一種諧振耦合式無線電能多載傳輸方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明提供了一種諧振禪合式無線電能多載傳輸方法，設(shè)及無線電能傳輸領(lǐng)域， 尤其設(shè)及磁禪合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的分析研究領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】：
[0002] 隨著科技的進步，大量的電子產(chǎn)品涌入我們的生活，給我們的工業(yè)生產(chǎn)與日常生 活都帶來了極其重要的作用。然而，該些設(shè)備也存在著許多缺陷，電器設(shè)備接口處錯綜復(fù)雜 的電線限制了設(shè)備移動的靈活性，金屬裸露問題使其在安全上也存在很多隱患。因此，對無 線電能傳輸技術(shù)（wirelesspowertransmission:WPT)的研究就顯得愈發(fā)重要和迫切。
[0003] 目前無線電能傳輸技術(shù)通過電磁感應(yīng)技術(shù)、磁禪合諧振技術(shù)和微波或激光的形式 進行傳輸：第一種是感應(yīng)式，該種方式有傳輸功率大、電磁福射小等優(yōu)點，但該種傳輸方式 傳輸?shù)木嚯x較近；第二種是微波或激光福射式，該種方式具有定向性好、傳輸范圍廣、傳輸 距離遠等優(yōu)點，但是對周圍電磁環(huán)境影響大，傳輸過程中散射嚴重，損耗大效率低；第=種 是諧振式，即磁諧振禪合式無線電能傳輸技術(shù)。此種傳輸方式，一旦兩帶電物體具有相同的 諧振頻率，系統(tǒng)間強的磁場禪合使發(fā)射端能夠源源不斷的提供電能。相比于感應(yīng)式，其傳輸 距離較遠，且對方向性較不敏感；相比于福射式，其對周圍電磁環(huán)境的影響較小。
[0004] 美國麻省理工學(xué)院（MIT)MarinSoljacic教授為首的研究團隊在2007年提出了 諧振禪合式無線能量傳輸?shù)母拍?，研究者們認為，通常情況下相距一定距離的兩個帶電物 體之間的禪合為弱禪合，但是一旦兩帶電物體具有相同的諧振頻率，系統(tǒng)間強的磁場禪合 使發(fā)射端能夠不斷提供電能，實現(xiàn)無線傳輸，該項技術(shù)將帶動更長距離、更大功率的無線電 能傳輸?shù)难芯亢桶l(fā)展。對于磁禪合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，可W通過建立等效電路模型 來描述該系統(tǒng)，經(jīng)過分析傳輸效率與線圈尺寸、距離的關(guān)系，得到了系統(tǒng)傳輸效率的表達 式，進一步分析了最大效率的傳輸條件，但是建立的等效模型缺少對電源內(nèi)阻的考慮和負 載功率的分析。當該系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端頻率一致時，達到一種強禪合狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)最 佳距離傳輸，而當系統(tǒng)之間的頻率發(fā)生偏移，系統(tǒng)的禪合效應(yīng)迅速衰弱，發(fā)射端向接收端的 傳輸性能急劇惡化；當系統(tǒng)是多載接收時，接收端相互間的交叉禪合，也使系統(tǒng)的性能傳輸 發(fā)生減弱。
[0005] 申請公布號為；CN104300699A的發(fā)明專利提出基于磁禪合諧振式無線電能傳輸 自適應(yīng)阻抗匹配系統(tǒng)，主要包括基于粒子群算法DSP控制系統(tǒng)、射頻功放系統(tǒng)、阻抗匹配系 統(tǒng)、電能發(fā)射系統(tǒng)、電能接收系統(tǒng)、整流濾波系統(tǒng)、反射系數(shù)檢測系統(tǒng)、負載八個部分。該裝 置具有高可靠性、電磁兼容性佳的特點。但是，當線圈工作距離發(fā)生變化時，需要通過精確 調(diào)節(jié)DSP的控制單元的控制指令來穩(wěn)定系統(tǒng)性能，并不能很好的體現(xiàn)無線充電的便捷性與 優(yōu)勢。
