统的中继线圈设计方法，包 括如下步骤：
[0031] 步骤1)，设定无线电能传输系统的传输距离，拟定中距离范围为1. 0m < d < 3m， 所述中距离为发射线圈与接收线圈之间的传输距离。1~3米为中距离无线电能传输系统 的一般传输距离范围，也可适当扩大，一般限定在5米范围内，否则三线圈结构对于传输效 率与功率的提升将不一定能同时满足约束条件中的①和②；
[0032] 所述发射线圈、中继线圈、接收线圈均为半径相同的空间螺旋线圈，且发射线圈与 接收线圈的匝数相同，若非空间螺旋线圈、发射与接收线圈匝数不同，则最优化中继线圈参 数的计算将变得繁琐，没有规律可循，为了简化设计方法，寻求特殊的实际规律，列出较为 特殊的情况，这样可得出具体优化设计方法，对实际应用的指导性强。
[0033] 步骤2)，当无线电能传输系统的发射线圈、中继线圈与接收线圈均调谐至谐振状 态时，采用阻抗变换法计算得出三线圈结构的中距离无线电能传输系统负载功率与整体效 率表达式并确定最大化功率或效率输出时的条件，负载功率与整体效率表达式为：
[0036] 其中，Us为实际电压源，rs为电源内阻，Γι、m分别为发射线圈、中继线圈与接 收线圈的内阻，&为负载阻值，r i、r2分别为接收线圈至中继线圈、中继线圈至发射线圈的 两级映射阻抗，K为功率分配系数，此时κ = Γι7^;根据偏导计算规则求得最大功率输 出条件为：r 2= r 1+rs，最大效率条件为：Max { Γ i Γ 2};
[0037] 步骤3)，根据实际应用指标确定中距离无线电能传输系统的约束条件为：
[0039] 假设负载的功耗需求为1\，系统传输效率需求为心d、dk、cU分别为发射线圈与接 收线圈、中继线圈与发射线圈、中继线圈与接收线圈之间的传输距离，队为中继线圈匝数， ζ为比例系数，它仅与中继线圈的匝数队以及其所处的位置有关；
[0040] 步骤4)，建立功效一体的优化目标函数，并对函数做优化求解，得出中继线圈的最 优化参数值：
[0041] 功效一体化目标函数为：f(dlr，Nr) = Ρ。' · η'，
[0042] 所述目标函数需同时满足约束条件①和②，并求取目标函数的最大值，BP Max {f (dlr, Nr)}；
[0043] 对目标函数求偏导： 求得当传输距离1. 0m〈d〈3. 0m且Nr取 有限匝数时，
[0046] 上述优化参数表示当中继线圈处于发射线圈与接收线圈中间时无线电能传输系 统的接收功率与系统效率整体指标达到最优，同时，通过增加中继线圈匝数队可进一步提 升系统的整体性能，队的取值仅需考虑约束条件①和②是否同时达到，如果当电源电压不 足以达到接收功率的要求或者受到电磁干扰、传输介质以及电磁偏移等外界因素影响，而 使得此时的最优化参数还不能同时满足条件①和②，则可通过增加队的值进一步提升最优 化参数，直到最优化参数同时满足条件①和②为止。
[0047] 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。
【主权项】
1. 一种=线圈结构中距离无线电能传输系统的中继线圈设计方法，其特征是，包括如 下步骤： 步骤1)、定义中距离无线电能传输系统的传输距离1. Om《d《3m，定义中距离无线电 能传输系统中的发射线圈、中继线圈和接收线圈为半径相同的空间螺旋线圈，发射线圈与 接收线圈的应数相同； 步骤2)、调谐无线电能传输系统的发射线圈、中继线圈与接收线圈至谐振状态，采用阻 抗变换法计算得出=线圈结构的中距离无线电能传输系统负载功率和整体效率； 负载功率表达式：整体效率表达式：其中，U历电源，r历电源内阻，r1、rr、。分别为发射线圈、中继线圈与接收线圈的内 阻，町为负载阻值，r1为接收线圈至中继线圈的两级映射阻抗，r2为中继线圈至发射线圈 的两级映射阻抗，功率分配系数K=TiAf;根据偏导计算规则，求得最大功率输出条件 为：r2=r1化，最大效率条件为：Max{r1r2}; 步骤3)、确定中距离无线电能传输系统的约束条件为：其中，负载的功耗需求为町，系统传输效率需求为々，d为发射线圈与接收线圈的传输 距离、dif为中继线圈与发射线圈的传输距离、cUf为中继线圈与接收线圈的传输距离，Nf为 中继线圈应数，C为与中继线圈的应数及中继线圈所处的位置有关的比例系数； 步骤4)、建立功效一体的优化目标函数： f化"Nf) =P。'?n' ； 求取目标函数同时满足约束条件①和②的最大值:Max{f(dif，Nf) }，并对函数做优化求 解，得出中继线圈的最优化参数：2. 根据权利要求1所述的一种=线圈结构中距离无线电能传输系统的中继线圈设计 方法，其特征是：步骤4)中，最优化参数不能同时满足步骤3)中的条件①和②时，增加Nf的 值直到最优化参数同时满足条件①和②。
【专利摘要】本发明公开了一种三线圈结构中距离无线电能传输系统的中继线圈设计方法，主要包括：中距离无线电能传输系统的传输距离设定，计算含中继线圈的三线圈式无线电能传输系统的负载功率与整体效率以及最大化功率或效率输出时的阻抗条件，同时以实际功率及效率需求作为优化目标，建立功效一体化目标函数，根据实际应用指标确定中距离无线电能传输系统的约束条件，最终确定达到优化目标时的中继线圈优化参数。
【IPC分类】H01F38/14, H01F27/28, H02J50/50, H02J50/10
【公开号】CN105375650
【申请号】CN201510946208
【发明人】黄学良, 王维, 潘书磊, 刘瀚, 谭林林
【申请人】东南大学
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2015年12月16日