一种远距离WPT系统效率模型优化方法及装置与流程

一种远距离wpt系统效率模型优化方法及装置
技术领域
1.本发明主要涉及无线电充电技术领域，具体涉及到一种远距离wpt系统效率模型优化方法及装置。


背景技术：

2.无线电能传输(wireless power transfer，wpt)是一种不需要直接接触便可将能量由电源侧传递到负载侧的新兴技术，它避免了传统插头式系统中接触火花和漏电等安全问题，使人类应用电能的方式更加灵活。
3.现有的多中继模式无线电能传输系统是考虑相同线圈条件下，通过优化相邻线圈之间的距离进行中远距离能量传输，但是传输效率不高，针对不同尺寸的线圈构成的无线电能传输系统，传输效率不高且缺乏良好的优化方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种远距离wpt系统效率模型优化方法及装置，所述优化方法通过建立wpt效率模型，分析不同线圈尺寸排布下wpt系统效率，优化wpt系统中相邻线圈的距离，获得wpt系统效率最优模型，从而使系统在能量传输过程中始终工作在高效状态，有效改善了中远距离无线电能传输过程中效率较低的问题。
5.本发明提供了一种远距离wpt系统效率模型优化方法，所述优化方法包括：
6.确定wpt系统中无源整流器交流输入端侧的等效负载r
eq
；
7.基于ss拓扑简化等效电路模型，结合等效负载req，依据基尔霍夫电压定律，列写n线圈回路方程，并确定各个回路的电流；
8.根据每个回路的电流，构建wpt系统效率模型；
9.根据wpt系统效率模型，分析影响wpt系统效率提升的因素；
10.结合各种因素优化相邻线圈之间的距离，得到wpt系统效率最优模型。
11.进一步的，所述wpt系统包括发射侧结构单元，中继侧结构单元和接收侧结构单元，所述发射侧结构单元、所述中继侧结构单元和所述接收侧结构单元之间通过若干个线圈耦合连接；
12.所述wpt系统中若干个线圈的尺寸是不同的。
13.所述wpt系统中的线圈补偿电容和线圈自感满足下式：
[0014][0015]
其中，ω为系统的工作角频率，f是系统的工作频率，c1、c2、
……
、c
n-1
和cn为wpt系统中各个线圈的补偿电容，l1、l2、
……
、l
n-1
和ln为wpt系统中各个线圈的线圈自感。
[0016]
将所述直流负载r
l
代入公式得所述无源整流器交流输入侧等效负载r
eq
，所述公式为：
[0017][0018]
其中：r
eq
为无源整流器交流输入侧等效负载，vn为接收侧结构单元电压，in为接收侧结构单元电流，r
l
为直流负载。
[0019]
进一步的，所述n线圈回路方程为：
[0020][0021]
其中，ω为系统的工作角频率，j是虚数单位，z
ii
(i＝1,2,3
…
n-1)以及z
nn
分别为各个回路的阻抗，且可表示为：
[0022][0023]
其中，rn为n线圈回路负载电阻，r
eq
为无源整流器交流输入侧等效负载；
[0024]
简化所述回路方程：
[0025][0026]
各个回路的电流关系式可以表示为：
[0027][0028]
其中，m
12
…m(n-1)n
为远距离无线电传输系统中各个线圈之间的互感值，i1、i2、
…
、i
n-1
、in为各个线圈回路电流。
[0029]
将所述各个回路的电流代入公式确定各个回路的有功功率表达式：
[0030][0031]
所述远距离wpt系统效率模型可表示为：
[0032][0033]
其中，η为远距离wpt系统效率，p
out
为系统输出功率。
[0034]
将所述远距离wpt效率模型结合所述各个回路电流关系式，建立多因素影响下的远距离wpt系统效率模型：
[0035]
η＝f(m
12
,m
23
,m
34
,
…
,m
(n-1)n
,r
eq
)；
[0036]
其中：η为远距离wpt系统效率，m
12
…m(n-1)n
为远距离无线电传输系统中各个线圈之间的互感值。
[0037]
确定优化的目标函数：
[0038]
maxη(m,r)＝f(m
12
,m
23
,m
34
,
…
,m
(n-1)n
,r
eq
)；
[0039]
根据目标函数给出约束条件，列出需要的约束函数：
[0040][0041]
其中，d
total
为线圈间总距离，r
given
为给定负载；
[0042]
列出约束方程：
[0043][0044]
k(g)、e(g)分别为第一类和第二类椭圆积分，r1、r2为线圈的平均半径，d为相邻两线圈的距离，μ0为真空磁导率。
[0045]
将所述目标函数和所述约束函数在求解器中优化所述远距离wpt系统中相邻线圈的距离，获得wpt系统效率最优模型。
[0046]
本发明还提供了一种远距离wpt系统效率模型优化装置，所述装置包括：
[0047]
计算模块：确定wpt系统中无源整流器交流输入端侧的等效负载r
eq
；
[0048]
