CN111342563A - 一种磁耦合谐振无线电能传输***的中继端位置确定方法 - Google Patents
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Abstract
一种磁耦合谐振无线电能传输***的中继位置确定方法，包括以下步骤：S1配置磁耦合谐振无线电能传输***；S2计算***总能量；S3构建加入中继端后的磁耦合谐振无线电能传输***谐振子电路；S4根据电路拓扑建立以负载电压为核心的能量传输模型；S5建立中继系数模型，得出当中继端位于发射端与接收端正中心时***传输效率最高。本发明利用耦合模理论对中继***的功率模型进行分析，得出中继***的功率与非中继***的功率具有相同的变化规律；利用电磁仿真分析***在中继线圈工作状态下的磁场分布情况，分析中继***的电路模型，获得负载电压比，计算中继系数，确认中继位置。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，特别是一种磁耦合谐振无线电能传输***的中继位置确定方法。
技术背景
无线电能传输技术大致可以分为三类：第一类是电磁感应耦合式，第二类是微波无线电能传输技术，第三类是电磁耦合谐振方式，也称为witricity技术，美国MIT学院最早开始该方向的研究。作为一种新的电能传输技术，电磁耦合谐振式基于强耦合的概念，基本原理是两个具有相同自谐振频率的谐振体之间可以实现高效的能量交换，电磁耦合谐振式无线电能传输技术，在传输距离上介于感应耦合技术和微波传输技术之间，该技术具有较大的传输距离，采用非辐射技术对人体没有伤害，具有良好的穿透性，不受非金属障碍物影响，发展前景广阔，目前国内外在谐振式无线电能传输技术的研究还处于初步阶段，有许多关键技术问题需要解决，如能量传输***结构和电气参数、能量传输***的位置信息等都是进一步深入研究的方向。目前多数研究都是根据理论模型进行的实际的传输效果研究，研究重点在于如何通过改变传输机构或者调整传输能量信号的特性来实现无线电能传输的高效化，对于传输机构中的位置信息研究较少，且大多停留在多级传输的位置影响分析上。电磁耦合谐振无线电能传输***中使用中继端的目的是为了增强磁耦合谐振无线电能传输***的传输距离或者提高同等距离情况下的能量传输效率，但中继端在磁耦合谐振无线电能传输***中的位置不同无线能量传输距离及效率也会不同，哪个位置最优目前尚无相关研究报道。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种磁耦合谐振无线电能传输***的中继位置确定方法，通过定量分析确定中继结构位置的定位方法。
一种磁耦合谐振无线电能传输***的中继位置确定方法，包括以下步骤：
S1.配置磁耦合谐振无线电能传输***，发射端、中继端和接收端三个谐振体具有相同的自谐振参数，并且处于同一轴线上；
S2.计算***总能量
根据耦合模理论，具有中继端的磁耦合谐振无线电能传输***的耦合方程组为：
其中a1、a2、a3分别表示发射端、中继端、接收端三个谐振体的耦合模幅度；Γ1、Γ2、Γ3分别表示发射端、中继端、接收端三个谐振体的损耗率；k12、k13、k21、k23、k31、k32分别表示发射端与中继端、发射端与接收端、中继端与发射端、中继端与接收端、接收端与发射端、接收端与中继端之间的耦合系数，根据***的互易性：k12＝k21＝k1、k23＝k32＝k2、k13＝k31＝k3；根据步骤S1的***配置，发射端和接收端之间的耦合系数k3＝0；
计算得到***总能量W(t)为：
W(t)＝|a1(t)|2+|a2(t)|2+|a3(t)|2＝e-2Γt (2)
S3.构建加入中继端后的磁耦合谐振无线电能传输***谐振子电路
加入中继端后的磁耦合谐振无线电能传输***具有三个谐振子电路，并且具有相同的谐振参数，利用基尔霍夫电压定律(KVL)得出传输***的方程组：
其中
式中：Rs为高频电源内阻；RL为负载阻抗；Rso、Ls、Cs为发射端固有阻抗、等效电感、等效电容；RREP、LREP、CREP为中继端固有阻抗、等效电感、等效电容；Rro、Lr、Cr为接收端固有阻抗、等效电感、等效电容；k1，k2为***中继端两边的耦合系数；IS表示发射端电流、IR表示接收端电流，IREP表示中继线圈电流，VS为输入电压；ω表示振荡角频率，ω0表示谐振角频率ω1，ω2为振荡角频率的两个解；
