单中继MC-WPT系统及其抗偏移参数设计方法

本发明涉及磁耦合无线电能传输(mc-wpt系统)，尤其涉及一种单中继mc-wpt系统及其抗偏移参数设计方法。

背景技术：

1、磁耦合无线电能传输(mc-wpt)技术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。按照系统结构分类，mc-wpt系统可以分为两线圈结构、三线圈结构、四线圈结构和多线圈(多米诺)结构。三线圈结构也称为单中继系统，由于其能同时兼顾传输效率和传输距离而成为该领域的研究热点。

2、几乎所有的mc-wpt系统都是基于“共振耦合”原理，将系统中各电路固有频率设置为一致，并通过整定电源频率使得各个电路回路处于谐振状态，以此实现系统共振以获得最大效率传输。但众所周知，该传能模式存在一个最佳传能点，一旦接收端偏离最佳传能位置，系统的效率将会急剧下降，这就是常说的频率分裂现象。

3、针对该现象，现有的解决方法主要有：最大能效频率跟踪、增加阻抗匹配网络或者调节系统耦合强度。最大能效频率跟踪就是通过增加检测、控制电路，运用相应的控制算法使得电源频率跟踪最大能效点的频率。增加阻抗匹配网络的实质就是调节系统的参数使得系统不存在频率分裂现象。调节系统耦合强度一般是机械调节接收端的位置或者方位，以此调节系统耦合强度使得系统不存在频率分裂现象。

4、效率跟踪就是通过增加相应的检测、控制电路，运用一些跟踪控制算法使得系统电源频率跟踪系统最大效率点的频率，因此该方法下的系统需要始终工作在变化的最优频率点，因而该方法不适用于存在一定频带范围的系统。增加阻抗匹配网络和调节系统耦合强度的实质都是通过改变系统内部参数使得系统退出过耦合区域而不存在频率分裂现象。而目前缺乏一套完整理论设计准则，能够快速准确得到mc-wpt系统各参数的临界耦合值。改变系统内在参数使得系统退出过耦合区域，可能会降低系统的最大传输效率。并且，增加阻抗匹配网络会相应地增加系统的阶数，因而系统控制的复杂度也会相应的增加。调节系统耦合强度一般通过机械调节谐振器的相对位置实现，因此不适用于谐振器位置相对固定或者需要不断移动的系统。

5、简而言之，目前缺乏一种能够简单实现强抗偏移的单中继mc-wpt系统。

技术实现思路

1、本发明提供一种单中继mc-wpt系统及其抗偏移参数设计方法，解决的技术问题在于：如何仅通过参数设计实现单中继mc-wpt系统的强抗偏移性能。

2、为解决以上技术问题，本发明提供单中继mc-wpt系统的抗偏移参数设计方法，该抗偏移参数设计方法具体包括步骤：

3、s1、建立单中继mc-wpt系统的电路模型；该单中继mc-wpt系统包括发射线圈、中继线圈和接收线圈，该单中继mc-wpt系统采用lcc-s-s型谐振补偿网络；

4、s2、根据单中继mc-wpt系统的电路拓扑，得出接收线圈的电流表达式和逆变器输出电流表达式；

5、s3、对单中继mc-wpt系统进行如下配谐：

6、

7、其中，α、β、γ分别为发射线圈、中继线圈和接收线圈的配谐率，ω为系统工作角频率，lp、lr、ls分别为发射线圈、中继线圈和接收线圈的自感，cp、cr、cs分别为发射线圈、中继线圈和接收线圈的串联补偿电容，cf为发射线圈的并联补偿电容；

8、s4、确定中继线圈的位置，该位置使得接收线圈的电流表达式的分母项为定值；

9、s5、设计中继线圈，使得系统在偏移过程中，互感mps、mpr和mrs中会发生变化的两个互感的变化量之比为一定值，mps、mpr和mrs分别表示发射线圈与接收线圈间的互感、发射线圈与中继线圈间的互感和中继线圈与接收线圈间的互感；

10、s6、以接收线圈的电流保持恒定为目的，基于接收线圈的电流表达式确定α；

11、s7、以提升系统的传输效率为目的，基于接收线圈的电流表达式确定β；

12、s8、以系统在耦合机构正对时刻实现零电压开关为目的，基于逆变器输出电流表达式确定γ。

13、进一步地，在所述步骤s4中，中继线圈的位置确定为位于接收侧，且与接收线圈共面，则在步骤s5中，互感mps、mpr在偏移过程中会发生变化，互感mrs不变，且有δmpr/δmps为一定值a，δmps和δmpr分别表示系统发生偏移后mps和mpr的变化量。

