应用于对称式耦合无线电能传输系统的补偿电容调节方法技术方案

本发明专利技术公开了一种应用于对称式耦合无线电能传输系统的补偿电容调节方法，该方法是在对称的耦合无线电能传输系统结构中，固定发射线圈和接收线圈的补偿电容值，驱动线圈和负载线圈的补偿电容采用开关控制电容，并基于补偿电容显式优化选取即补偿电容的功率优化公式得到补偿电容值，从而能够快速实现驱动线圈和负载线圈的功率优化补偿电容的选取，提高对称式耦合无线电能传输系统(MRC‑WPT)的输出功率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线电能传输的
，尤其是指一种应用于对称式耦合无线电能传输系统的补偿电容调节方法。
技术介绍
感应耦合电能传输(inductivelycoupledpowertransfer，ICPT)可实现电能的非接触传输，由于受传输效率和功率限制，传输距离较小，由MIT提出的磁共振耦合无线电能传输(magneticallyresonantcouplingwirelesspowertransfer，MRC-WPT)技术使传输距离有了突破，实现了距离为2m、效率为40％的电能传输。随着研究的深入，WPT取得一定的成果，已应用于医疗中的体内装置供电等方面，电动汽车充技术、特殊设备供电。MRC-WPT技术利用线圈的分布电容或外加电容实现共振。为了提高电压增益和功率传输能力，需对MRC-WPT的线圈进行补偿。在对线圈补偿电容的选取中常见的两种方法有：1)四个线圈都运行在谐振状态；2)用迭代法给出了最优补偿电容。但四线圈都工作在谐振状态并不能使MRC-WPT系统的输出功率达到最大，而迭代法需要大量计算，且每次参数变动会导致新的一轮计算。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种应用于对称式耦合无线电能传输系统的补偿电容调节方法，能够快速实现驱动线圈和负载线圈的功率优化补偿电容的选取，提高MRC-WPT的输出功率。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：应用于对称式耦合无线电能传输系统的补偿电容调节方法，所述对称式耦合无线电能传输系统主要由对称的一个发射机构和一个接收机构组成，所述发射机构包括有驱动线圈及其配置的第一开关控制电容、发射线圈及其配置的第一固定补偿电容，所述接收机构包括有接收线圈及其配置的第二固定补偿电容、负载线圈及其配置的第二开关控制电容，所述驱动线圈通过全桥逆变器连接有直流稳压电源，所述负载线圈连接有负载，直流稳压电源的稳压直流电经过全桥逆变器转化为高频方波，注入驱动线圈，驱动线圈将高频方波转化为同频的正弦波，通过紧密耦合将能量传送到发射线圈，发射线圈与驱动线圈紧密耦合，并建立磁场，与接收线圈形成传输通道，接收线圈与发射线圈形成谐振，接收从磁场谐振中传输过来的能量，负载线圈与接收线圈通过紧密耦合从中拾取能量；所述补偿电容调节方法是固定发射线圈和接收线圈的补偿电容值，驱动线圈和负载线圈的补偿电容采用开关控制电容，并基于补偿电容显式优化选取即补偿电容的功率优化公式得到补偿电容值，从而能够快速实现驱动线圈和负载线圈的功率优化补偿电容的选取，提高对称式耦合无线电能传输系统的输出功率，其包括以下步骤：1)绕好线圈，测定各线圈电感值与内阻值；2)组装好发射机构和接收机构，测定驱动线圈/负载线圈与发射线圈/接收线圈的互感系数；3)固定发射机构和接收机构位置，测定发射线圈和接收线圈的互感系数；4)确实系统运行频率，计算出发射线圈和负载线圈的谐振电容值；5)将以上参数代入补偿电容的功率优化公式，求得驱动线圈和负载线圈的补偿电容，其表达式为：其中：a1=ω2(Mr2RL+Ms2Rr)a2=ω2(Ms2Rr+Mr2Rd)a3=ω4Ms4+ω2Rd(Mr2RL+Ms2Rr+Ms2RLRr)a4=-ω2Mr2]]>式中：ω为系统运行角频率；C1、C4分别为驱动线圈和负载线圈的补偿电容值；L1、L4分别为驱动线圈和负载线圈的电感值；Mr为发射线圈与接收线圈的互感系数；Ms为驱动线圈/负载线圈与发射线圈/接收线圈的互感系数；RL为负载线圈电阻值；Rr为发射线圈/接收线圈的内阻值；Rd为驱动线圈电阻值。