[发明专利]多中继WPT系统效率、功率计算和双中继WPT系统的优化方法

权利要求书

1.多中继WPT系统效率计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：建立多中继无线电能传输系统模型，包括原边发射回路、中继回路、副边接收回路；所述原边发射回路包括电源模块、高频逆变模块、原边补偿网络、原边发射线圈；所述中继回路包括若干个中继线圈；所述副边接收回路包括副边补偿网络、整流滤波模块、负载；

S2：建立多中继无线电能传输系统模型的等效电路模型，并对等效电路模型进行KVL分析得到如下方程：

其中，R_L为负载电阻，R_eq为系统等效负载电阻；为等效的交流电压向量，L₁～L_n为谐振线圈自感，C₁～C_n为谐振电容，为各谐振回路的电流向量，R₁～R_n为谐振线圈内阻，M_ij为线圈i和j之间的互感，i,j∈{1,2,...,n}；谐振线圈包括原边发射线圈、中继线圈、副边接收线圈；

S3：计算系统工作角频率，系统工作角频率ω等于各回路谐振角频率ω₀，并满足：

S4：计算各回路反射阻抗，其中Z₁～Z_n表示各回路中的反射阻抗，可以表示为：

S5：各回路及系统效率为：

2.根据权利要求1所述的多中继WPT系统效率计算方法，其特征在于：所述谐振线圈内阻R₁～R_n和线圈互感M_ij均与线圈半径r、匝数N、导线线径a有关，线圈互感M_ij还与线圈间距d₁～d_n-1有关，因此，系统效率可以表示为：

η＝f(ω₀,r,N,a,d₁,d₂,...d_n-1,R_eq)。

3.根据权利要求3所述的多中继WPT系统效率计算方法，其特征在于：所述谐振线圈为平面螺旋线圈。

4.根据权利要求3所述的多中继WPT系统效率计算方法，其特征在于：所述平面螺旋线圈的内阻的计算方式如下：

式中，μ₀为真空中的磁导率；N表示线圈匝数；r为线圈的径向半径；a为铜线线径；σ为导体电导率。

5.根据权利要求3所述的多中继WPT系统效率计算方法，其特征在于：所述平面螺旋线圈之间的互感，线圈互感的计算方式如下：

其中，a、b分别为线圈i和线圈j的半径，d为两圆环之间的轴向距离，γ＝2ab/(a²+b²+d²)。

6.根据权利要求3所述的多中继WPT系统效率计算方法，其特征在于：当两平面螺旋线圈为圆形时，其互感为：

其中ρ＝1；N₁、N₂分别为两平面螺旋线圈的匝数。

7.多中继WPT系统功率计算方法，其特征在于：采用以下方式计算：其中，为副边接收谐振回路的电流向量，R_eq为系统等效负载电阻。

8.双中继WPT系统的优化方法，所述双中继WPT系统包括原边发射线圈、第一中继线圈、第二中继线圈、副边接收线圈，其特征在于：包括以下步骤：

S1：设定第一中继线圈、第二中继线圈的结构一致，线圈间距d₁＝d₂＝d₃，d₁表示原边发射线圈与第一中继线圈之间的距离，d₂表示第一中继线圈、第二中继线圈之间的距离，d₃表示第二中继线圈、副边接收线圈之间的距离；原边发射线圈、第一中继线圈、第二中继线圈、副边接收线圈的匝数相同，其他参数与发射、接收线圈相同；

当双中继线圈半径大小确定，匝数同步变化时，采用权利要求1-6任一所述的效率计算方法计算双中继WPT系统的效率，绘制在不同负载下系统传输效率η随第一或第二中继线圈匝数N的变化曲线，当曲线达到最高值时，表示系统传输效率η达到最大值，对应的中继线圈匝数N则为最优匝数；

当第一中继线圈、第二中继线圈的匝数不同时，在其他参数不变的情况下，采用权利要求1-6任一所述的效率计算方法计算双中继WPT系统的效率，绘制在不同负载下系统传输效率η随第一中继线圈、第二中继线圈的匝数变化的曲面，当曲面达到最高值时，表示系统传输效率η达到最大值，对应的第一中继线圈、第二中继线圈的匝数则为最优组合匝数；

S2：设定第一中继线圈、第二中继线圈的结构一致，线圈间距d₁＝d₂＝d₃，设第一中继线圈、第二中继线圈的半径与原边发射线圈和副边接收线圈相同，第一中继线圈、第二中继线圈的其他参数与原边发射线圈和副边接收线圈相同，采用权利要求1-6任一所述的效率计算方法计算双中继WPT系统的效率，绘制在不同负载下系统传输效率η随第一或第二中继线圈半径r的变化曲线，当曲线达到最高值时，表示系统传输效率η达到最大值，对应的中继线圈半径r则为最优线圈半径，此时原边发射线圈和副边接收线圈的半径相同；

当第一中继线圈、第二中继线圈的半径非同步变化时，在其他参数不变的情况下，采用权利要求1-6任一所述的效率计算方法计算双中继WPT系统的效率，绘制在不同负载下系统传输效率η随第一中继线圈、第二中继线圈的半径变化的曲面，当曲面达到最高值时，表示系统传输效率η达到最大值，对应的第一中继线圈、第二中继线圈的半径则为最优组合半径；

S3：设定双中继线圈结构保持一致，线圈总间距d₁+d₂+d₃＝d，其他参数与原边发射线圈和副边接收线圈相同，采用权利要求1-6任一所述的效率计算方法计算双中继WPT系统的效率，绘制在不同负载下系统传输效率η随原边发射线圈与第一中继线圈的距离d₁、第二中继线圈与副边发射线圈的距离d₃变化的曲面，当曲面达到最高值时，表示系统传输效率η达到最大值，对应的距离d₁、d₃则为最优组合距离。