14、进一步地，在步骤s6中，基于接收线圈的电流表达式确定α具体为：

15、使δmprmrs-αlrδmps＝0，求得

16、进一步地，在步骤s7中，基于接收线圈的电流表达式确定β具体为：

17、使求得为接收线圈电流，im(·)表示虚部。

18、进一步地，在步骤s8中，基于逆变器输出电流表达式确定γ具体为：

19、使求得为逆变器输出电流，mpr,0为系统正对时发射线圈与中继线圈间的互感。

20、进一步地，在步骤s2中，接收线圈的电流表达式和逆变器输出电流表达式为：

21、

22、其中，为逆变器输出电流，rl为接收端整流桥前等效电阻，b、c、f、g是为简化公式自定义的参数，b、c、f、g表示为：

23、

24、

25、f＝ω2lrrl(mprmrs-αmpslr)

26、

27、进一步地，所述步骤s6具体为：

28、系统偏移后，f和g项变为：

29、f′＝ω2lrrl[mrs(mpr,0+δmpr)-αlr(mps,0+δmps)]

30、

31、其中，mps,0为系统正对时发射线圈与接收线圈间的互感；

32、使f'＝f，g'＝g，则应使δmprmrs-αlrδmps＝0，求得

33、进一步地，所述步骤s7具体为：

34、因则此时f'＝f，g'＝g，接收线圈电流变为：

35、

36、为减小系统能量损耗，提升系统的传输效率，使求得

37、进一步地，所述步骤s8具体为：

38、因则逆变器输出电流变为：

39、

40、为实现系统在正对时刻零电压开关，令求得

41、本发明还提供一种单中继mc-wpt系统，其关键在于，采用上述抗偏移参数设计方法进行参数配置。

42、本发明提供的单中继mc-wpt系统及其抗偏移参数设计方法，首先建立了单中继lcc-s-s电路模型，分析系统特性。然后基于系统特性，确定能够实现系统强抗偏移性能的中继线圈的位置。之后在中继线圈位置确定的基础上，基于系统特性，以接收线圈的电流保持恒定、提升系统的传输效率、系统在耦合机构正对时刻实现零电压开关为目的，确定发射线圈、中继线圈和接收线圈的配谐率，实现了电压的稳定输出和系统的强抗偏移性，最后通过仿真验证了该方法的可行性与有效性。

技术特征：

1.单中继mc-wpt系统的抗偏移参数设计方法，其特征在于，该抗偏移参数设计方法具体包括步骤：

2.根据权利要求1所述的单中继mc-wpt系统的抗偏移参数设计方法，其特征在于，在所述步骤s4中，中继线圈的位置确定为位于接收侧，且与接收线圈共面，则在步骤s5中，互感mps、mpr在偏移过程中会发生变化，互感mrs不变，且有δmpr/δmps为一定值a，δmps和δmpr分别表示系统发生偏移后mps和mpr的变化量。

3.根据权利要求2所述的单中继mc-wpt系统的抗偏移参数设计方法，其特征在于，在步骤s6中，基于接收线圈的电流表达式确定α具体为：

4.根据权利要求3所述的单中继mc-wpt系统的抗偏移参数设计方法，其特征在于，在步骤s7中，基于接收线圈的电流表达式确定β具体为：

5.根据权利要求4所述的单中继mc-wpt系统的抗偏移参数设计方法，其特征在于，在步骤s8中，基于逆变器输出电流表达式确定γ具体为：

6.根据权利要求5所述的单中继mc-wpt系统的抗偏移参数设计方法，其特征在于，在步骤s2中，接收线圈的电流表达式和逆变器输出电流表达式为：

7.根据权利要求6所述的单中继mc-wpt系统的抗偏移参数设计方法，其特征在于，所述步骤s6具体为：

8.根据权利要求7所述的单中继mc-wpt系统的抗偏移参数设计方法，其特征在于，所述步骤s7具体为：

9.根据权利要求8所述的单中继mc-wpt系统的抗偏移参数设计方法，其特征在于，所述步骤s8具体为：

10.一种单中继mc-wpt系统，其特征在于，采用权利要求1～9任一项所述的抗偏移参数设计方法进行参数配置。

技术总结本发明涉及磁耦合无线电能传输(MC‑WPT系统)技术领域，具体公开了一种单中继MC‑WPT系统及其抗偏移参数设计方法，该方法首先建立了单中继LCC‑S‑S电路模型，分析系统特性。然后基于系统特性，确定能够实现系统强抗偏移性能的中继线圈的位置。之后在中继线圈位置确定的基础上，基于系统特性，以接收线圈的电流保持恒定、提升系统的传输效率、系统在耦合机构正对时刻实现零电压开关为目的，确定发射线圈、中继线圈和接收线圈的配谐率，实现了电压的稳定输出和系统的强抗偏移性，最后通过仿真验证了该方法的可行性与有效性。技术研发人员：左志平,李英杰,王智慧,唐春森,徐志昊,何政受保护的技术使用者：重庆大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25