[发明专利]单中继无线电能传输系统参数设计方法

说明书

本发明公开一种单中继无线电能传输系统参数设计方法，其特征在于包括以下步骤：S1：确定单中继无线电能传输系统的电路拓扑结构；S2：确定三个线圈的自感及线圈内阻；S3：确定工作频率，互感参数及负载阻值；S4：确定发射线圈补偿电容的容值；S5：确定品质因数及耦合系数；S6：定义各个回路失谐因子；S7：计算判别式D；S8：根据判别式确定最佳失谐因子；S9：根据最佳失谐因子，确定中继线圈补偿电容和接收线圈补偿电容的容值；S10：验证系统所有参数可行性。其效果是：本发明提出的单中继无线电能传输系统参数设计方法，适用于任意频率系统且极大地提升了系统的方位鲁棒性，能够有效指导系统设计。

技术领域

本发明涉及一种无线电能传输领域，具体涉及一种单中继无线电能传输系统参数设计方法。

背景技术

磁耦合无线电能传输(MC-WPT)技术实现了电能从电源侧到用电设备端的无电气连接传输，彻底摆脱了导线的束缚，具有广大的市场前景和科学研究价值，目前已广泛应用于家用电器、生物医学、电动汽车等领域。按照系统结构分类，MC-WPT系统可以分为两线圈结构、三线圈结构、四线圈结构和多线圈(多米诺)结构。三线圈结构也称为单中继系统，由于其能同时兼顾传输效率和传输距离而成为该领域的研究热点。

自2007年美国麻省理工学院(MIT)基于“共振耦合”原理提出了一种称之为“谐振式磁耦合无线电能传输”技术，实现了2米范围内60瓦的能量传输以来，几乎所有的MC-WPT系统都是基于“共振耦合”原理，将系统中各电路固有频率设置为一致，并通过整定电源频率使得各个电路回路处于谐振状态，以此实现系统共振以获得最大效率传输。但众所周知，该传能模式存在一个最佳传能点，一旦接收端偏离最佳传能位置，系统的效率将会急剧下降，这就是常说的频率分裂现象。

针对该现象，现有的解决方法主要有：最大能效频率跟踪、增加阻抗匹配网络或者调节系统耦合强度。最大能效能效频率跟踪就是通过增加检测、控制电路，运用相应的控制算法使得电源频率跟踪最大能效点的频率。增加阻抗匹配网络的实质就是调节系统的参数使得系统不存在频率分裂现象。调节系统耦合强度一般是机械调节接收端的位置或者方位，以此调节系统耦合强度使得系统不存在频率分裂现象。

效率跟踪就是通过增加相应的检测、控制电路，运用一些跟踪控制算法使得系统电源频率跟踪系统最大效率点的频率，因此该方法下的系统需要始终工作在变化的最优频率点，因而该方法不适用于存在一定频带范围的系统。增加阻抗匹配网络和调节系统耦合强度的实质都是通过改变系统内部参数使得系统退出过耦合区域而不存在频率分裂现象。而目前缺乏一套完整理论设计准则，能够快速准确得到MC-WPT系统各参数的临界耦合值。同时，改变系统内在参数使得系统退出过耦合区域，可能会降低系统的最大传输效率。并且，增加阻抗匹配网络会相应地增加系统的阶数，因而系统控制的复杂度也会相应的增加。调节系统耦合强度一般通过机械调节谐振器的相对位置实现，因此不适用于谐振器位置相对固定或者需要不断移动的系统。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提出了一种单中继无线电能传输系统参数设计方法，在工作频率恒定的情况下，能够实现一定传输距离和传输方位内实现最大效率传输，极大地提升了系统的鲁棒性，增强了终端的自由度。同时，本发明推导得到了一个全面的临界耦合判别式，能够快速准确得到系统各参数的临界值，能够有效指导系统设计。

为实现上述目的，所采用的技术方案如下：

一种单中继无线电能传输系统参数设计方法，其关键在于，该方法包括以下步骤：

S1：确定单中继无线电能传输系统的电路拓扑结构，包括直流电源、高频逆变电路、发射线圈补偿电容、发射线圈、中继线圈、中继线圈补偿电容、接收线圈、接收线圈补偿电容、整流滤波电路及负载；