频率漂移不敏感的无线电能传输系统谐振频率设计方法
技术领域
[0001] 本
发明属于无线电能传输系统技术领域，具体涉及一种频率漂移不敏感的无线电能传输系统谐振频率设计方法。
背景技术
[0002] 无线电能传输技术利用电
磁场或
电磁波实现由
能量发送端至接收端的非
接触能量供给。解决了移动电气设备的电能灵活、安全、可靠的接入问题，并且已在轨道交通、
小家电、大
角度
旋转机构等方面应用。
[0003] 传统的直接接触式电能传输存在诸如产生接触火花，影响供电的安全性和可靠性，甚至引起火灾或爆炸，造成重大事故等弊端。因此寻找一种更为灵活、方便的电能传输方式成为人类的一个美好追求。早在19世纪末，Nicola Tesla就进行过远距离无线输电的实验研究，但因技术和资金限制未能实现。国内外研究较多、较成熟的能量非接触传输技术大多采用
电磁感应原理，但该种方式的能量传输效率随着距离增加迅速衰减，因此仅适合在短距离(mm级)上应用。基于磁耦合谐振的无线能量传输技术打破了电磁感应方式传输效率依赖于耦合系数的传统思路，为无线能量传输技术带来了突破。该系统依靠线圈磁耦合共振强耦合实现能量的高效率、大距离传输，并不依赖于发送与接
收线圈间的耦合系数。磁耦合共振式无线能量传输方式的出现激发了业界极大的研究兴趣，为大距离(m级)条件下能量的高效无线传输提供了全新的思路
[0004] 磁耦合谐振式无线电能传输通过谐振在相同频率上的电感线圈之间的近场磁耦合来传输能量，较之感应耦合式传能，在传输距离上有了很大的扩展；相比于
微波辐射式传能，其对电磁环境的影响较小，且传输功率较大，因此受到越来越广泛的关注和研究。
[0005] 磁耦合谐振式无线传能技术虽然提高了传输距离，实用性得到了很大的提高。但是在实际应用中
电路参数受环境影响很容易发生漂移，这会导致系统谐振频率发生偏移，传输效率急剧下降，大大降低了其使用价值。以此如何解决磁耦合谐振系统谐振频率频率漂移导致的效率急剧下降问题刻不容缓。
发明内容
[0006] 针对上述问题，本发明提出一种频率漂移不敏感的无线电能传输系统谐振频率设计方法，该方法通过对无线电能传输系统输入阻抗角度的设计，最终可以得到一个最优谐振频率。当电路参数发生漂移时，系统工作在此谐振频率下，依旧可以保持很高的效率。
[0007] 本发明通过以下技术方案予以实现，频率漂移不敏感的无线电能传输系统谐振频率设计方法，其特征在于具体步骤为：
[0008] (1)、确定无线电能传输系统的基本结构参数，源线圈和负载线圈均为半径为r1的单
匝线圈，源线圈与负载线圈相对设置；发射线圈和接收线圈均为半径为r2的单匝线圈，发射线圈和接收线圈相对设置；源线圈与发射线圈以及负载线圈和接收线圈均位于一个平面，所有线圈的线径均为rc；源线圈与发射线圈之间的互感为M12；发射线圈与接收线圈之间的互感为M23；接收线圈和负载线圈之间的互感为M23；发射线圈与接收线圈之间的传输距离为r2/2；
[0009] (2)、分别设置无线电能传输系统的谐振频率F的范围为[Fmin，Fmax]，激励频率f的范围为[fmin，fmax]，在以上频率设定范围内，谐振频率以1MHz为步进，激励频率以0.1MHz为步进，在每个谐振频率Fx(x＝1,2,3…)处，测量得到所有激励频率fy(y＝1,2,3…)下无线电能传输系统的全部输入阻抗角度θ(x,y)；
[0010] (3)、不考虑激励频率的最小值fmin和最大值fmax这两个频率点，用谐振
频率范围内的每个谐振频率Fx对应的第y个输入阻抗角度θ(x,y)减去第y-1个输入阻抗角度θ(x,y-1)得到相应的差值Km(m＝1,2,3…y-1)；用谐振频率范围内的每个谐振频率Fx对应的第y个输入阻抗角度θ(x,y)减去第y+1个输入阻抗角度θ(x,y+1)得到相应的差值Hm(m＝1,2,3…y-1)，把满足条件Km×Hm≥0的谐振频率Fx定义为初步筛选谐振频率Fi(1≤i≤xmax,xmax为x的最大值)，并记录每个初步筛选谐振频率Fi及其对应的全部输入阻抗角度θ(i,y)和输入阻抗角度个数n；
[0011] (4)、对与步骤(3)中记录的无线电能传输系统的每个初步筛选谐振频率Fi对应的全部输入阻抗角度的绝对值|θ(i,y)|的值分别相加后除以步骤(3)中得到的每个初步筛选谐振频率Fi对应的输入阻抗角度个数n，得到每个初步筛选谐振频率Fi下的无线电能传输系统的阻抗角度评价值αi；若满足αi≤10°，定义该初步筛选谐振频率Fi为次级筛选谐振频率Fj(1≤j≤imax,imax为i的最大值)，并记录该次级筛选谐振频率Fj以及其对应的全部输入阻抗角度θ(j,y)和阻抗角度评价值αj(1≤j≤imax,imax为i的最大值)；若αi>10°，则不做记录；
[0012] (5)、用步骤(4)中记录的每个次级筛选谐振频率Fj对应的全部输入阻抗角度θ(j,y)分别减去步骤(4)中得到的对应每个次级筛选谐振频率的阻抗角度评价值αj，并对结果求平方和后分别除以步骤(3)中对应得到的输入阻抗角度个数n，得到每个次级筛选谐振频率Fj下无线电能传输系统的阻抗角度
