[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

说明书

本发明属于磁耦合无线电能传输技术，本发明提供了多中继WPT系统效率、功率计算和双中继WPT系统的优化方法，针对多中继无线电能传输系统的耦合机构优化问题，建立了系统模型，推导了系统效率表达式，结合平面螺旋线圈的内阻与互感公式，得到多中继WPT系统效率关于线圈匝数、线圈半径、线圈位置的关系，以及功率计算的方法。同时针对双中继WPT系统，分析了系统效率关于耦合机构的变化规律，在变负载条件下得到了耦合机构优化方法，给耦合机构优化提供了优化思路，可用于提高系统效率。

技术领域

本发明属于磁耦合无线电能传输技术，具体涉及多中继WPT系统效率、功率计算和双中继WPT系统的优化方法。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术为电力驱动设备提供了一种新的电能接入方式，具有便捷、稳定、安全的特点，是电能传输的一种全新形式和革命性进步。目前，该技术已经推广到家电、医疗、交通等领域，并逐渐趋于成熟。此外，在高压线路在线监测设备的供电问题上，WPT技术也得以应用。结合电流互感器(Current Transformer，CT)的高压侧感应取能技术，利用WPT系统将电能以非接触的形式传输至低压侧在线监测设备，实现了高低压侧的电气隔离，提升了供电可靠性。但同时，高压线路较高的绝缘等级也对WPT系统的无线传能距离提出了更高的要求。为进一步提升WPT系统能量传输距离，在传统的两线圈结构中间加入多级具有相同谐振频率的中继线圈，构成了多中继WPT系统。研究表明，中继线圈能够在较远的传输距离下实现较高的传输效率和功率水平，还能改变能量传输路径，然而，关于多中继线圈结构的优化问题尚未得到很好的解决。中继线圈结构包含了线圈数量，线圈位置，线圈姿态，线圈半径和匝数等多重变量，且变量之间相互耦合，这对多中继WPT系统耦合机构的优化带来不便。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了多中继WPT系统效率、功率计算和双中继WPT系统的优化方法，具体技术方案如下：

多中继WPT系统效率计算方法，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：

优选地，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：