基于功率波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差最小的雙源無線供電系統(tǒng)間距尋優(yōu)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，特別設(shè)及一種雙源無線供電系統(tǒng)間距 尋優(yōu)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展顯著提高了能量供給的空間自由度，為去掉電子設(shè)備的 最后一根電纜（即電源線）提供了可能。2007年，M口研究小組提出了磁禪合諧振式WPT 技術(shù)為中程無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展提供了一個(gè)新的解決思路，他們使用兩個(gè)固有諧振頻 率相等的線圈來進(jìn)行能量的傳遞，與傳統(tǒng)電磁感應(yīng)式WPT相比，可顯著提高了諧振器的傳 輸效率，有效降低了空間的電磁損耗，該技術(shù)的一經(jīng)提出就迅速發(fā)展成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界 共同關(guān)注的熱點(diǎn)技術(shù)之一。
[0003] 現(xiàn)階段基于磁禪合諧振式的單源無線供電技術(shù)是該領(lǐng)域的主要研究對(duì)象，但單源 系統(tǒng)的負(fù)載接收功率對(duì)距離的變化敏感，且近距離傳輸時(shí)功率分裂現(xiàn)象嚴(yán)重，存在功率波 動(dòng)較大等一系列問題。為了解決運(yùn)一問題，不少學(xué)者也提出了諸如阻抗匹配、動(dòng)態(tài)調(diào)頻、跟 蹤控制等方法或技術(shù)手段，雖然在近距離傳輸時(shí)起到了很好的實(shí)際效果，但是無疑增加了 系統(tǒng)的復(fù)雜性，目前單源無線供電系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)輸出功率衰減較快仍是一個(gè)技術(shù)難 點(diǎn)。為此雙源或多源諧振式WPT系統(tǒng)被提出，該系統(tǒng)可W較好地抑制因距離改變而帶來的 功率波動(dòng)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，提出基于功率波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差最小的雙源無線供電系 統(tǒng)間距尋優(yōu)方法，實(shí)現(xiàn)在一定的空間內(nèi)負(fù)載能夠接收穩(wěn)定的功率。
[0005] 技術(shù)方案：基于功率波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差最小的雙源無線供電系統(tǒng)間距尋優(yōu)方法，所述雙 源無線供電系統(tǒng)的高頻電源工作頻率恒定，接收線圈與雙源無線供電系統(tǒng)的兩個(gè)發(fā)射線圈 同軸設(shè)置并在兩個(gè)發(fā)射線圈之間移動(dòng)，所述間距尋優(yōu)方法選取兩個(gè)發(fā)射線圈的間距作為變 量，選取負(fù)載在供電空間內(nèi)接收功率的標(biāo)準(zhǔn)差最小作為優(yōu)化目標(biāo)，包括如下步驟：
[0006]步驟1)，提取雙源無線供電系統(tǒng)的發(fā)射端參數(shù)W及接收端參數(shù)；
[0007] 步驟2)，若兩個(gè)發(fā)射線圈之間的距離為D，接收線圈與第一個(gè)發(fā)射線圈之間的距 離為di，接收線圈與第二個(gè)發(fā)射線圈之間的距離為D-di，得到接收線圈的接收功率P關(guān)于參 數(shù)D和di的函數(shù)；
[0008] 步驟3)，根據(jù)所述接收功率P關(guān)于參數(shù)D和di的函數(shù)，得到接收線圈位于各個(gè)位 置的接收功率的標(biāo)準(zhǔn)差函數(shù)，W標(biāo)準(zhǔn)差最小為優(yōu)化目標(biāo)，約束條件為：
[0009] 約束條件1 :兩個(gè)發(fā)射線圈之間的距離為D小于等于發(fā)射線圈半徑的4~6倍；
