一种四线圈中距离无线输电系统的优化方法与流程

1.本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种四线圈中距离无线输电系统的优化方法。


背景技术：

2.近几年来，无线电能传输(wireless power transfer,wpt)技术受到越来越多的关注，其理论及关键技术的深入研究使得该技术在电动汽车、智能家居、工业设备等诸多领域得到应用。在中距离无线输电系统中，提升系统工作频率能有效增强传输线圈的耦合强度，进而提高传输效率和距离。然而目前，中距离无线输电系统的电能传输效率不高。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种四线圈中距离无线输电系统的优化方法，解决了现有技术中，中距离无线输电系统的电能传输效率不高的问题。
4.本技术的实施例通过如下方式实现：
5.本技术实施例提供了一种四线圈中距离无线输电系统的优化方法，所述四线圈中距离无线输电系统包括原边发射回路、副边接收回路，所述原边发射回路包括e类功率放大器、激励线圈、发射线圈，所述副边接收回路包括接收线圈、负载线圈；
6.所述方法包括：
7.建立所述四线圈中距离无线输电系统的等效电路模型；
8.对所述等效电路模型进行电能传输效率分析，得到电能传输效率计算公式为：
[0009][0010]
对应于最高电能传输效率的负载线圈与接收线圈的最佳耦合系数k
34opt
计算公式为：
[0011][0012]
其中，r2、r3分别为发射线圈和接收线圈的内阻，l2、l3分别为发射线圈和接收线圈的自感，k
23
为发射线圈和接收线圈之间的耦合系数，ω0为角频率，r4为负载线圈的内阻，r
l
为充电负载；
[0013]
确定发射线圈与接收线圈的传输距离后，通过调节负载线圈与接收线圈的距离和耦合系数，实现系统最大的电能传输效率。
[0014]
进一步地，还包括：确定负载线圈与接收线圈的最佳耦合系数k
34opt
后，通过调节激励线圈与发射线圈的耦合系数，实现e类功率放大器的最优的输入电阻调节。
[0015]
进一步地，所述通过调节激励线圈与发射线圈的耦合系数，实现e类功率放大器的最优的输入电阻调节包括：通过以下公式计算激励线圈与发射线圈的最优耦合系数k
12opt
，从而实现e类功率放大器的最优的输入电阻调节：
[0016]
其中，r
l’为e类功率放大器的等效最优输入电阻，l1为激励线圈自感。
[0017]
进一步地，所述激励线圈、所述发射线圈、所述接收线圈、所述负载线圈同轴放置。
[0018]
进一步地，所述发射线圈、所述接收线圈均为线圈参数相同的方形螺旋线圈。
[0019]
进一步地，所述激励线圈为圆形线圈。
[0020]
进一步地，所述激励线圈利用外接电容，使其谐振频率接近所述四线圈中距离无线输电系统的工作频率。
[0021]
进一步地，所述四线圈中距离无线输电系统的工作频率为2.81mhz。
[0022]
有益效果
[0023]
本技术提供了一种四线圈中距离无线输电系统的优化方法，四线圈中距离无线输电系统包括原边发射回路、副边接收回路，原边发射回路包括e类功率放大器、激励线圈、发射线圈，副边接收回路包括接收线圈、负载线圈；
[0024]
方法包括：
[0025]
建立四线圈中距离无线输电系统的等效电路模型；
[0026]
对等效电路模型进行电能传输效率分析，得到电能传输效率计算公式为：
[0027][0028]
对应于最高电能传输效率的负载线圈与接收线圈的最佳耦合系数k
34opt
计算公式为：
[0029][0030]
其中，r2、r3分别为发射线圈和接收线圈的内阻，l2、l3分别为发射线圈和接收线圈的自感，k
23
为发射线圈和接收线圈之间的耦合系数，ω0为角频率，r4为负载线圈的内阻，r
l
为充电负载；
[0031]
当发射线圈与接收线圈的传输距离固定后，基于上述公式，调节负载线圈与接收线圈的距离和耦合系数，可实现系统最大的电能传输效率，使四线圈中距离无线输电系统
的电能传输效率得到了优化。
附图说明
[0032]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0033]
图1为本实施例提供的一种四线圈无线输电系统电路图和能量传递示意图；
[0034]
图2(a)为本实施例提供的一种传输效率与k
23
和k
34
的关系示意图；
[0035]
