一種多中繼器磁耦合諧振式無線功率傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方法
【專利摘要】一種多中繼器磁耦合諧振式無線功率傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方法，通過將具有任意數(shù)目中繼器的MCR–WPT系統(tǒng)與多節(jié)耦合諧振器帶通濾波器相比擬，利用成熟的濾波器設(shè)計理論，分別針對源內(nèi)阻為零歐姆和不為零歐姆兩種情況，明確提出多中繼器MCR–WPT系統(tǒng)中傳輸性能指標(傳輸效率、傳輸功率、傳輸距離)和電路參量(電感量、互感系數(shù)、帶寬、諧振頻率、調(diào)諧電容)的內(nèi)在約束關(guān)系。用戶根據(jù)以此為依據(jù)得到的典型設(shè)計流程，可快速準確地提取滿足傳輸性能指標的多中繼器MCR–WPT系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，滿足長傳輸距離的任意數(shù)目中繼器的MCR-WPT系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)的需要。本發(fā)明對中繼器空心線圈的電感量并無具體約束，設(shè)計非常靈活。
【專利說明】一種多中繼器磁耦合諧振式無線功率傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]作為一種新型的無線能量傳輸技術(shù)，磁耦合諧振式無線充電(MCR-WPT)技術(shù)能在幾倍于電感項圈口徑的距離以較高的效率傳遞電能，克服了感應(yīng)式無線充電技術(shù)只能在非常近的距離才能應(yīng)用的弊端。適用于從毫瓦級到千瓦級的各種應(yīng)用場合。
[0003]傳統(tǒng)的磁諧振耦合式無線充電系統(tǒng)有四線圈形式和兩線圈形式兩種。在四線圈形式中，電源通過一個耦合線圈和發(fā)射線圈相耦合，負載則通過另一個耦合線圈和接收線圈相耦合；而在四線圈形式中，耦合線圈被取消，電源、負載直接和發(fā)射線圈、接收線圈相連接。磁耦合諧振式無線充電技術(shù)的傳輸距離是比較短的，其最佳傳輸距離主要取決于負載大小、線圈口徑和工作頻率，但通常不會超過線圈口徑的2?3倍。當傳輸距離大于最佳傳輸距離時，系統(tǒng)的效率隨著距離的增加快速下降。
[0004]理論和實踐表明，利用超導(dǎo)技術(shù)可以在不降低傳輸效率的前提下明顯提高傳輸距離，但該技術(shù)價格高昂、實現(xiàn)復(fù)雜。而另一種簡便實用廉價的方法是在發(fā)射線圈和接收線圈之間適當?shù)夭迦胍粋€或多個中繼諧振器(以下簡稱中繼器，由高Q值的空心電感線圈和調(diào)諧電容串聯(lián)而成)，可以顯著增大無線能量傳輸?shù)挠行Ь嚯x。由于中繼器本身也具有一定的損耗，因此會導(dǎo)致傳輸效率和傳輸功率一定程度地降低，采用高Q值的中繼諧振器可有效緩解這一缺陷。中繼器的應(yīng)用也有助于人們方便地設(shè)置源線圈、負載線圈的幾何大小和空間位置，提高設(shè)計靈活性。然而，中繼線圈數(shù)目的增多也會大大增加分析和設(shè)計的復(fù)雜程度。而不恰當?shù)貫E用中繼LC諧振器，不但不能提高效率和傳輸功率，反而可能導(dǎo)致相反的效果。
[0005]目前，針對磁諧振耦合式無線充電系統(tǒng)，傳統(tǒng)的分析設(shè)計方法主要包括耦合模理論、集總參數(shù)等效電路理論。從數(shù)學(xué)的角度看，耦合模理論可等效為在時域上求解N階的偏微分方程組；集總參數(shù)等效電路理論可等效為在頻域上求解N階的矩陣方程，這里的N-2表示中繼線圈的數(shù)目。當N很大時，無論是求解N階的偏微分方程組還是求解N階的滿秩矩陣方程都是相當復(fù)雜的，不易得到有實用價值的解。近年來也有人利用濾波器理論，將MCR-WPT系統(tǒng)等效為濾波器，然后進行分析設(shè)計，其優(yōu)點是簡便、快捷，能直接得到帶寬、傳輸效率等參數(shù)的計算公式，為人們設(shè)計WPT系統(tǒng)提供詳實的理論依據(jù)。