一种可重构电流型无线电能传输系统的优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种可重构电流型无线电能传输系统的优化方法；可重构电流型系统也会面临当工作在电压谐振式时，由于不同负载的差异使得系统传递至不同负载的能量以及能量传输效率PTE并不能保持最优的问题。本发明专利技术的过程如下：步骤一、建立系统最优负载阻抗表达式和对应的最大传输效率的表达式。步骤二、阻抗匹配网络参数设计。本发明专利技术在可重构电流型无线电能传输系统中引入L型阻抗匹配网络，使得可重构电流型无线电能传输系统能够工作在最大传输功率附近。本发明专利技术基于可重构电流型无线电能传输系统，通过结合阻抗匹配网络，使得系统以电压模式工作时只需要调整阻抗匹配网络的元器件参数，就能在不同负载条件下均实现最大功率传输。

【技术实现步骤摘要】
一种可重构电流型无线电能传输系统的优化方法
本专利技术属于无线可充电传感器网络能量供应
，具体涉及一种可重构电流型无线电能传输系统的带阻抗匹配优化方法
技术介绍
因为电压谐振式系统和电流谐振式系统分别适用在耦合距离或负载值较小和较大，即接收端电压较大和较小的场景。而在植入式医疗、传感器、无线射频识别和无线充电设备等的应用背景下，都会面临由于线圈的耦合条件(包括相对距离和相对方向等)、电路谐振状态或者负载的改变导致的接收端接收功率变化的问题。而可重构电流型系统基于对接收端电压幅值的检测，使得系统在接收端电压较大时工作在电压谐振式，接收端电压较小时工作在电流谐振式，分别使系统获得更高的能量传输效率(PowerTransferEfficiency，PTE)和电压转换效率(VoltageConversionEfficiency，VCE)，同时拓展了系统的传输距离和负载范围，使得系统可以应用在传输距离和负载变化较大的场景。但可重构电流型系统也会面临当工作在电压谐振式时，由于不同负载的差异使得系统传递至不同负载的能量(PowerDeliveredtoLoad，PDL)以及能量传输效率PTE并不能保持最优的问题，甚至PDL和PTE都为一个极小值，因而并不能满足负载所需系统提供的能量。而为了解决这一问题，本文提出了基于可重构电流型系统工作在电压谐振式时与阻抗匹配技术相结合的技术方案和电路结构，使得在系统以电压谐振式运行时，在任意负载下均能使得系统输出最大功率，保证最大功率传输效率，并且同时不会影响系统以电流谐振式运行时的性能。
技术实现思路
本专利技术提供一种可重构电流型磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输效率优化方法。本专利技术一种可重构电流型无线电能传输系统的优化方法的优化对象是可重构电流型无线电能传输系统，其包括发送端和接收端。所述的接收端包括接收线圈L2、匹配电感Ls、匹配电容Cp、开关管M1、开关管M2、开关管M3、开关管M4和电容C2。所述接收线圈L2的一端通过开关管M4连接到负载RL的第一输入端，通过串联的匹配电感Ls和开关管M3连接到负载RL的第一输入端；接收线圈L2的另一端连接到负载RL的第二输入端。串联的匹配电容Cp、开关管M1并联在接收线圈L2、匹配电感Ls的两端或并联在接收线圈L2的两端。串联的匹配电容C2、开关管M2并联在接收线圈L2的两端。该带阻抗匹配的可重构电流型无线电能传输系统的优化方法具体如下：步骤一、建立系统最优负载阻抗Zeqr,opt表达式和对应的最大传输效率ηmax表达式分别如式(4)、式(5)所示：其中，Q1为发送线圈的品质因数；Q2为接收线圈的品质因数；Reqr,opt为系统最优负载值；Re(·)表示提取复数的实部；Im(·)表示提取复数的虚部；j为虚数单位。步骤二、阻抗匹配网络参数设计。2-1若负载值RL<Reqr,opt，阻抗匹配网络选择先并联电容Cp然后串联电感Ls的方式。此时，阻抗匹配网络和负载端的输入阻抗Zeqr如式(6)所示；其中，整合变量整合变量为了消除接收端的无功损耗并实现最大功率传输，需使Zeqr＝Zeqr,opt，如式(7)所示；计算匹配电容Cp的电容值Cp和匹配电感Ls的电感值Ls的值，如式(8)所示；2-2.若负载值RL>Reqr,opt，阻抗匹配网络选择先串联Ls然后并联Cp的方式；阻抗匹配网络和负载端的输入阻抗Zeqr如式(9)所示；为了消除接收端的无功损耗并实现最大功率传输，需使Zeqr＝Zeqr,opt，如式(10)所示；计算匹配电容Cp的电容值Cp和匹配电感Ls的电感值Ls的值，如式(11)所示；由此完成带阻抗匹配的可重构电流型无线电能传输系统的优化。作为优选，步骤一的具体过程如下：计算纯电阻网络下的接收端效率ηr如式(1)所示其中，Reqr为阻抗Zeqr的实部；Zeqr为从匹配电感Ls和匹配电容Cp组成的阻抗匹配网络看入的等效输入阻抗；R2为接收线圈L2自身的等效电阻。计算反射阻抗Zrt的实部Rrt和发送线圈谐振时的发送端的传输效率ηt如式(2)所示：其中，Zrt为反射阻抗；ω为工作角频率；k为耦合系数；L1为发送线圈的电感值；L2为接收线圈的电感值。根据ηr和ηt计算整体传输效率η为式(3)：根据发送线圈的品质因数Q1＝ωL1/R1；接收线圈的品质因数Q2＝ωL2/R2，换算得到系统最优负载阻抗Zeqr,opt表达式和对应的最大传输效率ηmax表达式分别如式(4)、式(5)所示。作为优选，所述匹配电感Ls的电感值、匹配电容Cp的电容值根据各项工作参数确定，使得无线电能传输功率达到最大。作为优选，所述的发送端包括串联的信号源、补偿电容C1和发送线圈L1；本专利技术的有益效果如下：1、本专利技术在可重构电流型无线电能传输系统中引入L型阻抗匹配网络，使得可重构电流型无线电能传输系统能够工作在最大传输功率附近。2、本专利技术基于可重构电流型无线电能传输系统，通过结合阻抗匹配网络，使得系统以电压模式工作时只需要调整阻抗匹配网络的元器件参数，就能在不同负载条件下均实现最大功率传输。附图说明图1(a)为本专利技术采用L-II型的阻抗匹配网络电路图；图1(b)为图1(a)所示系统的控制模块图。图2(a)为本专利技术工作在电压模式下的系统电路图；图2(b)为图2(a)所示系统的控制模块图。图3(a)为本专利技术以电压模式工作的等效电路图；图3(b)为本专利技术以电流模式工作的等效电路图。图4为磁耦合谐振式无线电能传输系统电路图。图5为图4所示系统将接收端等效至发送端原理图。图6(a)为L型阻抗匹配网络中的L-I型网络结构；图6(b)为L型阻抗匹配网络中的L-II型网络结构。图7(a)为实验中在系统输入电压有效值为6.31V，等效负载Reqr为12Ω时阻抗匹配前(左图)、后(右图)负载两端电压；图7(b)为实验中在系统输入电压有效值为6.31V，等效负载Reqr为220Ω时阻抗匹配前(左图)、后(右图)负载两端电压；图7(c)为实验中在系统输入电压有效值为6.31V，等效负载Reqr为1kΩ时阻抗匹配前(左图)、后(右图)负载两端电压；图7(d)为实验中在系统输入电压有效值为6.31V，等效负载Reqr为5.1kΩ时阻抗匹配前(左图)、后(右图)负载两端电压。图8为仿真和实验所测负载接受功率PDL随等效负载值Reqr的变化关系曲线图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术进一步说明。如图1(a)和1(b)所示，一种带阻抗匹配的可重构电流型无线电能传输系统，包括发送端和接收端。发送端包括串联的信号源、补偿电容C1和发送线圈L1；接收端包括接收线圈L2、匹配电感本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可重构电流型无线电能传输系统的优化方法，用于优化可重构电流型无线电能传输系统；所述的可重构电流型无线电能传输系统包括发送端和接收端；其特征在于：所述的接收端包括接收线圈L2、匹配电感Ls、匹配电容Cp、开关管M1、开关管M2、开关管M3、开关管M4和电容C2；所述接收线圈L2的一端通过开关管M4连接到负载RL的第一输入端，通过串联的匹配电感Ls和开关管M3连接到负载RL的第一输入端；接收线圈L2的另一端连接到负载RL的第二输入端；串联的匹配电容Cp、开关管M1并联在接收线圈L2、匹配电感Ls的两端或并联在接收线圈L2的两端；串联的匹配电容C2、开关管M2并联在接收线圈L2的两端；/n该优化方法的具体步骤如下：/n步骤一、建立系统最优负载阻抗Z

