一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法技术

本发明专利技术公开了一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法，包括：根据多发射单接收WPT系统建立电流型和电压型优化电路的等效电路；获取各个参量之间的关系式，并根据电流型优化电路，优化各发射线圈上的电流参量，获得系统的最大负载获得功率，与加载在各发射线圈上的电压源馈电电压参量；根据电压型优化电路，优化各电压源馈电电压，获得系统的最大负载获得功率，与流入各发射端口的电流参量；系统定功率输入且满足最大负载获得功率传输时，调节电压型优化电路的发射端并联电容C的值，实现在确定传输距离上对发射端馈电电压参量和输入电流参量的调节。本发明专利技术为避免多发射单接收WPT系统出现过压和过流引起电路器件的损毁提供明确的指导。

【技术实现步骤摘要】
一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法
本专利技术涉及多发射单接收无线电能传输(WirelessPowerTransfer，WPT)
，尤其涉及一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法。
技术介绍
近年来，近场磁谐振WPT技术由于能够通过无线的方式将电能高效地传递到负载上而获得越来越多的研究。最初由美国麻省理工科研团队实现的单发射单接收磁谐振WPT可在收发端相距2m处，电能传输效率达40％。随后，针对系统控制、电能传输稳定性分析、空间磁场的生物体损害等方面开展了诸多的理论与实验研究。这种单发射线圈结构系统，当接收线圈远离发射线圈超过一定阈值，负载获得功率会快速降低。这种缺陷催生并加速多发射线圈WPT系统的发展，多发射线圈WPT系统可以通过设置多发射线圈的分布结构有效提高WPT的一维距离、二维范围大小、三维空间大小。针对本专利涉及的多发射单接收线圈系统，可根据接收线圈所处的不同位置选择相应的发射线圈进行供电，这种方案需要对接收线圈所处位置进行定位以及设计对发射线圈进行馈电控制的电路，但是可以避免所有发射线圈接入馈电电路引起的较大功率损耗。也可优化各发射线圈上电流参量的幅度和相位来实现最大的负载获得功率的传输。然而上述多发射单接收WPT方面的研究。为获得最大负载获得功率的传输，都需要优化各发射线圈上的电流参量以及控制多个馈电源电压参量。对于优化发射电流参量或馈电电压参量超过系统元件的限流值或电源最大供电电压值，导致系统元器件损坏或不能实现最大负载获得功率的传输问题，目前还缺乏一套步骤明确，理论成熟的设计方案。
技术实现思路
本专利技术提供了一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法，主要涉及基于电压型优化电路实现馈电电压参量和输入电流参量的可调方法，为总馈电功率确定的条件下，实现最大负载获得功率传输以及馈电电压参量和输入电流参量的可调提供明确的指导。第一方面，本专利技术提供一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法，包括：步骤1，根据多发射单接收WPT系统建立两种等效电路；所述多发射单接收WPT系统包括若干个高频电源、若干个发射线圈以及单个接收线圈；所述两种等效电路包括电流型优化电路和电压型优化电路；所述电流型优化电路的发射端和接收端均采用电容C串联补偿拓扑；所述电压型优化电路的发射端采用串电感-并电容-串电容的LCC补偿拓扑，所述电压型优化电路的接收端采用电容C串联补偿拓扑；步骤2，根据所述电流型优化电路，利用基尔霍夫电路定律获得所述电流型优化电路的总馈入系统功率和负载获得功率分别与各发射线圈上的电流参量的关系式；根据所述电压型优化电路，利用基尔霍夫电路定律获得所述电压型优化电路的总馈入系统功率和负载获得功率分别与各电压源馈电电压参量的关系式；步骤3，根据所述电流型优化电路，利用拉格朗日乘数法优化所述各发射线圈上的电流参量，获得系统的最大负载获得功率，并推导获得对应的加载在所述各发射线圈上的电压源馈电电压参量；根据所述电压型优化电路，利用拉格朗日乘数法优化所述各电压源馈电电压，获得系统的最大负载获得功率，并推导获得对应的流入各发射端口的电流参量；步骤4，根据所述步骤2和步骤3获得的结果，在系统定功率输入和满足最大负载获得功率传输的条件下，调节所述电压型优化电路的发射端并联电容C的值，实现在确定传输距离上对发射端馈电电压参量和输入电流参量的调节。进一步地，在一种实现方式中，所述若干个发射线圈沿着一维直线排列，所述单个接收线圈所在平面平行于发射线圈所在平面，且所述单个接收线圈所在平面与发射线圈所在平面相距一段距离放置。