图2(b)为本实施例提供的一种等效映射电阻与k
34
和k
12
的关系示意图；
[0036]
图3为本实施例提供的一种基于e类功率放大器的四线圈无线输电系统整体电路图；
[0037]
图4为本实施例提供的一种两同轴放置的方形螺旋线圈位置示意图；
[0038]
图5(a)为本实施例提供的一种传输线圈之间耦合系数与间距的关系示意图；
[0039]
图5(b)为本实施例提供的一种馈电线圈与传输线圈耦合系数的仿真结果的示意图；
[0040]
图6为本实施例提供的一种不同传输距离下系统整机效率与d
34
的关系的示意图；
[0041]
图7为本实施例提供的一种不同传输距离下最高效率对应的d
34
的理论与测试结果的示意图；
[0042]
图8为本实施例提供的一种不同传输距离下系统最高传输效率的理论与测试结果的示意图。
具体实施方式
[0043]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0045]
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0046]
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0047]
在中距离无线输电系统中，提升系统工作频率能有效增强传输线圈的耦合强度，进而提高传输效率和距离。本实施例详细分析了四线圈中距离无线输电系统的传输特性，提出了其传输效率的优化设计方法。同时，考虑到e类功率放大器的工作状态，提出通过激励线圈与发射线圈的距离调节，实现其输入电阻的完美匹配。搭建了采用2.81mhz的e类功率放大器的四线圈中距离无线输电系统。当传输距离为传输线圈边长的3.6倍时，系统电源
端到负载端的整体电能传输效率为8.5％。
[0048]
本实施例提出了一种四线圈中距离无线输电系统，四线圈中距离无线输电系统包括原边发射回路、副边接收回路，原边发射回路包括e类功率放大器、激励线圈、发射线圈，副边接收回路包括接收线圈、负载线圈；本实施例中，中距离无线输电系统采用四线圈拓扑结构，具有较高的可调度；高频激励源是保证无线输电系统精确工作频率以及稳定功率传输的关键，本实施例中，高频电源采用e类功率放大器拓扑，e类功率放大器具有拓扑简单、适用频率高、电能转换效率高等优点，是mhz高频无线输电系统理想的激励电源。
[0049]
为了保证较高的电能传输效率以及电源良好的阻抗匹配，本实施例提出了一种四线圈中距离无线输电系统的优化方法，基于四线圈中距离无线输电系统等效电路模型，精确分析了系统最高电能传输效率的设计原则，并进一步提出了e类功率放大器输出电阻的匹配方法。
[0050]
本实施例的四线圈中距离无线输电系统的优化方法包括：
[0051]
建立四线圈中距离无线输电系统的等效电路模型；
[0052]
对等效电路模型进行电能传输效率分析，得到电能传输效率计算公式(也即后续的公式(11))为：
[0053][0054]
对应于最高电能传输效率的负载线圈与接收线圈的最佳耦合系数k
34opt
计算公式(也即后续的公式(12))为：
[0055][0056]
其中，r2、r3分别为发射线圈和接收线圈的内阻，l2、l3分别为发射线圈和接收线圈的自感，k
23
为发射线圈和接收线圈之间的耦合系数，ω0为角频率，r4为负载线圈的内阻，r
l
为充电负载；
[0057]
当发射线圈与接收线圈的传输距离固定后，基于上述公式，调节负载线圈与接收线圈的距离和耦合系数，可实现系统最大的电能传输效率，使四线圈中距离无线输电系统的电能传输效率得到了优化。
[0058]
可选地，还包括：确定负载线圈与接收线圈的最佳耦合系数k
34opt
后，通过调节激励线圈与发射线圈的耦合系数，实现e类功率放大器的最优的输入电阻调节。
[0059]
可选地，通过调节激励线圈与发射线圈的耦合系数，实现e类功率放大器的最优的输入电阻调节包括：通过以下公式(也即后续的公式(13))计算激励线圈与发射线圈的最优耦合系数k
12opt
，从而实现e类功率放大器的最优的输入电阻调节：
[0060]
其中，r
l’为e类功率放大器的等效最优输入电阻，l1为激励线圈自感。
[0061]
参见图1，图1为四线圈中距离无线输电系统的整体电路图和能量传递示意图。其中，vs为电源电压，rs为电源内阻，r
l
为充电负载。r1、r2为激励线圈和负载线圈的内阻，l1、l4为激励线圈和负载线圈的自感。r2、r3和l2、l3分别为发射线圈与接收线圈的内阻和自感。c1、c2、c3和c4分别为四个线圈的补偿电容或自身寄生电容。k