[0010] 約束條件2 :接收線圈的接收功率P波動(dòng)小于等于平均接收功率的20% ;
[0011] 步驟4)，根據(jù)所述優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，計(jì)算得到兩個(gè)發(fā)射線圈之間的距離D的 最優(yōu)值。
[0012] 有益效果：本發(fā)明的基于功率波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差最小的雙源無線供電系統(tǒng)間距尋優(yōu)方 法，根據(jù)給定的系統(tǒng)工作頻率、負(fù)載大小、收發(fā)線圈參數(shù)，基于功率波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差最小的間距 尋優(yōu)策略，計(jì)算出功率波動(dòng)最小的發(fā)射線圈間距，從而實(shí)現(xiàn)在一定的空間內(nèi)負(fù)載能夠接收 穩(wěn)定的功率。
【附圖說明】
[0013] 圖1為雙源無線供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖2為此雙源無線供電系統(tǒng)的具體實(shí)施電路；
[0015] 圖3為基于功率波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差最小的間距尋優(yōu)算法流程圖；
[0016] 圖4為不同發(fā)射線圈間距下輸出功率與傳輸距離的關(guān)系曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。
[001引一種雙源無線供電系統(tǒng)間距尋優(yōu)方法，雙源無線供電系統(tǒng)如圖1所示，包括兩路 發(fā)射端和一路接收端，發(fā)射端分別由諧振電容、高頻電源W及發(fā)射線圈串聯(lián)構(gòu)成，兩個(gè)發(fā)射 線圈TxU Tx2的各參數(shù)均相同并同軸設(shè)置。接收端由接收線圈RxU諧振電容W及負(fù)載組 成，接收線圈尺寸小于兩個(gè)發(fā)射線圈并與發(fā)射線圈同軸設(shè)置，接收線圈的位置能夠在兩個(gè) 發(fā)射線圈之間移動(dòng)。兩個(gè)發(fā)射端均能夠通過磁禪合諧振為接收端無線傳輸電能，從而為接 收端的負(fù)載供電。
[0019] 雙源無線供電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，雙源無線供電系統(tǒng)的高頻電源工作頻 率f恒定，本實(shí)施例中電路模型的參數(shù)為：f = 480曲Z，兩個(gè)高頻電源的內(nèi)阻RS1、RS2均為 50 Q，接收端負(fù)載為阻性負(fù)載町=60 Q，兩個(gè)發(fā)射線圈的參數(shù)為：線徑0.0 Olm,線圈半徑rl =0. 15m，應(yīng)數(shù)NI = 26,接收線圈的參數(shù)為：線徑0. 001m，線圈半徑r2 = 0. 037m，應(yīng)數(shù)N2 =44 ;
[0020] 步驟1)，提取雙源無線供電系統(tǒng)的發(fā)射端參數(shù)W及接收端參數(shù)，并給出圖2所示 雙源無線供電系統(tǒng)的KVL方程： 0. 1 ,/wM。 一琴]「.文 1-
[0021] 嗎二為 j妨-j.妨I古. 革!.史J煩M'巧7：^ }斌M'藝-/s一 陽0巧式中，Ui、Uz分別為兩個(gè)高頻電源的輸出電壓，U 1= Uz= U ; W為系統(tǒng)角頻率，《 =2 JT f ;Mi為線圈Txl和Rxl之間的互感，M 2為線圈Tx2和Rxl之間的互感，M 12為線圈Txl 和Tx2之間的互感，Zi、Z2、Zs分別為兩個(gè)發(fā)射端W及接收端的阻抗，I 1、12、Is分別為發(fā)射端 W及接收端的回路電流；其中，Zi= R d+Ri+1/j CO Ci+j CO Li, Zz= R ,2+R2+1/J ? Cz+j ? Lz, Zs = R3+RL+l/j?C3+j?L3;Rl、R2、R3分別為線圈Txl、Tx2、Rxl的等效電阻，Rl=R2;Cl、C2、C3分 別為線圈Txl、Tx2、Rxl串聯(lián)的諧振電容值Cl= C2;Li、L2、L3分別為圈Txl、Tx2、Rxl的等 效電感，Li= 12。
