专利名称：一种无线电力传输装置的设计方法
技术领域：
本发明涉及一种无线电力传输装置的设计方法，尤其涉及一种结合电路仿真与非线性规划理论对无线电力传输装置多个谐振补偿电容进行设计的方法。
背景技术：
无线电力传输技术应用前景广大，自2007年美国麻省理工学院(MIT)通过磁耦合谐振无线电力传输技术,把相隔2.16m的一只60W灯泡点亮以来，该技术愈来愈受关注，许多基于这种技术的无线电力传输方案相继被提出，它们的一个共同特点为:4个线圈各接有补偿谐振电容，4个补偿电容都对系统的工作性能影响很大，两谐振线圈往往工作在谐振点。然而，如果综合考虑无线电力传输装置的传输功率、效率及大功率场合下电容的耐压问题，按照谐振点配置补偿电容往往不能达到最佳的效果。CN102946156A “一种无线电力传输装置”提出一种用于大功率场合的无线电力传输装置，但没有明确给出无线电力传输装置达到最佳工作状态时各个补偿电容的配置公式。其他的方案往往是通过大量的阻抗匹配测试及调节试验来确定电容容值及设计方案，如CN102197568A “非接触电力传输装置及其设计方法”采用了 4线圈耦合共振结构，设计过程中需要在很宽的频段内在初级线圈测量共振系统的输入阻抗Zin，得到输入阻抗Zin随频率变化曲线后才能确定设计方案。显然，这样的设计方法费时间费人力费物资，更无法满足实际无线电力传输装置需要综合考虑传输功率、传输效率及电容耐压问题多方面因素的设计需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种无线电力传输装置的优化设计方法，以解决当前无线电力传输装置设计过程中补偿电容匹配试验及阻抗测试试验盲目重复、低效，以及工作量大的问题，以缩短无线电力传输装置设计周期、节约设计成本。应用本发明设计方法的无线电力传输装置包括高频电源、负载、发射线圈、发射端放大线圈、接收端放大线圈、接收线圈，以及发射线圈谐振补偿电容、发射端放大线圈谐振补偿电容、接收端放大线圈谐振补偿电容、接收线圈谐振补偿电容。所述的发射线圈、发射端放大线圈、接收端放大线圈和接收线圈依次安装顺序为发射线圈——发射端放大线圈——接收端放大线圈——接收线圈，或接收线圈一一接收端放大线圈——发射端放大线圈——发射线圈；高频电源接发射线圈，接受线圈接负载；所述的发射线圈、发射端放大线圈、接收端放大线圈和接收线圈均为空心线圈，可采用圆形或正多边形形状；线圈可绕成螺旋管状也可以绕成盘状；可采用单股漆包线、多股漆包线绕制，漆包线材质可为铜、银、镀银铜线等。所述的发射端放大线圈谐振补偿电容与发射端放大线圈并联连接、接收端放大线圈谐振补偿电容与接收端放大线圈并联连接，以放大磁场，提高线圈之间的磁场耦合程度；发射线圈谐振补偿电容与发射线圈可采用串联补偿或并联补偿、接收线圈谐振补偿电容与接收线圈亦可采用串联补偿或并联补偿，无线电力传输装置共有4种补偿方式:发射线圈串联补偿接收线圈串联补偿、发射线圈串联补偿接收线圈并联补偿、发射线圈并联补偿和接收线圈串联补偿、发射线圈并联补偿接收线圈并联补偿。本发明无线电力传输装置的设计方法包含以下步骤:步骤A、根据设计需求及给定条件绕制并安装无线电力传输装置的发射线圈、发射端放大线圈、接收端放大线圈及接收线圈；步骤B、测量所述的发射线圈、发射端放大线圈、接收端放大线圈及接收线圈的电气参数；步骤C、利用实际测取到的所述的发射线圈、发射端放大线圈、接收端放大线圈及接收线圈电气参数，建立基于互感模型的多线圈耦合无线电力传输装置系统电路模型；步骤D、设定优化目标函数及约束条件，建立非线性规划模型；步骤E、求解非线性规划问题，得到谐振补偿电容容值；步骤F、按计算出的谐振补偿电容容值配置电容。由于电容在高频下交流内阻(等效串联电阻)值较小，和电容的容抗比可忽略
权利要求
1.一种无线电力传输装置的设计方法，所述无线电力传输装置包括高频电源(2100)、负载(2400)、发射线圈(2210)、发射端放大线圈(2211)、接收端放大线圈(2311)、接收线圈(2310)，以及发射线圈谐振补偿电容(2220)、发射端放大线圈谐振补偿电容(2221)、接收端放大线圈谐振补偿电容(2321)、接收线圈谐振补偿电容(2320);所述的发射端放大线圈(2211)与发射端放大线圈谐振补偿电容(2221)并联连接，接收端放大线圈(2311)与接收端放大线圈谐振补偿电容(2321)并联连接；发射线圈(2210)和接收线圈(2310)采用串联补偿或并联补偿，即:发射线圈串联补偿接收线圈串联补偿、发射线圈串联补偿接收线圈并联补偿、发射线圈并联补偿和接收线圈串联补偿、发射线圈并联补偿接收线圈并联补偿，其特征在于所述的设计方法包含以下步骤: 步骤A、根据设计需求及给定条件绕制并安装无线电力传输装置的发射线圈(2210)、发射端放大线圈(2211)、接收端放大线圈(2311)及接收线圈(2310)； 步骤B、测量所述的发射线圈(2210)、发射端放大线圈(2211)、接收端放大线圈(2311)及接收线圈(2310)的电气参数； 步骤C、利用实际测取到的 各线圈电气参数建立基于互感模型的多线圈耦合无线电力传输装置系统电路模型； 步骤D、设定优化目标函数及约束条件建立非线性规划模型； 步骤E、求解非线性规划问题，得到谐振补偿电容容值； 步骤F、按计算出的谐振补偿电容容值配置电容。