进一步地，在一种实现方式中，所述步骤1包括：计算所述多发射单接收WPT系统的两种等效电路的第i个发射线圈与接收线圈传输品质因素QTiR：QTiR＝ω0MTiR/r′R，其中，ω0为多发射单接收WPT系统的谐振频率，MTiR为第i个发射线圈与接收线圈间的互感量，1≤i≤n，n表示发射线圈的总个数，n≥2且为正整数，r′R为接收线圈寄生电阻rR与负载电阻rL之和。进一步地，在一种实现方式中，所述步骤2包括：针对所述电流型优化等效电路，根据基尔霍夫电路定律获得所述电流型优化电路的总馈入系统功率PC,T和负载获得功率PDLC关于各发射线圈上电流参量IC,Ti的函数式：其中，rTi为第i个发射线圈的寄生电阻；所述电压型优化等效电路第i个发射端LCC补偿拓扑的串电感-并电容-串电容的约束条件为：其中，LTi为第i个发射线圈的自电感，LCi、CCi和CTi分别为第i个发射端的LCC补偿拓扑的串电感、并联电容和串电容；针对所述电压型优化等效电路，根据基尔霍夫电路定律及所述LCC补偿拓扑的约束条件获得电压型优化电路的总馈入系统功率PV,T和负载获得功率PDLV关于各发射端电压源电压参量VV,Si的函数式：进一步地，在一种实现方式中，所述步骤3包括：针对所述电流型优化电路，在式(1)中所述电流型优化电路的总馈入系统功率PC,T确定的条件下，利用拉格朗日乘数法优化所述各发射线圈上电流参量IC,Ti，使得式(2)中所述电流型优化电路的负载获得功率PDLC达到最大所需的第i个发射线圈优化电流参量IC,Ti,OPT为：其中，rTj为第j个发射线圈的寄生电阻，QTsR为第s个发射线圈与接收线圈传输品质因素，1≤j≠s≤n且j≠i；将所述第i个发射线圈上优化电流参量IC,Ti,OPT带入式(2)得到电流型优化电路的最大负载获得功率PDLC,MAX：根据基尔霍夫电路定律将式(5)的所述电流型优化电路的第i个发射线圈优化电流参量IC,Ti,OPT对应到电流型优化等效电路的第i个发射端电压源优化电压参量VC,Si,OPT：其中，QTjR为第j个发射线圈与接收线圈传输品质因素，IC,Tj,OPT为使得式(2)中电流型优化电路的负载获得功率PDLC达到最大所需的第j个发射线圈优化电流参量，MTiTj为第i个发射线圈与第j个发射线圈间的互感量，1≤i≤n，1≤j≤n；结合式(7)，用两个以上的电压源实现所述多发射单接收WPT系统在电流型优化电路的最大负载获得功率PDLC,MAX传输；针对所述电压型优化电路，在式(3)总馈入系统功率PV,T确定的约束条件下，利用拉格朗日乘数法优化所述各发射端电压源电压参量VV,Si使得式(4)的所述电压型优化电路的负载获得功率PDLV达到最大所需的第i个发射端电压源优化电压参量VV,Si,OPT为：其中，CCs为第s个发射端的LCC补偿拓扑的并联电容；将所述第i个发射端电压源优化电压参量VV,Si,OPT带入式(4)得到最大负载获得功率PDLV,MAX：根据基尔霍夫电路定律将式(8)的第i个发射端电压源优化电压参量VV,Si,OPT对应到电压型优化电路馈电端口的优化输入电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法，其特征在于，包括：/n步骤1，根据多发射单接收WPT系统建立两种等效电路；所述多发射单接收WPT系统包括若干个高频电源、若干个发射线圈以及单个接收线圈；所述两种等效电路包括电流型优化电路和电压型优化电路；/n所述电流型优化电路的发射端和接收端均采用电容C串联补偿拓扑；所述电压型优化电路的发射端采用串电感-并电容-串电容的LCC补偿拓扑，所述电压型优化电路的接收端采用电容C串联补偿拓扑；/n步骤2，根据所述电流型优化电路，利用基尔霍夫电路定律获得所述电流型优化电路的总馈入系统功率和负载获得功率分别与各发射线圈上的电流参量的关系式；/n根据所述电压型优化电路，利用基尔霍夫电路定律获得所述电压型优化电路的总馈入系统功率和负载获得功率分别与各电压源馈电电压参量的关系式；/n步骤3，根据所述电流型优化电路，利用拉格朗日乘数法优化所述各发射线圈上的电流参量，获得系统的最大负载获得功率，并推导获得对应的加载在所述各发射线圈上的电压源馈电电压参量；/n根据所述电压型优化电路，利用拉格朗日乘数法优化所述各电压源馈电电压，获得系统的最大负载获得功率，并推导获得对应的流入各发射端口的电流参量；/n步骤4，根据所述步骤2和步骤3获得的结果，在系统定功率输入和满足最大负载获得功率传输的条件下，调节所述电压型优化电路的发射端并联电容C的值，实现在确定传输距离上对发射端馈电电压参量和输入电流参量的调节。/n...

