基于散射矩阵的无线电能传输系统电磁耦合效率测量方法与流程

本发明涉及无线电能传输领域，特别是一种无线电能传输系统电磁耦合效率的测量方法。

背景技术：

无接触电能传输技术作为新的电能传输技术在电动汽车、航空航天、电力系统、能源交通、生物医疗、通讯技术等领域具有广泛的应用前景，近年来受到了国内外研究人员的广泛关注。根据应用场合的不同，该技术可分为电磁感应式、电磁耦合谐振式与电磁辐射式3种。其中，电磁耦合谐振技术利用辐射电磁场耦合实现电能传输，与电磁感应式能量传输方式相比，在传输距离上有了较大扩展，为用电设备获取电能带来更大的自由。与电磁辐射式能量传输方式相比，该能量传输方式具有非辐射的特点，因此具有较好的安全性，且减少了电能发射端与接收端的设计难度。该种设计的重点就在于的设计中间阶段的电磁耦合线圈，实现完整的电磁传输过程，优化电磁耦合线圈需要得到精确的电磁耦合效率作为参考。目前无线电能传输领域，借助能量排除法获得传输效率值，或者通过等效电路分析方法获取系统传输效率的方法存在误差过大的问题，不能够为传输线圈的设计提供精确数据。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了基于散射矩阵的无线电能传输系统电磁耦合效率测量方法，为传输线圈的设计提供精确数据。

一种基于散射矩阵的无线电能传输系统电磁耦合效率测量方法，包括如下步骤：

s1.配置无线电能传输系统二端口网络

将传统的单一个二端口网络分解为两个二端口子网络的级联，两个子网络分别为发射子网络(p1)和接收子网络(p2)，两个子网络级联后形成一个总的传输网络，根据二端口网络的散射原理给出两个子网络的散射矩阵，发射与接收子网络的散射矩阵分别为式(1)和(2)，总网络的散射矩阵表示为式(3)；

其中：为发射子网络输入和输出端入射能量，为发射子网络输入和输出端反射能量，为接收子网络输入和输出端入射能量，为接收子网络输入和输出端反射能量；为发射子网络散射参数，为接收子网络散射参数，s11、s12、s21、s22为总传输网络散射参数；

s2.通过网络矩阵推导出传输模型

由式(1)得出网络p1的传输模型为式(4)和式(5)，由式(2)得出网络p2的传输模型为式(6)和式(7)，由式(3)得出总网络的传输模型为式(8)和式(9)；

通过矩阵运算得出发射子网络与接收子网络的输入输出能量值：

s3.网络端口参数测量

s3.1无线电能传输系统接入输入功率，建立无线电能传输网络；

s3.2切断输入与输出负载，在输入端口加载网络矢量分析仪的测量探头，探头分别夹持在发射子网络的输入端与输出端，读取对应发射端的端口参数：

s3.3按照步骤s4.2的方法将探头夹持在接收子网络的输入端与输出端，读取对应接收端的端口参数：

s3.4按照步骤s4.2的方法将探头夹持在整个传输系统的两端，读取系统的端口参数：s11、s12、s21、s22；

s4.电磁耦合效率计算

无线电能传输系统电磁耦合效率定义为：

s4.1无线电能传输系统的发射端与接收端双向电磁耦合效率计算

无线电能传输系统电磁耦合效率为η，发射端向接收端的电磁耦合效率为η12，接收端向发射端的电磁耦合效率为η21；因为无线电能传输结构具有互易性，得出η12＝η21＝η，0＜η＜1，根据无线电能传输系统能量传递关系得出：

s4.2通过等式变量等值带入求得电磁耦合系统的输入能量值

将式(12)代入式(13)得到：

经过整理后得到：

其中将式(15)代入式(4)，

s4.3通过等式两端等效关系，解出双向电磁耦合效率值

利用式(16)与式(8)的对应关系得到：

将η12＝η21＝η代入式(17)，得到电磁耦合效率为：

将步骤s3测得的网络端口参数s11、代入式(20)即可获得系统电磁耦合效率值。

进一步，所述步骤s4.3通过等式两端等效关系，解出双向电磁耦合效率值方法如下：

将式(13)代入(12)得到：

其中

同样将η12＝η21＝η代入式(26)，得到电磁耦合效率η为：

将步骤s3测得的网络端口参数s22、代入式(27)，即可获得系统电磁耦合效率值。

本发明利用网络端口测量设备，基于散射矩阵的无线电能传输电路，结合网络端口能量等效关系、输入输出能量转换关系，通过电路测量，计算出无线电能传输系统的电磁耦合效率。因为电池耦合的场域特性，其耦合效率不能够直接通过现有的测量仪器直接读取，本发明的测量方法通过现有测量设备获取电磁耦合效率测量值。