S4.根据电路拓扑建立以负载电压为核心的能量传输模型
通过式(6)得出***的负载电压为：
其中VL为负载电压，因为发射端、接收端、中继端具有相同的结构特性，因此LS＝LR，CS＝CR，R1＝RS+RSO R2＝RL+Rro，R1表示发射端的等效电阻，R2表示接收端等效电阻，发射端和接收端具有相同的品质因数，Q1＝Q2；中继端品质因数QREP≈∞，发射端辐射阻抗等于接收端辐射阻抗，远小于负载阻抗和电源内阻，忽略不计，则有R1＝RS，R2＝RL；因此式(11)简化为：
当k1＝k2时，VL取得最大值，此时中继端位于发射端与接收端正中心的位置，***负载端获得最大功率；
S5.建立中继系数模型
中继端与接收端之间的耦合系数通过两个天线之间的互感和电感来表示,如式(13)和式(14)，
D＝αD1 (17)
D2＝D-D1＝(α-1)D1 (18)
其中α为中继系数，即总传输距离与一级传输距离的比值，n为线圈匝数，r为传输谐振体半径，μ0为真空磁导率；D为互感天线垂直距离，D1为发射端到中继端的垂直距离，D2为中继端到接收端的垂直距离，对于发射端、中继端和接收端具有相同的结构性质，所以
对于该类型传输***是定值，且LS＝LR＝LREP＝L，因此得到：
当α＝2时，负载电压比最大，即中继端位于发射端与接收端正中心的位置，***负载端获得最大功率。
进一步，对传统非中继端磁谐振磁耦合谐振无线电能传输***，根据电路模型，应用基尔霍夫电压定律，得到***的负载电压比：
其中k为传统无中继无线电能传输***耦合***，Q为传统无中继无线电能传输***耦合***传输端的品质因数；利用式(12)和式(24)的功率等效关系得到：
将式(19)代入得到中继系数模型：
因为***具有互易性，所以当非中继***中kQ＞1时，
当非中继***中kQ＜1时，
当非中继***中kQ＝1时，非中继***工作在最大负载电压比情况下，那么同样中继***也要工作在最大负载电压比情况下，α＝2；因此，中继端位于发射端与接收端正中心时***传输效率最高。
本发明利用耦合模理论对中继***的功率模型进行分析，得出中继***的功率与非中继***的功率具有相同的变化规律；利用电磁仿真分析***在中继线圈工作状态下的磁场分布情况，分析中继***的电路模型，获得负载电压比，计算中继系数，确认中继位置。
附图说明
图1是中继端无线电能传输***示意图，
图2是等效电路图，
图3中继端沿轴线位置示意图，
图4是中继***负载电压变化曲线
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
一种磁耦合谐振无线电能传输***的中继位置确定方法，包括以下步骤：
S1.配置磁耦合谐振无线电能传输***，如图1所示，包括发射端1、中继端2和接收端3、高频电源4、负载模块5。发射端1、中继端2和接收端3三个谐振体具有相同的自谐振参数，并且处于同一轴线上；
S2.计算***总能量
根据耦合模理论，具有中继端2的磁耦合谐振无线电能传输***的耦合方程组为：
其中a1、a2、a3分别表示发射端1、中继端2、接收端3三个谐振体的耦合模幅度；Γ1、Γ2、Γ3表示发射端1、中继端2、接收端3三个谐振体的损耗率；k12、k13、k21、k23、k31、k32分别表示发射端1与中继端2、发射端1与接收端3、中继端2与发射端1、中继端2与接收端3、接收端3与发射端1、接收端3与中继端2之间的耦合系数，根据***的互易性：k12＝k21＝k1、k23＝k32＝k2、k13＝k31＝k3。根据步骤S1的***配置，发射端1和接收端3之间的耦合系数k3＝0。
计算得到***总能量W(t)为：
W(t)＝|a1(t)|2+|a2(t)12+|a3(t)|2＝e-2Γt (2)
S3.构建加入中继端2后的磁耦合谐振无线电能传输***谐振子电路
