基于不同数量负载接入的单中继多负载无线电能传输系统工作频率稳定方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于不同数量负载接入的单中继多负载无线电能传输系统工作频率稳定方法，单中继多负载无线电能传输系统包括高频电源系统、发射线圈、若干接收线圈、中继线圈；方法为：以接收线圈功率分配均衡为基础，设定接收线圈的整体空间分布方式，继而推导最优传输效率及最大接收功率条件下的系统工作频率与各线圈回路自谐振频率之间的关系，并得出影响系统工作频率的因素，采用变化不同数量接收线圈分布半径的方法调整系统工作频率，使得系统工作频率不受接收线圈数量的增减而改变，实现每个负载中的充电功率均衡。解决了包含单中继多负载模式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多负载应用提供更为明确的指导。
【专利说明】
基于不同数量负载接入的单中继多负载无线电能传输系统工 作频率稳定方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于不同数量负载接入的单中继多负载无线电能传输系统的工 作频率稳定方法，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稳定方 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工作频率稳定方法特别是不同数量负载接入时的频率稳定 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，提出了一种基于最优工作频率稳定方法，旨在解决包含单中继多负载模式无线 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多负载应用提供更为明确 的指导。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种基于不同数量负载接入的单中继多负载无线电能传输 系统工作频率稳定方法，旨在解决包含单中继多负载模式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多负载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] -种基于不同数量负载接入的单中继多负载无线电能传输系统工作频率稳定方 法，所述单中继多负载无线电能传输系统包括高频电源系统、发射线圈、若干接收线圈、中 继线圈;所述工作频率稳定方法为：以接收线圈功率分配均衡为基础，设定接收线圈的整体 空间分布方式，继而推导最优传输效率及最大接收功率条件下的系统工作频率与各线圈回 路自谐振频率之间的关系，并得出影响系统工作频率的因素，采用变化不同数量接收线圈 分布半径的方法调整系统工作频率，使得系统工作频率不受接收线圈数量的增减而改变， 实现每个负载中的充电功率均衡。
[0007] 本发明的具体步骤为：
[0008] 步骤(1)，以各接收线圈接收功率均衡为原则，设定若干个接收线圈排布方式；
[0009] 步骤(2)，计算影响系统工作频率的因素，即以系统最优传输效率及负载接收功率 最大为目标，求得系统工作频率与其余各线圈回路的自谐振频率间的关系为：
，其中ω为高频电源系统的电源驱动频率，ωτχ、co r、ωκχ分别为发 射线圈、中继线圈及接收线圈回路的自谐振频率，为任意一个接收线圈与其余各接收 /"=1 线圈之间的耦合系数之和，其与接收线圈的数量及接收线圈的排布半径均有关；
[0010] 步骤(3)，以诺伊曼互感计算公式为基础，对不同数量接收线圈的排布半径进行逐 一分配，使得当接收线圈数量发生变化时，系统工作频率保持不变，假定任意两个接收线圈 间的耦合系数与两线圈中心距离间的耦合系数用f(d)表示，d为两线圈中心间的距离，则关 η 于不同数量接收线圈排布半径r3~~与耦合系数之和Σ>"·的对应关系为：当且仅当η取不 ，:1 同值，相等时，系统工作频率保持恒定，由此可得到不同数量的接收线圈所对应的排 j- 布半径值。
