一种基于匹配效率集元素穷举法的无线电能传输系统功率效率优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于效率匹配集元素穷举法的无线电能传输系统功率效率优化方法，具备在实现无线电能传输系统效率匹配状态下的功率和效率的联合优化。针对要求中等传输距离而发射侧和接收侧都不可变动的无线电能传输系统，本发明专利技术首先给出了一种通过动态改变中继线圈的位置及其线圈匝数的方法，实现系统在接入某一固定大小负载时产生多个匹配效率点以及匹配效率点所对应的功率点；其次根据负载需求，在所产生的多个匹配效率点及其对应的功率点中采用穷举法选取合适的功率和效率点作为系统的工作点。该方法的特点是，首先满足系统对于效率的要求，要求传输效率必须大于50％，进而在此基础上对效率和功率进行优化。

Power efficiency optimization method for radio energy transmission system based on matching efficiency set element exhaustive method

The invention discloses a matching efficiency element set exhaustive method of wireless power transmission system based on power efficiency optimization method, have in the realization of radio transmission system, the efficiency of joint optimization of state power and efficiency. According to the requirement of medium transmission distance and the transmitting side and the receiving side can not change the wireless power transmission system, the invention firstly gives a method by the number of turns of the coil position and the dynamic change of relay coil, realize the system to produce the power point corresponding to a plurality of matching efficiency and matching efficiency in a fixed access point the size of the load according to the load demand; secondly, select the appropriate power and efficiency as the working point of the system using the brute force method in multiple point matching efficiency and the corresponding power generated in the. The characteristic of this method is that it satisfies the requirement of the efficiency of the system first, and the transmission efficiency must be greater than 50%.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种无线电能传输系统功率效率优化的方法，适用于米级中距离无线电能传输，同时不改变发射端及接收端参数的无线电能传输系统。
技术介绍
在中距离无线电能传输技术层面，如何优化负载功率和传输效率一直都是一个研究的热点问题。目前，为了实现在长距离场合较大功率和较高效率的电能无线传输，首先，系统的谐振频率通常都比较高，可达几MHz～几十MHz；第二，设计尺寸较大的谐振线圈来改善传输性能；第三，优化系统参数以实现系统的阻抗匹配。但是，在较高的谐振频率下，高频电源难以实现较大功率的输出，同时过高的谐振频率不仅缩小了系统的稳定域度，并且对于器件的要求也特别高。通过设计较大尺寸的谐振线圈的方法在传输空间有限的场合下无法应用。关于通过阻抗匹配实现输出功率和传输效率的优化，则研究的较多，但都限于在发射侧或接收侧进行控制和优化。在发射侧和接收侧都受限制而不便改变时，这些方法就缺失了应用的可能。