一種磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括步驟：S10，搭建一磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)模型；S11，建立所述磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路；S12，引入并計(jì)算電源匹配因數(shù)SM-2C和SM-4C、負(fù)載匹配因數(shù)LM-2C和LM-4C、傳輸品質(zhì)因數(shù)TQ和頻率偏移因數(shù)FD；S13，推導(dǎo)接收線圈反射到發(fā)射線圈的反射阻抗Z32；S14，對該反射阻抗Z32進(jìn)行標(biāo)幺化得到標(biāo)幺化的反射阻抗；S15，通過分析該磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸特性；S16，根據(jù)步驟S15的分析結(jié)果調(diào)整該磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的參數(shù)；以及S17，重復(fù)上述步驟S12至步驟S16直到傳輸特性達(dá)到目標(biāo)值。
【專利說明】一種磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，尤其涉及一種磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自從人類社會進(jìn)入了電氣化時代以來，電能的傳輸主要通過金屬導(dǎo)線的點(diǎn)對點(diǎn)直接接觸傳輸。但由于導(dǎo)線存在摩擦、老化等問題，電能傳輸過程中很容易產(chǎn)生火花，進(jìn)而影響到用電設(shè)備的壽命和用電安全。同時，在一些特殊應(yīng)用場合，如礦井和水中等，導(dǎo)線直接接觸傳輸容易發(fā)生危險。此外，植入體內(nèi)的醫(yī)療設(shè)備的長期供電也存在不便。無線電能傳輸(wireless power transfer, WPT)能夠解決以上問題。
[0003]采用電磁場作為傳輸媒介可以實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸。根據(jù)原理的不同，無線電能傳輸大致可以分為三類:第一種是感應(yīng)式，這種方式傳輸功率大，但傳輸?shù)木嚯x較近；第二種是輻射式，這種方式定向性好，傳輸距離遠(yuǎn)，但是對周圍電磁環(huán)境影響大；第三種是諧振式，這是一種新興的無線電能傳輸方式，又稱磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)。該方式能夠以較大的功率，在較高的效率下傳輸較遠(yuǎn)的距離。相比于感應(yīng)式，其傳輸距離較遠(yuǎn)，且對于方向指向性較不敏感；相比于輻射式，其對周圍電磁環(huán)境的影響較小。
[0004]磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)，自從美國麻省理工學(xué)院于2007年發(fā)表在《科學(xué)》雜志上后，就得到了持續(xù)的關(guān)注?，F(xiàn)有的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)通常分為兩線圈結(jié)構(gòu)和四線圈結(jié)構(gòu)。但由于提出時間短，研究還不夠充分、目前系統(tǒng)性的分析和設(shè)計(jì)方法并未被完整地提出，諧振頻率，電感值和電容值等參數(shù)并沒有一套成型的理論進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)。因此，如何設(shè)計(jì)磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)成為目前需要解決的課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]因此，確有必要提供一種既簡單又容易實(shí)現(xiàn)的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
[0006]一種磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法包括以下步驟:
[0007]S10,搭建一磁稱合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)模型；
[0008]S11，建立所述磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路；
[0009]S12，引入并計(jì)算電源匹配因數(shù)SM_2C和SM_4C、負(fù)載匹配因數(shù)Lm_2C和LM_4C、傳輸品質(zhì)因數(shù)1和頻率偏移因數(shù)Fd ；
[0010]S13，推導(dǎo)接收線圈反射到發(fā)射線圈的反射阻抗Z32 ；
[0011]S14，對該反射阻抗Z32進(jìn)行標(biāo)幺化得到標(biāo)幺化的反射阻抗；
[0012]S15，通過該標(biāo)么化的反射阻抗[分析該磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的傳
