【技术实现步骤摘要】
三维无线电能传输系统及方法
本专利技术涉及无线电力传输系统
，特别涉及一种三维无线电能传输系统及方法。
技术介绍
自从1893年特斯拉提出以来，无线电能传输(WPT)技术就引起了极大的关注。常用的WPT方法是磁场耦合方法。并且由于磁场耦合WPT系统的便利性和安全性，它已广泛用于电动汽车，智能手机，医疗植入物和自动水下机器人等。但是，日常生活中使用的无线电力设备的位置稳定性很差。迫切需要传输距离更长，空间自由度更高的WPT系统。为了使WPT系统具有更好的位置鲁棒性，已提出了各种方法来改善磁场耦合WPT系统的性能。例如，兆赫兹工作频率，附加线圈以及多个线圈的设计。但是，兆赫兹的工作频率和继电器线圈的添加只能在一定范围内增强系统的位置稳定性。因此，为了在任何方位向负载传输功率，通常使用的方法是设计多个线圈。为了实现位置自由度更高的无线电力传输，提出了一种具有多个发射器线圈的新型无线充电碗，为便携式设备提供电力。当装载设备在碗中的任何位置时，无线电力传输系统都可以实现更高的效率。但是，该设备只能为碗中的设备充电，而无法在碗外实现全方位无线电力传输。负载设备可能存在于空间中的任何位置，而不是特定的方向，因此对全向WPT的研究变得极为重要。为了实现全方位无线电力传输，提出了一种基于正交圆形线圈结构的二维和三维WPT系统。基于系统的数学模型，解释了负载检测的一般原理。但是，提出的负载检测方法比较复杂，不适合负载位置变化的场合。为了实现具有间歇运动和频繁运动设备的二维WPT系统的动态负荷跟踪，分...
【技术保护点】
1.一种三维无线电能传输系统，其特征在于，包括：/n电源；/n第一逆变器，所述第一逆变器的第一端与所述电源的正极端电连接，所述第一逆变器的第二端与所述电源的负极端电连接；/n第二逆变器，所述第二逆变器的第一端与所述电源的正极端电连接，所述第二逆变器的第二端与所述电源的负极端电连接；/n第三逆变器，所述第三逆变器的第一端与所述电源的正极端电连接，所述第三逆变器的第二端与所述电源的负极端电连接；/n第一发射模块，所述第一发射模块的第一端与所述第一逆变器的第三端电连接，所述第一发射模块的第二端与所述第一逆变器的第四端电连接；/n第二发射模块，所述第二发射模块的第一端与所述第二逆变器的第三端电连接，所述第二发射模块的第二端与所述第二逆变器的第四端电连接；/n第三发射模块，所述第三发射模块的第一端与所述第三逆变器的第三端电连接，所述第三发射模块的第二端与所述第三逆变器的第四端电连接；/n接收模块，所述接收模块分别与所述第一发射模块、第二发射模块和第三发射模块互感。/n
【技术特征摘要】
1.一种三维无线电能传输系统，其特征在于，包括：
电源；
第一逆变器，所述第一逆变器的第一端与所述电源的正极端电连接，所述第一逆变器的第二端与所述电源的负极端电连接；
第二逆变器，所述第二逆变器的第一端与所述电源的正极端电连接，所述第二逆变器的第二端与所述电源的负极端电连接；
第三逆变器，所述第三逆变器的第一端与所述电源的正极端电连接，所述第三逆变器的第二端与所述电源的负极端电连接；
第一发射模块，所述第一发射模块的第一端与所述第一逆变器的第三端电连接，所述第一发射模块的第二端与所述第一逆变器的第四端电连接；
第二发射模块，所述第二发射模块的第一端与所述第二逆变器的第三端电连接，所述第二发射模块的第二端与所述第二逆变器的第四端电连接；
第三发射模块，所述第三发射模块的第一端与所述第三逆变器的第三端电连接，所述第三发射模块的第二端与所述第三逆变器的第四端电连接；
接收模块，所述接收模块分别与所述第一发射模块、第二发射模块和第三发射模块互感。
2.根据权利要求1所述的三维无线电能传输系统，其特征在于，所述第一逆变器、所述第二逆变器和所述第三逆变器均包括：
第一NMOS管，所述第一NMOS管的漏极端与所述电源的正极端电连接；
第二NMOS管，所述第二NMOS管的漏极端与所述第一NMOS管的源极端电连接，所述第二NMOS管的源极端与所述电源的负极端电连接；
第三NMOS管，所述第三NMOS管的漏极端与所述第一NMOS管的漏极端电连接；
第四NMOS管，所述第四NMOS管的漏极端与所述第三NMOS管的源极端电连接，所述第四NMOS管的源极端与所述第三NMOS管的源极端电连接。
3.根据权利要求2所述的三维无线电能传输系统，其特征在于，所述第一发射模块、所述第二发射模块和所述第三发射模块均包括：
第一谐振补偿电容；