12
为激励线圈与发射线圈之间的耦合系数，k
23
为传输线圈之间的耦合系数，k
34
为接收线圈与负载线圈之间的耦合系数。m为特定两线圈之间的互感。当四个线圈全谐振时，r
43
为负载线圈到接收线圈的映射电阻，r
32
为接收线圈到发射线圈的映射电阻，r
21
为发射线圈到激励线圈的映射电阻。
[0062]
由基尔霍夫电压定律可知：
[0063][0064]
其中，i1、i2、i3和i4分别为四个线圈内流经的电流。为了实现系统较高的传输效率，保证四个线圈的谐振频率均与系统工作频率相等。令系统谐振频率为f0，角频率为ω0(ω0＝2πf0)。当四个线圈均处于谐振状态时，线圈间的映射电阻分别为：
[0065][0066][0067][0068]
由于激励线圈与负载线圈的内阻(r1、r4)远远小于负载电阻(r
l
)，故负载在负载线圈的电阻占比(负载线圈中的电能效率)约为100％。
[0069][0070]
负载线圈在接收线圈的映射电阻在接收线圈内的电阻占比，即接收线圈中的电能
效率为
[0071][0072]
接收线圈在发射线圈的映射电阻在发射线圈内的电阻占比，即为发射线圈中的电能效率。
[0073][0074]
同时，由于激励线圈内阻(r1、r4)远远小于电源的输入电阻，故激励线圈内阻的能量损耗很小，激励线圈的电能效率约为η1＝1。
[0075]
由图1中四线圈中距离无线输电系统的能量流动可知，电源输出的电能经过三次无线传输达到负载端。系统总体传输效率η为四次能量转换效率之积，即
[0076][0077]
当传输距离一定(k
23
保持不变)，将传输效率对r
43
求解偏导。令
[0078][0079]
负载线圈到接收线圈的最优映射电阻为
[0080][0081]
此时，四线圈中距离无线输电系统的最高效率为
[0082][0083]
对应于最高效率的负载线圈与接收线圈的最佳耦合系数k
34opt
为
[0084][0085]
由以上分析可知，当传输距离固定后，调节负载线圈与接收线圈的距离和耦合系数，可实现系统最大的电能传输效率。
[0086]
基于式(4)和(10)，可在满足最优传输效率的前提下，可通过调节激励线圈与发射线圈的耦合系数，实现e类功率放大器的最优的输入电阻调节，进而保证功放良好的工作状态。令e类功率放大器的等效最优输入电阻为r
l’，则激励线圈与发射线圈的最优耦合系数k
12opt
为
[0087][0088]
依据式(12)和(13)，图2(a)和图2(b)分别显示了传输效率和无线输电系统等效映射电阻与线圈之间耦合系数的关系。在图2(a)中，当k
23
一定时，存在着最优的k
34
，令无线输电系统电能传输效率最大。同时，如图2(b)所示，在选取最优k
34
后，存在唯一的k
12
，使得无线输电系统与高频电源电阻完美匹配。总之，相较于传统的两线圈无线输电系统，四线圈无线输电系统具有更高的调节自由度，能实现输出功率和效率的双重优化。
[0089]
对照于图1，图3为基于e类功率放大器的四线圈无线输电系统整体电路图。c2与c3为传输线圈的寄生电容。d
12
为激励线圈与发射线圈的距离，d为包含了线圈自身宽度的两传输线圈间距，d
34
为负载线圈与接收线圈的距离。其中，q为e类功放理想开关管，l0是扼流电感，c0为开关管并联电容，r
l’为功放理想的等效负载。c、l与r
l’组成功放输出端的谐振网络。当开关管状态关断转为导通，电容c0两端的电压已经谐振到零，开关管零电压开通。由于l、c在开通前已经储存了能量，经由闭合谐振回路，负载r
l’上可得到较为标准的正弦电压。当开关管由导通变为截止时，其漏源电流i
ds
为0，并联电容的电压v
ds
上升，谐振网络滤除v
ds
的非基波成分，向负载传送交流电能。因此，e类功放工作时，其等效输入电阻r
l’直接决定了谐振网络特性，进而影响开关管的软工作状态。
[0090]
无线输电系统采用e类功放作为逆变电源时，保证功放理想的输入电阻匹配是基本的前提。本实施例中设定e类功放的等效输入内阻为r
l’＝10ω。当进行中远距离实现时，调节激励线圈与发射线圈的距离d
12
，利用阻抗分析仪测试，保证无线输电系统的映射电阻均与功率理想工作负载电阻相等，进而保证电源稳定良好的工作状态以及系统整体较高的电能转换效率。
[0091]