【技术特征摘要】
1.一种可重构电流型无线电能传输系统的优化方法，用于优化可重构电流型无线电能传输系统；所述的可重构电流型无线电能传输系统包括发送端和接收端；其特征在于：所述的接收端包括接收线圈L2、匹配电感Ls、匹配电容Cp、开关管M1、开关管M2、开关管M3、开关管M4和电容C2；所述接收线圈L2的一端通过开关管M4连接到负载RL的第一输入端，通过串联的匹配电感Ls和开关管M3连接到负载RL的第一输入端；接收线圈L2的另一端连接到负载RL的第二输入端；串联的匹配电容Cp、开关管M1并联在接收线圈L2、匹配电感Ls的两端或并联在接收线圈L2的两端；串联的匹配电容C2、开关管M2并联在接收线圈L2的两端；
该优化方法的具体步骤如下：
步骤一、建立系统最优负载阻抗Zeqr,opt表达式和对应的最大传输效率ηmax表达式分别如式(4)、式(5)所示：






其中，Q1为发送线圈的品质因数；Q2为接收线圈的品质因数；Reqr,opt为系统最优负载值；Re(·)表示提取复数的实部；Im(·)表示提取复数的虚部；j为虚数单位；
步骤二、阻抗匹配网络参数设计；
2-1若负载值RL<Reqr,opt，阻抗匹配网络选择先并联电容Cp然后串联电感Ls的方式；此时，阻抗匹配网络和负载端的输入阻抗Zeqr如式(6)所示；



其中，整合变量整合变量
为了消除接收端的无功损耗并实现最大功率传输，需使Zeqr＝Zeqr,opt，如式(7)所示；



计算匹配电容Cp的电容值Cp和匹配电感Ls的电感值Ls的值，如式(8)所示；



2-2...

【专利技术属性】
技术研发人员：程瑜华，刘椿武，徐慧，王高峰，李文钧，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学温州研究院有限公司，杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33