基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统及参数优化方法

本申请涉及无线电能传输，尤其涉及一种基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统及参数优化方法。

背景技术：

1、自人类社会进入到电气时代后，电能传输方式总是存在刻板印象，即通过金属导线进行直接接触传输。但随着电气设备不断地更新、升级以及使用环境的不断变化，传统插拔式充电方式面临着挑战，比如插排使用不规范极容易影响用户安全；充电导线会限制手机、笔记本等移动电子设备的使用位置；此外导线也占用了大量空间资源、消耗了大批金属资源；特别是面对一些特殊应用场合，如人体、矿井、水下等，传统输电方式不再适用。

2、无线电能传输技术彻底摆脱导线的束缚，显著提升用户体验，如人体内窥胶囊、电动汽车等都显明其具有高安全性、高灵活性、易操作性和低维护率等诸多优点。近年来该技术得到国内外工业界和学术界的广泛关注，成为电工技术领域研究的热点之一。

3、1893年特斯拉首先提出无线电能传输的概念，但因各种因素影响致使其发展缓慢；在20世纪90年代，新西兰奥克兰大学对电磁耦合感应无线电能传输系统进行了大量理论、建模和控制方面的研究，开启了国际对无线电能传输技术研究的热潮；在2007年mit提出谐振式无线电能传输的概念又丰富了该技术领域的新内容。

4、对于电磁wpt系统来讲，长距离就意味着拥有稍强耦合效果的谐振式系统也有着较小的耦合系数，这将大幅度降低系统传输效率与负载功率；此外在实际wpt系统中，发射线圈与接收线圈之间相对位置的偏移客观存在，而当两线圈之间发生偏移时，线圈之间的耦合系数迅速下降，导致输出功率、传输效率发生较大波动，对系统稳定性造成较大影响。无线电能传输系统的传输距离、传输效率和负载功率等性能参数优化是当前实现性能优良的无线电能传输系统设计领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本申请提供一种基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统，其目的在于解决中程传输距离下传统两线圈谐振式无线电能传输系统效率较低，且由于抗偏移能力较差使得传输效率波动较大，造成系统稳定性较低的技术问题。

2、本申请的技术方案如下：

3、根据本申请实施例的第一方面，提供一种基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统，包括发射线圈和接收线圈，其特征在于，所述发射线圈和所述接收线圈分别与对应的补偿电容构成工作频率为f0的原边谐振回路和副边谐振回路，在所述发射线圈和所述接收线圈之间设置有无源阵列线圈组，所述无源阵列线圈组在同一平面上按4*4排列，内层的4个子线圈为尺寸和匝数相同的i型线圈，并与对应的谐振补偿电容分别构成谐振频率f1的串联谐振回路；外层的12个子线圈为尺寸和匝数相同的ii型线圈，并与对应的谐振补偿电容分别构成谐振频率f2的串联谐振回路。

4、可选的，所述i型线圈和ii型线圈均为方形平面螺旋线圈，且长、宽尺寸相同。

5、可选的，所述发射线圈和所述接收线圈均为圆形平面螺旋线圈。

6、可选的，所述原边谐振回路前端设置有直流电源和逆变器，所述副边谐振回路后端设置有整理滤波电路和用电负载。

7、可选的，系统满足以下约束关系：

8、

9、其中：uin表示发射线圈前端逆变器输出电压，i表示线圈电流，z表示线圈阻抗，x表示线圈电抗，m为互感，工作角频率ω＝2πf0，req表示负载等效电阻，各个变量对应下标t表示发射线圈，r表示接收线圈，i表示无源阵列线圈组中内层i型线圈，iic表示无源阵列线圈组中外层角落位置ii型线圈，iis表示无源阵列线圈组中外层边线位置ii型线圈，iici,iisi,ii,i＝1,2,3,4分别表示按编号排序后对应类型的线圈，ma、mb、mc为中间变量。

10、第二方面，本申请提供一种基于上述混合谐振的抗偏移无线电能传输系统的参数优化方法，包括：

11、s1：确定系统工作频率f0，并测定发射线圈自感lt、接收线圈自感lr、发射线圈电阻rt和接收线圈电阻rr；

12、s2：匹配原边谐振回路补偿电容ct和副边谐振回路补偿电容cr，使其满足：

13、

14、s3：设定无源阵列线圈组中i型线圈和ii型线圈的结构参数和对应串联谐振回路的谐振频率为决策变量，通过系统约束关系得出系统传输效率和接收线圈等效互感，以系统传输效率和接收线圈等效互感作为目标函数，利用多目标遗传算法进行全局寻优；

15、s4：选择全局最优状况下的决策变量作为无源阵列线圈组中的参数进行系统设计。

16、可选的，步骤s3中i型线圈和ii型线圈的结构参数包括i型线圈的长li、宽wi、匝数ni和ⅱ型线圈的长lⅱ、宽wⅱ、匝数nⅱ；根据各个线圈的结构参数确定i型线圈的自感li和ⅱ型线圈的自感lⅱ，然后根据对应串联谐振回路的谐振频率f1和f2匹配对应的补偿电容，确定各个线圈电抗和线圈间的互感。

