專利名稱：一種無線電力傳輸裝置的設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無線電力傳輸裝置的設計方法，尤其涉及一種結合電路仿真與非線性規(guī)劃理論對無線電力傳輸裝置多個諧振補償電容進行設計的方法。
背景技術：
無線電力傳輸技術應用前景廣大，自2007年美國麻省理工學院(MIT)通過磁耦合諧振無線電力傳輸技術,把相隔2.16m的一只60W燈泡點亮以來，該技術愈來愈受關注，許多基于這種技術的無線電力傳輸方案相繼被提出，它們的一個共同特點為:4個線圈各接有補償諧振電容，4個補償電容都對系統(tǒng)的工作性能影響很大，兩諧振線圈往往工作在諧振點。然而，如果綜合考慮無線電力傳輸裝置的傳輸功率、效率及大功率場合下電容的耐壓問題，按照諧振點配置補償電容往往不能達到最佳的效果。CN102946156A “一種無線電力傳輸裝置”提出一種用于大功率場合的無線電力傳輸裝置，但沒有明確給出無線電力傳輸裝置達到最佳工作狀態(tài)時各個補償電容的配置公式。其他的方案往往是通過大量的阻抗匹配測試及調節(jié)試驗來確定電容容值及設計方案，如CN102197568A “非接觸電力傳輸裝置及其設計方法”采用了 4線圈耦合共振結構，設計過程中需要在很寬的頻段內在初級線圈測量共振系統(tǒng)的輸入阻抗Zin，得到輸入阻抗Zin隨頻率變化曲線后才能確定設計方案。顯然，這樣的設計方法費時間費人力費物資，更無法滿足實際無線電力傳輸裝置需要綜合考慮傳輸功率、傳輸效率及電容耐壓問題多方面因素的設計需求。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種無線電力傳輸裝置的優(yōu)化設計方法，以解決當前無線電力傳輸裝置設計過程中補償電容匹配試驗及阻抗測試試驗盲目重復、低效，以及工作量大的問題，以縮短無線電力傳輸裝置設計周期、節(jié)約設計成本。應用本發(fā)明設計方法的無線電力傳輸裝置包括高頻電源、負載、發(fā)射線圈、發(fā)射端放大線圈、接收端放大線圈、接收線圈，以及發(fā)射線圈諧振補償電容、發(fā)射端放大線圈諧振補償電容、接收端放大線圈諧振補償電容、接收線圈諧振補償電容。所述的發(fā)射線圈、發(fā)射端放大線圈、接收端放大線圈和接收線圈依次安裝順序為發(fā)射線圈——發(fā)射端放大線圈——接收端放大線圈——接收線圈，或接收線圈一一接收端放大線圈——發(fā)射端放大線圈——發(fā)射線圈；高頻電源接發(fā)射線圈，接受線圈接負載；所述的發(fā)射線圈、發(fā)射端放大線圈、接收端放大線圈和接收線圈均為空心線圈，可采用圓形或正多邊形形狀；線圈可繞成螺旋管狀也可以繞成盤狀；可采用單股漆包線、多股漆包線繞制，漆包線材質可為銅、銀、鍍銀銅線等。所述的發(fā)射端放大線圈諧振補償電容與發(fā)射端放大線圈并聯(lián)連接、接收端放大線圈諧振補償電容與接收端放大線圈并聯(lián)連接，以放大磁場，提高線圈之間的磁場耦合程度；發(fā)射線圈諧振補償電容與發(fā)射線圈可采用串聯(lián)補償或并聯(lián)補償、接收線圈諧振補償電容與接收線圈亦可采用串聯(lián)補償或并聯(lián)補償，無線電力傳輸裝置共有4種補償方式:發(fā)射線圈串聯(lián)補償接收線圈串聯(lián)補償、發(fā)射線圈串聯(lián)補償接收線圈并聯(lián)補償、發(fā)射線圈并聯(lián)補償和接收線圈串聯(lián)補償、發(fā)射線圈并聯(lián)補償接收線圈并聯(lián)補償。