感。Us为电源开路电压。Up I1分别为端口 1-1'处的输入电压与电流，U2、I2分别为端口 2-2'处的输入电压与电流。
[0034] 由图3中的连接关系，根据基尔霍夫定律可得：
[0036] 其中，A = (Rs+jc〇Ls+l/jc〇Cs)/jc〇M，C = l/jc〇M，D = _(RD+jc〇LD+l/jc〇CD)/jc〇M
[0037] B = _ (Rs+j ω Ls+1/j ω Cs) (RD+j ω LD+1/j ω CD) / j ω M+j ω M
[0038] 二端口网络端口 1-Γ处的输入阻抗Zin与端口 2-2'处的输出阻抗Z _为
[0041] 电源的输出功率表示为
[0043] 由式⑷可知，当端口 1-Γ处的输入阻抗匹配条件Zin= Z /时，电源输出的功率 最大，此时
[0045] 负载吸收的功率表示为
[0047] 将负载吸收的功率与电源输出功率之比定义为传输效率，可得
[0049] 在工程应用中，通常希望最大化无线电能传输系统的传输效率，为此，需要使系统 的发射回路、接收回路工作在谐振状态，即满足条件Im(Zin+Zs) = 0且Ιπι(Ζ_+4) = 0,此时 发射与接收回路均呈现纯阻性。然而在实际情况中，传输距离变化、负载阻抗变化、线圈未 对准、电路寄生参数变化等因素都会改变回路阻抗，使得Im(Zin+Zs)辛0, Im(ZciuJZ)辛0， 此时系统的传输效率将大大降低，需要重新调谐系统。
[0050] 为了解决以上问题，本发明采用图4所示的方法对无线电能传输系统进行调谐： 由于电路阻抗与发射侧电源工作频率紧密相关，在接收回路中，通过调整发射侧的电源频 率ω来使其满足谐振条件Im(ZciuJZJ = 0 ;在发射回路中加入阻抗调节网络，以调整端口 1出的输入阻抗Zin，使得Im(Zin+Zs) =0,在此基础上，进一步满足阻抗匹配条件Re (Zin)= Re(Zs)，使电源输出的功率最大。发射回路中的π型阻抗调节网络由可变电容阵列、电感 组成，如图5所示。
[0051] 为了实现自动调谐，在系统电路中加入了检测、控制、驱动单元，构成了如图1所 示的本发明双侧自调谐无线电能传输系统电路。
[0052] 本发明方法与传统的无线电能传输系统自调谐方法比较。
[0053] 传统的自调谐方法包括：
[0054] 频率跟踪方法。使电源输出频率时刻与线圈的谐振频率保持一致，该方法一定程 度解决了线圈易失谐的问题，然而当发射线圈与接收线圈谐振频率变化不一致时，该方法 无法不再适用；
[0055] 阻抗映射方法。采用四线圈结构，通过调节源线圈与发射线圈之间的相对位置 调整发射回路的映射阻抗，调节接收线圈与负载线圈的相对位置调整接收回路的映射阻 抗，该方法能实现双侧调谐，然而需要增加源线圈和负载线圈，大大增加了系统的结构复杂 性；
[0056] 双侧加入阻抗调节网络的方法。该方法在发射电路、接收电路中各加入一个由储 能元件组成的阻抗调节网络、驱动电路等，分别用来调谐发射回路与接收电路，该方法虽然 能实现双侧调谐，然而在接收回路中增加了额外的阻抗调节网络，必然消耗更多的能量并 增大控制难度。且在许多情况下，由于终端设备体积、重量等限制，不允许在接收回路中增 加额外的元器件。
[0057] 本方法与传统自调谐方法比较的优势在于：无需在接收电路中增加额外的元器 件，仅通过调节发射侧电源的工作频率来间接实现接收回路自动调谐，大大简化了接收侧 的电路结构，使接收电路易于集成，同时也降低了能量损耗与控制难度。
[0058] 本发明效果通过以下对比仿真实验加以说明。
[0059] 实验中磁耦合谐振式无线能量传输系统的有关参数如表1所示。
[0060] 表1磁耦合谐振式无线能量传输系统参数
[0062] 将A、B、C、D参数带入公式（2)、（3)可得系统发射回路中端口 1处的输入阻抗Ζιη、 接收回路中端口 2处的输出阻抗Znnt分别为：
[0065] 其中M为线圈互感，耦合系数k与M的关系为：
[0067] (1)耦合系数变化的情况
[0068] 设置耦合系数k变化范围为0. 1-0. 8,根据公式（8)、（9)、（10)可得端口 1处的输 入阻抗Zin、端口 2处的输出阻抗Zciut的数值仿真结果如图6所示。可见，在耦合系数k = 〇· 22 时，满足谐振条件 Im(Zin+Zs)~0, Re (Zin)~Re(Zs) = 50 Ω ,I1H(ZciuJZl)~0。当耦合 系数k偏离0. 22时，不再满足以上谐振条件。
[0069] 利用本发明提出方法实现无线电能传输系统双侧自调谐，按以下步骤进行：
[0070] 步骤1.先调谐接收回路：由式（9)可知，接收回路中端口 2处的输出阻抗Zciu^ 电源工作频率ω有关。调整电源工作频率ω，直到接收回路的阻抗满足Im(ZciuJZt)= 〇(Im(*)表示取虚部），将此时的电源工作频率记为ω。。
[0071] 步骤2.再调谐发射回路：使电源工作频率恒为ω。，加入所述π型阻抗调节网络 后，发射回路中端口 1处的输入阻抗Zin与阻抗调节网络中C ^CrL1有关。调整C 值，直到发射回路的阻抗满足Im(Zin+Zs) = 0,且Re(Zin) = Re(Zs) (Re(*)表示取实部）。
