单中继无线电能传输系统最优频率配置方法
【专利摘要】本发明公开了一种单中继无线电能传输系统最优频率配置方法，所述单中继无线电能传输系统包括高频电源系统、发射线圈、中继线圈及接收线圈；所述配置方法以低耦合系数为切入点，计算单中继无线电能传输系统的传输效率以及接收功率表达式，并以系统工作频率以及各线圈回路的自谐振频率为自变量，得出最优传输效率下的各频率参量的配置方法，继而在最优传输效率的基础上，讨论最大接收功率时的工作频率及各线圈回路自谐振频率的配置方法。本发明以包含中继线圈的无线电能传输系统最优传输效率及最大接收功率为目标，提出了一套完整的频率配置方法，解决在设计包含单中继线圈的无线电能传输系统的关键难题。
【专利说明】
单中继无线电能传输系统最优频率配置方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种含单中继线圈无线电能传输系统的最优频率配置方法，特别是涉 及最优传输效率及最大接收功率目标下的系统工作频率与各线圈回路自谐振频率间的配 置方法。
【背景技术】
[0002] 近些年来，由于无线电能传输技术不需要电缆连接的友好便利性，使得该技术已 经在较多的工业场合中得到了应用。相比之下，在深海、煤矿、化工等特殊领域，传统的电缆 接触式输电方式存在较多的弊端与隐患，它所带来的是线路铺设及维修困难以及接触火花 等一系列问题。自从特斯拉开辟了无线输电领域之后，国内外诸多学者纷纷投身其中，但收 效甚微。自2007年MIT在电磁共振原理上进行突破，成功在2m以外点亮了一只60w的灯泡，这 才为中远距离以及高效率无线电能传输技术的发展提供了一个新的思路。
[0003] 采用两个耦合的能量发射与接收线圈分别串联或并联电容使得电路处于谐振状 态来隔空传递能量的两线圈式无线电能传输系统已经被深入研究，其等效电路模型也被广 泛用于分析系统的传输性能。然而，两线圈式无线电能传输系统由于其效率对传输距离很 敏感，所以目前被较多的应用在小功率设备的紧贴式无线充电中。随着无线电能传输技术 应用领域的不断拓宽，紧贴式无线充电已经越来越不能满足大众的需求。为了能提高无线 电能传输系统的传输距离，国内外诸多学者均采用增加中继线圈的方法来提升系统的传输 距离，但对于最优传输性能下的频率配置方法却无人研究。本发明以包含中继线圈的无线 电能传输系统最优传输效率及最大接收功率为目标，提出了一套完整的频率配置方法，解 决在设计包含单中继线圈的无线电能传输系统的关键难题，为无线电能传输系统在中远距 离下的应用提供更为明确的指导。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种单中继无线电能传输系统最优频率配置方法，以解决在 设计包含单中继线圈的无线电能传输系统的关键难题，为无线电能传输系统在中远距离下 的应用提供更为明确的指导。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006] -种单中继无线电能传输系统最优频率配置方法，所述单中继无线电能传输系统 包括高频电源系统、发射线圈、中继线圈及接收线圈；以低耦合系数为切入点，计算单中继 无线电能传输系统的传输效率以及接收功率表达式，并以系统工作频率以及各线圈回路的 自谐振频率为自变量，得出最优传输效率下的各频率参量的配置方法，继而在最优传输效 率的基础上，讨论最大接收功率时的工作频率及各线圈回路自谐振频率的配置方法。
[0007] 本发明的具体步骤如下：
[0008] 步骤(1)，设定无线电能传输系统的基本参数:高频电源系统的驱动电源的频率为 ω，发射线圈、中继线圈及接收线圈的谐振频率分别为ω τχ，ω r，ω RX，即