17、可选的，按照匹配i型线圈的补偿电容c1和ii型线圈的补偿电容c2。

18、可选的，所述系统约束关系为：

19、

20、其中：uin表示发射线圈前端逆变器输出电压，i表示线圈电流，z表示线圈阻抗，x表示线圈电抗，m为互感，工作角频率ω＝2πf0，req表示负载等效电阻，各个变量对应下标t表示发射线圈，r表示接收线圈，i表示无源阵列线圈组中内层i型线圈，iic表示无源阵列线圈组中外层角落位置ii型线圈，iis表示无源阵列线圈组中外层边线位置ii型线圈，iici,iisi,ii,i＝1,2,3,4分别表示按编号排序后对应类型的线圈，ma、mb、mc为中间变量。

21、可选的，按照以下公式确定系统传输效率和接收线圈等效互感：

22、

23、其中，η表示系统传输效率，δy表示接收线圈轴线偏移距离，n表示接收线圈匝数，sr表示接收线圈所在平面单元，bt是发射线圈在竖直方向的磁感应强度。

24、有益效果：

25、本申请所涉及的一种基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统，包括发射线圈和接收线圈，其特征在于，所述发射线圈和所述接收线圈分别与对应的补偿电容构成工作频率为f0的原边谐振回路和副边谐振回路，在所述发射线圈和所述接收线圈之间设置有无源阵列线圈组，所述无源阵列线圈组在同一平面上按4*4排列，内层的4个子线圈为尺寸和匝数相同的i型线圈，并与对应的谐振补偿电容分别构成谐振频率f1的串联谐振回路；外层的12个子线圈为尺寸和匝数相同的ii型线圈，并与对应的谐振补偿电容分别构成谐振频率f2的串联谐振回路。这样的系统使得中距离无线电能传输系统的传输效率得到提升，并提升了系统的抗偏移能力，提高了系统的稳定性和鲁棒性。

26、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

技术特征：

1.一种基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统，包括发射线圈和接收线圈，其特征在于，所述发射线圈和所述接收线圈分别与对应的补偿电容构成工作频率为f0的原边谐振回路和副边谐振回路，在所述发射线圈和所述接收线圈之间设置有无源阵列线圈组，所述无源阵列线圈组在同一平面上按4*4排列，内层的4个子线圈为尺寸和匝数相同的i型线圈，并与对应的谐振补偿电容分别构成谐振频率f1的串联谐振回路；外层的12个子线圈为尺寸和匝数相同的ii型线圈，并与对应的谐振补偿电容分别构成谐振频率f2的串联谐振回路。

2.根据权利要求1所述的基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统，其特征在于：所述i型线圈和ii型线圈均为方形平面螺旋线圈，且长、宽尺寸相同。

3.根据权利要求1所述的基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统，其特征在于：所述发射线圈和所述接收线圈均为圆形平面螺旋线圈。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统，其特征在于：所述原边谐振回路前端设置有直流电源和逆变器，所述副边谐振回路后端设置有整理滤波电路和用电负载。

5.根据权利要求4所述的基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统，其特征在于，系统满足以下约束关系：

6.如权利要求1-5任一所述基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统的参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统的参数优化方法，其特征在于，步骤s3中i型线圈和ii型线圈的结构参数包括ⅰ型线圈的长lⅰ、宽wⅰ、匝数nⅰ和ⅱ型线圈的长lⅱ、宽wⅱ、匝数nⅱ；根据各个线圈的结构参数确定ⅰ型线圈的自感lⅰ和ⅱ型线圈的自感lⅱ，然后根据对应串联谐振回路的谐振频率f1和f2匹配对应的补偿电容，从而确定各个线圈电抗和线圈间的互感。

8.根据权利要求7所述的基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统的参数优化方法，其特征在于，按照匹配i型线圈的补偿电容c1和ii型线圈的补偿电容c2。

9.根据权利要求7或8所述的基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统的参数优化方法，其特征在于，所述系统约束关系为：

10.根据权利要求9所述的基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统的参数优化方法，其特征在于，按照以下公式确定系统传输效率和接收线圈等效互感：

技术总结
本申请涉及一种基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统及参数优化方法，属于无线电能传输技术领域，目的在于解决中程传输距离下传统两线圈谐振式无线电能传输系统效率较低，且由于抗偏移能力较差使得传输效率波动较大，造成系统稳定性较低的技术问题，以无源阵列线圈组的位置、单元线圈长、宽、匝数、谐振频率等作为决策变量，对无源阵列线圈组的参数进行全局优化设计，使得中距离无线电能传输系统的传输效率得到提升，并较大的提升了系统的抗偏移能力，提高了系统的稳定性和鲁棒性。

技术研发人员：荣灿灿,陈蒙蒙,段晓宇,王琼,严俐慧,吴周森,郭应周,高慧民,吴浚豪,夏晨阳,廖志娟,刘旭,李卫龙
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11