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CN109698561A - 一种mcr-wpt系统过耦合区域传输效率电路分析方法 - Google Patents

一种mcr-wpt系统过耦合区域传输效率电路分析方法 Download PDF

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CN109698561A
CN109698561A CN201910026114.6A CN201910026114A CN109698561A CN 109698561 A CN109698561 A CN 109698561A CN 201910026114 A CN201910026114 A CN 201910026114A CN 109698561 A CN109698561 A CN 109698561A
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CN
China
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wpt system
mcr
transmission efficiency
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circuit analysis
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CN201910026114.6A
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冯宏伟
刘媛媛
黄麟
陈娟
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Wuxi Institute of Technology
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Wuxi Institute of Technology
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
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Abstract

本发明公开了一种MCR‑WPT系统过耦合区域传输效率电路分析方法,旨在提供一种为了提高WCR‑WPT系统在高传输效率下的稳定性能的电路分析方法,其技术方案要点是,建立了WCR‑WPT系统的等效电路模型,分析了频率分裂现象,并推导出频率分裂的闭合方程和时可实现的传输效率。利用该电路分析方法,证明了等同谐振回路在WCR‑WPT系统过耦合区域可实现高稳定性能,为短距离WPT系统设计提供重要参考。

Description

一种MCR-WPT系统过耦合区域传输效率电路分析方法
技术领域
本发明涉及无线充电系统领域,具体涉及一种MCR-WPT系统过耦合区域传输效率电路分析方法。
背景技术
自2007年麻省理工学院Marin Soljacic课题组应用电磁耦合技术,实现了电能中距离的无线传输之后,无线电能传输技术(WPT)逐步从技术和消费者的角度显示出相当大的潜力。无线电能传输主要分为电磁辐射式(EMR)、电磁感应耦合式(ICPT)和磁耦合谐振式(MCR)等几类。正因为磁耦合谐振式无线电能传输系统传输距离远、效率高、功率大,潜在的实用价值高,近年来备受到各国学者和爱好者关注。
WCR-WPT系统是通过具有等同谐振频率的两个线圈之间的磁耦合,实现对电能的高效传输,线圈间的耦合为中高频磁场,谐振频率成为WPT系统性能好坏的非常关键参数,其中频率分裂是一个重要的现象,它不仅与传输效率(TE)有关,也与过耦合区域内的WPT能力有关。虽然谐振回路调谐到相同的谐振频率,但当它们具有强耦合的磁场时,可以在两个不同的频率上产生传输功率的峰值。由于频率分裂使得传输功率的峰值远离原来的谐振频率,WPT系统的传输效率就急剧下降。
目前,公开号为CN109067009A的中国专利公开了一种基于中心频率和带宽的MC-WPT系统计方法,它通过中心频率和带宽对MC-WPT系统中的互感参数、电容参数以及电阻参数进行配置,无需增加任何额外的LC电路或者线圈便可得到多频段MC-WPT系统。