2.按照权利要求1所述的无线电力传输装置的设计方法，其特征在于所述的设计方法是设计发射线圈谐振补偿电容(Cl)、发射端放大线圈谐振补偿电容(C2)、接收端放大线圈谐振补偿电容(C3)，以及接收线圈谐振补偿电容(C4)的电容容值。
3.按照权利要求1所述的无线电力传输装置的设计方法，其特征在于所述步骤A中的给定条件分为必要条件和非必要条件；所述的必要条件为绕制线圈的必须依据，包括线圈几何尺寸、绕制结构及传输距离；所述的非必要条件为无线电力传输装置的工作频率、输入方式以及补偿方式。
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B中的各个线圈的电气参数包括在给定工作频率下发射线圈自感L1、发射端放大线圈自感L2、接收端放大线圈自感L3、接收线圈自感匕、发射线圈与发射端放大线圈互感M12、发射线圈与接收端放大线圈互感M13、发射线圈与接收线圈互感M14、发射端放大线圈与接收端放大线圈互感M23、发射端放大线圈与接收线圈互感M24、接收端放大线圈与接收线圈互感M34,以及发射线圈内阻^、发射端放大线圈内阻1"2、接收端放大线圈内阻1"3、接收线圈内阻1"4，记为线圈耦合矩阵Mrail及线圈内阻向量Rrail: (L1 M12 Mb M14、Mn 人，M” M24 coil ~r %Jf ， Rcoil — LrLl rL2 rL3 rL4」° Mi3 M23 I3 M24 M24 Mu L4j
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C建立的基于互感模型的多线圈耦合无线电力传输装置系统电路模型，包括构成一套完整无线电力传输装置的高频交流电源、线圈、补偿电容及负载，所述高频交流电源选用理想电压源或理想电流源或逆变器建模，所述负载为实际负载等效到接收线圈(2311)端的等效阻抗的实部。
6.按照权利要求1或5所述的无线电力传输装置的设计方法，其特征在于步骤C所述的无线电力传输装置系统电路模型中，发射线圈电流I1、发射端放大线圈电流I2、接收端放大线圈电流I3和接收线圈的电流I4是输出电压U、线圈耦合矩阵Mrail、线圈内阻向量RMil、谐振补偿电容向量C、谐振补偿电容内阻向量R。的函数:
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中的优化目标函数通过引入权重向量ω = [(O1, ω2, ω3，...，cok]，解决同时含有多项设计需求(C)、f2 (C)、f3 (C)...&((:)的问题，此种情况的非线性规划模型为:
8.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E中，求解非线性规划问题的流程为:首先代入补偿电容向量的初始值，然后调用电路仿真工具对所建无线电力传输系统模型进行仿真，解出函数集Fun中用户所关心的元素的数值解，代替解析解返回，然后通过返回的函数集Fun仿真结果计算出此次迭代过程中的目标函数值，接着判断是否满足收敛条件，若不满足收敛条件，则依据最优化数学理论计算出补偿电容C向量新值Ck，重新调用底层电路仿真工具仿真无线电力传输系统模型；若判断已满足收敛条件，则结束迭代，得到补偿电容的最优参数。
9.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F中的电容配置的原则是设法配置最接近步骤E求解非线性规划得出的最优容值，偏差不超过5%0。
全文摘要
一种无线电力传输装置的设计方法，包括以下步骤步骤A、根据设计需求及给定条件绕制并安装无线电力传输装置的发射线圈、发射端放大线圈、接收端放大线圈及接收线圈；步骤B、测量发射线圈、发射端放大线圈、接收端放大线圈及接收线圈的电气参数；步骤C、利用实际测取到各线圈的电气参数，建立基于互感模型的多线圈耦合无线电力传输装置系统电路模型；步骤D、设定优化目标函数及约束条件，建立非线性规划模型；步骤E、求解非线性规划问题，得到谐振补偿电容容值；步骤F、按计算出的谐振补偿电容容值配置电容。
文档编号H01F38/14GK103208866SQ201310144178
公开日2013年7月17日 申请日期2013年4月23日 优先权日2013年4月23日
发明者廖承林, 朱庆伟, 王丽芳 申请人:中国科学院电工研究所