一种基于磁谐振的MIMO磁安全充电方法技术

一种基于磁谐振的MIMO磁安全充电方法，所述该方法由N个TXs端和Q个RXs端组成，相互之间通过MRC

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁谐振的MIMO磁安全充电方法


[0001]本专利技术设计基于磁谐振的MIMO磁安全充电方法，属于无线充电


技术介绍

[0002]近年来，基于磁场媒介的短距离无线充电技术(Wireless Power Transmission)已经被广泛应用于不同场景，为移动终端设备、传感器网络以及电动汽车等等提供无线能量传输。其中，基于磁谐振耦合(Magnetic Resonant Coupling)的实现方式较基于电感耦合(Inductive Coupling，或称磁耦合)的实现方式有着更高的效率和更长的充电距离。而随着多输入多输出技术(Multiple-Input Multiple-Output)被引入，这一优势又被大大加强。因此，基于磁谐振的MIMO无线充电技术在工业界和学术界引起了广泛的关注。
[0003]但是，长久以来存在于磁谐振充电系统中的磁辐射(Electromagnetic Radiation)安全问题一直没有得到根本性的解决。加之MIMO技术的引入，其波束汇聚的特点使得在接受端设备形成的磁辐射更大。例如，早前提出的MagneticMIMO[1]和MultiSpot[2]系统已经被通过实验[3]证实会违反国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)制定的磁辐射安全标准[4]。因此，为了实现系统充电性能与人体健康之间的更好权衡，对考虑磁安全限制的充电性能优化算法的研究是十分重要且有意义的。
[0004]目前国际上已有一些相关研究工作，其在进行系统充电性能优化的同时，考虑了磁安全限制。但是，这些研究工作或是只考虑了十分简单的场景[5][6]，其结论不具有普适性和扩展性，或是属于射频(Radio Frequency)充电领域[7][8]，其结论对我们的工作虽有着一定的指导意义，但却不能直接应用于磁谐振充电领域。
[0005]我们在此方案中借鉴了以往磁谐振充电系统中的设计经验，并在进行系统充电性能优化的同时，首次考虑了系统的磁安全限制。即，在多输入多输出环境中，保证系统空间范围内任意一点的磁场强度不高于国际上制定的安全阈值，并且实现系统发射端到接收端的总能量传输最大化。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了在磁安全限制下对MIMO磁谐振充电系统实现最大化能量传输，通过提取整个系统充电可达空间中有效的离散化磁安全约束，以及求解在磁安全约束下的充电性能优化问题来达到这一要求，本专利技术可采取下述技术方案：一种基于磁谐振的MIMO磁安全充电方法，其特征在于所述该方法由N个TXs端和Q个RXs端组成，相互之间通过MRC-WPT系统控制，所述该控制系统通过如下步骤控制：
[0007]步骤1：为充电线圈建立足够简单且精确的磁场分布模型；
[0008]步骤2：对系统磁安全约束进行离散化；
[0009]步骤3：在磁安全约束下，对系统充电效率优化问题进行求解。
[0010]作为优选：所述该步骤算法包括电路公式和磁场公式，其中
[0011]电路公式为：
[0012]通过应用基尔霍夫定律，系统电流和电压公式的矩阵形式。
[0013][0014][0015][0016][0017][0018]在公式(1)-(5)中，其中的符号含义如下：
[0019][0020]磁场公式为：
[0021]根据毕奥
·
萨伐尔定律，用ζ来表示系统所考虑的可达空间，用p表示空间ζ中的任意一点，用表示p点的磁场强度向量(x、y、z方向)。
[0022]在只有一个线圈(记为线圈s)的简单情况下，p点的场强公式如下所示，
[0023][0024]其中，表示线圈的场强因子向量，i表示线圈s上的电流。
[0025]在存在多个线圈(记共有S个线圈)的情况下，p点的场强公式为S个线圈分别在p点场强的矢量和，其矩阵形式如下，
[0026][0027]其中，表示S个线圈的场强因子矩阵，
[0028]表示S个线圈的电流向量。
[0029]当线圈上通交流电时，的模长也是时变的，其推导过程如下，