这种基于中心频率和带宽的MC-WPT系统计方法虽然提供的基于中心频率和带宽的MC-WPT系统设计方法,通过中心频率和带宽对MC-WPT系统中的互感参数、电容参数以及电阻参数进行配置,无需增加任何额外的LC电路或者线圈便可得到需要的MC-WPT系统,但是通过采用自适应频率调优技术,在过耦合区域内,传输效率可以是均匀的,但未考虑耦合系数的影响,无法证实了等同谐振回路在WCR-WPT系统过耦合区域可实现高稳定性能,为短距离WPT系统设计提供重要参考。
发明内容
本发明的目的是提供一种MCR-WPT系统过耦合区域传输效率电路分析方法,其具有提出一种利用等效电路模型(ECM)的磁耦合WPT系统模型,并推导给定距离()中最优传输效率的闭合形式方程;对过耦合区域中的等同谐振回路的可实现传输效率进行数学证明;分析结果证实了等同谐振回路在WCR-WPT系统过耦合区域可实现高稳定性能,为短距离WPT系统设计提供重要参考的优点。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的:
一种MCR-WPT系统过耦合区域传输效率电路分析方法,包括MCR-WPT系统,所述MCR-WPT系统包括发射端和接收端,所述发射端上连接有电源,所述发射端包括稳压滤波模块、高频逆变模块、谐振补偿网络和发射线圈依次连接,所述接收端包括接收线圈、谐振补偿网络和功率调控模块依次连接,所述MCR-WPT系统的发射端和接收端之间通过L1及 L2一对磁谐振线圈的高频交变磁场耦合实现连接;
所述两个磁谐振线圈在相同的谐振频率下谐振的电容:;根据基尔霍夫电压定律建立以下方程:(1):
式(1)中: (2)
由公式(1),电流可得: (3)
整个WPT系统可以被看作是一个双端口网络,利用公式(3),可以计算等效参数 (4)
公式(4)中,是一个散射参数,用于分析WPT系统的正向电压增益。
进一步设置:所述稳压滤波模块输出后连接高频逆变模块。
通过采用上述技术方案,稳压滤波模块是将220V市电转换为48V直流电,并进行相应的平滑滤波,以消除电信号中的谐波。
进一步设置:所述高频逆变模块连接谐振补偿网络。
通过采用上述技术方案,高频逆变模块是将48V直流电转变成高频交流电,频率一般在2MHz~10MHz。
进一步设置:所述谐振补偿网络是由谐振电容C1和发射线圈L1串联组成,所述谐振补偿网络连接功率调控模块。
通过采用上述技术方案,谐振补偿网络是由谐振电容C1和发射线圈L1串联组成,高频逆变模块输出的高频电信号,使发射端谐振电容C1和发射线圈L1组成的串联谐振回路产生谐振电压和谐振电流。接收线圈L2和谐振电容C2组成接收端的谐振补偿网络具有和发射端相同的谐振频率,通过电磁共振使能量从发射端传递至接收端。
综上所述,本发明具有以下有益效果:提出一种利用等效电路模型(ECM)的磁耦合WPT系统模型,并推导给定距离()中最优传输效率的闭合形式方程。对过耦合区域中的等同谐振回路的可实现传输效率进行数学证明。分析结果证实了等同谐振回路在WCR-WPT系统过耦合区域可实现高稳定性能,为短距离WPT系统设计提供重要参考。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是:MCR-WPT系统模型的连接结构示意图;
图2是:MCR-WPT系统模型的简易电路结构示意图;
图3是:依据表1中电路电路模型简化参数表。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本发明所采用的技术方案是:
一种MCR-WPT系统过耦合区域传输效率电路分析方法,MCR-WPT系统的发射端和接收端之间是通过L1、 L2这一对磁谐振线圈的高频交变磁场耦合实现连接。线圈半径、匝数、绕线间距分别为,其中下标,1表示发射线圈,2表示接收线圈。另外,两个线圈的中心是一致的,D是两个线圈之间的距离。发射端连接电压源,接收端连接到负载电阻
交流电压源具有角谐振频率。其中分别为发射线圈和接收线圈等效损耗电阻;分别是发射线圈和接收线圈的自感量;为交流电压源内阻;使这两个线圈在相同的谐振频率下谐振的电容,;M为发射线圈与接收线圈间互感量。
在接收端中,交流电流是由电压源产生。由产生的磁场耦合到接收端,诱导产生另一个交流电。两个线圈磁耦合的紧密程度由耦合系数表示。然后,根据基尔霍夫电压定律建立以下方程:
(1)
式(1)中:
(2)
由公式(1),电流可得:
(3)
