磁耦合无线电能传输系统任意补偿拓扑实现实本征态方法

本技术涉及无线电能传输，特别是涉及一种磁耦合无线电能传输系统任意补偿拓扑实现实本征态方法。

背景技术：

1、无线电能传输(wpt)技术是实现无人操作、提高设备续航能力不可或缺的支撑技术。磁耦合无线电能传输(magnetic coupling wireless power transfer,mc-wpt)技术是目前技术最成熟、应用最广泛的wpt技术，已逐渐应用于消费电子、家用电器和电动汽车等领域。目前对mc-wpt系统的大多数研究都是使系统工作在mit磁共振模式，即发射回路与接收回路的固有频率设为相等，且让系统工作频率等于该固有频率的工作模式。对于一些需要动态无线电能传输的应用场合如无人机，实本征态工作模式相较于mit磁共振模式具有无可比拟的优势：1)空间自由度高；2)系统工作在实本征态模式时输入阻抗呈纯阻性，传输的无功功率小，传输效率较高。

2、此外，宇称-时间(parity-time,pt)对称工作模式近年来备受关注，传统的pt对称工作模式是通过对发射端和接收端谐振腔进行耦合模分析，求解出系统能稳定工作的频率。针对pt对称条件的推广目前研究较少，对于采用复合补偿拓扑的mc-wpt系统，pt对称工作条件的研究采用电路原理对元件近似简化，再用耦合模理论建模，得到的工作频率误差较大。对于任意拓扑mc-wpt系统，pt对称条件尚无一般性结论。

3、而目前mc-wpt系统广泛使用的mit磁共振模式存在频率分裂问题。为消除频率分裂，研究常采用阻抗匹配网络。阻抗匹配网络分为两种：一种是在发射端或者接收端使用电感和电容网络来实现阻抗变换的无源阻抗匹配网络，其中以lcc阻抗匹配网络为代表，通过调节补偿网络中的电容值来改变等效阻抗；另一种是在接收端负载处添加斩波电路，通过调节斩波电路中开关器件的开通时间占空比来调节负载阻抗的有源阻抗匹配法。无源阻抗匹配法中采用的阻抗匹配网络可能会使系统丧失零相角特性，降低系统整体效率。而现有采用有源阻抗匹配法的研究中采用的斩波电路常视其转换率为100％，再通过理论推导来确定开关器件的占空比设计，会不可避免地引入误差，从而降低系统整体效率。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高系统整体效率的磁耦合无线电能传输系统任意补偿拓扑实现实本征态方法。

2、一种磁耦合无线电能传输系统任意补偿拓扑实现实本征态方法，所述方法包括：

3、根据磁耦合无线电能传输系统的应用场景，确定合适的补偿元件zp1、zp2、zp3、zs1、zs2、zs3参数；

4、按照从小到大开始增大所述磁耦合无线电能传输系统的原边逆变电路的开关频率f，使所述磁耦合无线电能传输系统保持在原边电压电流同相位，并记下此时所述磁耦合无线电能传输系统的操作频率，获得各保持在原边电压电流同相位时的操作频率ω1,ω2,ω3,…,ωn；

5、依次调节所述磁耦合无线电能传输系统的操作频率为ω1,ω2,ω3,…,ωn，并断开副边回路，筛除原边电压电流仍同相的操作频率，获得获得剩余的操作频率ω1,ω2,ω3,…,ωs，s≤n；

6、将所述剩余的操作频率ωs确定为所述磁耦合无线电能传输系统实现实本征态工作模式所需要的本征频率；

7、根据各本征频率分析实本征态工作模式的能效，分析出各本征频率的输出功率和传输效率；

8、根据所述磁耦合无线电能传输系统的工作时需要达到的输出功率和传输效率，将所述磁耦合无线电能传输系统的操作频率调整为对应的本征频率，使所述磁耦合无线电能传输系统达到对应的输出功率和传输效率。

