CN109950983A - 一种多发射单接收无线电能传输系统参数配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种多发射单接收无线电能传输系统的参数配置方法，包括：搭建多发射单接收无线电能传输系统，包括两个以上的高频电压源、两个以上的发射线圈和单个接收线圈；建立对应的等效电路，得到负载获得功率表达式与系统传输效率表达式；根据负载获得功率表达式与系统传输效率表达式，以高频电压源电压和负载电阻为优化的自变量，得到最大负载获得功率下的最优负载参数配置条件，以及最大系统传输效率下的最优馈电电压参数配置条件和最优负载参数配置条件。采用前述方法，能够实现多发射单接收无线电能传输系统在二维平面内的高系统传输效率和高负载获得功率传输。

Description

一种多发射单接收无线电能传输系统参数配置方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输领域，尤其涉及一种多发射单接收无线电能传输系统的参数配置方法。

背景技术

随着人类进入电气化时代，用电设备的数量与日俱增，且品类繁多，为这些用电设备馈送电能的传统方式是通过导线供电。但由于导线供电存在移动不便的缺点且在导线接触的过程中易产生电火花，在供电过成中造成诸多不便。例如，激烈的电火花会缩短用电设备和导线的寿命。此外，在诸如煤矿或水下等特殊场合进行导线供电时，导线接触产生的电火花有引起重大事故和漏电的危险。而基于磁耦合的无线电能传输技术可以有效避免上述问题。自 2007年，学者基于单发射单接收磁谐振式无线电能传输系统的研究取得重大突破以来，磁谐振式无线电能传输系统获得广泛的研究。

无线电能传输系统主要有两线圈结构和四线圈耦合结构两种结构。其中，两线圈结构应用磁感应原理实现电能的近距离传输，四线圈耦合结构常用于电能的中距离传输，具体的，四线圈耦合结构的第一线圈和第四线圈用于无线电能传输系统输入和输出阻抗的匹配，从而获得负载最大获得功率。为增大有效的电能传输距离，加载中继线圈的无线电能传输系统也被众多学者提出。

然而上述无线电能传输系统的研究都是关于如何在一维直线上有效提高系统的传输效率或负载获得功率。对于如何在二维平面上实现更大范围内的高传输效率或高负载获得功率目前还缺乏一套步骤明确，理论成熟的设计方案。

发明内容

本发明提供了一种多发射单接收无线电能传输系统的参数配置方法，主要涉及馈电电压参数和负载参数的配置方法，为无线电能传输系统在二维平面内实现高传输效率或高负载获得功率提供明确的指导。

本发明提供一种多发射单接收无线电能传输系统的参数配置方法，包括：

步骤1，搭建多发射单接收无线电能传输系统，所述多发射单接收无线电能传输系统包括两个以上的高频电压源、两个以上的发射线圈和单个接收线圈；

步骤2，根据所述多发射单接收无线电能传输系统，建立对应的等效电路，得到所述多发射单接收无线电能传输系统的负载获得功率表达式与系统传输效率表达式；

步骤3，根据所述负载获得功率表达式与系统传输效率表达式，以高频电压源电压和负载电阻为优化的自变量，计算得到最大负载获得功率下的最优负载参数配置条件，以及最大系统传输效率下的最优馈电电压参数配置条件和最优负载参数配置条件。

进一步地，在一种实现方式中，所述步骤1包括：

所述两个以上的发射线圈和所述单个接收线圈在二维平面排布，排布方式为：所述两个以上的发射线圈围绕充电区域均匀分布，所述单个接收线圈处于充电区域内的任意位置，在任意两个发射线圈的间距相同的情况下，所述充电区域的范围随着发射线圈数量的增多而扩大。

进一步地，在一种实现方式中，所述步骤2包括：

根据所述多发射单接收无线电能传输系统，获得所述多发射单接收无线电能传输系统中第i个发射线圈与接收线圈间的传输品质因素Q_TiR：

其中，ω₀为多发射单接收无线电能传输系统的谐振频率，M_TiR为第i个发射线圈与接收线圈间的互感量，1≤i≤n，n表示多发射单接收无线电能传输系统中发射线圈的总个数，且n为大于或等于2的正整数，r_Ti为第i个发射线圈及其上谐振电容的总寄生电阻，r_R为接收线圈及其上谐振电容总寄生电阻；

