无线电力传输装置的设计方法
【专利摘要】一种无线电力传输装置的设计方法，包括以下步骤：步骤A、在接收装置和发射装置完全对准的情况下，测量无线电力传输装置各个线圈的自身电气参数，以及两两线圈之间的互感，记为耦合矩阵M0；步骤B、在接收装置相对发射装置偏移到最大设计偏移值的情况下，再次测量各个线圈的自身电气参数及两两线圈之间的互感，记为新的耦合矩阵M1；步骤C、在接收装置和发射装置完全对准的情况下，以最大效率和指定功率为目标函数建立非线性规划优化模型，迭代求出谐振补偿电容的最优容值Copt0；步骤D、考虑接收装置和发射装置相对位置发生偏离的影响，更改优化目标函数建立新的非线性规划模型，以Copt0为初值迭代求解优化问题，得到最终的谐振补偿电容容值Copt1。
【专利说明】无线电力传输装置的设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种无线电力传输装置的设计方法。
【背景技术】
[0002]磁谐振无线电力传输技术自2007年由美国麻省理工学院(MIT)提出以来，因其在传输距离上的优势，在军工业、消费电子、生命医学、电动汽车等行业具有广阔的市场前景，各种相关产品相继被开发出来。无线电力传输系统的一个固有特点是当收发线圈发生偏移时传输的功率和传输效率将大大降低，按照现有技术如专利CN 203014500U、专利CN103208866A设计的无线电力传输系统，只有当无线电力传输系统的发射装置和接收装置处于完全对准或接近完全对准的位置时，才能达到期望的输出功率和效率。然而在实际的应用场合中，比如给手机或电动汽车进行无线充电时，发射装置和接收装置的相对位置存在一定偏移没有完全对准的情况是经常发生的。为此，专利CN 103342101A“感应式非接触充电定位对准装置及其定位方法”提出了一种解决方案，需要同时为该非接触充电装置额外配备车载夜视摄像头、超声波精确定位系统、地面移动平台，加上复杂的通信确认和闭环控制以便在每次充电过程中实现收发装置的精确定位，虽然解决了对准问题，但是这样的设计大大增加了系统结构复杂度以及用户操作复杂度，还增加了设计成本和维护难度。
【发明内容】
[0003]本发明的目的克服现有的无线电力传输装置设计方法的不足，提出一种能够拓宽无线电力传输装置有效工作范围的新的设计方法。本发明可以解决无线电力传输装置对线圈位置敏感的问题，避免过程复杂的线圈对准操作，减小系统结构复杂度、节约设计成本，并提高无线电力传输装置的使用方便性。
[0004]本发明设计方法适用于所有使用外接补偿电容的无线电力传输装置，尤其适用于采用了多个放大线圈多个补偿电容的无线电力传输系统，而对无线电力传输装置的功率等级、应用场合以及线圈的数目、几何形状、尺寸、绕制方式都没有要求，无论是绕成空心线圈还是采用一定的磁性屏蔽材料加强耦合均可。
[0005]本发明的核心内容是通过设计一组补偿电容来拓宽无线电力传输装置的有效工作范围，即当发射装置与接收装置的相对位置在很大范围内发生偏移时，无线电能传输装置均能维持额定功率的输出。先测取收发装置完全对准时的线圈参数，再测取收发装置偏移到最大容许偏移值时的线圈参数，然后通过两次非线性规划建模与求解，得到最终的补偿电容容值。
[0006]本发明包含以下步骤:
[0007]步骤A、在接收装置和发射装置完全对准的情况下，测量无线电力传输装置各个线圈的自身电气参数，以及两两线圈之间的互感，记为耦合矩阵M0 ；
[0008]步骤B、在接收装置相对发射装置偏移到最大设计偏移值的情况下，再次测量各个线圈的自身电气参数及两两线圈之间的互感，记为新的耦合矩阵M1 ；
[0009]步骤C、在接收装置和发射装置完全对准的情况下，以最大效率和指定功率为目标函数建立用于求取收发装置完全对准情况下的补偿电容容值C。-的非线性规划优化模型，迭代求出谐振补偿电容的最优容值C。-；
