一种多线圈无线电能传输系统及其补偿参数优化方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，特别涉及一种串联补偿的多线圈无线电能传输系统及其设计方法。

背景技术

无线电能传输(wireless power transfer，WPT)技术具有便捷、安全、可靠的独特优势，有望在一些特殊场合取代传统的有线输电方式。其中磁耦合无线电能传输能够实现电能的中距离无线传输，但随着传输距离的增加线圈间的耦合强度迅速减小，系统效率和传输功率急剧下降。增加额外的中继线圈是该问题最直接有效的解决方案，目前以三线圈无线电能传输为代表的多线圈无线电能传输已被应用于电动汽车、植入式医疗设备、消费电子和电网在线监测设备等领域。

当带有中继线圈的三线圈WPT系统不能满足较长传输距离的要求时，可以多米诺形式布置多个中继线圈来引导电磁能量的流动，这种结构被称为多米诺结构。对于多米诺WPT系统来说，如何利用多米诺线圈以更高的传输效率长距离传输电力是需要解决的关键问题。为实现高效传输，已有研究从变频角度出发，提出通过改变频率实现恒流输出特性的八线圈多米诺WPT系统，实现了高效的长距离传输。此外，还可以通过设计系统补偿参数来获得恒压特性，实现高效率传输。

补偿参数优化是提高传输性能的另一种重要手段，调整线圈的补偿电容值可以使系统在更好的条件下运行，特别是对于单中继线圈的三线圈WPT系统。然而，在补偿参数方面对多中继WPT系统的研究较少。目前，传统的完全补偿方法下系统输入阻抗普遍呈容性，这会减小系统的输出功率，同时导致功率器件无法实现ZVS，高频下其开关损耗会大大增加，另外，传统的S/S/S拓扑补偿参数仅与各线圈自感有关，配置过程中并未考虑不同工作条件下三线圈间耦合情况的差异和磁耦合器设计对各线圈内阻的影响，无法在各种工况下实现最优效率。因此，对传统多线圈WPT系统的串联补偿方法做进一步地改进有重要意义。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种多线圈无线电能传输系统及其补偿参数优化方法，针对不同磁耦合器和负载情况，通过非线性规划的方法确定中继线圈和接收线圈的补偿电容值，使系统达到零相位角(zero phase angle，ZPA)和最佳传输效率。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

一种多线圈无线电能传输系统的补偿参数优化方法，

该优化方法包括如下步骤：

所述多线圈无线电能传输系统包括直流电源、高频逆变器、发射线圈及其补偿电容、若干中继线圈及其补偿电容、接收线圈及其补偿电容、高频整流器和负载；

S1、设置系统工作频率，确定系统的负载电阻值，设置磁耦合器线圈结构，发射线圈、中继线圈、接收线圈的几何参数，测得磁耦合器发射线圈自感、中继线圈自感及接收线圈自感；

S2、确定多线圈无线电能传输系统的中继线圈和接收线圈补偿电容，具体如下：

通过求解下面的非线性规划问题，确定各中继线圈补偿电容C

minL(C

式中，L定义如下：

式中，ω＝2πf,f为S1中设置的工作频率，r

L

S3、确定发射线圈补偿电容，具体如下：

令系统输入阻抗虚部为零，求解下式得到的发射线圈补偿电容值即可满足高频逆变器的零电压开通ZVS：

式中，发射线圈的输入阻抗Z

Z

一种多线圈无线电能传输系统，采用上述多线圈无线电能传输系统的补偿参数优化方法，

所述多线圈无线电能传输系统的高频逆变器的输入端与所述直流电源相连；

所述发射线圈与发射线圈补偿网络串联，二者串联后并联在所述高频逆变器的输出端；

所述各中继线圈分别与其补偿电容串联构成闭合回路；

所述接收线圈与接收线圈补偿网络串联，二者串联后并联在高频整流器的输入端；

所述高频整流器的输出端与负载相连。

本发明的有益效果是：

本发明采用上述参数配置方法，可以在不同的磁耦合器参数下，得到合适的发射线圈、中继线圈和接收线圈的补偿电容值，使得线圈上的传导损耗低，传输效率达到最高；使系统高频逆变器能够实现零电压开通(zero voltage switch，ZVS)，降低了功率器件在高频下的开关损耗；在保证效率和ZVS的条件下，可以以较低的输入电压输出实际应用所需的功率。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是非完全补偿的S/S/S拓扑三线圈无线电能传输系统图