輸特性，并將該傳輸特性與一目標(biāo)值進(jìn)行對比，如果達(dá)到目標(biāo)值，則結(jié)束，如果沒有達(dá)到目標(biāo)值，則進(jìn)入步驟S16 ；[0013]S16，根據(jù)步驟S15的分析結(jié)果調(diào)整該磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的參數(shù)；以及
[0014]S17，重復(fù)上述步驟S12至步驟S16直到傳輸特性達(dá)到目標(biāo)值。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提供的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法具有以下優(yōu)點(diǎn):由于該方法基于標(biāo)么化的電路模型，避免了因系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)，如電源內(nèi)阻、負(fù)載電阻、諧振頻率、發(fā)射線圈和接收線圈的等效電阻以及互感等耦合在一起而導(dǎo)致的難以解耦地分析各項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)傳輸特性的影響的不足，因此，該方法簡單直觀，且可以解耦各項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)來分析其對系統(tǒng)傳輸特性的影響，有效提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明實(shí)施提供的磁耦合諧振式無 線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的流程圖。
[0017]圖2為本發(fā)明實(shí)施提供的兩線圈結(jié)構(gòu)的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3為圖2中的兩線圈結(jié)構(gòu)的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路圖。
[0019]圖4為本發(fā)明實(shí)施提供的四線圈結(jié)構(gòu)的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖5為圖4中的四線圈結(jié)構(gòu)的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路圖。
[0021]主要元件符號說明
[0022]無線電能傳輸系統(tǒng) 10，20
[0023]電源100
[0024]電源線圈110
[0025]發(fā)射線圈120
[0026]第一電容器122
[0027]接收線圈130
[0028]第二電容器132
[0029]負(fù)載線圈140
[0030]負(fù)載150
[0031]如下具體實(shí)施例將結(jié)合上述附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。
【具體實(shí)施方式】
[0032]以下將結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明實(shí)施例提供的磁耦合諧振式無線電能傳輸傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化方法。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
[0033]請參閱圖1，本發(fā)明實(shí)施提供的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法包括以下步驟:
[0034]S10,搭建一磁稱合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)模型；
[0035]S11，建立所述磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路；[0036]S12，引入并計(jì)算電源匹配因數(shù)SM_2C和SM_4C、負(fù)載匹配因數(shù)Lm_2C和LM_4C、傳輸品質(zhì)因數(shù)1和頻率偏移因數(shù)Fd ；
[0037]S13，推導(dǎo)接收線圈反射到發(fā)射線圈的反射阻抗Z32 ；
[0038]S14，對該反射阻抗Z32進(jìn)行標(biāo)幺化得到標(biāo)幺化的反射阻抗& ；
[0039]S15，通過該標(biāo)么化的反射阻抗€分析該磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的傳
輸特性，并將該傳輸特性與一目標(biāo)值進(jìn)行對比，如果達(dá)到目標(biāo)值，則結(jié)束，如果沒有達(dá)到目標(biāo)值，則進(jìn)入步驟S16 ；
[0040]S16，根據(jù)步驟S15的分析結(jié)果調(diào)整該磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的參數(shù)；以及
[0041]S17，重復(fù)上述步驟S12至步驟S16直到傳輸特性達(dá)到目標(biāo)值。
[0042]上述步驟SlO中，所述磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)不限。本發(fā)明實(shí)施例以兩線圈結(jié)構(gòu)和四線圈結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行說明。