[0010]步骤D、考虑接收装置和发射装置相对位置发生偏离的影响，更改优化目标函数建立新的非线性规划模型，建立用于求取考虑线圈偏移的影响后的无线电力传输装置补偿电容容值Ctjptl的非线性规划优化模型，以C。-为初值迭代求解优化问题，得到最终的谐振补偿电容容值Ctjptl。
[0011 ] 所述的步骤A中，各个线圈的自身电气参数包括在给定工作频率下发射线圈自感L和额定工作频率下的交流内阻r。测量两两线圈之间的互感时需尽量在无线电力传输装置实际的工作环境下进行测量。假设无线电力传输装置由η个线圈组成，第i个线圈的交流内阻记为巧，自感记为Li，i = 1，2，…，n，第i个线圈与第j个线圈的互感记为Mij,所述耦合矩阵Mtl的记法为:
【权利要求】
1.一种无线电力传输装置的设计方法，其特征在于:通过设计一组补偿电容来拓宽无线电力传输装置的有效工作范围，即当发射装置与接收装置的相对位置在很大范围内发生偏移时，无线电能传输装置均能维持额定功率的输出；首先测取收发装置完全对准时的线圈参数，再测取收发装置偏移到最大容许偏移值时的线圈参数，然后通过两次非线性规划建模与求解，得到最终的补偿电容容值；所述的设计方法包含以下步骤: 步骤A、在接收装置和发射装置完全对准的情况下，测量无线电力传输装置各个线圈的自身电气参数，以及两两线圈之间的互感，记为耦合矩阵Mtl; 步骤B、在接收装置相对发射装置偏移到最大设计偏移值的情况下，再次测量各个线圈的自身电气参数及两两线圈之间的互感，记为新的耦合矩阵M1 ； 步骤C、在接收装置和发射装置完全对准的情况下，以最大效率和指定功率为目标函数建立用于求取收发装置完全对准情况下的补偿电容容值C。-的非线性规划优化模型，迭代求出谐振补偿电容的最优容值C。-； 步骤D、考虑接收装置和发射装置相对位置发生偏离的影响，更改优化目标函数建立新的非线性规划模型，建立用于求取考虑线圈偏移的影响后的无线电力传输装置补偿电容容值Ctjptl的非线性规划优化模型，以C。-为初值迭代求解优化问题，得到最终的谐振补偿电容容值Ctjptl。
2.按照权利要求1所述的无线电力传输装置的设计方法，其特征在于:所述的步骤B中的最大设计偏移值指无线电力传输装置发射装置中心与接收装置中心所允许偏离的最远距离，不超过线圈直径或边长的75 %。
3.按照权利要求1所述的无线电力传输装置的设计方法，其特征在于:所述的步骤C中的目标函数指将设计需求或设计目标写成以补偿电容向量C为自变量的函数式，对于一般的无线电力传输装置，首先通过支持外部调用的电路仿真分析工具建立多线圈耦合无线电力传输装置系统电路模型，接着对模型进行仿真直到达到稳态，此时可获取系统输出功率P。、系统效率η、电容器组端电压U。、电流I。等与设计目标直接相关参数的精确数值解，分别记为/.:,(<:)，//(C) , U, (C) , /,.(C)，通过这些隐式的数值解进一步写出非线性规划模型的目标函数； 特别的，对于结构简单、补偿电容数目小于或等于三的无线电力传输装置，给定电源电压、额定工作频率、负载，测得线圈自感、内阻、耦合矩阵Mtl及耦合矩阵乂后，输出功率P。、系统效率n、电容器组端电压U。、电流I。等与设计目标直接相关的参数均能够直接根据电路理论相应表示成补偿电容容值向量c的显式函数，分别记为P。(C)、n (O, Uc(C)和1。(0 ；非线性规划模型的目标函数优选通过这些显式的解析函数直接写出，避免反复的稳态仿真过程以缩短求解非线性规划问题的时间。
4.按照权利要求1所述的无线电力传输装置的设计方法，其特征在于:所述步骤C中建立用于求取收发装置完全对准情况下的补偿电容容值C。-的非线性规划优化模型时，只需考虑无线电力传输装置的最大化效率及输出指定的额定功率这两个最重要的设计目标；在收发装置完全对准情况下无线电力传输装置的输出功率与补偿电容容值向量之间的函数关系表示成解析式Ptl(C)或数值解/;,(c)，传输效率与补偿电容容值向量之间的函数关系表示成Htl(C)或数值解/)?((?)