本發(fā)明無線電力傳輸裝置的設計方法包含以下步驟:步驟A、根據設計需求及給定條件繞制并安裝無線電力傳輸裝置的發(fā)射線圈、發(fā)射端放大線圈、接收端放大線圈及接收線圈；步驟B、測量所述的發(fā)射線圈、發(fā)射端放大線圈、接收端放大線圈及接收線圈的電氣參數(shù)；步驟C、利用實際測取到的所述的發(fā)射線圈、發(fā)射端放大線圈、接收端放大線圈及接收線圈電氣參數(shù)，建立基于互感模型的多線圈耦合無線電力傳輸裝置系統(tǒng)電路模型；步驟D、設定優(yōu)化目標函數(shù)及約束條件，建立非線性規(guī)劃模型；步驟E、求解非線性規(guī)劃問題，得到諧振補償電容容值；步驟F、按計算出的諧振補償電容容值配置電容。由于電容在高頻下交流內阻(等效串聯(lián)電阻)值較小，和電容的容抗比可忽略
權利要求
1.一種無線電力傳輸裝置的設計方法，所述無線電力傳輸裝置包括高頻電源(2100)、負載(2400)、發(fā)射線圈(2210)、發(fā)射端放大線圈(2211)、接收端放大線圈(2311)、接收線圈(2310)，以及發(fā)射線圈諧振補償電容(2220)、發(fā)射端放大線圈諧振補償電容(2221)、接收端放大線圈諧振補償電容(2321)、接收線圈諧振補償電容(2320);所述的發(fā)射端放大線圈(2211)與發(fā)射端放大線圈諧振補償電容(2221)并聯(lián)連接，接收端放大線圈(2311)與接收端放大線圈諧振補償電容(2321)并聯(lián)連接；發(fā)射線圈(2210)和接收線圈(2310)采用串聯(lián)補償或并聯(lián)補償，即:發(fā)射線圈串聯(lián)補償接收線圈串聯(lián)補償、發(fā)射線圈串聯(lián)補償接收線圈并聯(lián)補償、發(fā)射線圈并聯(lián)補償和接收線圈串聯(lián)補償、發(fā)射線圈并聯(lián)補償接收線圈并聯(lián)補償，其特征在于所述的設計方法包含以下步驟: 步驟A、根據設計需求及給定條件繞制并安裝無線電力傳輸裝置的發(fā)射線圈(2210)、發(fā)射端放大線圈(2211)、接收端放大線圈(2311)及接收線圈(2310)； 步驟B、測量所述的發(fā)射線圈(2210)、發(fā)射端放大線圈(2211)、接收端放大線圈(2311)及接收線圈(2310)的電氣參數(shù)； 步驟C、利用實際測取到的 各線圈電氣參數(shù)建立基于互感模型的多線圈耦合無線電力傳輸裝置系統(tǒng)電路模型； 步驟D、設定優(yōu)化目標函數(shù)及約束條件建立非線性規(guī)劃模型； 步驟E、求解非線性規(guī)劃問題，得到諧振補償電容容值； 步驟F、按計算出的諧振補償電容容值配置電容。
2.按照權利要求1所述的無線電力傳輸裝置的設計方法，其特征在于所述的設計方法是設計發(fā)射線圈諧振補償電容(Cl)、發(fā)射端放大線圈諧振補償電容(C2)、接收端放大線圈諧振補償電容(C3)，以及接收線圈諧振補償電容(C4)的電容容值。
3.按照權利要求1所述的無線電力傳輸裝置的設計方法，其特征在于所述步驟A中的給定條件分為必要條件和非必要條件；所述的必要條件為繞制線圈的必須依據，包括線圈幾何尺寸、繞制結構及傳輸距離；所述的非必要條件為無線電力傳輸裝置的工作頻率、輸入方式以及補償方式。
