[发明专利]一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法

权利要求书

1.一种馈电电参量可调的多发射单接收WPT优化方法，其特征在于，包括：

步骤1，根据多发射单接收WPT系统建立两种等效电路；所述多发射单接收WPT系统包括若干个高频电源、若干个发射线圈以及单个接收线圈；所述两种等效电路包括电流型优化电路和电压型优化电路；

所述电流型优化电路的发射端和接收端均采用电容C串联补偿拓扑；所述电压型优化电路的发射端采用串电感-并电容-串电容的LCC补偿拓扑，所述电压型优化电路的接收端采用电容C串联补偿拓扑；

步骤2，根据所述电流型优化电路，利用基尔霍夫电路定律获得所述电流型优化电路的总馈入系统功率和负载获得功率分别与各发射线圈上的电流参量的关系式；

根据所述电压型优化电路，利用基尔霍夫电路定律获得所述电压型优化电路的总馈入系统功率和负载获得功率分别与各电压源馈电电压参量的关系式；

步骤3，根据所述电流型优化电路，利用拉格朗日乘数法优化所述各发射线圈上的电流参量，获得系统的最大负载获得功率，并推导获得对应的加载在所述各发射线圈上的电压源馈电电压参量；

根据所述电压型优化电路，利用拉格朗日乘数法优化所述各电压源馈电电压，获得系统的最大负载获得功率，并推导获得对应的流入各发射端口的电流参量；

步骤4，根据所述步骤2和步骤3获得的结果，在系统定功率输入和满足最大负载获得功率传输的条件下，调节所述电压型优化电路的发射端并联电容C的值，实现在确定传输距离上对发射端馈电电压参量和输入电流参量的调节；

所述步骤1包括：

计算所述多发射单接收WPT系统的两种等效电路的第i个发射线圈与接收线圈传输品质因素Q_TiR：

Q_TiR＝ω₀M_TiR/r′_R，

其中，ω₀为多发射单接收WPT系统的谐振频率，M_TiR为第i个发射线圈与接收线圈间的互感量，1≤i≤n，n表示发射线圈的总个数，n≥2且为正整数，r′_R为接收线圈寄生电阻r_R与负载电阻r_L之和；

所述步骤2包括：

针对所述电流型优化等效电路，根据基尔霍夫电路定律获得所述电流型优化电路的总馈入系统功率P_C,T和负载获得功率PDL_C关于各发射线圈上电流参量I_C,Ti的函数式：

其中，r_Ti为第i个发射线圈的寄生电阻；

所述电压型优化等效电路第i个发射端LCC补偿拓扑的串电感-并电容-串电容的约束条件为：

其中，L_Ti为第i个发射线圈的自电感，L_Ci、C_Ci和C_Ti分别为第i个发射端的LCC补偿拓扑的串电感、并联电容和串电容；

针对所述电压型优化等效电路，根据基尔霍夫电路定律及所述LCC补偿拓扑的约束条件获得电压型优化电路的总馈入系统功率P_V,T和负载获得功率PDL_V关于各发射端电压源电压参量V_V,Si的函数式：

所述步骤3包括：

针对所述电流型优化电路，在式(1)中所述电流型优化电路的总馈入系统功率P_C,T确定的条件下，利用拉格朗日乘数法优化所述各发射线圈上电流参量I_C,Ti，使得式(2)中所述电流型优化电路的负载获得功率PDL_C达到最大所需的第i个发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT为：

其中，r_Tj为第j个发射线圈的寄生电阻，Q_TsR为第s个发射线圈与接收线圈传输品质因素，1≤j≠s≤n且j≠i；

将所述第i个发射线圈上优化电流参量I_C,Ti,OPT带入式(2)得到电流型优化电路的最大负载获得功率PDL_C,MAX：

根据基尔霍夫电路定律将式(5)的所述电流型优化电路的第i个发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT对应到电流型优化等效电路的第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT：

其中，Q_TjR为第j个发射线圈与接收线圈传输品质因素，I_C,Tj,OPT为使得式(2)中电流型优化电路的负载获得功率PDL_C达到最大所需的第j个发射线圈优化电流参量，M_TiTj为第i个发射线圈与第j个发射线圈间的互感量，1≤i≤n，1≤j≤n；

结合式(7)，用两个以上的电压源实现所述多发射单接收WPT系统在电流型优化电路的最大负载获得功率PDL_C,MAX传输；

针对所述电压型优化电路，在式(3)总馈入系统功率P_V,T确定的约束条件下，利用拉格朗日乘数法优化所述各发射端电压源电压参量V_V,Si使得式(4)的所述电压型优化电路的负载获得功率PDL_V达到最大所需的第i个发射端电压源优化电压参量V_V,Si,OPT为：

其中，C_Cs为第s个发射端的LCC补偿拓扑的并联电容；

将所述第i个发射端电压源优化电压参量V_V,Si,OPT带入式(4)得到最大负载获得功率PDL_V,MAX：

根据基尔霍夫电路定律将式(8)的第i个发射端电压源优化电压参量V_V,Si,OPT对应到电压型优化电路馈电端口的优化输入电流参量I_V,Ii,OPT：

其中，C_Cj为第j个发射端的LCC补偿拓扑的并联电容，V_V,Sj,OPT为使得式(4)的所述电压型优化电路的负载获得功率PDL_V达到最大所需的第j个发射端电压源优化电压参量，1≤i≤n，1≤j≤n；

所述步骤4包括：

对于有相同的总馈电功率P_T进入所述电流型优化电路和电压型优化电路，即P_C,T＝P_V,T＝P_T，获得电流型优化电路和电压型优化电路的最大负载获得功率相同，即PDL_C,MAX＝PDL_V,MAX＝PDL_MAX；

在所述各发射线圈寄生电阻相同，即r_Ti＝r_T，且电压型优化电路所有LCC补偿电路的并联电容相同，即C_Ci＝C_C时，所述电压型优化电路的第i个发射端电压源优化电压参量V_V,Si,OPT、第i个馈电端口的优化输入电流参量I_V,Ii,OPT与电流型优化电路的第i个发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT、第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT的关系为：

I_V,Ii,OPT＝ω₀C_CV_C,Si,OPT    (12)

当发射线圈与接收线线圈的相对位置确定后，基于所述电流型优化电路，通过优化发射线圈电流得到第i个发射线圈上优化电流参量I_C,Ti,OPT，进一步优化第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT，以获得最大负载获得功率PDL_MAX；

若所述发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT超过了系统元件的最高电流限制，或电压源输出最高电压参量值小于所述第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT，则优化获得的第i个发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT和第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT不能应用于实际系统实现最大负载获得功率PDL_MAX传输；

由式(11)和式(12)式可知，通过调节电压型优化电路的LCC补偿电路的并联电容C_C，可同时实现最大负载获得功率PDL_MAX传输和第i个发射线圈优化电流参量I_C,Ti,OPT和第i个发射端电压源优化电压参量V_C,Si,OPT的可调。