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：1、对称的发射机构与接收机构区分了MRC-WPT系统中的两种耦合关系：强耦合和松耦合。并对于相距较远的处于松耦合状态的发射线圈和接收线圈采取了谐振补偿的方法，使能量长距离有效地传输。对于相距较近处于强耦合状态的驱动线圈(负载线圈)和发射线圈(接收线圈)采取了优化补偿，使输出功率最大。2、补偿电容显式优化选取能快速准确地得出驱动线圈和负载线圈的值，免去迭代法优化中的大量计算，并且能提高输出功率。附图说明图1为对称式耦合无线电能传输系统结构示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。如图1所示，为对称式耦合无线电能传输系统结构示意图，该对称式耦合无线电能传输系统主要由对称的一个发射机构和一个接收机构组成，所述发射机构包括有驱动线圈6及其配置的第一开关控制电容2、发射线圈7及其配置的第一固定补偿电容3，所述接收机构包括有接收线圈8及其配置的第二固定补偿电容4、负载线圈9及其配置的第二开关控制电容5，所述驱动线圈6通过全桥逆变器1连接有直流稳压电源11，所述负载线圈9连接有负载10。直流稳压电源11的稳压直流电经过全桥逆变器1转化为高频方波，注入驱动线圈6，驱动线圈6将高频方波转化为同频的正弦波，通过紧密耦合将能量传送到发射线圈7，发射线圈7与驱动线圈6紧密耦合，并建立磁场，与接收线圈8形成传输通道，接收线圈8与发射线圈7形成谐振，接收从磁场谐振中传输过来的能量，负载线圈9与接收线圈8通过紧密耦合从中拾取能量。本实施例所述的补偿电容调节方法是固定发射线圈和接收线圈的补偿电容值，驱动线圈和负载线圈的补偿电容采用开关控制电容，并基于补偿电容显式优化选取即补偿电容的功率优化公式得到补偿电容值，从而能够快速实现驱动线圈和负载线圈的功率优化补偿电容的选取，提高对称式耦合无线电能传输系统的输出功率，其包括以下步骤：1)绕好线圈，测定各线圈电感值与内阻值；2)组装好发射机构和接收机构，测定驱动线圈/负载线圈与发射线圈/接收线圈的互感系数；3)固定发射机构和接收机构位置，测定发射线圈和接收线圈的互感系数；4)确实系统运行频率，计算出发射线圈和负载线圈的谐振电容值；5)将以上参数代入补偿电容的功率优化公式，求得驱动线圈和负载线圈的补偿电容，其表达式为：其中：a1=ω2(Mr2RL+Ms2Rr)a2=ω2(Ms2Rr+Mr2Rd)a3=ω4Ms4+ω2Rd(Mr2RL+Ms2Rr+Ms2RLRr)a4=-ω2Mr2]]>式中：ω为系统运行角频率；C1、C4分别为驱动线圈和负载线圈的补偿电容值；L1、L4分别为驱动线圈和负载线圈的电感值；Mr为发射线圈与接收线圈的互感系数；Ms为驱动线圈/负载线圈与发射线圈/接收线圈的互感系数；RL为负载线圈电阻值；Rr为发射线圈/接收线圈的内阻值；Rd为驱动线圈电阻值。通过优化设计发射线圈和接收线圈而使发射线圈的阻抗Q2和接收线圈的阻抗Q3足够大，以满足中距离高效率的传输要求。受电源内阻和负载影响，驱动线圈的阻抗Q1和负载线圈的阻抗Q4较小，但驱动线圈和发射线圈之间与接收线圈和负载线圈之间紧密耦合能使k12和k34增大，以此弥补Q1和Q4较低的不利影响。驱动线圈和负载线圈的补偿电容的改变并不会使系统在中距离传输时效率下降。同时，通过优化驱动线圈和负载线圈的补偿电容能使MRC-WPT在给定参数下达到最优输出功率。将各线圈的阻抗代入功率的表达式中，忽略不含ω但含线圈内阻Rpi(i＝1,2,3本文档来自技高网...