可选地，激励线圈、发射线圈、接收线圈、负载线圈同轴放置。可选地，发射线圈、接收线圈均为线圈参数相同的方形螺旋线圈。可选地，激励线圈为圆形线圈。在一种实施方式中，传输线圈(包括发射线圈和接收线圈)为相同的边长50cm的方形螺旋线圈，其圈数为16，匝间距为1cm，导线线径为3mm。馈电线圈(也即激励线圈)为半径20cm的单圈圆形线圈，其导线线径为4mm。表1为线圈具体参数。可选地，激励线圈利用外接电容，使其谐振频率接近四线圈中距离无线输电系统的工作频率。可选地，四线圈中距离无线输电系统的工作频率为2.81mhz。传输线圈利用其自身谐振，实现能量的高效传输。而馈电线圈利用外接电容，使其谐振频率接近系统的工作频率2.81mhz。
[0092]
表1馈电线圈与传输线圈参数
[0093][0094]
在中距离无线输电系统中，传输线圈的耦合系数是影响其传输效率的关键。图4为
两同轴放置的非等大方形螺旋线圈位置示意图。二者之间的互感为
[0095][0096]
具体位置参数分别为
[0097][0098]
同时，利用ansys maxwell仿真软件，建立了各线圈之间的物理模型，探究了线圈间距与线圈之间互感的联系。
[0099]
图5(a)为传输线圈之间耦合系数与间距的关系图。当传输距离改变时，耦合系数k
23
的仿真结果与理论计算结果均较为接近。值得注意的是，当传输距离较远时，传输线圈耦合系数较小。此时耦合系数仿真与理论计算结果之间的差异，会导致利用两种耦合系数计算得到的传输效率结果的巨大差异。
[0100]
为了表征负载线圈与接收线圈耦合强度k
34
对于系统传输效率的影响，需探究k
34
与两线圈之间的距离的关系d
34
。图5(b)为k
34
随d
34
变化的仿真结果。由图可知，当圆形馈电线圈与方形传输线圈间距增大时，二者之间的耦合系数剧烈减小。基于图5(b)，可理论推导传输距离d对应的接收线圈与发射线圈的最优耦合系数k
34opt
，进而得到其最优间距d
34opt
。
[0101]
实验过程中，固定传输线圈的间距d，移动负载线圈位置，调节其与接收线圈的耦合系数k
34
与间距d
34
，此后均调节发射线圈与接收线圈的间距，保证e类功率放大器良好的输入电阻匹配。图6显示了不同传输距离条件下系统电源端到负载端的整体效率。当传输距离d为80cm(1.6倍线圈边长)，d
34
为8cm时，系统效率为74％。当d
34
增大至10cm时，系统效率达到最大，为75.57％，继续增大d
34
，系统传输效率下降。当传输距离d为100cm(2倍线圈边长)时，d
34
为15cm时，系统最高效率为64.5％。
[0102]
图6的实验结果验证了前文的理论分析，说明了当传输距离固定后，存在最优的d
34
使得系统传输效率最高。由式(12)可知，随着传输距离的增大，对应最优耦合系数k
34
减小，负载线圈与接收线圈的最优间距d
34
随之增大。
[0103]
对应于图6，调节d
34
实现高的传输距离，改变d
12
满足电源良好的匹配，图7显示了不同传输距离下最优d
34
的实验测试与理论计算结果。基于传输线圈仿真耦合系数与理论计算耦合系数，再结合馈电线圈与传输线圈耦合系数与距离的关系，计算得到了两种情况下的最优d
34
。由于中远距离无线输电系统中，传输线圈之间耦合系数难以准确获得，故两种计算结果与实验测试结果之间均存在一定偏差。同时实验测试的误差，也导致了实验结果与理论分析的差别。但系统传输距离d与最优d
34opt
之间的关系曲线均有力验证了理论预测。
[0104]
图8为不同传输距离下系统最高传输效率的实验测试及理论计算结果。实验结果为电源端到负载端整体的电能传输效率，而两种理论计算结果为四线圈无线输电系统的最高传输效率，未考虑电源对于传输整体效率的影响。当传输距离为65cm时(1.3倍传输线圈边长)，测试的系统整机最高效率为83.2％，基于仿真耦合系数与理论计算耦合系数的最高传输效率分别为85.7％、87.1％。随着距离的增大，传输效率剧烈减小。当传输距离增大至180cm(3.6倍传输线圈边长)时，测试系统整体效率为8.5％。此时，基于传输线圈纯理论耦合系数的最高效率可达20％，而基于传输线圈仿真耦合系数的最高效率仅为3.2％。该结果说明了在中远距离中，传输线圈耦合系数难以准确表征，导致了传输效率理论分析结果与实验测试结果不可避免的差异。
[0105]