波动参数βj；
[0013] (6)、对步骤(5)中得到每个次级筛选谐振频率Fj下无线电能传输系统的阻抗角度波动参数βj进行比较，找出无线电能传输系统的最小非零阻抗角度波动参数βjmin，其所对应的次级筛选谐振频率Fj即为频率漂移不敏感的无线电能传输系统的谐振频率。
[0014] 本发明涉及一种安全便捷且供电可靠的无线电能供电装置，为电动
汽车的无线供电提供了具体实在的技术模型。将谐振耦合式无线电能传输与传统感应式无线电能传输相结合，提高了现有无线供电技术的传输效率和传输距离，且有良好的市场前景。
附图说明
[0015] 图1是四线圈无线电能传输系统线圈结构图；
[0016] 图2是不同谐振频率下的阻抗角度图；
[0017] 图3电路参数发生漂移时系统效率随激励频率变化图；
[0018] 表1次级筛选谐振频率下的输入阻抗角度以及阻抗角度评价值；
[0019] 表2是次级筛选频率下的阻抗角度波动参数。
[0020] 图中：1-源线圈，2-发射线圈，3-接收线圈，4-负载线圈。
具体实施方式
[0021] 下面结合附图在四线圈系统中对本发明频率漂移不敏感的无线电能传输系统谐振频率设计方法做出详细的说明。
[0022] 如图1所示，源线圈1和负载线圈4均是半径为r1的单匝线圈，源线圈1与负载线圈4相对设置；发射线圈2和接收线圈3均是半径为r2的单匝线圈，发射线圈2和接收线圈3相对设置；源线圈1与发射线圈2以及负载线圈4和接收线圈3均位于一个平面，所有线圈的线径均为1.1mm；源线圈1与发射线圈2之间的互感为M12；发射线圈2与接收线圈3之间的互感为M23；接收线圈3和负载线圈4之间的互感为M23；发射线圈2与接收线圈3的传输距离为60mm。
[0023] 设置无线电能传输系统的源
电压为US，源内阻为RS，负载
电阻为RL，谐振频率为F，激励频率为f，激励频率为ω。每个线圈都可以等效成一个电阻Rt(t＝1,2,3,4)、自感Lt、补偿电容Ct
串联的回路，补偿电容Ct为：
[0024]
[0025] 四个回路的阻抗可分别表示为：
[0026]
[0027] 列出四个回路的基尔霍夫电压方程如下：
[0028]
[0029] 根据基尔霍夫电压方程，可得出无线电能传输系统的输入阻抗Zin如下：
[0030]
[0031] 式中
[0032]
[0033] 分别设置无线电能传输系统的谐振频率F的范围为1MHz到40MHz，激励频率f的范围为1MHz到80MHz。在以上频率设定范围内，谐振频率F以1MHz为步进，激励频率f以0.1MHz为步进。在每个谐振频率Fx(x＝1,2,3…40)处，测量得到所有激励频率fy(y＝1,2,3…791)下无线电能传输系统的全部输入阻抗角度θ(x,y)。
[0034] 不考虑激励频率的最小值1MHz和最大值80MHz这两个频率点，用谐振频率范围内的每个谐振频率Fx对应的第y个输入阻抗角度θ(x,y)减去第y-1个输入阻抗角度θ(x,y-1)得到相应的差值Km(m＝1,2,3…790)，用谐振频率范围内的每个谐振频率Fx对应的第y个输入阻抗角度θ(x,y)减去第y+1个输入阻抗角度θ(x,y+1)得到相应的差值Hm(m＝1,2,3…790)如下：
[0035]
[0036] 如图2所示，满足条件Km×Hm≥0的1MHz到40MHz的谐振频率定义为初步筛选谐振频率Fi(1≤i≤40)，并记录每个初步筛选谐振频率Fi及其对应的全部输入阻抗角度θ(i,y)和输入阻抗角度个数n。
[0037] 对得到的无线电能传输系统的每个初步筛选谐振频率Fi对应的全部输入阻抗角度的绝对值|θ(i,y)|的值分别相加后除以每个初步筛选谐振频率Fi对应的输入阻抗角度个数n，得到每个初步筛选谐振频率Fi下的无线电能传输系统的阻抗角度评价值αi如下：
[0038]
[0039] 表1
[0040]
[0041] 如表1所示，把满足αi≤10°的初步筛选谐振频率Fi定义为次级筛选谐振频率Fj(1≤j≤40),并记录该次级筛选谐振频率Fj以及其对应的输入阻抗角度θ(j,y)和阻抗角度评价值αj。
[0042] 如表2所示，对得到每个次级筛选谐振频率Fj下无线电能传输系统的阻抗角度波动参数βj进行比较，找出无线电能传输系统的最小非零阻抗角度波动参数βjmin＝88.66874，其所对应的次级筛选谐振频率Fj＝21MHz即为频率漂移不敏感的无线电能传输系统的最优设计谐振频率。
[0043] 表2
[0044]次级筛选谐振频率Fj(MHz) 阻抗角度波动参数βj
18 130.7588
19 106.6492
20 92.03524
21 88.66874
22 95.62447
23 110.0898
[0045] 如图3所示，无线电能传输系统的源线圈补偿电容C1参数发生不同程度漂移，系统工作在此设计方法得到的谐振频率下，在原始激励频率21MHz处，系统依旧可以保持高效率传输。
[0046] 以上所述仅为本发明的较佳
实施例而已，并不用于限制本发明，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。
