浮频实本征态磁耦合无线电能传输系统及其设计方法技术方案

本发明专利技术提出一种浮频实本征态磁耦合无线电能传输系统及其设计方法，本发明专利技术发现不论传输距离近还是传输距离远系统都是在本征频率处取得最大能效，且当本征频率为实数的时候各本征态相互正交，MC‑WPT系统中各电流相位刚好相差180度，系统抗干扰能力强。基于这个特性，本发明专利技术通过对磁耦合无线电能传输系统的数学模型进行分析，并进行参数设置，以保证系统始终工作在系统的浮频实本征模态，能够实现一定传输距离以及方位内高效能量传输，以此提升系统的能效、空间能力以及抗干扰性。

Floating frequency real eigenstate magnetically coupled radio power transmission system and its design method

【技术实现步骤摘要】
浮频实本征态磁耦合无线电能传输系统及其设计方法
本专利技术涉及磁耦合无线电能传输系统，具体涉及一种浮频实本征态磁耦合无线电能传输系统及其设计方法。
技术介绍
MC-WPT技术实现了电能从电源侧到用电设备端的无电气连接传输。由于电源端和负载端的电气隔离，该技术具有安全、可靠、灵活等优势，目前已广泛应用于家用电器、生物医学、电动汽车等领域。目前MC-WPT系统的工作模式常用有两类：一类是ICPT模式，就是将副边电路设置为谐振状态，通过调整原边补偿电容使得系统工作在零相角频率处；另一类就是将系统中各个电路的固有频率设置为一致，通过整定磁场激励频率使得其等于设置的电路固有频率，以保证每个电路都处于谐振状态，这也就是常说的“共振耦合模式”。但众所周知，这两种工作模式的有效传能范围十分有限，原因在于：ICPT模式传输距离十分有限，系统的能效会随传输距离增大而急剧降低，因而ICPT模式只适用于近距离传能；MIT提出的“共振耦合”模式能够实现中程距离传能，但一旦接收端偏离最佳传能距离或者传能方位，系统的能效就会急剧降低，甚至会表现出随传输距离减小而降低的特性，这也就是常说的频率分裂现象。针对MC-WPT系统空间能力低下的问题，目前的理论研究主要集中在MC-WPT系统拓扑结构、磁耦合机构、系统参数优化设计及控制等方面，其主要目的就是通过优化控制相应的参数，提升系统的能效和空间能力。但由于现有工作模式原理限制等问题，这些方法对系统能效和空间能力的提升效果及极其限。极其有限的空间能力极大程度上限制了MC-WPT系统的推广应用，是目前亟待解决的一个基础性科学问题。
技术实现思路
专利技术目的：针对磁耦合无线电能传输(Magneticcouplingwirelesspowertransfer，MC-WPT)系统常用工作模式只能在特定范围内实现高效传能的问题，本专利提出了一种浮频实本征态磁耦合无线电能传输系统及其设计方法，通过保证系统始终工作在系统的实本征态，能够实现一定传输距离以及方位内高效能量传输。技术方案：为实现上述技术效果，本专利技术提出以下技术方案：浮频实本征态磁耦合无线电能传输系统，包括原边RLC回路和副边RLC回路，所述系统的等效电路的数学模型为：其中，R1＝Rp1，Rp1为原边RLC回路的等效串联电阻；L1、C1分别表示发射线圈自感和补偿电容，u1表示补偿电容C1两端的电压，表示u1的一阶导数，表示u1的二阶导数，v1表示原边RLC回路的电源电压；R2＝Rp2+RL，Rp2表示副边RLC回路的等效串联电阻，RL表示负载电阻；L2、C2分别表示副边RLC回路的接收线圈自感和补偿电容，M表示发射线圈L1和接收线圈L2之间的互感，u2表示补偿电容C2两端的电压，表示u2的一阶导数，表示u2的二阶导数；记则所述浮频实本征态磁耦合无线电能传输系统工作在实本征态，且系统参数满足：其中，k为耦合系数，r0＝|r1|＝|r2|，ω为所述浮频实本征态磁耦合无线电能传输系统的励磁频率。本专利技术还提出所述的浮频实本征态磁耦合无线电能传输系统的设计方法，包括以下步骤：(1)根据实际线圈，确定发射线圈自感L1、接收线圈自感L2、原边RLC回路的等效串联电阻内阻Rp1和副边RLC回路的等效串联电阻内阻Rp2的值；(2)确定传输距离d，进而确定线圈的互感M，根据计算出耦合系数k；(3)设置ω0，再根据设置电容补偿电容C1、C2；(4)确定负载电阻RL，进而根据公式R2＝Rp2+RL计算出R2的值；(5)根据计算出r2，进而根据ri+r2＝0计算出r1；(6)根据计算出R1，也即Rp1；(7)根据或确定磁场激励频率，也即电源频率；(8)根据步骤(1)至(7)确定的电路参数搭建磁耦合无线电能传输系统，所述无线电能传输系统工作在浮频实本征态。