图2是本发明中无线电能传输系统等效电路图

图3是谐振补偿时无线电能传输系统三线圈间相互作用示意图

图4是非谐振补偿时无线电能传输系统三线圈间相互作用示意图

图5是本发明串联补偿的多线圈无线电能传输系统示意图

图6是三线圈磁耦合器的几何参数

图7是两种不同补偿网络参数配置方法下的补偿电容值

图8是两种不同补偿参数下的系统效率

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种多线圈无线电能传输系统，包括直流电源、高频逆变器、发射线圈及其补偿电容、若干中继线圈及其补偿电容、接收线圈及其补偿电容、高频整流器和负载，高频逆变器的输入端与所述直流电源相连；发射线圈与发射线圈补偿电容串联，二者串联后并联在所述高频逆变器的输出端；各中继线圈分别与其补偿电容串联构成闭合回路；接收线圈与接收线圈补偿电容串联，二者串联后并联在高频整流器的输入端；高频整流器的输出端与负载相连，如图5所示。

该系统补偿参数优化方法如下：

S1、设置系统工作频率，确定系统的负载电阻值，设置磁耦合器线圈结构，发射线圈、中继线圈、接收线圈的几何参数，测得磁耦合器发射线圈自感、中继线圈自感及接收线圈自感；对于一个特定的多线圈无线电能传输系统，其各线圈的寄生电阻、自感、线圈间互感和工作频率确定。

S2、确定多线圈无线电能传输系统的中继线圈和接收线圈补偿电容，具体如下：

通过求解下面的非线性规划问题，确定各中继线圈补偿电容C

minL(C

式中，L定义如下：

式中，ω＝2πf,f为S1中设置的工作频率，r

L

S3、确定发射线圈补偿电容，具体如下：

令系统输入阻抗虚部为零，求解下式得到的发射线圈补偿电容值即可满足高频逆变器的零电压开通ZVS：

式中，发射线圈的输入阻抗Z

Z

最后，按照上述步骤优化获得的参数设计多线圈无线电能传输系统。

具体实施例

三线圈无线电能传输系统是最简单、最常见的多中继无线电能传输系统，下面以三线圈无线电能传输系统为例进行说明。

如图1所示，一种串联补偿的三线圈无线电能传输系统，包括直流电源、高频逆变器、发射线圈、发射线圈补偿电容、中继线圈、中继线圈补偿电容、接收线圈、接收线圈补偿电容、高频整流器、负载，其中高频逆变器的输入端与直流电源相连；发射线圈与发射线圈补偿电容串联，二者串联后并联在高频逆变器的输出端；各中继线圈分别与其补偿电容串联并构成闭合回路；接收线圈与接收线圈补偿电容串联，二者串联后并联在高频整流器的输入端；高频整流器的输出端与负载相连。

图2为图1中三线圈无线电能传输系统的等效电路，发射线圈补偿电容C

1)设置系统工作频率为85kHz，磁耦合器采用三线圈结构，发射、中继、接收线圈的几何参数如图6所示。

各线圈采用线径为6mm的Litz线绕制，按图6中几何尺寸制得，测得磁耦合器发射线圈自感L

2)在等效电阻R

min L(C

式中，L按照式(2)确定：

式中，Z

3)通过求解式(3)确定接收线圈补偿电容C

式中，发射线圈的输入阻抗Zin按照以下公式确定：

将按照本发明设计方法所得电容参数与传统三线圈完全补偿的电容参数配置方法作对照，求得的传统三线圈完全补偿的电容参数见图7。

通过仿真得到完全补偿和非完全补偿时各线圈主磁通方向如图3、4所示。由图3中各线圈主磁通方向可知，中继和接收线圈均会对发射线圈产生去磁作用；图4中各线圈间的电流得到合理改善，中继和接收线圈的主磁通方向与发射线圈主磁通方向相同，有相当部分的有功功率被直接传输到接收端而不经过中继线圈，提高了传输效率。

实验对比两种方法的效率、功率、输入电压和各线圈电流，结果如图8所示。图8显示，采用非完全补偿方法后，系统能量流动得到改善，三线圈无线电能传输系统达到效率最优，相较于传统的完全补偿方法，输入电压降低85.3％，发射线圈电流增加，中继线圈电流降低，且中继线圈补偿电容的电压应力仅为完全补偿时的56.94％，系统效率提升5.183％。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。