[0043]請參閱圖2，本發(fā)明實(shí)施的兩線圈結(jié)構(gòu)的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)10包括一電源100、一發(fā)射線圈120、一第一電容器122、一接收線圈130、一第二電容器132以及一負(fù)載150。所述電源100、所述發(fā)射線圈120以及所述第一電容器122串聯(lián)形成一閉合回路。所述接收線圈130、所述第二電容器132以及所述負(fù)載150串聯(lián)形成一閉合回路。所述發(fā)射線圈120與所述接收線圈130間隔設(shè)置。所述發(fā)射線圈120與所述接收線圈130 —起用于磁耦合諧振式無線電能傳輸。所述發(fā)射線圈120發(fā)射電能，所述接收線圈130接受電能并向所述負(fù)載150供電。
[0044]請參閱圖4，本發(fā)明實(shí)施的四線圈結(jié)構(gòu)的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)20包括一電源100、一電源線圈110、一發(fā)射線圈120、一第一電容器122、一接收線圈130、一第二電容器132、一負(fù)載線圈140以及一負(fù)載150。所述電源線圈110的兩端與所述電源100電連接并形成一閉合回路。所述發(fā)射線圈120與所述第一電容器122串聯(lián)形成一閉合回路。所述接收線圈130與所述第二電容器132串聯(lián)形成一閉合回路。所述負(fù)載線圈140的兩端與所述負(fù)載150電連接并形成一閉合回路。所述發(fā)射線圈120與所述接收線圈130間隔設(shè)置。所述電源線圈110通過電磁感應(yīng)使所述發(fā)射線圈120帶電。所述發(fā)射線圈120與所述接收線圈130—起用于磁耦合諧振式無線電能傳輸。所述發(fā)射線圈120發(fā)射電能，所述接收線圈130接受電能并通過電磁感應(yīng)使所述負(fù)載線圈140帶電。所述負(fù)載線圈140向所述負(fù)載150供電。
[0045]上述步驟Sll中，通過電路理論建立所述磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路。圖3和圖5分別為圖2和圖4中的兩線圈結(jié)構(gòu)和四線圈結(jié)構(gòu)的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路圖。其中，Rs表不電源100的內(nèi)阻，R2表不發(fā)射線圈120和第一電容器122的內(nèi)阻，R3表示接收線圈130和第二電容器132的內(nèi)阻，&表示負(fù)載150的電阻，L1表示電源線圈110的電感，L2表示發(fā)射線圈120的電感，L3表示接收線圈130的電感，L4表不負(fù)載線圈140的電感，C2表不第一電容器122的電容，C3表不第二電容器132的電容，M12表示電源線圈110與發(fā)射線圈120之間的互感，M23表示發(fā)射線圈120與接收線圈130之間的互感，M34表示接收線圈130與負(fù)載線圈140之間的互感。
[0046]可以理解，本發(fā)明實(shí)施的負(fù)載150為純電阻元件。另外，所述圖5的四線圈結(jié)構(gòu)的等效電路圖中，忽略了電源線圈110和負(fù)載線圈140的等效電阻，同時忽略了非相鄰線圈的互感。
[0047]上述步驟S12中，所述兩線圈結(jié)構(gòu)和四線圈結(jié)構(gòu)的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸品質(zhì)因數(shù)Tq和頻率偏移因數(shù)Fd相同。所述兩線圈結(jié)構(gòu)和四線圈結(jié)構(gòu)的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的電源匹配因數(shù)分別表示為SM_2。和SM_4。，負(fù)載匹配因數(shù)分別表示為K-2C和LM-4C。所述電源匹配因數(shù)SM_2C和SM_4C、負(fù)載匹配因數(shù)Lm_2C和LM_4C、傳輸品質(zhì)因數(shù)Tq和頻率偏移因數(shù)Fd分別定義為公式(I):
【權(quán)利要求】
1.一種磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法包括以下步驟: S10，搭建一磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)模型； S11，建立所述磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路； S12，引入并計(jì)算電源匹配因數(shù)SM_2。和SM_4C、負(fù)載匹配因數(shù)Lm_2。和LM_4C、傳輸品質(zhì)因數(shù)Tq和頻率偏移因數(shù)Fd ； S13，推導(dǎo)接收線圈反射到發(fā)射線圈的反射阻抗Z32 ； S14，對該反射阻抗Z32進(jìn)行標(biāo)幺化得到標(biāo)幺化的反射阻抗^7 ; S15，通過該標(biāo)么化的反射阻抗&分析該磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸特性，并將該傳輸特性與一目標(biāo)值進(jìn)行對比，如果達(dá)到目標(biāo)值，則結(jié)束，如果沒有達(dá)到目標(biāo)值，則進(jìn)入步驟S16 ； S16，根據(jù)步驟S15的分析結(jié)果調(diào)整該磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的參數(shù)；以及 S17，重復(fù)上述步驟S12至步驟S16直到傳輸特性達(dá)到目標(biāo)值。