[0030][0031]其中，上标*和
’
分别表示矩阵的共轭转置和转置操作，real()表示取实部部分。
[0032]因此，模长的峰值也可以推导出，
[0033][0034]由上，在所提出的MRC-WPT系统中，共有N个TXs和Q个RXs。因此，根据公式(1)和(9)，并经过简单地推导，可以得到在我们的系统中计算任意一点p场强峰值的公式：
[0035][0036]其中，
[0037]F
T
(p)和F
R
(p)分别代表TXs和RXs的场强因子矩阵。
[0038]通过优化调度系统发射端电流，来使得系统从发射端到接收端的总能量传输达到最大化。因此可以得到如下公式：
[0039][0040]subject to
[0041][0042][0043]其中
[0044][0045][0046]由上，我们已经离散化并提取了有效的系统磁安全约束，因此，我们用Ψ来表示有
效的系统磁安全约束，仍用p来表示其中一条有效约束，即对于Ψ中任意一点p，其由公式(10)计算出来的场强峰值要小于最大场强限制。另外，在忽略了RX-RX互感之后，我们假设发射端电流相位全为0，接收端电流相位全为90
°
。因此，发射端电流就变为一个实数向量，即有成立。这样，我们的问题也就转换成一个标准的半正定Semi-Definite Problem问题。我们重新形式化了我们的问题，如下所示：
[0047]max{X}T
r
(T*R
R
YX)，
ꢀꢀꢀ
(12)
[0048]subject to
[0049]T
r
(R
T
X)+T
r
(Y*R
R
YX)≤P
max
，
ꢀꢀꢀ
(C12a)
[0050][0051]其中，上述公式中的符号如下：
[0052][0053]通过转换，就可以很好地被成熟的凸优化技术ADMM来解决。
[0054]本专利技术首次地在MIMO MRC-WPT系统中考虑了磁安全问题，创新地提出了一套基于磁力线划分的足够简单且精确的建模方法，使得MIMO MRC-WPT系统中的磁安全问题找到了突破口，为后续的相关研究工作打下了基础；通过针对系统中的冗余磁安全约束，创新地提出了两条过滤规则：“边界”规则和“遮挡”规则；提出了一套基于磁谐振的MIMO磁安全充电算法，在保证系统可观的充电性能的前提下，解决了长期存在于MIMO MRC-WPT系统中的磁安全问题。
附图说明
[0055]图1为算法流程图。
[0056]图2为线圈样式及参数。
[0057]图3为线圈精确理论模型。
[0058]图4为基于磁力线的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于磁谐振的MIMO磁安全充电方法，其特征在于所述该方法由N个TXs端和Q个RXs端组成，相互之间通过MRC-WPT系统控制，所述该控制系统通过如下步骤控制：步骤1：为充电线圈建立足够简单且精确的磁场分布模型；步骤2：对系统磁安全约束进行离散化；步骤3：在磁安全约束下，对系统充电效率优化问题进行求解。2.根据权利要求1所述的基于磁谐振的MIMO磁安全充电方法，所述该步骤算法包括电路公式和磁场公式，其中电路公式为：通过应用基尔霍夫定律，系统电流和电压公式的矩阵形式。通过应用基尔霍夫定律，系统电流和电压公式的矩阵形式。通过应用基尔霍夫定律，系统电流和电压公式的矩阵形式。通过应用基尔霍夫定律，系统电流和电压公式的矩阵形式。通过应用基尔霍夫定律，系统电流和电压公式的矩阵形式。在公式(1)-(5)中，其中的符号含义如下：磁场公式为：根据毕奥
·
萨伐尔定律，用ζ来表示系统所考虑的可达空间，用p表示空间ζ中的任意一
点，用表示p点的磁场强度向量(x、y、z方向)。在只有一个线圈(记为线圈s)的简单情况下，p点的场强公式如下所示，其中，表示线圈的场强因子向量，i表示线圈s上的电流。在存在多个线圈(记共有S个线圈)的情况下，p点的场强公式为S个线圈分别在p点场强的矢量和，其矩阵形式如下，其中，表示S个线圈的场强因子矩阵，表示S个线圈的电流向量。当线圈上通交流电时，的模长也是时变的，其推导过程如下，其中，上标*和
’
分别表示矩阵的共轭转置和转置操作，real()表示取实部部分。因此，模长的峰值也可以推导出，由上...

【专利技术属性】
技术研发人员：周颢，李向阳，华文雄，
申请(专利权)人：德清阿尔法创新研究院，
类型：发明
国别省市：