[0011]步骤(1)中，所述若干个接收线圈排布方式为:若干个接收线圈在空间三维下处于 共平面状态，其分布平面与发射线圈、接收线圈均平行，若干个接收线圈呈正多边形分布， 若干个接收线圈分别位于该正多边形的多个顶点上，所述正多边形的中心与发射线圈、中 继线圈的中心共轴。
[0012] 有益效果:本发明以接收线圈功率分配均衡为基础，讨论接收线圈的整体空间分 布方法，继而推导最优传输效率及最大接收功率条件下的系统工作频率与各线圈回路自谐 振频率之间的关系，并得出影响系统工作频率的因素，采用变化不同数量接收线圈分布半 径的方法调整系统工作频率，使得系统工作频率不受接收线圈数量的增减而改变，最终形 成一套完整的单中继多负载无线电能传输系统工作频率稳定方法，并可实现每个负载中的 充电功率均衡。解决了在设计单中继多负载无线电能传输系统的关键难题，为无线电能传 输技术在中远距离下的多负载应用提供了更为明确的指导。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明的电路拓扑及负载分布图；
[0014] 图2为若干个接收线圈呈正多边形分布的示意图。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0016] 如图1所示为一种单中继多负载无线电能传输系统，包括高频电源系统、发射线 圈、中继线圈、若干个接收线圈、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、中继线圈以及接收线圈分布形状为共轴平行排列，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，但每个接收线圈的形式与参数必须相同；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， 但其大小需相等。限于篇幅，图中只给出了3<n<6这几种数量下的接收线圈分布形状，k tr 为发射线圈与中继线圈间的耦合系数，krl~kr4分别中继线圈与各接收线圈间的耦合系数， 其值均相等。
[0017] 基于不同数量负载接入的单中继多负载无线电能传输系统工作频率稳定方法，包 括如下步骤：
[0018] 步骤（1)，以各接收线圈接收功率均衡为原则，设定若干个接收线圈排布方式;具 体为:若干个接收线圈在空间三维下处于共平面状态，其分布平面与发射线圈、接收线圈均 平行，若干个接收线圈呈正多边形分布，若干个接收线圈分别位于该正多边形的多个顶点 上，所述正多边形的中心与发射线圈、中继线圈的中心共轴；
[0019] 如图1所示，图中的①、②、③、④为4个接收线圈，4个接收线圈在空间三维下处于 共平面状态，且4个接收线圈所在的平面于发射线圈、接收线圈均平行；如图2所示，若干个 接收线圈呈正多边形分布，若干个接收线圈分别位于该正多边形的多个顶点上，正多边形 的中心与发射线圈、中继线圈的中心共轴；以n = 3为例，此时3个接收线圈呈正三角形分布， 3个接收线圈分别位于该正三角形的顶点上，且该正三角形的中心与发射线圈、中继线圈的 中心共轴；
[0020] 步骤(2)，计算影响系统工作频率的因素，即以系统最优传输效率及负载接收功率 最大为目标，求得系统工作频率与其余各线圈回路的自谐振频率间的关系为：
.，其中ω为高频电源系统的电源驱动频率，ωτχ、co r、coRX分别为 发射线圈、中继线圈及接收线圈回路的自谐振频率，为任意一个接收线圈与其余各接 户1 收线圈之间的耦合系数之和，其与接收线圈的数量及接收线圈的排布半径均有关；
[0021] 步骤(3)，以诺伊曼互感计算公式为基础，以接收线圈数量3~6为例，对不同数量 接收线圈的排布半径进行逐一分配，使得当接收线圈数量发生变化时，系统工作频率保持 不变，假定任意两个接收线圈间的耦合系数与两线圈中心距离间的耦合系数用f(d)表示，d 为两线圈中心间的距离，则关于不同数量接收线圈排布半径r3~r6与耦合系数之和的 厂二1 对应关系如下表1所示：
[0022] 表 1
[0023]
[0024] 当且仅当
/(W r6) + /2r6)时，系统工作频率保持恒定，由此可得到不同数量的接收线圈所对应的排 布半径值。