，则，对于最大化效率的设计目标，采用min 1-1l0(C)的形式描述；对于输出指定的额定功率值已的设计要求，采用min I P^PtJ的形式描述；通过两个在O?I之间取值的权重因子Co1和ω2来调节这两个目标的比重，目标函数f (C)表示成 f(C) = ω: (1- n0(C)) + ω21 Pr-Po | /Pr,ω1+ω2 = I ； 所述步骤C中非线性规划优化模型的约束条件主要有两方面，一是装置体积等因素限制了补偿电容器组串联电容的数目Nsct和并联电容的数目Npm，因此补偿电容器组设计容值有一个上限Cmax和一个下限Cmin ;二是电容电压U。不能超过所选电容标称的耐压值Ud。，受温升限制电容电流I。不能超过所选电容的标称电流Imis ;如此，建立补偿电容容值向量C为优化变量的非线性规划优化模型:
P -Ptt(C) 最小化 /(C) = COi (1- /%{€))+CO,--
' PrC < C < C
v^min ^ — maxσ 满足 Uc < NserUdc I <N Ic _ par rms
5.按照权利要求1所述的无线电力传输装置的设计方法，其特征在于:所述步骤D中建立用于求取考虑线圈偏移的影响后的无线电力传输装置补偿电容容值Ctjptl的非线性规划优化模型时，需同时考虑所述无线电力传输装置在收发线圈完全对准情况下所述无线电力传输装置输出功率Po、效率％和无线电力传输装置在收发装置偏移到最大设计偏移值的情况下所述无线电力传输装置的输出功率P1、效率H1 ;此时，需引入4个权重向量αι、α 2> β !> β 2,以及衰减系数K ,4个权重向量a 1、α 2、β 1、β 2，以及衰减系数K均在O?I之间取值，权重向量应满足α 1+α 2 = β 1+β 2 = 0.5，K表示最大设计偏移值的情况下无线电力传输装置的系统输出功率与在收发线圈完全对准情况下无线电力传输装置的系统输出功率的比值；根据无线电力传输装置额定输出功率已，在收发线圈完全对准情况下仿真所述无线电力传输装置电路模型得到的输出功率数值解為(C)、效率的数值解&(<:)以及在无线电力传输装置收发装置偏移到最大设计偏移值的情况下仿真所述无线电力传输装置电路模型得到的输出功率数值解P1(C)、效率数值解4(C)写出目标函数f (C)的表达式，采用同步骤C相同的约束条件，建立补偿电容容值向量C为优化变量的非线性规划优化模型:,、 ，、 Pr-P0(C) ,、 KPr -P1(C) 最小化_/(C) = a；(l -//0(C))+ a2---1-β\(? ~Π\(^)) + βζ--
PrKPr'C11111 < C < Cmax。 满足 Uc < NserUclc I <Ν Ic — par rms
6.按照权利要求1所述的无线电力传输装置的设计方法，其特征在于:所述步骤D中迭代求取补偿电容容值Ctjptl时，在迭代过程中需要反复进行以下步骤:用耦合矩阵M0初始化仿真模型(301)、进行稳态电路仿真(302)，用耦合矩阵M1重新初始化仿真模型(303)、进行稳态电路仿真(304)，回传两次稳态电路仿真的中间变量计算目标函数值(305)，判断目标函数值是否满足收敛条件(306);所述步骤C中迭代求取补偿电容容值(；_时，直接跳过上述迭代过程中的用耦合矩阵M1重新初始化仿真模型(303)和进行稳态电路仿真(304)两步，每次迭代只需进行一次稳态电路仿真。
7.按照权利要求1所述的无线电力传输装置的设计方法，其特征在于:所述步骤D中迭代求取考虑线圈偏移的影响后的无线电力传输装置补偿电容容值Ctjptl时，以步骤C得到的补偿电容容值向量C。-为初值；得到Ctjptl后，结合简单的细微的调频控制，能够在最大设计偏移值范围内将无线电力传输装置的输出功率维持在指定的额定值恒定输出。
【文档编号】H02J17/00GK104201792SQ201410466773
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】王丽芳, 朱庆伟, 廖承林, 郭彦杰, 李芳
申请人:中国科学院电工研究所