[0006] 申請公布號為；CN103746466A的發(fā)明專利提出一種適用于多負載傳輸?shù)拇哦U合 諧振式無線電能傳輸裝置，包括發(fā)射線圈，與所述發(fā)射線圈間隔設(shè)置的接收線圈，W及多個 負載線圈。所述發(fā)射線圈與發(fā)射端電容結(jié)合用于發(fā)射電能；接收線圈通過與接收端電容結(jié) 合用于接收電能。該發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，但是，該裝置對線圈等器件的要求太高，很容易受到外 界的影響。
[0007] 發(fā)明目的；
[0008] 與傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式和微波式的無線電能傳輸方式相比，磁禪合諧振系統(tǒng)具有突 出的優(yōu)勢，同時多載系統(tǒng)的需要更進一步的促進了無線電能傳輸在諧振禪合方面的研究。 然而，對于多載式系統(tǒng)，接收裝置之間互相靠近時交叉禪合的存在，使發(fā)射端的能量不能有 效的傳送給多個接收端。
[0009] 針對無線電能傳輸系統(tǒng)中多負載裝置該一研究熱點，本發(fā)明建立了多接收端的諧 振禪合式無線電能傳輸系統(tǒng)模型，運用等效電路方程，在最大平均功率傳輸定理實現(xiàn)阻抗 匹配的基礎(chǔ)上進行分析，該分析過程中不需要改變接收裝置的位置，通過調(diào)節(jié)發(fā)送端和接 收端的禪合系數(shù)，就能夠減少發(fā)送端的反射系數(shù)，從而使負載端有效的接收發(fā)送端發(fā)送的 能量。
[0010] 技術(shù)方案
[0011] 本發(fā)明運用最大平均功率傳輸定理，使系統(tǒng)滿足阻抗匹配；然后從禪合系數(shù)的角 度研究接收端的負載功率，對不同負載功率的公式進行了推導(dǎo)和數(shù)值計算，并通過實驗仿 真驗證了理論分析的正確性。
[001引 （1)步驟一：運用基爾霍夫電壓定律（KVL)列出WPT系統(tǒng)的等效電路方程：
[0013]
【主權(quán)項】
1. 一種諧振親合式無線電能多載傳輸方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 步驟一：運用基爾霍夫電壓定律（KVL)列出WPT系統(tǒng)的等效電路方程：
設(shè)耦合角頻率為《 則系統(tǒng)諧振時得到矩陣方程
(2) 步驟二：互感線圈耦合的緊密程度用耦合系數(shù)K來表示，結(jié)合互感系數(shù)M，發(fā)射線圈 與接收線圈之間的耦合系數(shù)為K12和K31，接收線圈間的耦合系數(shù)有K23，可以表示為
用諧振線圈的終端阻抗與諧振線圈的電抗斜坡參數(shù)的比值來表示外部耦合系數(shù)，即
其中，Krt是發(fā)射線圈的外部耦合系數(shù)，Kri是接收線圈1的外部耦合系數(shù)，是接收線 圈2的外部耦合系數(shù)； (3) 步驟三：解矩陣式（2)，得到電流12, 13關(guān)于電流Ii的表達式為
根據(jù)式（5)，結(jié)合式（2)，得到關(guān)于電壓Us與電流Ii的關(guān)系表達式
將式（3)和（4)中耦合系數(shù)的表達式代入式（6)，結(jié)合耦合系數(shù)，可以分別得到式（6) 中阻抗ZmZpZ2的表達式為
根據(jù)最大平均功率傳輸定理公式
將式（7)代入式（8)，求解發(fā)射線圈的外部耦合系數(shù)
此時，系統(tǒng)達到阻抗匹配狀態(tài)。又因為相同的電流流經(jīng)負載阻抗ZJPZ2，得到負載之 比 Z1：Z2=(K122Kr2-jK12K31K23) : (K312Krl-jK12K31K23) (10) (4)步驟四：給定條件21:22= 1:1，即負載端相等，發(fā)射線圈和接收線圈的等效電感均 為10yH，調(diào)諧電容為13. 8PF，諧振頻率為13. 56MHZ，此時滿足發(fā)射線圈與接收線圈的固有 頻率等于諧振頻率，發(fā)射線圈與接收線圈1的耦合系數(shù)K12為0.05,發(fā)射線圈與接收線圈2 的耦合系數(shù)K31為0. 1，接收線圈間的耦合系數(shù)K23為0. 08,電源阻抗ZM選擇50Q;將各耦 合系數(shù)K12,K31，K23,Krt，K,2分別代入式（5)中的電流12, 13的表達式，得到
