一种多中继器磁耦合谐振式无线功率传输系统的设计方法
【专利摘要】一种多中继器磁耦合谐振式无线功率传输系统的设计方法，通过将具有任意数目中继器的MCR–WPT系统与多节耦合谐振器带通滤波器相比拟，利用成熟的滤波器设计理论，分别针对源内阻为零欧姆和不为零欧姆两种情况，明确提出多中继器MCR–WPT系统中传输性能指标(传输效率、传输功率、传输距离)和电路参量(电感量、互感系数、带宽、谐振频率、调谐电容)的内在约束关系。用户根据以此为依据得到的典型设计流程，可快速准确地提取满足传输性能指标的多中继器MCR–WPT系统的设计参数，满足长传输距离的任意数目中继器的MCR-WPT系统的设计和开发的需要。本发明对中继器空心线圈的电感量并无具体约束，设计非常灵活。
【专利说明】一种多中继器磁耦合谐振式无线功率传输系统的设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线能量传输系统设计【技术领域】。
【背景技术】
[0002]作为一种新型的无线能量传输技术，磁耦合谐振式无线充电(MCR-WPT)技术能在几倍于电感项圈口径的距离以较高的效率传递电能，克服了感应式无线充电技术只能在非常近的距离才能应用的弊端。适用于从毫瓦级到千瓦级的各种应用场合。
[0003]传统的磁谐振耦合式无线充电系统有四线圈形式和两线圈形式两种。在四线圈形式中，电源通过一个耦合线圈和发射线圈相耦合，负载则通过另一个耦合线圈和接收线圈相耦合；而在四线圈形式中，耦合线圈被取消，电源、负载直接和发射线圈、接收线圈相连接。磁耦合谐振式无线充电技术的传输距离是比较短的，其最佳传输距离主要取决于负载大小、线圈口径和工作频率，但通常不会超过线圈口径的2?3倍。当传输距离大于最佳传输距离时，系统的效率随着距离的增加快速下降。
[0004]理论和实践表明，利用超导技术可以在不降低传输效率的前提下明显提高传输距离，但该技术价格高昂、实现复杂。而另一种简便实用廉价的方法是在发射线圈和接收线圈之间适当地插入一个或多个中继谐振器(以下简称中继器，由高Q值的空心电感线圈和调谐电容串联而成)，可以显著增大无线能量传输的有效距离。由于中继器本身也具有一定的损耗，因此会导致传输效率和传输功率一定程度地降低，采用高Q值的中继谐振器可有效缓解这一缺陷。中继器的应用也有助于人们方便地设置源线圈、负载线圈的几何大小和空间位置，提高设计灵活性。然而，中继线圈数目的增多也会大大增加分析和设计的复杂程度。而不恰当地滥用中继LC谐振器，不但不能提高效率和传输功率，反而可能导致相反的效果。
[0005]目前，针对磁谐振耦合式无线充电系统，传统的分析设计方法主要包括耦合模理论、集总参数等效电路理论。从数学的角度看，耦合模理论可等效为在时域上求解N阶的偏微分方程组；集总参数等效电路理论可等效为在频域上求解N阶的矩阵方程，这里的N-2表示中继线圈的数目。当N很大时，无论是求解N阶的偏微分方程组还是求解N阶的满秩矩阵方程都是相当复杂的，不易得到有实用价值的解。近年来也有人利用滤波器理论，将MCR-WPT系统等效为滤波器，然后进行分析设计，其优点是简便、快捷，能直接得到带宽、传输效率等参数的计算公式，为人们设计WPT系统提供详实的理论依据。但目前该技术主要针对的还是无中继的传统四线圈形式或两线圈形式的MCR-WPT系统。因此有必要针对多中继MCR-WPT系统，利用滤波器理论开发一套简单、系统、有效的分析和设计方法。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明需要解决的技术问题是针对具有多中继器的MCR-WPT系统，采用滤波器理论，提供一种方便、快捷、准确的设计方法。该设计方法利用任意数目中继器MCR-WPT与多节耦合谐振器带通滤波器之间的相似性，利用成熟的滤波器设计理论获得包括电感量、互感系数、传输效率、传输功率和传输距离等参量在内的定量分析计算公式。以此为依据，用户可快速准确地进行长距离多中继器MCR-WPT系统的设计。
[0007]对于图1所示的多中继MCR-WPT系统，其电路结构包括发射端TX、多个中继器、接收端RX。发射端TX由交流电源(工作频率&，电压幅度值Vs)、发射端空心电感线圈L1、发射端调谐电容C1组成，Rs和R1分别为源内阻和发射端线路损耗电阻。中继器由空心电感线圈1^和调谐电容Ci串联而成，l〈i〈N，Ri为损耗电阻。接收端RX由空心电感线圈Ln、接收端调谐电容Cn、接收端负载&串联而成，Rn为损耗电阻。kM+1(i = I,-,N-1)是相邻电感线圈i和i+Ι之间的互感系数。空心电感线圈通常绕制成圆形或矩形，也可是三角形、五边形、六边形或其它几何形状。
[0008]系统工作频率&是交流电源Vs的频率，也是各LC谐振器(TX、RX和中继器)的谐振频率。谐振频率可以在125KHz、133KHz、225KHz、13.56MHz或其它ISM(工业、科学、医疗)频段中进行选择。