，其中Ct、Lt分别为发射线圈的谐振电容与电感值;Cr、 Lr分别为中继线圈的谐振电容与电感值;&、U分别为接收线圈的谐振电容与电感值；
[0009] 步骤(2)，由系统效率表达式
_导得出最优传输效率时的电
流比率条件，g ，其中，^:山分别为发射线圈冲继线圈潘收线圈的回路电 ??τι 流值，Rst为发射线圈回路中的总阻值，Rr为中继线圈的内阻，RL为接收线圈中负载的电阻 值，Rk为负载阻值与接收线圈内阻之和;从而以发射线圈、中继线圈及接收线圈回路的自谐 振频率ωτχ、ω τ、ωκχ与电源驱动频率ω为配置对象，得出最优传输效率时的频率配置条件 为
^最优传输效率时的频率配置条件仅与电源驱动频率、中继线圈回路 自谐振频率以及接收线圈回路自谐振频率相关，与发射线圈回路的自谐振频率无关；
[0010] 步骤(3)，在系统传输效率最优化的基础上探讨接收功率最大时的频率配置条件， 即确定当接收线圈中的电流h模值最大时，系统工作频率与其余各线圈回路自谐振频率之 间的关系，此时需满足Ιι的虚部为零，即1111(10=0,而此时需满足的频率配置条件为：ω = ωτχ=ω占coRX，当且仅当接收线圈的品质因数万/2时，频率配置条件中的约等号成 立。
[0011]有益效果:本发明以包含中继线圈的无线电能传输系统最优传输效率及最大接收 功率为目标，提出了一套详细、具体、有针对性、实用性强的单中继无线电能传输系统最优 频率配置方法，本发明从无线电能传输系统的最优传输效率及最大接收功率分步入手，提 出了这两种优化目标下的工作频率与各线圈回路谐振频率的配置关系，解决了在设计单中 继无线电能传输系统的关键难题，为无线电能传输系统在中远距离下的应用提供更为明确 的指导。
【附图说明】
[0012] 图1为单中继无线电能传输系统的结构电路拓扑图。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0014] 如图1所示为一种单中继无线电能传输系统，包括高频电源系统、发射线圈、接收 线圈、中继线圈、高频补偿可调电容、负载，所述高频电源系统为频率可调电压源;所述发射 线圈、接收线圈、中继线圈分别为共轴平行排列的谐振器线圈，发射线圈、接收线圈以及中 继线圈的形式与参数可以不一致;每个线圈与高频补偿可调电容串联连接，调节高频补偿 可调电容可以调节各线圈回路的自谐振频率，通过电磁谐振耦合方式发射与接收能量;所 述负载为一般性负载，其阻抗特性不限。k tr、krl分别为发射线圈与中继线圈、中继线圈与接 收线圈间的耦合系数。
[0015] 单中继无线电能传输系统的最优频率配置方法，包括如下步骤：
[0016] 步骤(1)，设定无线电能传输系统的基本参数:驱动电源的频率为ω，发射线圈、中 继线圈及接收线圈的谐振频率分别为ω τχ，ω r，ω RX，Β
其中Ct、Lt分别为发射线圈的谐振电容与电感值;Cr、Lr分别为中继线圈的谐振电容与电感 值;&、U分别为接收线圈的谐振电容与电感值；
[0017] 步骤(2)，由系统效率表达式
>隹导得出最优传输效率时的电 流比率条件肩
，其中，^丄山分别为发射线圈冲继线圈名收线圈的回路电 流值，Rst为发射线圈回路中的总阻值，Rr为中继线圈的内阻，Rl为接收线圈中负载的电阻 值，R1L为负载阻值与接收线圈内阻之和;从而以发射线圈、中继线圈及接收线圈回路的自谐 振频率ω τχ、ωτ、ωκχ与电源驱动频率ω为配置对象，得出最优传输效率时的频率配置条件 为
^，最优传输效率时的频率配置条件仅与电源驱动频率、中继线圈回路 自谐振频率以及接收线圈回路自谐振频率相关，与发射线圈回路的自谐振频率无关；
