[发明专利]一种无线电能传输系统在最大效率跟踪下的阻抗匹配网络优化方法

权利要求书

1.一种无线电能传输系统在最大效率跟踪下的阻抗匹配网络优化方法，其特征在于，步骤如下：

一、无线电能传输系统的结构

所述无线电能传输系统包括发射端和接收端；其中发射端与工频市电相连，主要由稳压电路模块、高频逆变模块和发射线圈组成；接收端为负载提供电能，由接收线圈、T型阻抗匹配网络和全桥整流电路组成；

所述稳压电路模块是将220V市电转换为48V直流电，并进行相应的平滑滤波，以消除电信号中的谐波，稳压电路模块输出后连接高频逆变模块；所述高频逆变模块是将48V直流电转变成高频交流电，高频逆变模块连接发射线圈；所述发射线圈由谐振电容C₁和发射线圈L₁串联组成，高频逆变模块输出的高频电信号，使谐振电容C₁和发射线圈L₁组成的串联谐振回路产生谐振电压和谐振电流；

所述的接收线圈L₂和谐振电容C₂组成接收端的谐振补偿网络，具有与发射端相同的谐振频率；M为发射线圈和接收线圈之间的互感，两个线圈磁耦合的紧密程度由耦合系数表示；R₁、R₂为发射电路和接收电路的等效电阻，R_i为负载侧等效电阻，通过电磁共振使能量从发射端传递至接收端，接收线圈连接T型阻抗匹配网络；所述T型阻抗匹配网络由通过微处理器控制继电器阵列，实现相应匹配值切换的电容C_b1,C_b2和电感L_b组成，T型阻抗匹配网络连接全桥整流电路；所述全桥整流电路由整流二极管D₁、D₂、D₃和D₄构成，C₃为整流桥滤波电容，利用其充、放电作用，使输出电压U_L趋于平滑，全桥整流电路直接连接负载电阻R_L；

二、无线电能传输系统在最大效率跟踪下的阻抗匹配网络设计方法

(1)WPT系统传输模型中的发射线圈和接收线圈具有相同的谐振频率，并设二者的参数已经确定，其中u₁为电能传输系统经过高频逆变电路之后的等效电压源，i₁、i₂分别为发送端和接收端的高频谐振电流；

(2)根据基尔霍夫电压定律对等效模型列回路方程得：

其中，和分别为电压u₁，i₁和i₂的向量表示，Z₁和Z₂为发射端和接收端的等效阻抗，二者满足

(3)因为发射线圈和接收线圈结构相同，即L₁＝L₂＝L,R₁＝R₂＝R，且C₁＝C₂＝C；因此，通过对L和C选取适当的参数后，即确定电路的谐振频率

(4)基于公式(1)和(2)，计算出两侧的电流值为：

其中ω是谐振角频率，满足ω＝2πf，当发生谐振时，即Z₁＝R,Z₂＝R+R_i；

(5)WPT系统的输入功率P_in和R_i端输出功率P_out计算得：

其中，U₁为输入电源电压u₁的有效值，由式(4)计算出传输效率η

(6)通过对公式(5)的R_i的求导，得到传输效率最大化的最优负载条件为：

将式(6)带入式(5)，计算出输出最大传输效率η_max为：

(7)在全桥整流电路中，设定T型阻抗匹配网络的等效输出阻抗Z_r＝R_r+jX_r，其中R_r为整流性负载电阻，其值随负载电阻R_L的波动而变化；X_r为全桥整流电路中的寄生电抗；引入X_S作为匹配阻抗变量，T型阻抗匹配网络的等效输入阻抗Z_i为：

(8)为确保不影响整流性负载电路的输入输出特性，并结合公式(6)得到X_S应满足以下条件：

其中Z_{i_ηmax}为确保达到最大传输效率η_max而所需的匹配电阻，表示所加的负载匹配网络中电容C_b2的容抗，当X_S确定后，进而得到：

由式(10)计算的一组匹配电容和电感值，由微处理器控制继电器阵列完成C_b1,C_b2和L_b的实时调整和切换，实现对T型阻抗匹配网络功能的实现，使得系统维持在最大传输效率下工作。