普通磁耦合谐振无线电能传输***是由两个谐振子电路组成，加入中继端2后的磁耦合谐振无线电能传输***具有三个谐振子电路，并且具有相同的谐振参数，等效电路如图2所示。因为中继端2的固有损耗电阻很小，因此其具有高品质因数的特点。等效电路输入端电路包括串连的输入端电压源VS，输入端高频电源内阻Rs，输入端等效电阻Rso，输入端等效电感Ls，输入端等效电容Cs。中继端等效电路包括串连的中继端等效电感LREP，中继端等效电阻RREP，中继端等效电容CREP。接收端等效电路包括接收端等效电阻Rro，接收端负载电阻RL，接收端等效电感Lr，接收端等效电容Cr。能量通过发射端耦合传输到中继端，用k1表示其耦合系数，然后能量从中继端耦合传输到接收端，k2表示其耦合系数，完成一次能量传递流程。IS表示发射端电流、IR表示接收端电流，IREP表示中继端线圈电流。
对***电路结构利用基尔霍夫电压定律(KVL)得出传输***的方程组：
其中
ω表示振荡角频率，ω0表示谐振角频率ω1，ω2为振荡角频率的两个解。
S4.根据电路拓扑建立以负载电压为核心的能量传输模型
通过式(6)得出***的负载电压为：
其中VL为负载电压，因为发射端1、接收端3、中继端2具有相同的结构特性，因此LS＝LR，CS＝CR，R1＝RS+RSO R2＝RL+Rro。
R1表示发射端1的等效电阻，R2表示接收端3等效电阻，因为发射端1和接收端3具有相同的品质因数，Q1＝Q2。因为***加入的中继端2具有相当高的品质因数QREP≈∞，发射端1辐射阻抗等于接收端3辐射阻抗，远小于负载阻抗和电源内阻，忽略不计，则有R1＝RS，R2＝RL。因此式(11)可以简化为：
当k1＝k2时，VL取得最大值，此时中继端2位于发射端1与接收端3正中心的位置，***负载端获得最大功率，如图3所示的发射端1和接收端3位置固定，中继端2在两者之间沿轴线移动，那么***能量传输就分为连接的两级，***具有不同的传输特性。
S5.建立中继系数模型
中继端2与接收端3之间的耦合系数通过两个天线之间的互感和电感来表示,如式(13)和式(14)，
D＝αD1 (17)
D2＝D-D1＝(α-1)D1 (18)
其中α为中继系数。即总传输距离与一级传输距离的比值，n为线圈匝数，r为传输谐振体半径，μ0为真空磁导率。D为互感天线垂直距离，D1为发射端1到中继端2的垂直距离，D2为中继端2到接收端3的垂直距离，对于发射端1、中继端2和接收端3具有相同的结构性质，所以
对于该类型传输***是定值，且LS＝LR＝LREP＝L，因此得到：
随着中继系数的不断变化负载电压也发生变化，负载电压比与中继系数的对应变化规律如图4所示，当α＝2时，负载电压比最大，随着***中继系数的增大或者减小，负载电压迅速下降，严重影响整个***的传输效率，也就是当中继线圈过于靠近接收端3或者发射端1的时候，磁耦合谐振无线电能传输***的能量传输效率极低。
具有中继端2的***与没有中继端2的***对比，一般获得相对较好的负载电压比，根据式(19)，可以分析***具有最大负载功率点存在，因而中继***的中继端2位于合理范围内的时候获得比没有中继端2的***更好的电压比，利用等效功率法获得一个等效的中继系数区间，通过该区间确定中继端2的合理位置范围。针对传统非中继端2磁谐振磁耦合谐振无线电能传输***，根据电路模型，应用基尔霍夫电压定律，得到***的负载电压比。
其中k为传统无中继无线电能传输***耦合***，Q为传统无中继无线电能传输***耦合***传输端的品质因数，j是复数的标识。利用式(12)和式(24)的功率等效关系得到：
将式(19)代入得到中继系数模型：
因为***具有互易性，所以当非中继***中kQ＞1时，
当非中继***中kQ＜1时，
当非中继***中kQ＝1时，非中继***工作在最大负载电压比情况下，那么同样中继***也要工作在最大负载电压比情况下，α＝2。
因此，中继端2位于发射端1与接收端3正中心时***传输效率最高。
本发明针对磁耦合谐振无线电能传输***中加入中继端2的***结构进行建模，结合耦合模理论，***电路结构从***的传输特性展开分析，***电磁场分布利用矩量法，推导出最大传输负载电压比，引入中继系数，据此推出中继端2最优位置。通过电磁场软件仿真本发明结论正确。
Claims (2)
1.一种磁耦合谐振无线电能传输***的中继位置确定方法，包括以下步骤：