2.如權(quán)利要求1所述的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟SlO中，所述磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)為兩線圈結(jié)構(gòu)，其包括一電源、一發(fā)射線圈、一第一電容器、一接收線圈、一第二電容器以及一負(fù)載；所述步驟S12中，所述電源匹配因數(shù)Ssm。、負(fù)載匹配因數(shù)LM_2。、傳輸品質(zhì)因數(shù)Tq和頻率偏移因數(shù)Fd分別定義為公式⑴:
3.如權(quán)利要求2所述的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟S13中，所述電源的驅(qū)動頻率為所述磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的諧振頻率，從接收線圈反射到發(fā)射線圈的反射阻抗Z32的公式(2)為:
4.如權(quán)利要求2所述的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟S13中，所述電源的驅(qū)動頻率偏離所述磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的諧振頻率，從接收線圈反射到發(fā)射線圈的反射阻抗Z32的公式(2)為:
5.如權(quán)利要求3或4所述的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟S16中，所述調(diào)整該磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的參數(shù)包括調(diào)整所述發(fā)射線圈和第一電容器的內(nèi)阻R2，所述接收線圈和第二電容器的內(nèi)阻R3，所述負(fù)載的電阻Rl,所述發(fā)射線圈的電感L2，所述接收線圈的電感L3,所述第一電容器的電容C2,所述第二電容器的電容C3,以及所述發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感Μ23。
6.如權(quán)利要求1所述的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟Sio中，所述磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)為四線圈結(jié)構(gòu)，其包括一電源、一電源線圈、一發(fā)射線圈、一第一電容器、一接收線圈、一第二電容器、一負(fù)載線圈以及一負(fù)載；所述步驟S12中，所述電源匹配因數(shù)SM_4C、負(fù)載匹配因數(shù)LM_4C、傳輸品質(zhì)因數(shù)1和頻率偏移因數(shù)Fd分別定義為公式(I):


7.如權(quán)利要求6所述的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟S13中，所述電源的驅(qū)動頻率為所述磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的諧振頻率，從接收線圈反射到發(fā)射線圈的反射阻抗Z32的公式(2)為:
8.如權(quán)利要求6所述的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟S13中，所述電源的驅(qū)動頻率偏離所述磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的諧振頻率，從接收線圈反射到發(fā)射線圈的反射阻抗Z32的公式(2)為:
9.如權(quán)利要求7或8所述的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟S16中，所述調(diào)整該磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的參數(shù)包括調(diào)整所述發(fā)射線圈和第一電容器的內(nèi)阻R2，所述接收線圈和第二電容器的內(nèi)阻R3，所述負(fù)載的電阻Rl,所述電源線圈的電感L1，所述發(fā)射線圈的電感L2，所述接收線圈的電感L3,所述負(fù)載線圈的電感L4，所述第一電容器的電容C2，所述第二電容器的電容C3，所述電源線圈與發(fā)射線圈之間的互感M12，所述發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感M23,以及所述接收線圈與負(fù)載線圈之間的互感M34。
10.如權(quán)利要求1所述的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述目標(biāo)值包括該磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的目標(biāo)系統(tǒng)效率和目標(biāo)輸出功率中的一種或多種。
【文檔編號】H02J17/00GK103986243SQ201410069142
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月27日
【發(fā)明者】張藝明, 趙爭鳴, 陳凱楠, 賀凡波 申請人:清華大學(xué)