，对于任一所述功率峰值点，根据对应的中继线圈的位置以及中继线圈接入补偿电容环路的有效匝数，计算得到中继线圈与发射线圈的互感M₀₁、发射线圈与接收线圈的互感M₀₂、中继线圈与接收线圈的互感M₁₂；

B)，根据所述M₀₁、M₀₂、M₁₂计算得到发射线圈在中继线圈上的反射阻抗R_ref0→1、中继线圈在接收线圈上的发射阻抗R_ref1→2、发射线圈在接收线圈上的反射阻抗R_ref0→2以及中继线圈的阻抗损耗系数Γ_0→1：

$R_{ref0\to 1}=\frac{{\left({\mathrm{\omega M}}_{01}\right)}^2}{r_s+r_0}$

$R_{ref1\to 2}=\frac{{\left({\mathrm{\omega M}}_{12}\right)}^2}{r_1}$

$R_{ref0\to 2}=\frac{{\left({\mathrm{\omega M}}_{02}\right)}^2}{r_s+r_0}$

${\Gamma }_{0\to 1}=\frac{r_1}{R_{ref0\to 1}+r_1}$

其中，r_s为连接发射线圈的高频电源的内阻，r₀为发射线圈的内阻，r₁为中继线圈的内阻、r₂为接收线圈的内阻；ω为无线电能传输系统谐振角频率；

C)，将所述R_ref0→1、R_ref1→2、R_ref0→2以及Γ_0→1代入下式中，判断式子是否成立：

$R_L=\sqrt{4({\Gamma }_{0\to 1}-{{\Gamma }_{0\to 1}}^2)R_{ref0\to 2}{R}_{ref1\to 2}+{[{\Gamma }_{0\to 1}(R_{ref0\to 2}+R_{ref1\to 2})+r_2]}^2}$

若该式子不成立，则将该功率峰值点对应的匹配功率点以及效率点从集合中删除。

有益效果：本发明的一种基于最大功率匹配的无线电能传输系统功率效率优化方法，针对要求中等传输距离而发射侧和接收侧参数都不可变动的无线电能传输系统，通过调节中继线圈与发射线圈之间的距离和改变中继线圈匝数的方法，改变其与发射线圈及其与接收线圈之间的互感关系以实现同一负载在中继线圈具有不同匝数和不同位置时多点功率匹配。本方法实现了系统在接入某一固定大小负载时产生多个匹配功率点以及匹配功率点所对应的效率点；其次根据负载需求，在所产生的多个匹配功率点及其对应的效率点中选取合适的功率和效率点作为系统的工作点，能够满足负载对于功率的需求的前提下对效率及功率进行优化。

附图说明

图1为带有中继线圈的无线电能传输系统结构图；

图2为带有中继线圈的无线电能传输系统等效电路图；

图3为不同负载的功率匹配点的分布图；

图4为某一固定负载的最优功率及效率点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种基于最大功率匹配的无线电能传输系统功率效率优化方法中，该无线电能传输系统包括线圈半径均为r且同轴设置的发射线圈、中继线圈以及接收线圈，发射线圈和接收线圈之间的距离为d₀₂，并满足d₀₂＝(10～12)r。发射线圈串联初级补偿电容后连接高频电源，中继线圈串联可调的中继补偿电容，接收线圈串联次级补偿电容后用于连接负载。发射线圈和接收线圈的匝数均为N，中继线圈的匝数为2N，中继线圈接入补偿电容环路的有效匝数在1～2N范围内可调，中继线圈和发射线圈之间的距离d₀₁可调。如图2所示为该无线电能传输系统的等效电路图，U_s为高频电源，r_s为电源内阻，L₀，L₁，L₂分别为发射线圈、中继线圈、接收线圈的自感，M₀₁、M₁₂、M₀₂分别为发射线圈与中继线圈、中继线圈与接收线圈、发射线圈和接收线圈之间的互感，r₀、r₁和r₂分别为发射线圈、中继线圈和接收线圈的内阻，C₀、C₁和C₂分别为发射电路、中继电路和接收电路的谐振补偿电容。R_L为接收线圈所接的负载。高频电源的频率与谐振机构 的谐振频率保持一致，即f＝1/(2πsqrt(L₀>0))＝1/(2πsqrt(L₁>1))＝1/(2πsqrt(L₂>2))。

