无线电能传输系统及基于距离自适应的驱动线圈配置方法

专利主权项内容

1.一种基于距离自适应的无线电能传输系统驱动线圈配置方法，用于配置一种无线电能传输系统中的驱动线圈，其特征在于：所述无线电能传输系统为非同轴四线圈磁耦合谐振式系统，包括高频驱动电源(1)、驱动线圈组(2)、发射线圈(3)、接收线圈(4)和负载线圈组(5)；所述高频驱动电源(1)与驱动线圈组(2)串联构成驱动电路回路；所述负载线圈组(5)的两端与需用电的负载连接构成负载电路回路；所述发射线圈(3)和接收线圈(4)依次独立且同轴设置于驱动线圈组(2)和负载线圈组(5)之间，发射线圈(3)与接收线圈(4)完全对称；驱动线圈组(2)包括n个并联的驱动线圈，负载线圈组(5)包括n个并联的负载线圈，负载线圈组(5)与驱动线圈组(2)完全对称；所述驱动线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈均包括电感线圈和串联补偿电容，所述驱动线圈组(2)和负载线圈组(5)中电感线圈的一端连接于一点，另一端分别串联相应的串联补偿电容；高频驱动电源(1)与驱动线圈组(2)之间、负载线圈组(5)与需用电的负载(6)之间均通过选择开关(11)连接，保证驱动线圈组(2)中的驱动线圈根据传输距离选择性接通，负载线圈相对称接通；n个驱动线圈为非同轴结构且在同一平面；n个负载线圈为非同轴结构且在同一平面，n的具体取值根据最大传输距离进行配置确定；计算出该无线电能传输系统的传输效率表达式，并得出系统最大效率传输时耦合系数和线圈品质因数应满足的条件，通过将该条件转化为与驱动线圈半径有关的隐式函数，求得驱动线圈的最佳半径，进而确定驱动线圈的电感和串联补偿电容，完成一个驱动线圈的配置，负载线圈与驱动线圈参数完全一致；然后改变发射线圈与接收线圈之间的传输距离，仍以上述方法配置一个新的驱动线圈；再改变发射线圈与接收线圈之间的传输距离，再以上述方法再配置一个新的驱动线圈；如此循环，直到配置完n个驱动线圈，完成驱动线圈组的全部配置；当系统进行无线电能传输时，根据实际的传输距离，在n个驱动线圈中选择其半径、电感和串联补偿电容满足最大传输效率条件的驱动线圈导通，使系统始终以最大效率传输的状态进行无线电能传输；所述发射线圈与接收线圈之间的传输距离的改变为以等量递增改变，递增量即相邻两个传输距离之间的距离差为其中D为最大传输距离，即根据实际条件限定的发射线圈与接收线圈之间的最大距离，配置中的各传输距离为d＝i·Δd，i＝1, 2, …, n；i所述求得驱动线圈的最佳半径，进而确定驱动线圈的电感和串联补偿电容的具体步骤如下：步骤1：设定无线电能传输系统的基本参数，并初始化循环变量i＝1；设定高频驱动源的角频率为ω，系统的驱动线圈、发射线圈、接收线圈及负载线圈均满足在此角频率下发生谐振；系统发射线圈与接收线圈的电感、电阻、品质因数和串联补偿电容分别相同，即L＝L、R＝R、Q＝Q、C＝C；发射线圈与接收线圈的电感参数人为设定，驱动线圈和负载线圈的电感参数通过计算所得，驱动线圈和负载线圈的电感、串联补偿电容、电阻、品质因数分别相同，即L＝L、R＝R、C＝C、Q＝Q，i＝1, 2, …, n；系统中所有线圈使用的绕线半径均相同，记为a；0trtrtrtrdilidilidilidili步骤2：当发射线圈与接收线圈之间的传输距离为d时，确定无线电能传输系统的传输效率表达式如式(1)所示；i其中，k、k分别表示驱动线圈与发射线圈之间的耦合系数、发射线圈与接收线圈之间的耦合系数；dittr步骤3：对传输效率表达式(1)进行求偏导确定使传输效率最大时无线电能传输系统应满足的条件为式(2)；步骤4：通过互感计算公式计算出发射线圈与接收线圈之间的互感M，互感计算公式如式(3)所示；tr其中，μ为真空磁导率，数值为4π×10；r是发射线圈的半径，r是接收线圈的半径；d为发射线圈与接收线圈横向偏移的距离；k＝4αV((1+αV)+β)，其中α＝rr，β＝dr，d为发射线圈与接收线圈所在平面之间的距离，也即发射线圈与接收线圈之间的传输距离；Ψ(k)＝(1-k/2)K(k)-E(k)，K(k)和E(k)分别是第一类椭圆积分和第二类椭圆积分，/>0-7tr222-1rt-1it-1i2步骤5：根据发射线圈电感L、接收线圈电感L和发射线圈与接收线圈之间的互感M，确定发射线圈与接收线圈之间的耦合系数k，计算公式如式(4)所示；trtrtr步骤6：设定驱动线圈的半径为r，在距离不变、发射线圈确定的情况下，根据互感的计算公式(5)和耦合系数的计算公式(6)确定驱动线圈与发射线圈之间的耦合系数k与驱动线圈半径r的隐函数关系；diditdi其中，r是发射线圈的半径；d′为驱动线圈与发射线圈横向偏移的距离；k′＝4α′V′((1+α′V′)+β)，其中α′＝rr，β′＝cr，V′＝(1+d′r-2d′rcosφ)，c为驱动线圈和发射线圈所在平面之间的距离；t22′2-1tdi-1di-12t-2t-11/2步骤7：驱动线圈的电感L与半径r有如下关系，didiL＝μr[ln(8r/a)-1.75] (7)di0didi则驱动线圈的品质因数为Q＝ωL/R，是驱动线圈半径r的函数；di0dididi根据传输效率最大时无线电能传输系统满足的条件式(2)，确定唯一的驱动线圈半径r；di步骤8：根据步骤7中确定的驱动线圈半径r与式(7)，确定驱动线圈的电感L；根据谐振频率公式确定驱动线圈串联补偿电容C，此时系统以最大效率进行无线电能传输；dididi步骤9：判断循环变量i是否等于n，若是，则步骤结束，完成驱动线圈的配置；若否，则i＝i+1，使传输距离等量递增一次，返回步骤2，确定新的驱动线圈半径、电感和串联补偿电容。