根据所述多发射单接收无线电能传输系统中第i个发射线圈与接收线圈间的传输品质因素Q_TiR，获得所述多发射单接收无线电能传输系统中全部发射线圈与接收线圈间的综合表达因子A_n：

进一步地，在一种实现方式中，所述步骤2包括：

根据以下公式，计算所述多发射单接收无线电能传输系统的负载获得功率PDL表达式：

其中，V_Ti为第i个发射线圈上加载电压源电压值，R_L为负载电阻值；

根据以下公式，计算所述多发射单接收无线电能传输系统的系统传输效率PTE表达式：

其中，M_TtR为第t个发射线圈与接收线圈间的互感量，r_Tt为第t个发射线圈及其上谐振电容的总寄生电阻，V_Tt为第t个发射线圈上加载电压源电压值，1≤t≤n，且t≠i。

进一步地，在一种实现方式中，所述步骤3包括：

根据式(1)，获得最大负载获得功率下的最优负载电阻R_L,OPT/PDL参数的配置条件为：

在负载电阻值R_L确定时，由式(2)得到M_TtRV_Ti-M_TiRV_Tt＝0成立时，最大系统传输效率下的最优馈电电压参数配置条件：

V_Ti:V_Tt＝M_TiR:M_TtR，

在所述最优馈电电压参数配置条件下，获得系统优化效率PTE′_OPT：

根据式(3)，获得最大系统传输效率下的最优负载电阻R_L,OPT/PTE参数的配置条件为：

R_L,OPT/PTE＝r_RA_n。

由以上技术方案可知，本发明实施例中提供一种多发射单接收无线电能传输系统的参数配置方法。所述方法包括：步骤1，搭建多发射单接收无线电能传输系统，所述多发射单接收无线电能传输系统包括两个以上的高频电压源、两个以上的发射线圈和单个接收线圈；步骤2，根据所述多发射单接收无线电能传输系统，建立对应的等效电路，得到所述多发射单接收无线电能传输系统的负载获得功率表达式与系统传输效率表达式；步骤3，根据所述负载获得功率表达式与系统传输效率表达式，以高频电压源电压和负载电阻为优化的自变量，计算得到最大负载获得功率下的最优负载参数配置条件，以及最大系统传输效率下的最优馈电电压参数配置条件和最优负载参数配置条件。

本发明从获得系统最大传输效率或最大负载获得功率两方面入手，提出最优馈电电压参数和最优负载电阻参数配置条件。此外，在适当增加均匀分布发射线圈的个数情况下，能够有效扩大充电区域的面积。本发明解决了多发射单接收模式的无线电能传输系统在二维平面内传输的高能效传输的关键难题，为多发射单接收无线电能传输系统在二维平面内的大范围传输提供了明确的指导。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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是本发明实施例部分提供的一种多发射单接收无线电能传输系统的参数配置方法的工作流程示意图；

图2是本发明实施例部分提供的一种多发射单接收无线电能传输系统的等效电路示意图；

图3是本发明实施例部分提供的一种无线电能传输系统模型示意图；

图4a是本发明实施例部分提供的一种2个发射线圈的多发射单接收无线电能传输系统模型示意图；

图4b是本发明实施例部分提供的一种3个发射线圈的多发射单接收无线电能传输系统模型示意图；

图4c是本发明实施例部分提供的一种4个发射线圈的多发射单接收无线电能传输系统模型示意图。

图5a是本发明实施例部分提供的一种4个发射线圈的多发射单接收无线电能传输系统在未配置负载参数时，在充电区域各处的负载获得功率示意图。

图5b是本发明实施例部分提供的一种4个发射线圈的多发射单接收无线电能传输系统在优化配置负载参数后，在充电区域各处的负载获得功率示意图。

图5c是本发明实施例部分提供的一种4个发射线圈的多发射单接收无线电能传输系统在未配置负载参数和馈电电压参数时，在充电区域各处的传输效率示意图。

图5d是本发明实施例部分提供的一种4个发射线圈的多发射单接收无线电能传输系统在优化配置负载参数和馈电电压参数后，在充电区域各处的传输效率示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所述，是本发明提供的基于二维传输的多发射单接收无线电能传输系统参数优化配置方法的工作流程示意图，包括以下步骤：