[0023] 步驟2)，若發(fā)射線圈Txl和Tx2之間的距離為D，接收線圈Rxl與發(fā)射線圈Txl之 間的距離為di，接收線圈Rxl與發(fā)射線圈Tx2之間的距離為D-di，得到接收線圈的接收功率 P的表達(dá)式為：
陽O 巧]其中，A = Zi+?2Mi2/Z3，C = Z2+?2M2^Z3，B = ?2MiM2/Z3+j ?Mi2。在工作頻率 f 恒 定時(shí)且其他參數(shù)不變時(shí)，Mi、M2分別是關(guān)于距離d i、d2的函數(shù)，并且滿足d i+d2= D，輸出功率 P可W進(jìn)一步表示為：P值，di)，即負(fù)載接收功率隨D和di而發(fā)生變化。
[00%] 步驟3)，根據(jù)接收功率P關(guān)于參數(shù)D和di的函數(shù)，W兩個(gè)發(fā)射線圈的間距作為變 量，依據(jù)上述推導(dǎo)得到接收線圈在兩個(gè)發(fā)射線圈之間移動(dòng)時(shí)各個(gè)位置的接收功率的標(biāo)準(zhǔn)差 函數(shù)，W標(biāo)準(zhǔn)差最小為優(yōu)化目標(biāo)，約束條件為：
[0027] 約束條件1 :當(dāng)兩個(gè)發(fā)射線圈相距較遠(yuǎn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)解禪的現(xiàn)象，必然無法實(shí)現(xiàn) 能量的有效傳輸，為了確保兩個(gè)發(fā)射線圈不會(huì)發(fā)生解禪，兩個(gè)發(fā)射線圈之間的距離為D小 于等于發(fā)射線圈半徑的4~6倍；
[0028] 約束條件2 :雙源無線供電系統(tǒng)還需要滿足工作穩(wěn)定性約束條件，為了保證接收 端后級(jí)電路不受過大的沖擊，系統(tǒng)輸出功率的波動(dòng)不能過大，限定接收線圈在各個(gè)位置的 接收功率P波動(dòng)小于等于平均接收功率的20 %，具體表示為：
[0029] 戶悼誠)-刮鱗均島這戶(攝)：
[0030] 式中，P值，di)為發(fā)射線圈間距為D時(shí)，接收線圈距一個(gè)發(fā)射線圈距離為di處的接 收功率，為發(fā)射線圈間距為D時(shí)接收線圈處于各個(gè)位置上接收功率的平均值。
[0031] 步驟4)，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，計(jì)算得到兩個(gè)發(fā)射線圈之間的距離D的最優(yōu) 值，標(biāo)準(zhǔn)差越大則說明功率波動(dòng)越大，反之說明功率波動(dòng)越小，負(fù)載能夠獲得更加穩(wěn)定的能 量供給；結(jié)算過程如圖3所示，具體為：
[0032]a)，初始化參數(shù)：D = rl，接收功率標(biāo)準(zhǔn)差初始值SO = 0,初始化Ui = 30V，根據(jù)各 線圈參數(shù)可W計(jì)算出電感值Li= 370 y H，L 3= 110 y H，各線圈的匹配的諧振電容依據(jù)C = 1/(4 JT 2f2Q 計(jì)算得到 Ci= 300pF，C 3= 1000 pF ;
[0033] b)，判斷D是否小于n*;rl，n根據(jù)實(shí)際在4~6之間選??；若D《n*;rl，則計(jì)算 P值，di) W及接收功率的標(biāo)準(zhǔn)差S ;若D > 6n*rl，則不滿足本方法的約束條件，輸出兩個(gè)發(fā) 射線圈之間的距離值D并結(jié)束計(jì)算；
[0034] C)，若叫嗎<0.2叫〇)則跳轉(zhuǎn)步驟d)，否則增加兩個(gè)線圈之間的距離A D 后返回執(zhí)行步驟b);
[0035]d)，若接收功率標(biāo)準(zhǔn)差S < sO,則跳轉(zhuǎn)步驟e)，否則增加兩個(gè)線圈之間的距離A D 后返回執(zhí)行步驟b);
[0036] e)，更新接收功率標(biāo)準(zhǔn)差初始值SO為S，并增加兩個(gè)線圈之間的距離AD后返回執(zhí) 行步驟b)。
[0037] 本例求得的最優(yōu)間距D = 0. 33m。圖4所示的功率變化曲線可作進(jìn)一步證明，D = 0. 33m時(shí)接收功率曲線最為平緩。