[0072] 步骤3.重复步骤1、步骤2,直到检测得到的发射回路的阻抗满足|lm(Zin+Z s) |〈a， Re (Zin) -Re (Zs) I <b，接收回路的阻抗满足I Im(Zin+Zs) I <c (a、b、c为设定的阈值）。
[0073] 根据公式（7)得到系统传输效率的数值仿真结果如图7所示，可见系统未进行自 动调谐时，在耦合系数k = 2. 2时，由于满足谐振条件Im(Zin+Zs)~0, Re(Zin)~Re(Zs)， Im(ZciuJZl)~0,系统的传输效率最高，此时增大或减小耦合系数都会降低系统的传输效 率。利用上述方法对系统进行重新调谐后，系统的传输效率有了得到显著提高，耦合系数k 在0. 1~0. 8之间变化时，系统的传输效率保持在91. 3%以上。
[0074] (2)接收侧谐振电容值变化、负载阻抗变化情况
[0075] 同理，在接收侧谐振电容值变化、负载阻抗变化时，按上述三个步骤进行调谐，得 到的仿真结果如下：
[0076] 接收侧谐振电容值变化时系统传输效率的仿真结果如图8所示，系统未进行自动 调谐时，在接收侧谐振电容Cd= 277pF时系统的传输效率最高，当接收侧谐振电容值偏离 277pF时，系统的传输效率迅速降低。利用上述方法对系统进行重新调谐后，系统的传输 效率得到显著提高，当接收侧谐振电容在200- 400pF之间变化时，系统的传输效率保持在 94. 7%以上。
[0077]负载阻抗值变化时系统传输效率的仿真结果如图9所示，系统未进行自动调谐 时，在负载阻抗4= 30 Ω欧时系统的传输效率最高，当负载阻抗偏离30 Ω时，系统的传输 效率降低。利用上述方法对系统进行重新调谐后，系统的传输效率有了得到显著提高，当负 载阻抗值在10-100 Ω之间变化时，系统的传输效率保持在94. 2%以上。
【主权项】
1. 一种磁耦合谐振式无线电能传输系统的双侧自调谐方法，其特征是该系统包括至少 由高频电源、第一端口、发射侧谐振电容、发射线圈依次电连接组成的发射回路和至少由接 收线圈、接收侧谐振电容、第二端口、负载依次电连接组成的接收回路，所述发射线圈与接 收线圈之间通过磁场耦合相连接，在所述发射回路中第一端口的后端和发射侧谐振电容的 前端之间增加一个阻抗调节网络，然后按以下步骤进行： 步骤1.先调谐接收回路：调整电源工作频率《，直到接收回路的阻抗满足Im(ZciuJZt) =0,Zciu^ 4分别为第二端口处的输出阻抗和负载阻抗，此时接收回路发生谐振，将此时的 电源工作频率记为 步骤2.再调谐发射回路：使电源工作频率恒为co。，调整所述阻抗调节网络的参数值， 直到发射回路的阻抗满足1111(21"+幻=0，且1^(21")=1^(幻，21"、&分别为第一端口处的 输入阻抗和电源内阻，此时发射回路发生谐振，且电源输出功率最大； 步骤3.重复步骤1、步骤2,直到发射回路的阻抗满足|lm(Zin+Zs) |〈a，Re(Zin)-Re(Zs) |〈b，接收回路的阻抗满足|lm(Zin+Zs) |〈c，a、b、c为设定的阈值。2. -种磁耦合谐振式无线电能传输系统，包括至少由高频电源、第一端口、发射侧谐 振电容、发射线圈依次电连接组成的发射回路和至少由接收线圈、接收侧谐振电容、第二端 口、负载依次电连接组成的接收回路，所述发射线圈与接收线圈之间通过磁场耦合相连接； 所述发射回路中设有定向耦合器检测模块、第一控制模块、程控电压源、第一通信模块、以 及由可变电容C1、可变电容C2、可变电感L1组成的型阻抗调节网络，所述定向耦合器检 测模块串联在发射回路中第一端口处，所述定向耦合器检测模块、程控电压源、第一通信模 块分别与第一控制模块电连接，所述可变电容C1、可变电容C2、可变电感L1*别与程控电压 源电连接；所述接收回路中设有电流检测模块、电压检测模块、鉴相电路、第二控制模块与 第二通信模块，所述电流检测模块串联在接收回路中第二端口处，所述电压检测模块并联 在接收回路中第二端口处，所述电流检测模块、电压检测模块分别与鉴相电路电连接，所述 鉴相电路、第二通信模块分别与第二控制模块电连接。
【专利摘要】本发明公开了一种磁耦合谐振式无线电能传输系统及其双侧自调谐方法，该系统包括至少由高频电源、第一端口、发射侧谐振电容、发射线圈依次电连接组成的发射回路和至少由接收线圈、接收侧谐振电容、第二端口、负载依次电连接组成的接收回路，所述发射线圈与接收线圈之间通过磁场耦合相连接，在所述发射回路中第一端口的后端和发射侧谐振电容的前端之间增加一个阻抗调节网络。本发明通过在发射回路中增加一个阻抗调节网络来实现发射回路自动调谐；在接收回路中无需增加额外的阻抗调节网络，仅通过调节发射端电源工作频率来间接实现接收回路自动调谐，大大降低了接收端电路的复杂性、能量损耗与控制难度。
【IPC分类】H02J17/00
【公开号】CN105226839
【申请号】CN201510777765
【发明人】杨拥民, 骆彦廷, 陈绥毓, 陈仲生, 钱彦岭, 程名, 覃俊祥
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2015年11月12日