9、在其中一个实施例中，所述补偿元件由电感元件和电容元件组成，则补偿元件参数为zpi＝jxpi；zsi＝jxsi，其中i＝1,2,3。

10、在其中一个实施例中，所述根据各本征频率分析实本征态工作模式的能效，分析出各本征频率的输出功率和传输效率，包括：

11、根据直流+全桥逆变器简化成交流电源+电阻形式，对所述磁耦合无线电能传输系统的电路拓扑结构进行简化，获得系统稳态电路；

12、结合戴维南等效定理，对所述系统稳态电路进行简化，获得简化后等效电路；

13、结合所述简化后等效电路，根据基尔霍夫电压定律，确定所述磁耦合无线电能传输系统的稳态数学模型；

14、根据所述稳态数学模型进行分析，确定出所述磁耦合无线电能传输系统的操作频率为本征频率ωs，s＝1,2,3,…,s，时对应的副边电流以及原副电流幅值比；

15、根据所述副边电流以及原副电流幅值比，确定出所述磁耦合无线电能传输系统的操作频率为本征频率ωs时对应的输出功率和传输效率。

16、在其中一个实施例中，所述稳态数学模型为：

17、

18、

19、其中，rp1为原边线圈的内阻，ω为操作频率，rs为电源内阻，xp3为原边电路中的第三补偿元件，xp1为原边电路中的第一补偿元件，j为虚数单位，lp1为原边线圈自感，xp2为原边电路中的第二补偿元件，rs1为副边线圈的内阻，rl为，xs3为副边电路中的第三补偿元件，xs1为副边电路中的第一补偿元件，xs2为副边电路中的第二补偿元件，为原边电流，ls1为副边线圈自感，为全桥逆变器的输出电压，m为原边线圈和副边线圈间互感值，为副边线圈上电流。

20、在其中一个实施例中，所述副边电流为：

21、

22、其中，x1为原边回路电抗，x2为副边回路电抗。

23、在其中一个实施例中，所述原副电流幅值比为：

24、

25、其中，ip1为原边线圈上电流的模值，is1为副边线圈上电流的模值。

26、在其中一个实施例中，所述输出功率为：

27、

28、其中，pout为输出功率，rs1为副边线圈的内阻，为自原边补偿拓扑向逆变器输出端看进去的等效电压源的平方。

29、在其中一个实施例中，所述传输效率为：

30、

31、其中，η为传输效率。

32、上述磁耦合无线电能传输系统任意补偿拓扑实现实本征态方法，通过根据磁耦合无线电能传输系统的应用场景，确定合适的补偿元件zp1、zp2、zp3、zs1、zs2、zs3参数，按照从小到大开始增大所述磁耦合无线电能传输系统的原边逆变电路的开关频率f，使所述磁耦合无线电能传输系统保持在原边电压电流同相位，并记下此时所述磁耦合无线电能传输系统的操作频率，获得各保持在原边电压电流同相位时的操作频率ω1,ω2,ω3,…,ωn，次调节所述磁耦合无线电能传输系统的操作频率为ω1,ω2,ω3,…,ωn，并断开副边回路，筛除原边电压电流仍同相的操作频率，获得剩余的操作频率，所述剩余的操作频率确定为所述磁耦合无线电能传输系统实现实本征态工作模式所需要的本征频率，根据各本征频率分析实本征态工作模式的能效，分析出各本征频率的输出功率和传输效率，根据所述磁耦合无线电能传输系统的工作时需要达到的输出功率和传输效率，将所述磁耦合无线电能传输系统的操作频率调整为对应的本征频率，使所述磁耦合无线电能传输系统达到对应的输出功率和传输效率。由此，筛选出磁耦合无线电能传输系统的工作频率，不需要原副边通信就能实现实本征态工作机制，适用于任意补偿拓扑，提高了磁耦合无线电能传输系统的整体效率。