【技术保护点】
应用于对称式耦合无线电能传输系统的补偿电容调节方法，所述对称式耦合无线电能传输系统主要由对称的一个发射机构和一个接收机构组成，所述发射机构包括有驱动线圈及其配置的第一开关控制电容、发射线圈及其配置的第一固定补偿电容，所述接收机构包括有接收线圈及其配置的第二固定补偿电容、负载线圈及其配置的第二开关控制电容，所述驱动线圈通过全桥逆变器连接有直流稳压电源，所述负载线圈连接有负载，直流稳压电源的稳压直流电经过全桥逆变器转化为高频方波，注入驱动线圈，驱动线圈将高频方波转化为同频的正弦波，通过紧密耦合将能量传送到发射线圈，发射线圈与驱动线圈紧密耦合，并建立磁场，与接收线圈形成传输通道，接收线圈与发射线圈形成谐振，接收从磁场谐振中传输过来的能量，负载线圈与接收线圈通过紧密耦合从中拾取能量；其特征在于：所述补偿电容调节方法是固定发射线圈和接收线圈的补偿电容值，驱动线圈和负载线圈的补偿电容采用开关控制电容，并基于补偿电容显式优化选取即补偿电容的功率优化公式得到补偿电容值，从而能够快速实现驱动线圈和负载线圈的功率优化补偿电容的选取，提高对称式耦合无线电能传输系统的输出功率，其包括以下步骤：1)绕好线圈，测定各线圈电感值与内阻值；2)组装好发射机构和接收机构，测定驱动线圈/负载线圈与发射线圈/接收线圈的互感系数；3)固定发射机构和接收机构位置，测定发射线圈和接收线圈的互感系数；4)确实系统运行频率，计算出发射线圈和负载线圈的谐振电容值；5)将以上参数代入补偿电容的功率优化公式，求得驱动线圈和负载线圈的补偿电容，其表达式为：其中：a1=ω2(Mr2RL+Ms2Rr)a2=ω2(Ms2Rr+Mr2Rd)a3=ω4Ms4+ω2Rd(Mr2RL+Ms2Rr+Ms2RLRr)a4=-ω2Mr2]]>式中：ω为系统运行角频率；C1、C4分别为驱动线圈和负载线圈的补偿电容值；L1、L4分别为驱动线圈和负载线圈的电感值；Mr为发射线圈与接收线圈的互感系数；Ms为驱动线圈/负载线圈与发射线圈/接收线圈的互感系数；RL为负载线圈电阻值；Rr为发射线圈/接收线圈的内阻值；Rd为驱动线圈电阻值。...

【技术特征摘要】
1.应用于对称式耦合无线电能传输系统的补偿电容调节方法，所述对称式耦合无线电能传输系统主要由对称的一个发射机构和一个接收机构组成，所述发射机构包括有驱动线圈及其配置的第一开关控制电容、发射线圈及其配置的第一固定补偿电容，所述接收机构包括有接收线圈及其配置的第二固定补偿电容、负载线圈及其配置的第二开关控制电容，所述驱动线圈通过全桥逆变器连接有直流稳压电源，所述负载线圈连接有负载，直流稳压电源的稳压直流电经过全桥逆变器转化为高频方波，注入驱动线圈，驱动线圈将高频方波转化为同频的正弦波，通过紧密耦合将能量传送到发射线圈，发射线圈与驱动线圈紧密耦合，并建立磁场，与接收线圈形成传输通道，接收线圈与发射线圈形成谐振，接收从磁场谐振中传输过来的能量，负载线圈与接收线圈通过紧密耦合从中拾取能量；其特征在于：所述补偿电容调节方法是固定发射线圈和接收线圈的补偿电容值，驱动线圈和负载线圈的补偿电容采用开关控制电容，并基于补偿电容显式优化选取即补偿电容的功率优化公式得到补偿电容值，从而能够快速实现驱动线圈和负载线圈的功率优化补偿电容的选...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨金明，谢兴琅，朱红飞，刘鹏航，曾君，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44