整个WPT系统可以被看作是一个双端口网络,利用公式(3),可以计算等效参数
(4)
公式(4)中,是一个散射参数,用于分析WPT系统的正向电压增益。是负载电阻的输出电压与电源电阻的输入电压的比值。
图1、图2给出了模型的简化电路参数,而图3将幅值作为频率f和耦合系数k的函数,随着k值的增加,频率分裂变得清晰可见。当线圈之间的耦合减小时,频率分离也会减小,直到两种模式聚到谐振频率。这一点被称为临界耦合点,表示可实现最大功率和效率的最远距离。当时,系统被认为是过耦合的。相反,当时,系统是欠耦合的,输送给负载的能量开始急剧下降。
为了保持一致性,WPT系统的功率传输用线性幅度散射参数来表示,因为它可以用矢量网络分析仪(VNA)进行测量,以便验证其正确性。由式(4)可知,的值可表示传输给负载电阻的电能和电源传输的电能的比值,故利用来显示电力传输的性能。
(5)
其中,意味着与比值相关的传输效率,其中可用功率不包括电源内阻的功率损耗。当处于谐振角频率时,的电抗将被消除。假设电源内阻与负载电阻相同,即,公式(5)可以简化为:
(6)
在给定耦合系数(相应地给定距离为)下,基于公式(6)对进行求导,由,可获得最优电源利用率下的负载电阻值。
(7)
带入公式(5)并进行数学处理,则传输效率可以表示为:
(8)
其中,,,,
在耦合系数的阻抗匹配条件下,为最佳传输效率。当随值增加超过时,阻抗匹配的频率点会被扭曲。因此,最大传输效率的频率被分成两种模式,一种高于,另一种低于原有谐振频率。这将导致线圈不再谐振工作,即使回路是紧密耦合的,传输效率也将会减小。为确保过耦合区域的高传输效率,当时应确定获得最大传输效率时的最优频率。为寻求最优频率,假设,其在谐振频率附近均认为是合理的。通过公式(8)对求导,可由式子求得奇偶分裂频率:
(9)
式中定义为:
(10)
式(10)需满足
通过最优频率跟踪,可求得过耦合区域近似最大化的传输效率如下:
(11)
其中,,
若发射线圈和接收线圈等效匹配,对应参数可简化为:,由此可得,因此公式(11)可简化为
(12)
因此,可得出结论:如果两个线圈回路有相同的结构,在过耦合区域的传输效率不受的影响。也就是说,当时,传输效率是一个与耦合系数无关的常量值。
根据公式(11)中,当使用非完全等同的谐振回路时,当时,是一个与耦合系数k相关的递减函数,即随值增加,值下降。
可为WPT系统的环形线圈设计提供有效的参考。若需要在过耦合区域(也就是在较短的传输距离)实现高稳定的传输效率,设计具有相同结构的线圈回路是极为重要的。此外,如定理1所示,因,故随着增加是递增的。这表明,如果在较大的中阻抗匹配,则可以保持较高的传输效率。因此,若要求在较短的距离内获得更高的传输效率,那么在较大的中进行阻抗匹配较易实现需求。
以上是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰,均属于发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种MCR-WPT系统过耦合区域传输效率电路分析方法,包括MCR-WPT系统,所述MCR-WPT系统包括发射端和接收端,所述发射端上连接有电源,所述发射端包括稳压滤波模块、高频逆变模块、谐振补偿网络和发射线圈依次连接,所述接收端包括接收线圈、谐振补偿网络和功率调控模块依次连接,其特征在于:所述MCR-WPT系统的发射端和接收端之间通过L1及 L2一对磁谐振线圈的高频交变磁场耦合实现连接;
所述两个磁谐振线圈在相同的谐振频率下谐振的电容:;根据基尔霍夫电压定律建立以下方程:(1):
式(1)中: (2)
由公式(1),电流可得: (3)
整个WPT系统可以被看作是一个双端口网络,利用公式(3),可以计算等效参数 (4)
公式(4)中,是一个散射参数,用于分析WPT系统的正向电压增益。
2.根据权利要求1所述的一种MCR-WPT系统过耦合区域传输效率电路分析方法,其特征在于:所述稳压滤波模块输出后连接高频逆变模块。
3.根据权利要求2所述的一种MCR-WPT系统过耦合区域传输效率电路分析方法,其特征在于:所述高频逆变模块连接谐振补偿网络。
4.根据权利要求3所述的一种MCR-WPT系统过耦合区域传输效率电路分析方法,其特征在于:所述谐振补偿网络是由谐振电容C1和发射线圈L1串联组成,所述谐振补偿网络连接功率调控模块。
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