由等效電路圖可以表示出各負載功率，又根據(jù)式（5)中電流12和1:的關(guān)系，得到負載 功率PZ1和Pzu的表達變換式為
分析式（12)得到，證明PZ1=Pzu即是證明
(13)通過式（13)的成立可以得到阻抗2:的有用功 率等于負載20的功率； 同理，得到負載功率PZ2和P的表達式及其變換式
分析式（14)得到，證明PZ2=Pa2即是證明
式（15)的成立可以得到阻抗Z2的有用功率等于負載k的功率； (5) 步驟五：有電源阻抗為50Q，中心頻率f。為13. 56MHZ，電感值為10yH，將已 知數(shù)據(jù)代入式（4)，得到發(fā)送線圈的耦合系數(shù)Krt= 0.0587,進一步計算出接收線圈的耦 合系數(shù)Krt，&2的表達式，再結(jié)合21:2 2= 1:1，計算得到接收線圈1的外部親合系數(shù)Krt = 50/587-j/25,接收線圈2的外部耦合系數(shù)心2= 200/587-j4/25 ;將所有有關(guān)的已知量代入 式（12)和式（14)，得到負載功率表達式中不同的部分^/，匕^汁^^^'的計算結(jié)果為 PZ1' = 0. 0294 PZL1' = 0. 0294-j0. 0138 (16) PZ2' = 0. 0294 PZL2' = 0. 0294-j0. 0138. 由結(jié)果得，簡化等效電路圖中分配給阻抗Zi的有用功率被互感等效電路圖中的負載 &全部吸收，同樣的，簡化等效電路圖中阻抗22的有用功率被互感等效電路圖的負載全 部吸收，并且發(fā)現(xiàn)，負載MPZu的無用功率在接收線圈間的互感M2的作用下得到消除，這 表明接收線圈間雖然存在能量交換，但是負載端的無用功率可以被接收線圈間存在的其他 阻抗平衡消除，從而減小了對發(fā)射端發(fā)送功率的影響； (6) 步驟六：利用電路仿真軟件LTspice進行電壓電流仿真，此時系統(tǒng)處于諧振耦合狀 態(tài)，同時給定電源電壓Us= 10V，結(jié)合步驟五中的參數(shù)，得到電壓和電流的仿真圖； 從兩接收端諧振耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路圖得到負載MPZu的效率表達 式
根據(jù)分析出的表達式以及Matlab仿真得到負載Zu*Zu的接收效率關(guān)于頻率的曲線 圖；運用Matlab的測量工具，在諧振頻率13. 56MHZ下運行時，然后與用LTspice測量后計 算得出的數(shù)據(jù)進行比較，并分析發(fā)射系統(tǒng)的反射系數(shù)不足1% ; (7) 步驟七：將該最大平均功率傳輸定理應(yīng)用到多載式的無線電能傳輸系統(tǒng)中，通過 該定理的應(yīng)用得到系統(tǒng)的整體等效電路圖，在系統(tǒng)滿足阻抗匹配的基礎(chǔ)上從耦合系數(shù)的角 度研宄各接收端的負載功率，從而分析該系統(tǒng)的整體傳輸性能。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種諧振耦合式無線電能多載傳輸方法，該方法是在考慮發(fā)射端和接收端之間以及多接收端之間的交叉耦合的基礎(chǔ)上建立了系統(tǒng)模型，從等效電路的角度對模型進行分析，進一步對最大功率傳輸定理進行公式推導(dǎo)數(shù)值計算，然后通過仿真進行驗證，得出計算結(jié)果和實驗仿真結(jié)果是保持一致的。最大功率傳輸定理的應(yīng)用使系統(tǒng)滿足阻抗匹配，提高了負載接收能量的效率，即該方法使系統(tǒng)有效的接收了發(fā)射線圈發(fā)送的能量，進一步將其擴展至多載式諧振耦合無線電能系統(tǒng)中來提高系統(tǒng)的傳輸性能。
【IPC分類】H02J17-00
【公開號】CN104810935
【申請?zhí)枴緾N201510239514
【發(fā)明人】吳大中, 李曉曼, 吳琴, 陳穎曼
【申請人】南京信息工程大學(xué)
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年5月12日