[003引步驟5)，設(shè)定負(fù)載的額定功率為10W，則可W計(jì)算得到實(shí)際供電電壓 U=U,^fTf, =30xVio/5,4598 = 40f，.即最終確定了兩個(gè)發(fā)射線圈之間的最優(yōu)間距W及根據(jù)功 率要求確定了發(fā)射線圈連接高頻電源電壓大小，至此即設(shè)計(jì)了一套完整的雙源無線供電系 統(tǒng)。
[0039] W上的分析結(jié)果表明，本發(fā)明提出的基于功率波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差最小的發(fā)射線圈間距尋 優(yōu)方法能夠優(yōu)化雙源無線供電系統(tǒng)，使得在固定工作頻率、不同傳輸距離下負(fù)載接收功率 能夠保持穩(wěn)定，并且降低了控制難度，非常適用于移動(dòng)設(shè)備的供電。
[0040] W上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可W做出若干改進(jìn)和潤飾，運(yùn)些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于功率波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差最小的雙源無線供電系統(tǒng)間距尋優(yōu)方法，其特征在于：所述雙 源無線供電系統(tǒng)的高頻電源工作頻率恒定，接收線圈與雙源無線供電系統(tǒng)的兩個(gè)發(fā)射線圈 同軸設(shè)置并在兩個(gè)發(fā)射線圈之間移動(dòng)，所述間距尋優(yōu)方法選取兩個(gè)發(fā)射線圈的間距作為變 量，選取負(fù)載在供電空間內(nèi)接收功率的標(biāo)準(zhǔn)差最小作為優(yōu)化目標(biāo)，包括如下步驟： 步驟1)，提取雙源無線供電系統(tǒng)的發(fā)射端參數(shù)以及接收端參數(shù)； 步驟2)，若兩個(gè)發(fā)射線圈之間的距離為D，接收線圈與第一個(gè)發(fā)射線圈之間的距離為 山，接收線圈與第二個(gè)發(fā)射線圈之間的距離為D-山，得到接收線圈的接收功率P關(guān)于參數(shù)D 和山的函數(shù)； 步驟3)，根據(jù)所述接收功率P關(guān)于參數(shù)D和山的函數(shù)，得到接收線圈位于各個(gè)位置的 接收功率的標(biāo)準(zhǔn)差函數(shù)，以標(biāo)準(zhǔn)差最小為優(yōu)化目標(biāo)，約束條件為： 約束條件1 :兩個(gè)發(fā)射線圈之間的距離為D小于等于發(fā)射線圈半徑的4~6倍； 約束條件2 :接收線圈的接收功率P波動(dòng)小于等于平均接收功率的20% ; 步驟4)，根據(jù)所述優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，計(jì)算得到兩個(gè)發(fā)射線圈之間的距離D的最優(yōu) 值。
【專利摘要】本發(fā)明提出了基于功率波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差最小的雙源無線供電系統(tǒng)間距尋優(yōu)方法，其中雙源無線供電系統(tǒng)的無線能量傳輸裝置包括兩個(gè)大尺寸的發(fā)射線圈和一個(gè)小尺寸的接收線圈。根據(jù)給定的工作頻率、線圈參數(shù)和負(fù)載大小，可以確定兩個(gè)發(fā)射線圈之間的最優(yōu)間距，根據(jù)負(fù)載功率大小可以進(jìn)一步確定高頻電源的電壓。采用本尋優(yōu)策略得到的雙源無線供電系統(tǒng)，能夠在固定工作頻率下，為不同距離處的負(fù)載提供穩(wěn)定的功率，解決了現(xiàn)有單源無線供電系統(tǒng)因距離改變而引起的功率波動(dòng)問題，適用于移動(dòng)設(shè)備供電領(lǐng)域。
【IPC分類】H02J50/12
【公開號(hào)】CN105391190
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510791488
【發(fā)明人】譚林林, 郭金鵬, 黃學(xué)良, 聞楓
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)
【公開日】2016年3月9日
【申請(qǐng)日】2015年11月17日