基于负载功率均衡的单中继多负载无线电能传输系统最优频率配置方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于负载功率均衡的单中继多负载无线电能传输系统最优频率配置方法，其特征在于：所述单中继多负载无线电能传输系统包括高频电源系统、发射线圈、中继线圈及若干个接收线圈；所述最优频率配置方法为：以负载线圈空间分布方法为基础，计算单中继多负载无线电能传输系统的传输效率以及接收功率表达式，并以系统工作频率以及各线圈回路的自谐振频率为自变量，得出最优传输效率下的各频率参量的配置方法，继而在最优传输效率的基础上，讨论最大接收功率时的工作频率及各线圈回路自谐振频率配置方法。本发明解决了包含单中继多负载模式无线电能传输系统的关键难题，为无线电能传输系统在中远距离下的多负载应用提供更为明确的指导。
【专利说明】
基于负载功率均衡的单中继多负载无线电能传输系统最优频 率配置方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于负载功率均衡的单中继多负载无线电能传输系统的最优频 率配置方法，特别是涉及多个负载中的充电功率均衡以及最优传输效率及最大接收功率目 标下的系统工作频率与各线圈回路自谐振频率间的配置方法。
【背景技术】
[0002] 近些年来，由于无线电能传输技术不需要电缆连接的友好便利性，使得该技术已 经在较多的工业场合中得到了应用。相比之下，在深海、煤矿、化工等特殊领域，传统的电缆 接触式输电方式存在较多的弊端与隐患，它所带来的是线路铺设及维修困难以及接触火花 等一系列问题。自从特斯拉开辟了无线输电领域之后，国内外诸多学者纷纷投身其中，但收 效甚微。自2007年MIT在电磁共振原理上进行突破，成功在2m以外点亮了一只60w的灯泡，这 才为中远距离以及高效率无线电能传输技术的发展提供了一个新的思路。
[0003] 采用两个耦合的能量发射与接收线圈分别串联或并联电容使得电路处于谐振状 态来隔空传递能量的两线圈式无线电能传输系统已经被深入研究，其等效电路模型也被广 泛用于分析系统的传输性能。然而，两线圈式无线电能传输系统由于其效率对传输距离很 敏感，所以目前被较多的应用在小功率设备的紧贴式无线充电中。随着无线电能传输技术 应用领域的不断拓宽，紧贴式无线充电已经越来越不能满足大众的需求。为了能提高无线 电能传输系统的传输距离，国内外诸多学者均采用增加中继线圈的方法来提升系统的传输 距离，但对于最优传输性能下的频率配置方法特别是多负载接入时的频率配置方法却无人 研究。本发明以包含中继线圈的无线电能传输系统最优传输效率及最大接收功率为目标， 提出了一种基于负载功率均衡的最优频率配置方法，旨在解决包含单中继多负载模式无线 电能传输系统的关键难题，为无线电能传输系统在中远距离下的多负载应用提供更为明确 的指导。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种基于负载功率均衡的单中继多负载无线电能传输系统 最优频率配置方法，旨在解决包含单中继多负载模式无线电能传输系统的关键难题，为无 线电能传输系统在中远距离下的多负载应用提供更为明确的指导。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006] -种基于负载功率均衡的单中继多负载无线电能传输系统最优频率配置方法，所 述单中继多负载无线电能传输系统包括高频电源系统、发射线圈、中继线圈及若干个接收 线圈;所述最优频率配置方法为：以负载线圈空间分布方法为基础，计算单中继多负载无线 电能传输系统的传输效率以及接收功率表达式，并以系统工作频率以及各线圈回路的自谐 振频率为自变量，得出最优传输效率下的各频率参量的配置方法，继而在最优传输效率的 基础上，讨论最大接收功率时的工作频率及各线圈回路自谐振频率配置方法。