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有方案的不足，本专利技术提出了一种基于匹配效率集元素穷举法的无线电能传输系统功率效率优化方法。技术方案：一种基于匹配效率集元素穷举法的无线电能传输系统功率效率优化方法，所述无线电能传输系统包括线圈半径均为r且同轴设置的发射线圈、中继线圈以及接收线圈，发射线圈和接收线圈之间的距离为d02，并满足d02＝(10～12)r；所述发射线圈和接收线圈的匝数均为N，所述中继线圈的匝数为2N，所述中继线圈接入补偿电容环路的有效匝数在1～2N范围内可调，所述中继线圈和发射线圈之间的距离d01可调；所述方法包括如下步骤：1)，对于某一固定负载RL，设定0.1r为中继线圈的单位移动距离，依次改变中继线圈的位置，在每个位置上动态改变所述中继线圈接入补偿电容环路的有效匝数并调整补偿电容至系统谐振频率一致，如果所述接收线圈的负载功率出现效率峰值点，则将该效率峰值点设为匹配效率点并测量此时的传输功率；在中继线圈与发射线圈的距离d01及中继线圈与接收线圈的距离d12均大于2r的范围内，得到由若干个匹配效率点构成的匹配效率点集合以及由匹配效率点所对应的功率点构成的功率点集合；2)，采用元素穷举法从匹配效率点集合和对应的功率点集合中，首先选择系统效率大于50％的匹配效率点及其对应的功率点，然后根据如下效率优化函数，寻找系统的最优工作点：min(P(d01,N1)-50η(d01,N1))std01min<d01<d01max1≤N1≤2Nη(d01,N1)≥ηRLP(d01,N1)≥Preq]]>其中，P(d01,N1)表示负载的功率，η(d01,N1)表示系统的效率；N1表示中继线圈的匝数，d01min和d01max为中继线圈移动的边界距离；为负载的效率，Preq要求的负载功率；3)，根据选择的工作点来调整中继线圈的位置以及所述中继线圈接入补偿电容环路的有效匝数，实现系统功率效率的优化。进一步的，所述步骤1)中，还包括对所述效率峰值点的校准步骤：A)，对于任一所述效率峰值点，根据对应的中继线圈的位置以及中继线圈接入补偿电容环路的有效匝数，计算得到发射线圈与接收线圈的互感M02、中继线圈与接收线圈的互感M12；B)，根据所述M02、M12计算得到中继线圈在接收线圈上的发射阻抗Rref1→2、发射线圈在接收线圈上的反射阻抗Rref0→2以及中继线圈的阻抗损耗系数Γ0→1：Rref1→2=(ωM12)2r1]]>Rref0→2=(ωM02)2rs+r0]]>Γ0→1=r1Rref0→1+r1]]>其中，rs为连接发射线圈的高频电源的内阻，r0为发射线圈的内阻，r1为中继线圈的内阻；ω为无线电能传输系统谐振角频率；C)，将所述Rref1→2、Rref0→2以及Γ0→1代入下式中，判断式子是否成立：RL=(Rref1→2+r2)[Γ0→1(Rref0→2+Rref1→2)+r2]]]>其中，r2为接收线圈的内阻；若该式子不成立，则将该效率峰值点对应的匹配效率点以及功率点从集合中删除。有益效果：本专利技术的一种基于匹配效率集元素穷举法的无线电能传输系统功率效率优化方法具备在实现无线电能传输系统效率匹配状态下的功率和效率的联合优化。针对要求中等传输距离而发射侧和接收侧都不可变动的无线电能传输系统，本方法实现了系统在接入某一固定大小负载时产生多个匹配效率点以及匹配效率点所对应的功率点；其次根据负载需求，在所产生的多个匹配效率点及其对应的功率点中采用穷举法选取合适的功率和效率点作为系统的工作点。该方法的特点是，首先满足系统对于效率的要求，要求传输效率必须大于50％，进而在此基础上对效率和功率进行优化。附图说明图1为带有中继线圈的无线电能传输系统统结构图；图2为带有中继线圈的无线电能传输系统等效电路图；图3为不同负载的功率匹配点的分布图；图4为某一固定负载的最优功率及效率点。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做更进一步的解释。如图1所示，一种基于匹配效率集元素穷举法的无线电能传输系统功率效率优化方法，该无线电能传输系统包括线圈半径均为r且同轴设置的发射线圈、中继线圈以及接收线圈，发射线圈和接收线圈之间的距离为d02，并满足d02＝(10～12)r。发射线圈串联初级补偿电容后连接高频电源，中继线圈串联可调的中继补充电容，接收线圈串联次级补偿电容后用于连接负载。发射线圈和接收线圈的匝数均为N，中继线圈的匝数为2N，中继线圈接入补偿电容环路的有效匝数在1～2N范围内可调，中继线圈和发射线圈之间的距离d01可调。如图2所示为该无线电能传输系统的等效电路图，Us为高频电源，rs为电源内阻，L0，L1，L2分别为发射线圈、中继线圈、接收线圈的自感，M01、M12、M02分别为发射线圈与中继线圈、中继线圈与接收线圈、发射线圈和接收线圈之间的互感，r0、r1和r2分别为发射线圈、中继线圈和接收线圈的内阻，C0、C1和C2分别为发射电路、中继电路和接收电路的谐振补偿电容。