第一电感，所述第一电感的第一端与所述第一谐振补偿电容的第二端电连接；
第一电流源，所述第一电流源的第一端与所述第一电感的第二端电连接；
第一内阻，所述第一内阻的第一端与所述第一电流源的第二端电连接。
4.根据权利要求3所述的三维无线电能传输系统，其特征在于，所述第一发射模块的第一谐振补偿电容的第一端与所述第一逆变器的第一NMOS管的源极端电连接，所述第一发射模块的第一内阻的第二端与所述第一逆变器的第三NMOS管的源极端电连接，所述第二发射模块的第一谐振补偿电容的第一端与所述第二逆变器的第一NMOS管的源极端电连接，所述第二发射模块的第一内阻的第二端与所述第二逆变器的第三NMOS管的源极端电连接，所述第三发射模块的第一谐振补偿电容的第一端与所述第三逆变器的第一NMOS管的源极端电连接，所述第三发射模块的第一内阻的第二端与所述第三逆变器的第三NMOS管的源极端电连接。
5.根据权利要求4所述的三维无线电能传输系统，其特征在于，所述接收模块包括：
第二电感；
第二电流源，所述第二电流源的第一端与所述第二电感的第二端电连接；
第三电流源，所述第三电流源的第一端与所述第二电流源的第二端电连接；
第四电流源，所述第四电流源的第一端与所述第三电流源的第二端电连接；
第二谐振补偿电容，所述第二谐振补偿电容的第一端与所述第二电感的第一端电连接；
负载电阻，所述负载电阻的第一端与所述第二谐振补偿电容的第二端电连接；
第二内阻，所述第二内阻的第一端与所述负载电阻的第二端电连接，所述第二内阻的第二端与所述第四电流源的第二端电连接。
6.一种基于方波的极值搜索算法的最大功率传输方法，应用于如权利要求1至权利要求5中任一项所述的三维无线电能传输系统，其特征在于，包括：
步骤1，确定三维无线电能传输系统中的合成磁场矢量的方位角与三个发射模块的线圈电流之间的关系，构建三维无线电能传输系统的数学模型；
步骤2，获得流过负载电阻的电流，根据流过负载电阻的电流计算在负载电阻上消耗的功率，三维无线电能传输系统工作在完全谐振状态下，假设三维无线电能传输系统中的四个内阻相等，计算系统的总输入功率；
步骤3，根据负载电阻上消耗的功率和系统的总输入功率计算系统效率，获得负载电阻上消耗的功率、系统的总输入功率和系统效率同时达到最大值的条件；
步骤4，选择最大输入功率作为优化目标，设计基于方波的极值搜索算法进行动态优化目标跟踪，实现三维无线电能传输系统的最大功率传输。
7.根据权利要求6所述的基于方波的极值搜索算法的最大功率传输方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
合成磁场矢量由第一发射线圈的基磁矢量第二发射线圈的基磁矢量和第三发射线圈的基磁矢量合成，其中，第一发射线圈为第一发射模块的第一电感，第二发射线圈为第二发射模块的第一电感，第三发射线圈为第三发射模块的第一电感，第一发射线圈的基磁矢量第二发射线圈的基磁矢量和第三发射线圈的基磁矢量分别与相对应的发射线圈的电流幅值成正比，通过控制三个发射线圈的电流控制合成磁场矢量合成磁场矢量的方位角与三个发射线圈的电流之间的关系，如下所示：
其中，I1表示第一发射线圈的电流，I2表示第二发射线圈的电流，I3表示第三发射线圈的电流，I表示正弦时间函数，θ和表示球面坐标系中合成磁场矢量的方位角；
构建三维无线电能传输系统的数学模型，如下所示：
其中，U1表示第一逆变器的输出电压，U2表示第二逆变器的输出电压，U3表示第三逆变器的输出电压，I4表示接收线圈的电流，其中，接收线圈为第二电感，R1表示第一发射模块的第一内阻，R2表示第二发射模块的第一内阻，R3表示第三发射模块的第一内阻，R4表示第二内阻，Rload表示负载电阻，X1表示第一发射模块的电抗，X1＝ωL1-1/ωC1，ω表示角频率，X2表示第二发射模块的电抗，X2＝ωL2-1/ωC2，X3表示第三发射模块的电抗，X3＝ωL3-1/ωC3，X4表示接收模块的电抗，X4＝ωL4-1/ωC4，L1表示第一发射模块的第一电感，L2表示第二发射模块的第一电感，L3表示第三发射模块的第一电感，L4...
【专利技术属性】
技术研发人员：但汉兵，晁玉前，粟梅，姚洪涛，孙尧，高明，熊文静，廖钢强，刘梓溪，
申请(专利权)人：中南大学，湖南三一电控科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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