本实施例探究了中距离四线圈无线输电系统的传输特性。理论分析了四线圈系统中负载线圈与接收线圈耦合强度对于提升系统传输效率的作用，在此基础上，提出调节激励线圈与发射线圈的间距，实现高频电源的电阻匹配的方法。搭建了采用e类功率放大器作为电源的2.81mhz的中距离四线圈无线输电系统。通过调节负载线圈与接收线圈间距，当传输距离为1.8m(3.6倍传输线圈边长)时，电源端到负载端的整体最高电能传输效率可达8.5％，传输距离为2m(4倍传输线圈边长)时，系统整体效率为5％。实验测试验证了理论分析的正确性。
[0106]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0107]
在本技术所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
[0108]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

技术特征：
1.一种四线圈中距离无线输电系统的优化方法，其特征在于，所述四线圈中距离无线输电系统包括原边发射回路、副边接收回路，所述原边发射回路包括e类功率放大器、激励线圈、发射线圈，所述副边接收回路包括接收线圈、负载线圈；所述方法包括：建立所述四线圈中距离无线输电系统的等效电路模型；对所述等效电路模型进行电能传输效率分析，得到电能传输效率计算公式为：对应于最高电能传输效率的负载线圈与接收线圈的最佳耦合系数k
34opt
计算公式为：其中，r2、r3分别为发射线圈和接收线圈的内阻，l2、l3分别为发射线圈和接收线圈的自感，k
23
为发射线圈和接收线圈之间的耦合系数，ω0为角频率，r4为负载线圈的内阻，r
l
为充电负载；确定发射线圈与接收线圈的传输距离后，通过调节负载线圈与接收线圈的距离和耦合系数，实现系统最大的电能传输效率。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：确定负载线圈与接收线圈的最佳耦合系数k
34opt
后，通过调节激励线圈与发射线圈的耦合系数，实现e类功率放大器的最优的输入电阻调节。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通过调节激励线圈与发射线圈的耦合系数，实现e类功率放大器的最优的输入电阻调节包括：通过以下公式计算激励线圈与发射线圈的最优耦合系数k
12opt
，从而实现e类功率放大器的最优的输入电阻调节：其中，r
l’为e类功率放大器的等效最优输入电阻，l1为激励线圈自感。4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述激励线圈、所述发射线圈、所述接收线圈、所述负载线圈同轴放置。5.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述发射线圈、所述接收线圈均为线圈参数相同的方形螺旋线圈。6.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述激励线圈为圆形线圈。7.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述激励线圈利用外接电容，使
其谐振频率接近所述四线圈中距离无线输电系统的工作频率。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述四线圈中距离无线输电系统的工作频率为2.81mhz。

技术总结
本申请提供一种四线圈中距离无线输电系统的优化方法，四线圈中距离无线输电系统包括原边发射回路、副边接收回路，原边发射回路包括E类功率放大器、激励线圈、发射线圈，副边接收回路包括接收线圈、负载线圈；方法包括：建立四线圈中距离无线输电系统的等效电路模型；对等效电路模型进行电能传输效率分析，得到电能传输效率计算公式；得到对应于最高电能传输效率的负载线圈与接收线圈的最佳耦合系数计算公式；当发射线圈与接收线圈的传输距离固定后，基于上述计算公式，调节负载线圈与接收线圈的距离和耦合系数，可实现系统最大的电能传输效率，使四线圈中距离无线输电系统的电能传输效率得到了优化。输效率得到了优化。输效率得到了优化。


技术研发人员：刘羽 余豪华 沈协 秦立明 毛以平 闻铭 王思谨 左志平
受保护的技术使用者：国网浙江省电力有限公司宁波市奉化区供电公司 重庆华创智能科技研究院有限公司
技术研发日：2022.01.05
技术公布日：2023/7/20