但目前該技術(shù)主要針對的還是無中繼的傳統(tǒng)四線圈形式或兩線圈形式的MCR-WPT系統(tǒng)。因此有必要針對多中繼MCR-WPT系統(tǒng)，利用濾波器理論開發(fā)一套簡單、系統(tǒng)、有效的分析和設(shè)計方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是針對具有多中繼器的MCR-WPT系統(tǒng)，采用濾波器理論，提供一種方便、快捷、準確的設(shè)計方法。該設(shè)計方法利用任意數(shù)目中繼器MCR-WPT與多節(jié)耦合諧振器帶通濾波器之間的相似性，利用成熟的濾波器設(shè)計理論獲得包括電感量、互感系數(shù)、傳輸效率、傳輸功率和傳輸距離等參量在內(nèi)的定量分析計算公式。以此為依據(jù)，用戶可快速準確地進行長距離多中繼器MCR-WPT系統(tǒng)的設(shè)計。
[0007]對于圖1所示的多中繼MCR-WPT系統(tǒng)，其電路結(jié)構(gòu)包括發(fā)射端TX、多個中繼器、接收端RX。發(fā)射端TX由交流電源(工作頻率&，電壓幅度值Vs)、發(fā)射端空心電感線圈L1、發(fā)射端調(diào)諧電容C1組成，Rs和R1分別為源內(nèi)阻和發(fā)射端線路損耗電阻。中繼器由空心電感線圈1^和調(diào)諧電容Ci串聯(lián)而成，l〈i〈N，Ri為損耗電阻。接收端RX由空心電感線圈Ln、接收端調(diào)諧電容Cn、接收端負載&串聯(lián)而成，Rn為損耗電阻。kM+1(i = I,-,N-1)是相鄰電感線圈i和i+Ι之間的互感系數(shù)?？招碾姼芯€圈通常繞制成圓形或矩形，也可是三角形、五邊形、六邊形或其它幾何形狀。
[0008]系統(tǒng)工作頻率&是交流電源Vs的頻率，也是各LC諧振器(TX、RX和中繼器)的諧振頻率。諧振頻率可以在125KHz、133KHz、225KHz、13.56MHz或其它ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療)頻段中進行選擇。
[0009]發(fā)射端的交流電源可以是全橋或半橋逆變電源，也可能來自高頻信號源經(jīng)功率放大器放大后輸出，前者可等效為源內(nèi)阻Rs = O Ω的電壓源，后者則相當于源內(nèi)阻Rs —定但不為0Ω的電壓源。根據(jù)Rs是否為O Ω ,MCR-WPT對應(yīng)的濾波器原型可以分為源內(nèi)阻為O Ω的單端濾波器和源內(nèi)阻不為O Ω的雙端濾波器；而根據(jù)幅頻響應(yīng)特征，又可分為巴特沃斯、切比雪夫、橢圓等類型，應(yīng)用中通常選擇具有最大平坦特性的巴特沃斯型。
[0010]本發(fā)明所述的設(shè)計方法，按如下步驟:
[0011]步驟101:確定 Rs，Rl 值;
[0012]步驟102:確定工作頻率f。；
[0013]步驟103:設(shè)置對應(yīng)的濾波器類型；
[0014]步驟201:根據(jù)傳輸效率和傳輸距離-線圈口徑比，設(shè)置中繼器數(shù)目N-2 ；
[0015]步驟202:設(shè)置相對帶寬w ；
[0016]步驟203:確定濾波器原型參數(shù)gi ；
[0017]步驟204:計算電路參數(shù)Li，Ci，Ki； i+1 ；
[0018]步驟205:設(shè)計空心電感線圈；
[0019]步驟206:計算系統(tǒng)性能指標:傳輸效率、負載功率、傳輸距離；
[0020]步驟207:設(shè)置電源電壓幅值；
[0021]步驟301:判斷是否滿足設(shè)計指標，是則轉(zhuǎn)步驟401 ;否則轉(zhuǎn)步驟201 ；
[0022]步驟401:得出系統(tǒng)詳細設(shè)計參數(shù)。
[0023]本發(fā)明所述的步驟203的濾波器原型參數(shù)gi的確定:
[0024]對于LC諧振器數(shù)目為N(中繼器數(shù)目為N-2)，相對帶寬為W，系統(tǒng)工作頻率&的多中繼器MCR-WPT系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)等效的濾波器原型為單端還是雙端，及其幅頻響應(yīng)特征(巴特沃斯型、切比雪夫型、橢圓型等)，確定N階濾波器低通原型參數(shù)gi (i = O,…，N+1)。