步骤1，搭建多发射单接收无线电能传输系统，所述多发射单接收无线电能传输系统包括两个以上的高频电压源、两个以上的发射线圈和单个接收线圈；

步骤2，根据所述多发射单接收无线电能传输系统，建立对应的等效电路，得到所述多发射单接收无线电能传输系统的负载获得功率表达式与系统传输效率表达式；

步骤3，根据所述负载获得功率表达式与系统传输效率表达式，以高频电压源电压和负载电阻为优化的自变量，计算得到最大负载获得功率下的最优负载参数配置条件，以及最大系统传输效率下的最优馈电电压参数配置条件和最优负载参数配置条件；

进一步地，本步骤中，结合所述负载获得功率表达式与系统传输效率表达式，能够获得最大负载获得功率和最大系统传输效率。

如图2所示，一种多发射单接收无线电能传输系统的等效电路示意图，包括两个以上的高频电压源、两个以上的发射线圈、单个接收线圈、高频补偿电容和负载。其中，C_Ti为串联在第i个发射线圈上用于产生谐振的补偿电容，L_Ti为第i个发射线圈的自电感，I_Ti为流过第i个发射线圈上的电流，1≤i≤n，n表示多发射单接收无线电能传输系统中发射线圈的总个数，且n为大于或等于2的正整数，C_R为串联在接收线圈上用于产生谐振的补偿电容，L_R为接收线圈的自电感，I_R为流过接收线圈上的电流。所述高频电压源的电压可根据单个接收线圈与各发射线圈的耦合距离而调整；所述的高频补偿电容与对应线圈串联方式连接；所述多发射单接收无线电能传输系统工作于谐振状态，配置负载为电阻性负载。

所述步骤1包括：

所述两个以上的发射线圈和所述单个接收线圈在二维平面排布，排布方式为：所述两个以上的发射线圈围绕充电区域均匀分布，所述单个接收线圈处于充电区域内的任意位置，在任意两个发射线圈的间距相同的情况下，所述充电区域的范围随着发射线圈数量的增多而扩大。

所述步骤2包括：

根据所述多发射单接收无线电能传输系统，获得所述多发射单接收无线电能传输系统中第i个发射线圈与接收线圈间的传输品质因素Q_TiR：

其中，ω₀为多发射单接收无线电能传输系统的谐振频率，M_TiR为第i个发射线圈与接收线圈间的互感量，1≤i≤n，n表示多发射单接收无线电能传输系统中发射线圈的总个数，且n为大于或等于2的正整数，r_Ti为第i个线圈及其上谐振电容的总寄生电阻，r_R为接收线圈及其上谐振电容总寄生电阻；

根据所述多发射单接收无线电能传输系统中第i个发射线圈与接收线圈间的传输品质因素Q_TiR，获得所述多发射单接收无线电能传输系统中全部发射线圈与接收线圈间的综合表达因子A_n：

所述步骤2包括：

根据所述等效电路和基尔霍夫电压定律，获得所述多发射单接收无线电能传输系统的负载获得功率PDL表达式：

其中，V_Ti为第i个发射线圈上加载电压源电压值，R_L为负载电阻值；

根据所述等效电路和基尔霍夫电压定律，获得所述多发射单接收无线电能传输系统的系统传输效率PTE表达式：

其中，M_TtR为第t个发射线圈与接收线圈间的互感量，r_Tt为第t个发射线圈及其上谐振电容的总寄生电阻，V_Tt为第t个发射线圈上加载电压源电压值，1≤t≤n，且t≠i。

所述步骤3包括：

根据所述式(1)求关于负载电阻R_L的偏导，并令该偏导表达式等于零，解该等式，获得最大负载获得功率下的最优负载电阻R_L,OPT/PDL参数配置条件为：

进一步地，本步骤中，在R_L,OPT/PDL条件下，结合所述第i个发射线圈与接收线圈间的综合表达因子A_n，根据所述式(1)获取最大负载功率PDL_OPT：

在R_L确定时，由所述式(2)得到M_TtRV_Ti-M_TiRV_Tt＝0成立能有效提高传输效率的值，从而由该等式得到最大系统传输效率下高频电压源的最优馈电电压参数配置条件为：