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优势：1)传输效率高，传能空间范围广。相较于传统MC-WPT系统只能在特定空间范围内实现高效能量传输，本文提出的浮频实本征态无线电能传输系统能在一定距离内实现高效能量传输；2)通过本专利技术实现的浮频实本征态无线电能传输系统的各本征态相互正交，本征态无线电能传输系统中各电流相位相差180度，抗干扰能力强。附图说明图1为本专利技术实施例涉及的浮频实本征态无线电能传输系统的等效电路图；图2为本专利技术实施例涉及的浮频实本征态无线电能传输系统与现有的MIT共振无线电能传输系统、传统频率跟踪无线电能传输系统进行性能比对的示意图，图中为当耦合系数k从0.3以0.001的步长逐渐增加到0.9，浮频实本征态无线电能传输系统的输出功率与MIT共振无线电能传输系统、传统频率跟踪无线电能传输系统的传输功率的对比曲线；图3为本专利技术实施例涉及的浮频实本征态无线电能传输系统与现有的MIT共振无线电能传输系统、传统频率跟踪无线电能传输系统进行性能比对的示意图，图中为当耦合系数k从0.3以0.001的步长逐渐增加到0.9，浮频实本征态无线电能传输系统的传输效率与MIT共振无线电能传输系统、传统频率跟踪无线电能传输系统的传输效率的对比曲线。具体实施方式下面将结合附图和具体实施例对本专利技术作更进一步的说明。但应当理解的是，本专利技术可以以各种形式实施，以下在附图中出示并且在下文中描述的一些示例性和非限制性实施例，并不意图将本专利技术限制于所说明的具体实施例。应当理解的是，在技术上可行的情况下，以上针对不同实施例所列举的技术特征可以相互组合，从而形成本专利技术范围内的另外的实施例。此外，本专利技术所述的特定示例和实施例是非限制性的，并且可以对以上所阐述的结构、步骤、顺序做出相应修改而不脱离本专利技术的保护范围。本专利技术的原理如下：ICPT工作模式是将副边电路设置在谐振状态，通过调整原边补偿电容使得系统的输入阻抗为纯阻性。在这种工作模式下，系统传输距离越大，系统的耦合系数越小，系统的能效就会越低。对于MIT提出的“共振耦合模式”，将系统的工作频率整定为系统中各电路固有频率，在传输距离较远的时候，系统最大能效点的频率刚好等于设置的电路固有频率，因而系统的能效较高。但距离较近时，系统的耦合强度较大时，系统会存在多个最大能效点，其对应的频率都会偏离设置的各电路固有频率，因而系统工作在设置的电路固有频率处反而能效低下，且系统能效会随传输距离减小反而降低。这些现象都是由于工作模式的原理决定的。本专利通过研究发现，不论传输距离近还是传输距离远，系统都是在本征频率处取得最大能效，同时发现当本征态为实数的时候，各本征态相互正交，MC-WPT系统中各电流相位刚好相差180度，系统抗干扰能力强。基于这个特性，本专利提出一种浮频实本征态无线电能传输系统，并提出了相应的设计方法，以保证系统始终处于浮频实本征模态，以此提升系统的能效、空间能力以及抗干扰性。图1示例性的给出了一种MCR-WPT系统的等效电路，它由两个RLC回路组成，原边RLC回路本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.浮频实本征态磁耦合无线电能传输系统，包括原边RLC回路和副边RLC回路，其特征在于，所述系统的等效电路的数学模型为：/n

【技术特征摘要】
1.浮频实本征态磁耦合无线电能传输系统，包括原边RLC回路和副边RLC回路，其特征在于，所述系统的等效电路的数学模型为：



其中，R1＝Rp1，Rp1为原边RLC回路的等效串联电阻；L1、C1分别表示发射线圈自感和补偿电容，u1表示补偿电容C1两端的电压，表示u1的一阶导数，表示u1的二阶导数，v1表示原边RLC回路的电源电压；R2＝Rp2+RL，Rp2表示副边RLC回路的等效串联电阻，RL表示负载电阻；L2、C2分别表示副边RLC回路的接收线圈自感和补偿电容，M表示发射线圈L1和接收线圈L2之间的互感，u2表示补偿电容C2两端的电压，表示u2的一阶导数，表示u2的二阶导数；
记则所述浮频实本征态磁耦合无线电能传输系统工作在实本征态，且系统参数满足：



其中，k为耦合系数，r0＝|r1|＝|r2|，ω为所述浮频实本...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖志娟，冯其凯，马帅，夏晨阳，伍小杰，付东山，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32