[0025]本發(fā)明所述的步驟204的電路參數(shù)Li, Ci, Ki；i+1的計算，按如下公式:
[0026](I)若 Rs = OQ:
a RI
[0027]發(fā)射端TX: A


4π /0 L1
[0028]接收端rx:~

【權(quán)利要求】
1.一種多中繼器磁耦合諧振式無線功率傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方法，其特征是按如下步驟: 步驟101:確定Rs，Rl值； 步驟102:確定工作頻率fQ ； 步驟103:設(shè)置對應(yīng)的濾波器類型； 步驟201:根據(jù)傳輸效率和傳輸距離-線圈口徑比，設(shè)置中繼器數(shù)目N-2 ； 步驟202:設(shè)置相對帶寬w ; 步驟203:確定濾波器原型參數(shù)gi ； 步驟204:計算電路參數(shù)Li, Ci, Ki； i+1 ； 步驟205:設(shè)計空心電感線圈； 步驟206:計算系統(tǒng)性能指標:傳輸效率、負載功率、傳輸距離； 步驟207:設(shè)置電源電壓幅值； 步驟301:判斷是否滿足設(shè)計指標，是則轉(zhuǎn)步驟401 ;否則轉(zhuǎn)步驟201 ； 步驟401:得出系統(tǒng)詳細設(shè)計參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計方法，其特征是所述的步驟203的濾波器原型參數(shù)gi的確定是:對于LC諧振器數(shù)目為N，相對帶寬為W，系統(tǒng)工作頻率&的多中繼器MCR-WPT系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)等效的濾波器原型為單端或雙端，及其幅頻響應(yīng)特征，確定N階濾波器低通原型參數(shù) gi (i = O,…，Ν+1) ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計方法，其特征是所述的步驟204的電路參數(shù)Li,Ci, ΚΜ+1的計算，按如下公式:
(1)若Rs = 0Ω:
(2)若Rs 古 O: 發(fā)射端
接收
中繼器=Li 無約束
相鄰線圈的互感系數(shù):
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計方法，其特征是所述的步驟205的空心電感線圈設(shè)計:根據(jù)設(shè)計的要求確定空心電感線圈的形狀和允許口徑范圍，然后依據(jù)空心電感線圈Li電感量的計算值確定空心電感線圈的幾何參數(shù)具體口徑、匝數(shù)和線徑，估算線圈損耗電阻和Q值；電感量可采用Neumann公式進行計算，其它必要參數(shù)可用如下公式估算: 損耗電阻
品質(zhì)因數(shù):
μ ^是真空中的磁導(dǎo)率，σ是導(dǎo)線電導(dǎo)率，I是導(dǎo)線總線長，a是導(dǎo)線半徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計方法，其特征是所述的步驟206的系統(tǒng)性能指標按如下公式估算: 傳輸效率 Η:
負載功率:對RS古O Ω的電壓源，負載功率巧---?-； 對Rs = O Ω的電壓源，負載功率
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計方法，其特征是所述的工作頻率&為125KHz、133KHz、225KHz 或 13.56MHz ο
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計方法，其特征是所述的空心電感線圈繞制成圓形、矩形、三角形、五邊形或六邊形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的設(shè)計方法，其特征是所述的中繼器線圈為低損耗、高Q值的電感線圈。
【文檔編號】H02J17/00GK104167828SQ201410352706
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】羅斌 申請人:南昌大學(xué)