本方法包括如下步骤：

1)，对于某一固定负载R_L，设定0.1r为中继线圈的单位移动距离，依次改变中继线圈的位置，在每个位置上动态改变所述中继线圈接入补偿电容环路的有效匝数并调整补偿电容至系统谐振频率一致，如果接收线圈的负载功率出现功率峰值点，则将该功率峰值点设为匹配功率点并测量此时的传输效率。在中继线圈与发射线圈的距离d₀₁及中继线圈与接收线圈的距离d₁₂均大于2r的范围内，得到由若干个匹配功率点构成的匹配功率点集合以及由匹配功率点所对应的效率点构成的效率点集合。

步骤1)中还包括对匹配功率点集合中各功率峰值点的校准步骤，具体为：

A)，对于任一功率峰值点，根据对应的中继线圈的位置以及中继线圈接入补偿电容环路的有效匝数，计算得到中继线圈与发射线圈的互感M₀₁、发射线圈与接收线圈的互感M₀₂、中继线圈与接收线圈的互感M₁₂。

B)，根据M₀₁、M₀₂、M₁₂计算得到发射线圈在中继线圈上的反射阻抗R_ref0→1、中继线圈在接收线圈上的发射阻抗R_ref1→2、发射线圈在接收线圈上的反射阻抗R_ref0→2以及中继线圈的阻抗损耗系数Γ_0→1：

$R_{ref0\to 1}=\frac{{\left({\mathrm{\omega M}}_{01}\right)}^2}{r_s+r_0}$

$R_{ref1\to 2}=\frac{{\left({\mathrm{\omega M}}_{12}\right)}^2}{r_1}$

$R_{ref0\to 2}=\frac{{\left({\mathrm{\omega M}}_{02}\right)}^2}{r_s+r_0}$

${\Gamma }_{0\to 1}=\frac{r_1}{R_{ref0\to 1}+r_1}$

其中，r_s为连接发射线圈的高频电源的内阻，r₀为发射线圈的内阻，r₁为中继线圈的内阻、r₂为接收线圈的内阻；ω为无线电能传输系统谐振角频率。

C)，将R_ref0→1、R_ref1→2、R_ref0→2以及Γ_0→1代入下式中，判断式子是否成立：

$R_L=\sqrt{4({\Gamma }_{0\to 1}-{{\Gamma }_{0\to 1}}^2)R_{ref0\to 2}{R}_{ref1\to 2}+{[{\Gamma }_{0\to 1}(R_{ref0\to 2}+R_{ref1\to 2})+r_2]}^2}$

若该式子不成立，则将该功率峰值点对应的匹配功率点以及效率点从集合中删除。其判断原理为，负载功率P_out与负载R_L阻值有关，对无线电能传输系统负载功率P_out求一阶导数并令倒数值为零得到上式，即满足上式时才能实现功率匹配。

2)，从匹配功率点集合和对应的效率点集合中，选择满足负载功率要求并有最高效率的点作为无线电能传输系统的工作点。

3)，根据选择的工作点来调整中继线圈的位置以及所述中继线圈接入补偿电容环路的有效匝数，实现系统功率效率的优化。

为使本实施方式更为清楚，以R_L的标称值分别为5Ω，10Ω和15Ω为例来说明本实施方式。

首先设置负载值的偏差限为10％，即以标称值R_L＝5Ω为例，负载值的范围为4.5Ω～5.5Ω。根据上述的实施方案，当中继线圈的匝数从1匝至36匝的范围可变，发射线圈和中继线圈的距离d₀₁从0.36m～0.62m可变时，获得了如图3所示的功率匹配点的分布图，对应于标称值为5Ω的负载，共有23个点满足；对应于标称值为10Ω的负载，共有15个点满足。每一个点都对应于一个匹配功率以及负载获得该匹配功率时的系统效率。进一步的，以负载R_L的标称值分别为5Ω以及10Ω为例，根据附图3所获得的匹配功率和对应效率画出负载功率和系统效率图，如附图4。在匹配功率的条件下，根据最大传输定理，系统效率必然小于50％；此时，根据曲线，选择首先满足负载功率要求并有最高效率的工作点作为系统的最优工作点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。