[0018] 步骤(3)，在系统传输效率最优化的基础上探讨接收功率最大时的频率配置条件， 即确定当接收线圈中的电流h模值最大时，系统工作频率与其余各线圈回路自谐振频率之 间的关系，此时需满足Ιι的虚部为零，即1111(10=0,而此时需满足的频率配置条件为：ω = ωτχ=ω占coRX，当且仅当接收线圈的品质因数q?V5/2时，频率配置条件中的约等号成 立。
[0019] 本发明的单中继无线电能传输系统的最优频率配置方法主要包括：以低耦合系数 为切入点，计算单中继无线电能传输系统的传输效率以及接收功率表达式，并以系统工作 频率以及各线圈回路的自谐振频率为自变量，得出最优传输效率下的各频率参量的配置方 法，继而在最优传输效率的基础上，讨论最大接收功率时的工作频率及各线圈回路自谐振 频率配置方法。最终形成一套完整的单中继无线电能传输系统频率配置方法。本发明为一 套详细、具体、有针对性、实用性强的单中继无线电能传输系统最优频率配置方法，本发明 从无线电能传输系统的最优传输效率及最大接收功率分步入手，提出了这两种优化目标下 的工作频率与各线圈回路谐振频率的配置关系，解决了在设计单中继无线电能传输系统的 关键难题，为无线电能传输系统在中远距离下的应用提供更为明确的指导。
[0020] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种单中继无线电能传输系统最优频率配置方法，其特征在于:所述单中继无线电 能传输系统包括高频电源系统、发射线圈、中继线圈及接收线圈；以低耦合系数为切入点， 计算单中继无线电能传输系统的传输效率以及接收功率表达式，并以系统工作频率以及各 线圈回路的自谐振频率为自变量，得出最优传输效率下的各频率参量的配置方法，继而在 最优传输效率的基础上，讨论最大接收功率时的工作频率及各线圈回路自谐振频率的配置 方法。2. 根据权利要求1所述的单中继无线电能传输系统最优频率配置方法，其特征在于:具 体步骤如下： 步骤(1)，设定无线电能传输系统的基本参数:高频电源系统的驱动电源频率为ω，发射线 圈、中继线圈及接收线圈的谐振频率分别为ω TX，ω r，ω RX其中Ct、Lt分别为发射线圈的谐振电容与电感值;Cr、Lr分别为中继线圈的谐振电容与电感 值;C1、L1分别为接收线圈的谐振电容与电感值； 步骤(2)，由系统效率表这推导得出最优传输效率时的电流比率条件： ，其中，1*、^、11分别为发射线圈、中继线圈、接收线圈的回路电流 值，Rst为发射线圈回路中的总阻值，Rr为中继线圈的内阻，Rl为接收线圈中负载的电阻值， Ra为负载阻值与接收线圈内阻之和;从而以发射线圈、中继线圈及接收线圈回路的自谐振 频率ωτχ、ω τ、ωκχ与电源驱动频率ω为配置对象，得出最优传输效率时的频率配置条件为：最优传输效率时的频率配置条件仅与电源驱动频率、中继线圈回路自 谐振频率以及接收线圈回路自谐振频率相关，与发射线圈回路的自谐振频率无关； 步骤(3)，在系统传输效率最优化的基础上探讨接收功率最大时的频率配置条件，即确 定当接收线圈中的电流I1模值最大时，系统工作频率与其余各线圈回路自谐振频率之间的 关系，此时需满足Ii的虚部为零，即Im(I 1) = 0,而此时需满足的频率配置条件为： 0=ωτχ =< SOrx，当且仅当接收线圈的品质因数Q>>万/2时，频率配置条件中的约等号成 立。
【文档编号】H02J50/50GK105896753SQ201610393292
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月2日
【发明人】黄学良, 王维, 郭金鹏, 谭林林
【申请人】东南大学