RL为接收线圈所接的负载。高频电源的频率与谐振机构的谐振频率保持一致，即f＝1/(2πsqrt(L0C0))＝1/(2πsqrt(L1C1))＝1/(2πsqrt(L2C2))。本方法包括如下步骤：1)，对于某一固定负载RL，设定0.1r为中继线圈的单位移动距离，依次改变中继线圈的位置，在每个位置上动态改变所述中继线圈接入补偿电容环路的有效匝数并调节其补偿电容至系统谐振频率一致，如果所述接收线圈的传输效率出现峰值点，则将该效率峰值点设为匹配效率点并测量此时的负载功率。在中继线圈与发射线圈的距离d01及中继线圈与接收线圈的距离d12均大于2r的范围内，得到由若干个匹配效率点构成的匹配效率点集合以及由匹配效率点所对应的负载功率点构成的负载功率点集合。步骤1)中还包括对所述效率峰值点的校准步骤，具体为：A)，对于任一所述效率峰值点，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于匹配效率集元素穷举法的无线电能传输系统功率效率优化方法，其特征在于：所述无线电能传输系统包括线圈半径均为r且同轴设置的发射线圈、中继线圈以及接收线圈，发射线圈和接收线圈之间的距离为d02，并满足d02＝(10～12)r；所述发射线圈和接收线圈的匝数均为N，所述中继线圈的匝数为2N，所述中继线圈接入补偿电容环路的有效匝数在1～2N范围内可调，所述中继线圈和发射线圈之间的距离d01可调；所述方法包括如下步骤：1)，对于某一固定负载RL，设定0.1r为中继线圈的单位移动距离，依次改变中继线圈的位置，在每个位置上动态改变所述中继线圈接入补偿电容环路的有效匝数并调整补偿电容至系统谐振频率一致，如果所述接收线圈的负载功率出现效率峰值点，则将该效率峰值点设为匹配效率点并测量此时的传输功率；在中继线圈与发射线圈的距离d01及中继线圈与接收线圈的距离d12均大于2r的范围内，得到由若干个匹配效率点构成的匹配效率点集合以及由匹配效率点所对应的功率点构成的功率点集合；2)，采用元素穷举法从匹配效率点集合和对应的功率点集合中，首先选择系统效率大于50％的匹配效率点及其对应的功率点，然后根据如下效率优化函数，寻找系统的最优工作点：min(P(d01,N1)‑50η(d01,N1))std01min<d01<d01max1≤N1≤2Nη(d01,N1)≥ηRLP(d01,N1)≥Preq]]>其中，P(d01,N1)表示负载的功率，η(d01,N1)表示系统的效率；N1表示中继线圈的匝数，d01min和d01max为中继线圈移动的边界距离；为负载的效率，Preq要求的负载功率；3)，根据选择的工作点来调整中继线圈的位置以及所述中继线圈接入补偿电容环路的有效匝数，实现系统功率效率的优化。...

【技术特征摘要】
1.一种基于匹配效率集元素穷举法的无线电能传输系统功率效率优化方法，其特征在于：所述无线电能传输系统包括线圈半径均为r且同轴设置的发射线圈、中继线圈以及接收线圈，发射线圈和接收线圈之间的距离为d02，并满足d02＝(10～12)r；所述发射线圈和接收线圈的匝数均为N，所述中继线圈的匝数为2N，所述中继线圈接入补偿电容环路的有效匝数在1～2N范围内可调，所述中继线圈和发射线圈之间的距离d01可调；所述方法包括如下步骤：1)，对于某一固定负载RL，设定0.1r为中继线圈的单位移动距离，依次改变中继线圈的位置，在每个位置上动态改变所述中继线圈接入补偿电容环路的有效匝数并调整补偿电容至系统谐振频率一致，如果所述接收线圈的负载功率出现效率峰值点，则将该效率峰值点设为匹配效率点并测量此时的传输功率；在中继线圈与发射线圈的距离d01及中继线圈与接收线圈的距离d12均大于2r的范围内，得到由若干个匹配效率点构成的匹配效率点集合以及由匹配效率点所对应的功率点构成的功率点集合；2)，采用元素穷举法从匹配效率点集合和对应的功率点集合中，首先选择系统效率大于50％的匹配效率点及其对应的功率点，然后根据如下效率优化函数，寻找系统的最优工作点：min(P(d01,N1)-50η(d01,N1))std01min<d01<d01max1≤N1≤2Nη(d01,N1)≥ηRLP(d01,N1)≥Preq]]>其中，P(d01,N1)表示负载的功率，η(d01,N1)表示系统的效率；N1表示中继线圈的匝数，d01min和d01ma...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭林林，颜长鑫，黄学良，郭金鹏，刘瀚，王维，潘书磊，李佳承，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32