[0009]发射端的交流电源可以是全桥或半桥逆变电源，也可能来自高频信号源经功率放大器放大后输出，前者可等效为源内阻Rs = O Ω的电压源，后者则相当于源内阻Rs —定但不为0Ω的电压源。根据Rs是否为O Ω ,MCR-WPT对应的滤波器原型可以分为源内阻为O Ω的单端滤波器和源内阻不为O Ω的双端滤波器；而根据幅频响应特征，又可分为巴特沃斯、切比雪夫、椭圆等类型，应用中通常选择具有最大平坦特性的巴特沃斯型。
[0010]本发明所述的设计方法，按如下步骤:
[0011]步骤101:确定 Rs，Rl 值;
[0012]步骤102:确定工作频率f。；
[0013]步骤103:设置对应的滤波器类型；
[0014]步骤201:根据传输效率和传输距离-线圈口径比，设置中继器数目N-2 ；
[0015]步骤202:设置相对带宽w ；
[0016]步骤203:确定滤波器原型参数gi ；
[0017]步骤204:计算电路参数Li，Ci，Ki； i+1 ；
[0018]步骤205:设计空心电感线圈；
[0019]步骤206:计算系统性能指标:传输效率、负载功率、传输距离；
[0020]步骤207:设置电源电压幅值；
[0021]步骤301:判断是否满足设计指标，是则转步骤401 ;否则转步骤201 ；
[0022]步骤401:得出系统详细设计参数。
[0023]本发明所述的步骤203的滤波器原型参数gi的确定:
[0024]对于LC谐振器数目为N(中继器数目为N-2)，相对带宽为W，系统工作频率&的多中继器MCR-WPT系统，根据系统等效的滤波器原型为单端还是双端，及其幅频响应特征(巴特沃斯型、切比雪夫型、椭圆型等)，确定N阶滤波器低通原型参数gi (i = O,…，N+1)。
[0025]本发明所述的步骤204的电路参数Li, Ci, Ki；i+1的计算，按如下公式:
[0026](I)若 Rs = OQ:
a RI
[0027]发射端TX: A
4π /0 L1
[0028]接收端rx:~
【权利要求】
1.一种多中继器磁耦合谐振式无线功率传输系统的设计方法，其特征是按如下步骤: 步骤101:确定Rs，Rl值； 步骤102:确定工作频率fQ ； 步骤103:设置对应的滤波器类型； 步骤201:根据传输效率和传输距离-线圈口径比，设置中继器数目N-2 ； 步骤202:设置相对带宽w ; 步骤203:确定滤波器原型参数gi ； 步骤204:计算电路参数Li, Ci, Ki； i+1 ； 步骤205:设计空心电感线圈； 步骤206:计算系统性能指标:传输效率、负载功率、传输距离； 步骤207:设置电源电压幅值； 步骤301:判断是否满足设计指标，是则转步骤401 ;否则转步骤201 ； 步骤401:得出系统详细设计参数。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征是所述的步骤203的滤波器原型参数gi的确定是:对于LC谐振器数目为N，相对带宽为W，系统工作频率&的多中继器MCR-WPT系统，根据系统等效的滤波器原型为单端或双端，及其幅频响应特征，确定N阶滤波器低通原型参数 gi (i = O,…，Ν+1) ο
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征是所述的步骤204的电路参数Li,Ci, ΚΜ+1的计算，按如下公式:
(1)若Rs = 0Ω:
(2)若Rs 古 O: 发射端
接收
中继器=Li 无约束
相邻线圈的互感系数:
4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征是所述的步骤205的空心电感线圈设计:根据设计的要求确定空心电感线圈的形状和允许口径范围，然后依据空心电感线圈Li电感量的计算值确定空心电感线圈的几何参数具体口径、匝数和线径，估算线圈损耗电阻和Q值；电感量可采用Neumann公式进行计算，其它必要参数可用如下公式估算: 损耗电阻
品质因数:
μ ^是真空中的磁导率，σ是导线电导率，I是导线总线长，a是导线半径。
5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征是所述的步骤206的系统性能指标按如下公式估算: 传输效率 Η:
负载功率:对RS古O Ω的电压源，负载功率巧---?-； 对Rs = O Ω的电压源，负载功率
6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征是所述的工作频率&为125KHz、133KHz、225KHz 或 13.56MHz ο
7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征是所述的空心电感线圈绕制成圆形、矩形、三角形、五边形或六边形。
8.根据权利要求1或3所述的设计方法，其特征是所述的中继器线圈为低损耗、高Q值的电感线圈。
【文档编号】H02J17/00GK104167828SQ201410352706
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】罗斌 申请人:南昌大学