[0025] 本发明的基于不同数量负载接入的单中继多负载无线电能传输系统工作频率稳 定方法主要包括：以接收线圈功率分配均衡为基础，讨论接收线圈的整体空间分布方法，继 而推导最优传输效率及最大接收功率条件下的系统工作频率与各线圈回路自谐振频率之 间的关系，并得出影响系统工作频率的因素，采用变化不同数量接收线圈分布半径的方法 调整系统工作频率，使得系统工作频率不受接收线圈数量的增减而改变，最终形成一套完 整的单中继多负载无线电能传输系统工作频率稳定方法，并可实现每个负载中的充电功率 均衡，解决了在设计单中继多负载无线电能传输系统的关键难题，为无线电能传输技术在 中远距离下的多负载应用提供了更为明确的指导。
[0026] 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. 一种基于不同数量负载接入的单中继多负载无线电能传输系统工作频率稳定方法， 其特征在于:所述单中继多负载无线电能传输系统包括高频电源系统、发射线圈、若干接收 线圈、中继线圈；所述工作频率稳定方法为：以接收线圈功率分配均衡为基础，设定接收线 圈的整体空间分布方式，继而推导最优传输效率及最大接收功率条件下的系统工作频率与 各线圈回路自谐振频率之间的关系，并得出影响系统工作频率的因素，采用变化不同数量 接收线圈分布半径的方法调整系统工作频率，使得系统工作频率不受接收线圈数量的增减 而改变，实现每个负载中的充电功率均衡。2. 根据权利要求1所述的基于不同数量负载接入的单中继多负载无线电能传输系统工 作频率稳定方法，其特征在于:具体步骤为： 步骤(1 )，以各接收线圈接收功率均衡为原则，设定若干个接收线圈排布方式； 步骤(2)，计算影响系统工作频率的因素，即以系统最优传输效率及负载接收功率最大 为目标，求得系统工作频率与其余各线圈回路的自谐振频率间的关系为：,其中ω为高频电源系统的电源驱动频率，ωτχ、cor、ωκχ分别为发 射线圈、中继线圈及接收线圈回路的自谐振频率，为任意一个接收线圈与其余各接收 线圈之间的耦合系数之和，其与接收线圈的数量及接收线圈的排布半径均有关； 步骤(3)，以诺伊曼互感计算公式为基础，对不同数量接收线圈的排布半径进行逐一分 配，使得当接收线圈数量发生变化时，系统工作频率保持不变，假定任意两个接收线圈间的 耦合系数与两线圈中心距离间的耦合系数用f(d)表示，d为两线圈中心间的距离，则关于不 同数量接收线圈排布半径r3~rn与耦合系数之的对应关系为：当且仅当η取不同值，相等时，系统工作频率保持恒定，由此可得到不同数量的接收线圈所对应的排布半径 值。3. 根据权利要求2所述的基于不同数量负载接入的单中继多负载无线电能传输系统工 作频率稳定方法，其特征在于:步骤(1)中，所述若干个接收线圈排布方式为:若干个接收线 圈在空间三维下处于共平面状态，其分布平面与发射线圈、接收线圈均平行，若干个接收线 圈呈正多边形分布，若干个接收线圈分别位于该正多边形的多个顶点上，所述正多边形的 中心与发射线圈、中继线圈的中心共轴。4. 根据权利要求2所述的基于不同数量负载接入的单中继多负载无线电能传输系统工 作频率稳定方法，其特征在于:步骤(3)中，以接收线圈数量3~6为例，对不同数量接收线圈 的排布半径进行逐一分配，使得当接收线圈数量发生变化时，系统工作频率保持不变，假定 任意两个接收线圈间的耦合系数与两线圈中心距离间的耦合系数用f(d)表示，d为两线圈 中心间的距离，则关于不同数量接收线圈排布半径r3~r6与耦合系数之对应关系 为:接收线圈数量为3时，排布形状为等边三角形接收线圈数量为4时，排 布形状为正方形接收线圈数量为5时，排布形状为正五边形，接收线圈数量为6时，排布形状为正六边形，，系统工作频率保持恒定，由此可得到不同 数量的接收线圈所对应的排布半径值。
【文档编号】H02J50/12GK105932786SQ201610392655
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月2日
【发明人】黄学良, 王维, 李佳承, 潘书磊, 谭林林
【申请人】东南大学