附图说明

图1是无线传输系统示意图，

图2是散射参数端口示意图，

图3是传输网络的散射矩阵能量传输示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

一种基于散射矩阵的无线电能传输系统电磁耦合效率测量方法，包括如下步骤：

s1.配置无线电能传输系统二端口网络

传统的二端口网络，如图1所示，两个端口间包括激发模块、耦合传输模块、负载模块。本发明将传统的单一个二端口网络分解为两个二端口子网络的级联，如图2所示,两个子网络分别为发射子网络p1和接收子网络p2，两个子网络级联后形成一个总的传输网络，图3为散射矩阵的能量传输示意图。根据二端口网络的散射原理给出两个子网络的散射矩阵，发射与接收子网络的散射矩阵分别为式(1)和(2)，总网络的散射矩阵表示为式(3)。

其中：为发射子网络输入和输出端入射能量，为发射子网络输入和输出端反射能量，为接收子网络输入和输出端入射能量，为接收子网络输入和输出端反射能量；为发射子网络散射参数，为接收子网络散射参数，s11、s12、s21、s22为总传输网络散射参数。

s2.通过网络矩阵推导出传输模型

由式(1)得出网络p1的传输模型为式(4)和式(5)，由式(2)得出网络p2的传输模型为式(6)和式(7)，由式(3)得出总网络的传输模型为式(8)和式(9)。

通过矩阵运算得出发射子网络与接收子网络的输入输出能量值

s3.网络端口参数测量

搭建无线电能传输实验平台，使用agilent8753es参数矢量网络分析仪对系统的散射参数进行实时测量，分别测量发射子网络、接收子网络以及全系统网络端口参数。

s3.1无线电能传输系统接入输入功率，调整输入电压与输出端的负载电压，建立无线电能传输网络；

s3.2切断输入与输出负载，在输入端口加载网络矢量分析仪的测量探头，探头分别夹持在发射子网络的输入端与输出端，读取对应发射端的端口参数：

s3.3按照步骤s3.2的方法将探头夹持在接收子网络的输入端与输出端，读取对应接收端的端口参数：

s3.4按照步骤s3.2的方法将探头夹持在整个传输系统的两端，读取系统的端口参数：s11、s12、s21、s22；

s4.电磁耦合效率计算

无线电能传输系统电磁耦合效率定义为：

s4.1无线电能传输系统的发射端与接收端双向电磁耦合效率计算

无线电能传输系统电磁耦合效率为η，发射端向接收端的电磁耦合效率为η12，接收端向发射端的电磁耦合效率为η21。因为无线电能传输结构具有互易性，得出η12＝η21＝η，0＜η＜1，根据无线电能传输系统能量传递关系得出：

s4.2通过等式变量等值带入求得电磁耦合系统的输入能量值

将式(12)代入式(13)得到：

经过整理后得到：

其中将式(15)代入式(4)，

s4.3通过等式两端等效关系，解出双向电磁耦合效率值

s4.3.1第一种计算方式

利用式(16)与式(8)的对应关系得到：

将η12＝η21＝η代入式(17)，得到电磁耦合效率为：

将步骤s3测量测得的网络端口参数s11、代入式(20)即可获得系统电磁耦合效率值。

s4.3.2第二种计算方式

通过矩阵运算的对偶原理，采用另一个方式计算电磁耦合效率

将式(13)代入(12)得到：

其中

同样将η12＝η21＝η代入式(26)，得到电磁耦合效率η为：

将步骤s3测得的网络端口参数s22、代入式(27)，即可获得系统电磁耦合效率值。

式(20)和(27)分别使用两组不同的散射参数实现电磁耦合效率的计算，因为传输网络具有互易性的特点，且计算模型中所用参数为对称关系，因此步骤s4.3.1和s4.3.2两种方式计算的电磁耦合系数具有相同的结果。

本发明使用网络矢量分析仪测量系统的网络端口参数，代入公式(20)或(27)中，直接计算出系统的电磁耦合效率，在这个过程中还去除了系统电磁辐射损耗和系统反射损耗的影响因素，能够直观体现系统的电磁传输效果。