4.按照權利要求1所述的無線電力傳輸裝置的設計方法，其特征在于所述步驟B中的各個線圈的電氣參數(shù)包括在給定工作頻率下發(fā)射線圈自感L1、發(fā)射端放大線圈自感L2、接收端放大線圈自感L3、接收線圈自感匕、發(fā)射線圈與發(fā)射端放大線圈互感M12、發(fā)射線圈與接收端放大線圈互感M13、發(fā)射線圈與接收線圈互感M14、發(fā)射端放大線圈與接收端放大線圈互感M23、發(fā)射端放大線圈與接收線圈互感M24、接收端放大線圈與接收線圈互感M34,以及發(fā)射線圈內阻^、發(fā)射端放大線圈內阻1"2、接收端放大線圈內阻1"3、接收線圈內阻1"4，記為線圈耦合矩陣Mrail及線圈內阻向量Rrail: (L1 M12 Mb M14、Mn 人，M” M24 coil ~r %Jf ， Rcoil — LrLl rL2 rL3 rL4」° Mi3 M23 I3 M24 M24 Mu L4j
5.按照權利要求1所述的無線電力傳輸裝置的設計方法，其特征在于所述步驟C建立的基于互感模型的多線圈耦合無線電力傳輸裝置系統(tǒng)電路模型，包括構成一套完整無線電力傳輸裝置的高頻交流電源、線圈、補償電容及負載，所述高頻交流電源選用理想電壓源或理想電流源或逆變器建模，所述負載為實際負載等效到接收線圈(2311)端的等效阻抗的實部。
6.按照權利要求1或5所述的無線電力傳輸裝置的設計方法，其特征在于步驟C所述的無線電力傳輸裝置系統(tǒng)電路模型中，發(fā)射線圈電流I1、發(fā)射端放大線圈電流I2、接收端放大線圈電流I3和接收線圈的電流I4是輸出電壓U、線圈耦合矩陣Mrail、線圈內阻向量RMil、諧振補償電容向量C、諧振補償電容內阻向量R。的函數(shù):
7.按照權利要求1所述的無線電力傳輸裝置的設計方法，其特征在于所述步驟D中的優(yōu)化目標函數(shù)通過引入權重向量ω = [(O1, ω2, ω3，...，cok]，解決同時含有多項設計需求(C)、f2 (C)、f3 (C)...&((:)的問題，此種情況的非線性規(guī)劃模型為:
8.按照權利要求1所述的無線電力傳輸裝置的設計方法，其特征在于所述步驟E中，求解非線性規(guī)劃問題的流程為:首先代入補償電容向量的初始值，然后調用電路仿真工具對所建無線電力傳輸系統(tǒng)模型進行仿真，解出函數(shù)集Fun中用戶所關心的元素的數(shù)值解，代替解析解返回，然后通過返回的函數(shù)集Fun仿真結果計算出此次迭代過程中的目標函數(shù)值，接著判斷是否滿足收斂條件，若不滿足收斂條件，則依據最優(yōu)化數(shù)學理論計算出補償電容C向量新值Ck，重新調用底層電路仿真工具仿真無線電力傳輸系統(tǒng)模型；若判斷已滿足收斂條件，則結束迭代，得到補償電容的最優(yōu)參數(shù)。
9.按照權利要求1所述的無線電力傳輸裝置的設計方法，其特征在于所述步驟F中的電容配置的原則是設法配置最接近步驟E求解非線性規(guī)劃得出的最優(yōu)容值，偏差不超過5%0。
全文摘要
一種無線電力傳輸裝置的設計方法，包括以下步驟步驟A、根據設計需求及給定條件繞制并安裝無線電力傳輸裝置的發(fā)射線圈、發(fā)射端放大線圈、接收端放大線圈及接收線圈；步驟B、測量發(fā)射線圈、發(fā)射端放大線圈、接收端放大線圈及接收線圈的電氣參數(shù)；步驟C、利用實際測取到各線圈的電氣參數(shù)，建立基于互感模型的多線圈耦合無線電力傳輸裝置系統(tǒng)電路模型；步驟D、設定優(yōu)化目標函數(shù)及約束條件，建立非線性規(guī)劃模型；步驟E、求解非線性規(guī)劃問題，得到諧振補償電容容值；步驟F、按計算出的諧振補償電容容值配置電容。
文檔編號H01F38/14GK103208866SQ201310144178
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月23日 優(yōu)先權日2013年4月23日
發(fā)明者廖承林, 朱慶偉, 王麗芳 申請人:中國科學院電工研究所