[发明专利]一种磁耦合无线电能传输系统的共振频率计算方法

说明书

本发明公开了一种磁耦合无线电能传输系统的共振频率计算方法，通过建立任意阶多发射多中继多接收磁耦合无线电能传输系统的标准状态空间模型，实现对共振频率的快速求解。此外，还可以计算出任意振荡回路的解析电流。本发明通过对共振频率的求解，可以根据这一系统性的工作准则，使得系统始终处于最大能效状态。

技术领域

本发明涉及无线能量传输技术领域，尤其涉及一种磁耦合无线电能传输系统的共振频率计算方法。

背景技术

磁耦合无线电能传输系统(Magnetic coupling wireless power transfer,MC-WPT)实现了电能从电源侧到用电设备端的无电气连接传输，彻底摆脱了导线的束缚，具有广大的市场前景和科学研究价值，目前已广泛应用于家用电器、生物医学、电动汽车等领域。作为MC-WPT技术必然发展趋势之一，多发射、多中继、多接收无线电能传输系统近几年得到了国内外研究学者的高度关注。

但是，现阶段MC-WPT系统大多都是基于美国麻省理工学院(MIT)提出的共振耦合原理：将MC-WPT系统中各振荡电路的固有频率和电源频率设置为一致，以此实现“共振”状态而获取最大的能效。但众所周知，该传能模式普遍存在一种称之为“频率分裂”的物理现象：系统中存在多个最大能效点，对应的频率都偏离设定的电路固有频率，系统工作在设定的电路固有频率反而能效低下。并且该现象中系统最大能效点的个数及位置会随系统中谐振器的个数改变而改变。此外，在多线圈结构系统中，即使不存在频率分裂现象，非相邻线圈间的交叉耦合也会引起系统最大能效点偏离设置的谐振器固有频率，从而导致系统能效低下。这些现象都极大程度上限制了MC-WPT系统的能效。所有这些现象都表明，至少在某些参数条件下(而这些参数条件在实际系统中主要存在)，现有的传能模式并非处于“共振”状态，即系统的共振点并非设计的谐振器的固有频率点。

针对这些现象导致的系统能效低下问题，目前已提出许多技术解决方案，如频率跟踪控制，增加阻抗匹配网络、调节系统耦合强度等等。频率跟踪控制，增加阻抗匹配网络、调节系统耦合强度等方法不仅依赖具体的系统结构，即频率跟踪控制、阻抗匹配网络等具体的方法随系统结构不同而不同，还各自存在无法避免的弊端：频率跟踪控制，一方面容易收敛到局部最大值点，另一方面则需要增加一些额外电路，如检测电路，因此系统的复杂度会增加；增加阻抗匹配网络会增加系统的阶数，同样会增加系统的复杂度；调节耦合强度一般通过机械地调节谐振器的相对方位或距离实现，因而该方法不适用于谐振器固定或者谐振器需要不断移动的系统。事实上，之所以目前已有的这些方法存在这些问题，是因为这些方法实质上都只是能效补偿措施。

为了解决上述问题，本发明提出一种磁耦合无线电能传输系统的共振频率计算方法，通过揭示MC-WPT系统的共振机理，建立共振点与系统参数之间的数学描述，解决频率分裂现象带来的能效低下以及传能方向性问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种磁耦合无线电能传输系统的共振频率计算方法，其特征在于，所述共振频率计算方法包含如下步骤：

一种磁耦合无线电能传输系统的共振频率计算方法，其特征在于包含如下步骤：

s1：确定系统的阶数、系统的电路参数，所述电路参数包括以下参数：R_pm为第m电路的线圈内阻，L_m为第m电路的线圈自感，C_m为第m电路的补偿电容，u_m为第m电路的补偿电容两端的电压，M_mj为第m电路中线圈m和第j电路中线圈j之间的互感，i_m为第m电路的电流，R_Lm为第m电路的负载，v_m为第m电路的电源,m＝1～n，n为电路个数；v_m和R_Lm不能同时存在，当v_m≠0而R_Lm＝0,电路m为发射电路，反之v_m＝0和R_Lm≠0，电路m为接收电路，当二者都为0时，电路m为中继电路；