【技术特征摘要】
1.一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法，其特征在于，包括：
步骤1，根据多发射单接收WPT系统建立两种等效电路；所述多发射单接收WPT系统包括若干个高频电源、若干个发射线圈以及单个接收线圈；所述两种等效电路包括电流型优化电路和电压型优化电路；
所述电流型优化电路的发射端和接收端均采用电容C串联补偿拓扑；所述电压型优化电路的发射端采用串电感-并电容-串电容的LCC补偿拓扑，所述电压型优化电路的接收端采用电容C串联补偿拓扑；
步骤2，根据所述电流型优化电路，利用基尔霍夫电路定律获得所述电流型优化电路的总馈入系统功率和负载获得功率分别与各发射线圈上的电流参量的关系式；
根据所述电压型优化电路，利用基尔霍夫电路定律获得所述电压型优化电路的总馈入系统功率和负载获得功率分别与各电压源馈电电压参量的关系式；
步骤3，根据所述电流型优化电路，利用拉格朗日乘数法优化所述各发射线圈上的电流参量，获得系统的最大负载获得功率，并推导获得对应的加载在所述各发射线圈上的电压源馈电电压参量；
根据所述电压型优化电路，利用拉格朗日乘数法优化所述各电压源馈电电压，获得系统的最大负载获得功率，并推导获得对应的流入各发射端口的电流参量；
步骤4，根据所述步骤2和步骤3获得的结果，在系统定功率输入和满足最大负载获得功率传输的条件下，调节所述电压型优化电路的发射端并联电容C的值，实现在确定传输距离上对发射端馈电电压参量和输入电流参量的调节。


2.根据权利要求1所述的一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法，其特征在于，所述若干个发射线圈沿着一维直线排列，所述单个接收线圈所在平面平行于发射线圈所在平面，且所述单个接收线圈所在平面与发射线圈所在平面相距一段距离放置。


3.根据权利要求2所述的一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法，其特征在于，所述步骤1包括：
计算所述多发射单接收WPT系统的两种等效电路的第i个发射线圈与接收线圈传输品质因素QTiR：
QTiR＝ω0MTiR/r′R，
其中，ω0为多发射单接收WPT系统的谐振频率，MTiR为第i个发射线圈与接收线圈间的互感量，1≤i≤n，n表示发射线圈的总个数，n≥2且为正整数，r′R为接收线圈寄生电阻rR与负载电阻rL之和。


4.根据权利要求3所述的一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法，其特征在于，所述步骤2包括：
针对所述电流型优化等效电路，根据基尔霍夫电路定律获得所述电流型优化电路的总馈入系统功率PC,T和负载获得功率PDLC关于各发射线圈上电流参量IC,Ti的函数式：






其中，rTi为第i个发射线圈的寄生电阻；
所述电压型优化等效电路第i个发射端LCC补偿拓扑的串电感-并电容-串电容的约束条件为：



其中，LTi为第i个发射线圈的自电感，LCi、CCi和CTi分别为第i个发射端的LCC补偿拓扑的串电感、并联电容和串电容；
针对所述电压型优化等效电路，根据基尔霍夫电路定律及所述LCC补偿拓扑的约束条件获得电压型优化电路的总馈入系统功率PV,T和负载获得功率PDLV关于各发射端电压源电压参量VV,Si的函数式：








5.根据权利要求4所述的一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法，其特征在于，所述步骤3包括：
针对所述电流型优化电路，在式(1)中所述电流型优化电路的总馈入系统功率PC,T确定的条件下，利用拉格朗日乘数法优化所述各发射线圈上电流参量IC,Ti，使得式(2)中所述电流型优化电路的负载获得功率PDLC达到最大所需的第i个发射线圈优化电流参量IC,Ti,OPT为：



其中，rTj为第j个发射线圈的寄生电阻，QTsR为第s个发射线圈与接收线圈传输品质因素，1≤j≠s≤n且j≠i；
将所述第i个发射线圈上优化电流参量IC,Ti,OPT带入式(2)得到电流型优化电路的最大负载获得功率PDLC,MAX：



根据基尔霍夫电路定律将式(5)的所述电流型优化电路的第i个发射线圈优化电流参量IC,Ti,OPT对应到电流型优化等效电路的第i个发射端电压源优化电压参量VC,Si,OPT：



其中，QTjR为第j个发射线圈与接收线圈传输品质因素，IC,Tj,OPT为使得式(2)中电流型优化电路的负载获得功率PDLC达到最大所需的第j个发射线圈优化电流参量，MTiTj为第i个发射线圈与第j...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金，徐志国，吕飞，刘飞，徐维傲，
申请(专利权)人：金陵科技学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32