[0007] 本发明的具体步骤如下：
[0008] 步骤（1)，设定无线电能传输系统的基本参数:高频电源系统的频率为CO,发射线 圈与中继线圈的自谐振频率分别为《 tx、co r，每个接收线圈的自谐振频率均设定为《 RX，gp ?TX =1/^",化=1/#，其中Ct、L t分别为发射线圈的谐振电容与电感值;Cr、 Lr分别为中继线圈的谐振电容与电感值;ChU*别为任意一个接收线圈的谐振电容与电感 值;接收线圈数量为n，每个接收线圈回路的负载阻值相同且每个接收线圈的自身参数均相 同；
[0009] 步骤(2)，以各接收线圈接收功率均衡为原则，设定若干个接收线圈排布方式；
[0010] 步骤(3)，由系统效率表达式
推导得出最优传输效率时的 电流比率条件，即
，其中Rl为负载阻值，RlL为负载阻值与接收线圈内阻之和， Rst为发射线圈回路中的总阻值，Rr为中继线圈的内阻，It、Ir分别为发射线圈、中继线圈的回 路电流值，I为每个接收线圈中的回路电流值;从而以发射线圈、中继线圈及接收线圈回路 的自谐振频率《 TX、CO r、《 RX与电源驱动频率《为配置对象，得出最优效率时的频率配置条
n 件为 为任意一个接收线圈与其余各接收线圈之间的 耦合系数之和，最优传输效率时的频率配置条件仅与电源驱动频率、中继线圈回路自谐振 频率、接收线圈回路自谐振频率以及各接收线圈间的耦合系数之和相关，与发射线圈回路 的自谐振频率无关；
[0011] 步骤(4)，在系统传输效率最优化的基础上探讨接收功率最大时的频率配置条件， 即确定当接收线圈中的电流I模值最大时，系统工作频率与其余各线圈回路自谐振频率之 间的关系，此时需满足I的虚部为零，即Im(I)=0,而此时需满足的频率配置条件为：
，当且仅当接收线圈的品质因数1
i时，频率配置条 件中的约等号成立。
[0012] 步骤(2)中，所述若干个接收线圈排布方式为:各接收线圈在空间三维下处于共平 面状态，其分布平面与发射线圈、接收线圈均平行，若干个接收线圈分别位于该正多边形的 多个顶点上，所述正多边形的中心与发射线圈、中继线圈的中心共轴。
[0013]有益效果:本发明以包含中继线圈的无线电能传输系统最优传输效率及最大接收 功率为目标，提出了一套详细、具体、有针对性、实用性强的单中继多负载无线电能传输系 统功率均衡方法与最优频率配置方法，本发明从多负载无线电能传输系统的负载功率分配 均衡、最优传输效率及最大接收功率分步入手，提出了这三种优化目标下的接收线圈排布 方法、工作频率与各线圈回路谐振频率的配置方法，解决了在设计单中继多负载无线电能 传输系统的关键难题，为无线电能传输技术在中远距离下的多负载应用提供了更为明确的 指导。
【附图说明】
[0014] 图1是本发明的结构电路拓扑图；
[0015] 图2为单中继多负载无线电能传输系统负载功率均匀分布图；
[0016] 图3为若干个接收线圈呈正多边形分布的示意图。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0018] 如图1所示为一种单中继多负载无线电能传输系统，包括高频电源系统、发射线 圈、中继线圈、若干个接收线圈、高频补偿可调电容、负载，所述高频电源系统为频率可调电 压源;所述发射线圈、中继线圈以及接收线圈分布形状为共轴平行排列，发射线圈、接收线 圈以及中继线圈的形式与参数可以不一致，但每个接收线圈的形式与参数必须相同；每个 线圈与高频补偿可调电容串联连接，调节高频补偿可调电容可以调节各线圈回路的自谐振 频率，通过电磁谐振耦合方式发射与接收能量;所述负载为一般性负载，其阻抗特性不限， 但其大小需相等。如图2所示，限于篇幅，图中只给出了3<n<6这几种数量下的接收线圈分 布形状，k tr为发射线圈与中继线圈间的耦合系数，krl~kr4分别中继线圈与各接收线圈间的 耦合系数，其值均等于图1中的k。
