[发明专利]基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统及参数优化方法

权利要求书

1.一种基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统，包括发射线圈和接收线圈，其特征在于，所述发射线圈和所述接收线圈分别与对应的补偿电容构成工作频率为f₀的原边谐振回路和副边谐振回路，在所述发射线圈和所述接收线圈之间设置有无源阵列线圈组，所述无源阵列线圈组在同一平面上按4*4排列，内层的4个子线圈为尺寸和匝数相同的I型线圈，并与对应的谐振补偿电容分别构成谐振频率f₁的串联谐振回路；外层的12个子线圈为尺寸和匝数相同的II型线圈，并与对应的谐振补偿电容分别构成谐振频率f₂的串联谐振回路；

所述原边谐振回路前端设置有直流电源和逆变器，所述副边谐振回路后端设置有整流滤波电路和用电负载；

且系统满足以下约束关系：

其中：U_in表示发射线圈前端逆变器输出电压，I表示线圈电流，Z表示线圈阻抗，X表示线圈电抗，M为互感，工作角频率ω＝2πf₀，R_eq表示负载等效电阻，各个变量对应下标t表示发射线圈，r表示接收线圈，I表示无源阵列线圈组中内层I型线圈，IIc表示无源阵列线圈组中外层角落位置II型线圈，IIs表示无源阵列线圈组中外层边线位置II型线圈，IIc_i,IIs_i,I_i,i＝1,2,3,4分别表示按编号排序后对应类型的线圈，M_A、M_B、M_C为中间变量。

2.根据权利要求1所述的基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统，其特征在于：所述I型线圈和II型线圈均为方形平面螺旋线圈，且长、宽尺寸相同。

3.根据权利要求1所述的基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统，其特征在于：所述发射线圈和所述接收线圈均为圆形平面螺旋线圈。

4.如权利要求1-3任一所述基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统的参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定系统工作频率f₀，并测定发射线圈自感L_t、接收线圈自感L_r、发射线圈电阻R_t和接收线圈电阻R_r；

S2：匹配原边谐振回路补偿电容C_t和副边谐振回路补偿电容C_r，使其满足：

S3：设定无源阵列线圈组中I型线圈和II型线圈的结构参数和对应串联谐振回路的谐振频率为决策变量，通过系统约束关系得出系统传输效率和接收线圈等效互感，以系统传输效率和接收线圈等效互感作为目标函数，利用多目标遗传算法进行全局寻优；

S4：选择全局最优状况下的决策变量作为无源阵列线圈组中的参数进行系统设计。

5.根据权利要求4所述的基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统的参数优化方法，其特征在于，步骤S3中I型线圈和II型线圈的结构参数包括Ⅰ型线圈的长l_Ⅰ、宽w_Ⅰ、匝数n_Ⅰ和Ⅱ型线圈的长l_Ⅱ、宽w_Ⅱ、匝数n_Ⅱ；根据各个线圈的结构参数确定Ⅰ型线圈的自感L_Ⅰ和Ⅱ型线圈的自感L_Ⅱ，然后根据对应串联谐振回路的谐振频率f₁和f₂匹配对应的补偿电容，从而确定各个线圈电抗和线圈间的互感。

6.根据权利要求5所述的基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统的参数优化方法，其特征在于，按照匹配I型线圈的补偿电容C₁和II型线圈的补偿电容C₂。

7.根据权利要求5或6所述的基于混合谐振的抗偏移无线电能传输系统的参数优化方法，其特征在于，按照以下公式确定系统传输效率和接收线圈等效互感：

其中，η表示系统传输效率，Δy表示接收线圈轴线偏移距离，N表示接收线圈匝数，S_r表示接收线圈所在平面单元，B_t是发射线圈在竖直方向的磁感应强度。