S1.配置磁耦合谐振无线电能传输***，发射端(1)、中继端(2)和接收端(3)三个谐振体具有相同的自谐振参数，并且处于同一轴线上；
S2.计算***总能量
根据耦合模理论，具有中继端(2)的磁耦合谐振无线电能传输***的耦合方程组为：
其中a1、a2、a3分别表示发射端(1)、中继端(2)、接收端(3)三个谐振体的耦合模幅度；Γ1、Γ2、Γ3分别表示发射端(1)、中继端(2)、接收端(3)三个谐振体的损耗率；k12、k13、k21、k23、k31、k32分别表示发射端(1)与中继端(2)、发射端(1)与接收端(3)、中继端(2)与发射端(1)、中继端(2)与接收端(3)、接收端(3)与发射端(1)、接收端(3)与中继端(2)之间的耦合系数，根据***的互易性：k12＝k21＝k1、k23＝k32＝k2、k13＝k31＝k3；根据步骤S1的***配置，发射端(1)和接收端(3)之间的耦合系数k3＝0；
计算得到***总能量W(t)为：
W(t)＝|a1(t)|2+|a2(t)|2+|a3(t)|2＝e-2Γt (2)
S3.构建加入中继端(2)后的磁耦合谐振无线电能传输***谐振子电路
加入中继端(2)后的磁耦合谐振无线电能传输***具有三个谐振子电路，并且具有相同的谐振参数，利用基尔霍夫电压定律(KVL)得出传输***的方程组：
其中
式中：Rs为高频电源内阻；RL为负载阻抗；Rso、Ls、Cs为发射端(1)固有阻抗、等效电感、等效电容；RREP、LREP、CREP为中继端(2)固有阻抗、等效电感、等效电容；Rro、Lr、Cr为接收端(3)固有阻抗、等效电感、等效电容；k1，k2为***中继端(2)两边的耦合系数；IS表示发射端(1)电流、IR表示接收端(3)电流，IREP表示中继线圈电流，VS为输入电压；
ω表示振荡角频率，ω0表示谐振角频率ω1，ω2为振荡角频率的两个解；
S4.根据电路拓扑建立以负载电压为核心的能量传输模型
通过式(6)得出***的负载电压为：
其中VL为负载电压，因为发射端(1)、接收端(3)、中继端(2)具有相同的结构特性，因此LS＝LR，CS＝CR，R1＝RS+RSO R2＝RL+Rro，R1表示发射端(1)的等效电阻，R2表示接收端(3)等效电阻，发射端(1)和接收端(3)具有相同的品质因数，Q1＝Q2；中继端(2)品质因数QREP≈∞，发射端(1)辐射阻抗等于接收端(3)辐射阻抗，远小于负载阻抗和电源内阻，忽略不计，则有R1＝RS，R2＝RL；因此式(11)简化为：
当k1＝k2时，VL取得最大值，此时中继端(2)位于发射端(1)与接收端(3)正中心的位置，***负载端获得最大功率；
S5.建立中继系数模型
中继端(2)与接收端(3)之间的耦合系数通过两个天线之间的互感和电感来表示,如式(13)和式(14)，
D＝αD1 (17)
D2＝D-D1＝(α-1)D1 (18)
其中α为中继系数，即总传输距离与一级传输距离的比值，n为线圈匝数，r为传输谐振体半径，μ0为真空磁导率；D为互感天线垂直距离，D1为发射端(1)到中继端(2)的垂直距离，D2为中继端(2)到接收端(3)的垂直距离，对于发射端(1)、中继端(2)和接收端(3)具有相同的结构性质，所以
对于该类型传输***是定值，且LS＝LR＝LREP＝L，因此得到：
当α＝2时，负载电压比最大，即中继端(2)位于发射端(1)与接收端(3)正中心的位置，***负载端获得最大功率。
2.如权利要求1所述的中继位置确定方法，其特征在于，对传统非中继端(2)磁谐振磁耦合谐振无线电能传输***，根据电路模型，应用基尔霍夫电压定律，得到***的负载电压比：
其中k为传统无中继无线电能传输***耦合***，Q为传统无中继无线电能传输***耦合***传输端的品质因数；利用式(12)和式(24)的功率等效关系得到：
将式(19)代入得到中继系数模型：
因为***具有互易性，所以当非中继***中kQ＞1时，
当非中继***中kQ＜1时，
当非中继***中kQ＝1时，非中继***工作在最大负载电压比情况下，那么同样中继***也要工作在最大负载电压比情况下，α＝2；因此，中继端(2)位于发射端(1)与接收端(3)正中心时***传输效率最高。
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