V_Ti:V_Tt＝M_TiR:M_TtR，

在所述最优馈电电压参数的配置条件下，将所述式(2)简化为式(3)

其中，PTE′_OPT为馈电电压参数优化配置后获得系统优化效率。

对所述式(3)求关于负载电阻R_L的偏导，并令该偏导表达式等于零，解该等式，获得最大系统传输效率下的最优负载电阻R_L,OPT/PTE参数配置条件为：

R_L,OPT/PTE＝r_RA_n。

进一步地，本步骤中，在所述最优负载电阻R_L,OPT/PTE参数配置条件下，结合所述第i个发射线圈与接收线圈间的综合表达因子A_n，将所述最优馈电电压参数配置条件和所述最优负载电阻R_L,OPT/PTE参数的配置条件带入所述式(3)，得到最大传输效率PTE_OPT：

PTE_OPT＝(A_n-1)/(A_n+1)，

如图3所示，所述接收线圈处于充电区域的位置，充电区域在本发明中设置为圆面，所述充电区域的圆面半径R_SA随着发射线圈个数的增多而扩大，接收线圈RX的中心O′不超过所述充电区域的圆形边界。

如图4a、图4b和图4c所示，分别搭建二维平面上的2个、3个和4个发射线圈的多发射单接收无线电能传输系统模型。以图中的2个、3个和4个发射线圈为例，对应的充电区域半径分别为R_SA1＝D/2-(R_TX+R_RX)、和

其中，R_TX、R_RX分别为发射线圈和接收线圈的半径，明显有R_SA1<R_SA2<R_SA3。因此，在任意两个发射线圈的间距相同情况下，所述充电区域的范围随着发射线圈数量的增多而扩大。

本实施例中，发射线圈半径R_TX＝5.5cm、多股利兹线紧密绕制线圈高度3.4cm、绕制的圈数为25；接收线圈半径R_RX＝15.75cm、线圈高度为1.5cm、圈数为11；各发射线圈相距D＝1m。2、3和4个发射线圈系统的充电区域半径分别为：R_SA1＝28.75cm、 R_SA2＝36.49cm、R_SA3＝49.47cm。在系统设定谐振频率1.073MHz处，实际测得发射线圈和接收线圈加上各自的串联电容的总寄生电阻分别为5Ω和5.1Ω。

本实施例给出4发射单接收线圈在发射线圈TX₁,…,TX₄所加馈电电压 V₁＝1V,V₂＝2V,V₃＝3V,V₄＝4V以及负载R_L＝10Ω的负载获得功率PDL值，对照的也给出 V₁＝1V,V₂＝2V,V₃＝3V,V₄＝4V以及负载R_L＝R_L,OPT/PDL的最大负载获得功率PDL_OPT值。对于效率方面，本实施例给出V₁:V₂:V₃:V₄＝1:2:3:4以及负载R_L＝10Ω的系统传输效率PTE值，对照的也给出V₁:V₂:V₃:V₄＝1:2:3:4以及负载R_L＝R_L,OPT/PTE的最大系统传输效率PTE_OPT值。负载获得功率PDL、最大负载获得功率PDL_OPT、系统传输效率PTE和最大系统传输效率PTE_OPT分布情况分别如图5a、5b、5c和5d所示。

本发明的多发射单接收无线电能传输系统参数优化配置方法主要包括：步骤1，搭建多发射单接收无线电能传输系统，所述多发射单接收无线电能传输系统包括两个以上的高频电压源、两个以上的发射线圈和单个接收线圈；步骤2，根据所述多发射单接收无线电能传输系统，建立对应的等效电路，得到所述多发射单接收无线电能传输系统的负载获得功率表达式与系统传输效率表达式；步骤3，根据所述负载获得功率表达式与系统传输效率表达式，以高频电压源电压和负载电阻为优化的自变量，计算得到最大负载获得功率下的最优负载参数配置条件，以及最大系统传输效率下的最优馈电电压参数配置条件和最优负载参数配置条件。