[0019] 基于负载功率均衡的单中继多负载无线电能传输系统的最优频率配置方法，包括 如下步骤：
[0020] 步骤(1)，如图1，设定无线电能传输系统的基本参数:高频电源系统的驱动电源的 频率为CO，发射线圈与中继线圈的自谐振频率分别为CO TX、COr，每个接收线圈的自谐振频率 均设定为《 rx，即?TX = l/M,,心=1/#，其中Ct、Lt分别为发射线圈的谐振 电容与电感值;Cr、 Lr分别为中继线圈的谐振电容与电感值;ChU分别为任意一个接收线圈 的谐振电容与电感值;接收线圈数量为n，每个接收线圈回路的负载阻值相同且每个接收线 圈的自身参数均相同；
[0021]步骤(2)，以各接收线圈接收功率均衡为原则，设定若干个接收线圈排布方式;具 体为：各负载线圈在空间三维下处于共平面状态，其分布平面与发射线圈、接收线圈均平 行，若干个接收线圈呈正多边形分布，若干个接收线圈分别位于该正多边形的多个顶点上， 正多边形的中心与发射线圈、中继线圈的中心共轴；
[0022] 如图2所示，图中的①、②、③、④为4个接收线圈，4个接收线圈在空间三维下处于 共平面状态，且4个接收线圈所在的平面于发射线圈、接收线圈均平行；如图3所示，若干个 接收线圈呈正多边形分布，若干个接收线圈分别位于该正多边形的多个顶点上，正多边形 的中心与发射线圈、中继线圈的中心共轴；以n = 3为例，此时3个接收线圈呈正三角形分布， 3个接收线圈分别位于该正三角形的顶点上，且该正三角形的中心与发射线圈、中继线圈的 中心共轴；
[0023] 步骤(3)，由系统效率表达式： 1隹导得出最优效率时的电流 比率条件，g
，Rl为负载阻值，RlL为负载阻值与接收线圈内阻之和，Rst为发射 线圈回路中的总阻值，Rr为中继线圈的内阻，It、Ir分别为发射线圈、中继线圈的回路电流 值，I为每个接收线圈中的回路电流值，从而以发射线圈、中继线圈及接收线圈回路的自谐 振频率《TX、《 r、0RX与电源驱动频率《为配置对象，得出最优效率时的频率配置条件为：
n ^ 为任意一个接收线圈与其余各接收线圈之间的耦合 系数之和，最优传输效率时的频率配置条件仅与电源驱动频率、中继线圈回路自谐振频率、 接收线圈回路自谐振频率以及各接收线圈间的耦合系数之和相关，与发射线圈回路的自谐 振频率无关；
[0024] 步骤(4)，在系统传输效率最优化的基础上探讨接收功率最大时的频率配置条件， 即确定当接收线圈中的电流I模值最大时，系统工作频率与其余各线圈回路自谐振频率之 间的关系，此时需满足I的虚部为零，即Im(I)=0,而此时需满足的频率配置条件为：
，当且仅当接收线圈的品质因数 时，频率配置条 件中的约等号成立。
[0025] 本发明的单中继多负载无线电能传输系统的最优频率配置方法主要包括：以负载 线圈空间分布方法为基础，计算单中继多负载无线电能传输系统的传输效率以及接收功率 表达式，并以系统工作频率以及各线圈回路的自谐振频率为自变量，得出最优传输效率下 的各频率参量的配置方法，继而在最优传输效率的基础上，讨论最大接收功率时的工作频 率及各线圈回路自谐振频率配置方法。最终形成一套完整的单中继多负载无线电能传输系 统频率配置方法，并可实现每个负载中的充电功率均衡。本发明为一套详细、具体、有针对 性、实用性强的单中继多负载无线电能传输系统功率均衡方法与最优频率配置方法，本发 明从多负载无线电能传输系统的负载功率分配均衡、最优传输效率及最大接收功率分步入 手，提出了这三种优化目标下的接收线圈排布方法、工作频率与各线圈回路谐振频率的配 置方法，解决了在设计单中继多负载无线电能传输系统的关键难题，为无线电能传输技术 在中远距离下的多负载应用提供了更为明确的指导。
