[发明专利]一种磁耦合谐振式无线电能传输系统的优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线电能传输系统的优化设计方法，尤其涉及一种磁耦合谐振式无线电能传输系统的优化设计方法。 

背景技术

自从人类社会进入了电气化时代以来，电能的传输主要通过金属导线的点对点直接接触传输。但由于导线存在摩擦、老化等问题，电能传输过程中很容易产生火花，进而影响到用电设备的寿命和用电安全。同时，在一些特殊应用场合，如矿井和水中等，导线直接接触传输容易发生危险。此外，植入体内的医疗设备的长期供电也存在不便。无线电能传输(wireless power transfer，WPT)能够解决以上问题。 

采用电磁场作为传输媒介可以实现无线电能传输。根据原理的不同，无线电能传输大致可以分为三类：第一种是感应式，这种方式传输功率大，但传输的距离较近；第二种是辐射式，这种方式定向性好，传输距离远，但是对周围电磁环境影响大；第三种是谐振式，这是一种新兴的无线电能传输方式，又称磁耦合谐振式无线电能传输技术。该方式能够以较大的功率，在较高的效率下传输较远的距离。相比于感应式，其传输距离较远，且对于方向指向性较不敏感；相比于辐射式，其对周围电磁环境的影响较小。 

磁耦合谐振式无线电能传输技术，自从美国麻省理工学院于2007年发表在《科学》杂志上后，就得到了持续的关注。现有的磁耦合谐振式无线电能传输系统通常分为两线圈结构和四线圈结构。但由于提出时间短，研究还不够充分、目前系统性的分析和设计方法并未被完整地提出，谐振频率，电感值和电容值等参数并没有一套成型的理论进行选择设计。因此，如何设计磁耦合谐振式无线电能传输系统成为目前需要解决的课题。 

发明内容

因此，确有必要提供一种既简单又容易实现的磁耦合谐振式无线电能传 输系统的优化设计方法。 

一种磁耦合谐振式无线电能传输系统的优化设计方法，该方法包括以下步骤： 

S10，搭建一磁耦合谐振式无线电能传输系统模型； 

S11，建立所述磁耦合谐振式无线电能传输系统的等效电路； 

S12，引入并计算电源匹配因数S_M-2C和S_M-4C、负载匹配因数L_M-2C和L_M-4C、传输品质因数T_Q和频率偏移因数F_D； 

S13，推导接收线圈反射到发射线圈的反射阻抗Z₃₂； 

S14，对该反射阻抗Z₃₂进行标幺化得到标幺化的反射阻抗； 

S15，通过该标幺化的反射阻抗分析该磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输特性，并将该传输特性与一目标值进行对比，如果达到目标值，则结束，如果没有达到目标值，则进入步骤S16； 

S16，根据步骤S15的分析结果调整该磁耦合谐振式无线电能传输系统的参数；以及 

S17，重复上述步骤S12至步骤S16直到传输特性达到目标值。 

与现有技术相比较，本发明提供的磁耦合谐振式无线电能传输系统的优化设计方法具有以下优点：由于该方法基于标幺化的电路模型，避免了因系统各项参数，如电源内阻、负载电阻、谐振频率、发射线圈和接收线圈的等效电阻以及互感等耦合在一起而导致的难以解耦地分析各项系统参数对系统传输特性的影响的不足，因此，该方法简单直观，且可以解耦各项系统参数来分析其对系统传输特性的影响，有效提高了系统设计和优化的效率。 

附图说明

图1为本发明实施提供的磁耦合谐振式无线电能传输系统的优化设计方法的流程图。 

图2为本发明实施提供的两线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输系统的结构示意图。 

图3为图2中的两线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输系统的等效电路图。 

图4为本发明实施提供的四线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输系统的结构示意图。 

图5为图4中的四线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输系统的等效电路图。 

主要元件符号说明 

无线电能传输系统    10,20 

电源                100 

电源线圈            110 

发射线圈            120 

第一电容器          122 

接收线圈            130 

第二电容器          132