本发明从获得系统最大传输效率或最大负载获得功率两方面入手，提出最优馈电电压参数和最优负载电阻参数配置条件。此外，在适当增加均匀分布发射线圈的个数情况下，能够有效扩大充电区域的面积。本发明步骤详细、理论充分、实用性强，解决了多发射单接收模式的无线电能传输系统在二维平面内传输的高能效传输的关键难题，为多发射单接收无线电能传输系统在二维平面内的大范围传输提供了明确的指导。

上述实施例的作用在于说明本发明的实质性内容，但并不以此限定本发明的保护范围。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和保护范围。

具体实现中，本发明还提供一种计算机存储介质，其中，该计算机存储介质可存储有程序，该程序执行时可包括本发明提供的一种多发射单接收无线电能传输系统的参数配置方法的各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(英文：read-only memory，简称：ROM)或随机存储记忆体(英文：random access memory，简称：RAM)等。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。

Claims (5)

1.一种多发射单接收无线电能传输系统的参数配置方法，其特征在于：

步骤1，搭建多发射单接收无线电能传输系统，所述多发射单接收无线电能传输系统包括两个以上的高频电压源、两个以上的发射线圈和单个接收线圈；

步骤2，根据所述多发射单接收无线电能传输系统，建立对应的等效电路，得到所述多发射单接收无线电能传输系统的负载获得功率表达式与系统传输效率表达式；

步骤3，根据所述负载获得功率表达式与系统传输效率表达式，以高频电压源电压和负载电阻为优化的自变量，计算得到最大负载获得功率下的最优负载参数配置条件，以及最大系统传输效率下的最优馈电电压参数配置条件和最优负载参数配置条件。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1包括：

所述两个以上的发射线圈和所述单个接收线圈在二维平面排布，排布方式为：所述两个以上的发射线圈围绕充电区域均匀分布，所述单个接收线圈处于充电区域内的任意位置，在任意两个发射线圈的间距相同的情况下，所述充电区域的范围随着发射线圈数量的增多而扩大。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括：

根据所述多发射单接收无线电能传输系统，获得所述多发射单接收无线电能传输系统中第i个发射线圈与接收线圈间的传输品质因素Q_TiR：

其中，ω₀为多发射单接收无线电能传输系统的谐振频率，M_TiR为第i个发射线圈与接收线圈间的互感量，1≤i≤n，n表示多发射单接收无线电能传输系统中发射线圈的总个数，且n为大于或等于2的正整数，r_Ti为第i个发射线圈及其上谐振电容的总寄生电阻，r_R为接收线圈及其上谐振电容总寄生电阻；

根据所述多发射单接收无线电能传输系统中第i个发射线圈与接收线圈间的传输品质因素Q_TiR，获得所述多发射单接收无线电能传输系统中全部发射线圈与接收线圈间的综合表达因子A_n：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括：

根据以下公式，计算所述多发射单接收无线电能传输系统的负载获得功率PDL表达式：

其中，V_Ti为第i个发射线圈上加载电压源电压值，R_L为负载电阻值；

根据以下公式，计算所述多发射单接收无线电能传输系统的系统传输效率PTE表达式：

其中，M_TtR为第t个发射线圈与接收线圈间的互感量，r_Tt为第t个发射线圈及其上谐振电容的总寄生电阻，V_Tt为第t个发射线圈上加载电压源电压值，1≤t≤n，且t≠i。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤3包括：

根据式(1)，获得最大负载获得功率下的最优负载电阻R_L,OPT/PDL参数的配置条件：

在负载电阻值R_L确定时，由式(2)得到M_TtRV_Ti-M_TiRV_Tt＝0成立时，最大系统传输效率下的最优馈电电压参数配置条件：

V_Ti:V_Tt＝M_TiR:M_TtR，

在所述最优馈电电压参数配置条件下，获得系统优化效率PTE′_OPT：

根据式(3)，获得最大系统传输效率下的最优负载电阻R_L,OPT/PTE参数的配置条件为：

R_L,OPT/PTE＝r_RA_n。