[0026] 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. 一种基于负载功率均衡的单中继多负载无线电能传输系统最优频率配置方法，其特 征在于:所述单中继多负载无线电能传输系统包括高频电源系统、发射线圈、中继线圈及若 干个接收线圈;所述最优频率配置方法为：以负载线圈空间分布方法为基础，计算单中继多 负载无线电能传输系统的传输效率以及接收功率表达式，并以系统工作频率以及各线圈回 路的自谐振频率为自变量，得出最优传输效率下的各频率参量的配置方法，继而在最优传 输效率的基础上，讨论最大接收功率时的工作频率及各线圈回路自谐振频率配置方法。2. 根据权利要求1所述的基于负载功率均衡的单中继多负载无线电能传输系统最优频 率配置方法，其特征在于:具体步骤如下： 步骤（1)，设定无线电能传输系统的基本参数:高频电源系统的驱动电源的频率为ω， 发射线圈与中继线圈的自谐振频率分别为《TX、cor，每个接收线圈的自谐振频率均设定为 ωκχ,ΒΓ其中Ct、Lt分别为发射线圈的谐振电容与电 感值;Cr、Lr分别为中继线圈的谐振电容与电感值;ChU分别为任意一个接收线圈的谐振电 容与电感值;接收线圈数量为n，每个接收线圈回路的负载阻值相同且每个接收线圈的自身 参数均相同； 步骤(2)，以各接收线圈接收功率均衡为原则，设定若干个接收线圈排布方式； 步骤(3)，由系统效率表达式隹导得出最优传输效率时的电流 比率条件，SP其中Rl为负载阻值，RlL为负载阻值与接收线圈内阻之和，Rst为 发射线圈回路中的总阻值，Rr为中继线圈的内阻，It、Ir分别为发射线圈、中继线圈的回路电 流值，I为每个接收线圈中的回路电流值;从而以发射线圈、中继线圈及接收线圈回路的自 谐振频率ωτχ、ω τ、ωκχ与电源驱动频率ω为配置对象，得出最优效率时的频率配置条件为：为任意一个接收线圈与其余各接收线圈之间的耦合系 数之和，最优传输效率时的频率配置条件仅与电源驱动频率、中继线圈回路自谐振频率、接 收线圈回路自谐振频率以及各接收线圈间的耦合系数之和相关，与发射线圈回路的自谐振 频率无关； 步骤(4)，在系统传输效率最优化的基础上探讨接收功率最大时的频率配置条件，即确 定当接收线圈中的电流I模值最大时，系统工作频率与其余各线圈回路自谐振频率之间的 关系，此时需满足I的虚部为零，即Im(I)=0,而此时需满足的频率配置条件为：当且仅当接收线圈的品质因 fJ·，频率配置条 件中的约等号成立。3. 根据权利要求2所述的基于负载功率均衡的单中继多负载无线电能传输系统最优频 率配置方法，其特征在于:步骤(2)中，所述若干个接收线圈排布方式为:若干个接收线圈在 空间三维下处于共平面状态，其分布平面与发射线圈、接收线圈均平行，若干个接收线圈呈 正多边形分布，若干个接收线圈分别位于该正多边形的多个顶点上，所述正多边形的中心 与发射线圈、中继线圈的中心共轴。
【文档编号】H02J7/00GK105958668SQ201610393273
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月2日
【发明人】黄学良, 王维, 郭金鹏, 潘书磊, 谭林林
【申请人】东南大学