方程运算模块：基于ss拓扑简化等效电路模型，结合等效负载req，依据基尔霍夫电压定律，列写n线圈回路方程，并确定各个回路的电流；
[0049]
建模模块：根据每个回路的电流，构建wpt系统效率模型；
[0050]
分析模块：根据wpt系统效率模型，分析影响wpt系统效率提升的因素；
[0051]
优化模块：结合各种因素优化相邻线圈之间的距离，得到wpt系统效率最优模型。
[0052]
本发明提供了一种远距离wpt系统效率模型优化方法及装置，所述优化方法通过建立wpt效率模型，分析不同线圈尺寸排布下wpt系统效率，优化wpt系统中相邻线圈的距离，获得wpt系统效率最优模型，从而使系统在能量传输过程中始终工作在高效状态，有效改善了中远距离无线电能传输过程中效率较低的问题。
附图说明
[0053]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0054]
图1为本发明实施例中wpt系统结构示意图；
[0055]
图2为本发明实施例中wpt系统效率模型优化方法流程图；
[0056]
图3为本发明实施例中wpt系统效率模型优化装置示意图。
具体实施方式
[0057]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0058]
图1示出了本发明实施例中的wpt系统结构示意图，所述wpt系统包括发射侧结构单元1、中继侧结构单元2和接收侧结构单元3，所述发射侧结构单元1的发射侧电回路包括发射线圈11，所述发射侧结构单元1的直流输入电源的电压为v
in
，所述中继侧结构单元2的中继侧电回路包括第一中继电回路和第二中继电回路，所述第一中继电回路包括第一中继线圈21，所述第二中继电回路包括第二中继线圈22，所述接收侧结构单元3的接收侧电回路包括接收线圈31。
[0059]
具体的，所述发射线圈11和所述第一中继线圈之间的互感为m
12
，所述第一中继线圈21和所述第二中继线圈22的互感为m
23
，所述第二中继线圈22和所述接收线圈31之间的互感为m
34
，所述发射侧结构单元1的发射侧电回路的谐振补偿电容为c1，负载电阻为r1，所述第一中继电回路的谐振补偿电容为c2，负载电阻为r2，所述第二中继电回路的谐振补偿电容为c3，负载电阻为r3，所述接收侧结构单元3的接收侧电回路的谐振补偿电容为c4，负载电阻为r4，所述接收侧结构单元3的无源整流器与负载电阻r
l
电连接。
[0060]
所述发射线圈11、所述第一中继线圈21、所述第二中继线圈22和所述接收线圈31的尺寸不相同的。
[0061]
图2示出了本发明实施例中的远距离wpt系统效率模型优化方法流程图，所述wpt系统效率模型优化方法包括：
[0062]
s11：确定wpt系统中无源整流器交流输入端侧的等效负载r
eq
；
[0063]
具体的，发射线圈、中继线圈和接收线圈的补偿电容c1、c2、c3和c4与线圈自感应该满足下式：
[0064][0065]
其中，ω为系统的工作角频率，f是系统的工作频率。
[0066]
根据直流负载r
l
的大小，确定无源整流器交流输入侧等效负载r
eq
；
[0067]
将所述直流负载r
l
代入公式得所述无源整流器交流输入侧等效负载r
eq
，所述公式为：
[0068][0069]
其中：r
eq
为无源整流器交流输入侧等效负载，vn为接收侧结构单元电压，in为接收
侧结构单元电流，r
l
为直流负载。
[0070]
s12：基于ss拓扑简化等效电路模型，结合等效负载req，依据基尔霍夫电压定律，列写n线圈回路方程，并确定各个回路的电流；
[0071]
基于ss拓扑简化等效电路模型，依据基尔霍夫电压定律，列写四线圈回路方程，并确定各个回路的电流：
[0072][0073]
其中，m
12
、m
23
、m
34
为远距离无线电传输系统中各个线圈之间的互感值，i1、i2、
…
、i
n-1
、in为各个线圈回路电流
[0074]
确定各个回路的有功功率：
[0075][0076]
其中，p
out
为wpt系统输出功率。
[0077]
s13：根据每个回路的电流，构建wpt系统效率模型，求出系统的传输效率模型：
[0078][0079]
其中，η为远距离wpt系统效率，p
out
为系统输出功率。
[0080]
s14：根据wpt系统效率模型，分析影响wpt系统效率提升的因素；
[0081]
进一步的，在输入电压v
in
、角频率ω、不考虑各个回路交流电阻的情况下,可给出多因素影响的传输效率模型：
[0082]
η＝f(m
12
,m
23
,m
34
,r
eq
)；
[0083]
其中：η为远距离wpt系统效率，m
12
…m(n-1)n
为远距离无线电传输系统中各个线圈之间的互感值。
[0084]
进一步的，所述效率模型是在特定输入电压v
in
、特定工作频率ω以及忽略线圈内阻的情况下建立的，能够减少其它因素的影响，方便获取所述wpt系统中多线圈布置的最优距离。
[0085]
在实际工作中，为保证wpt系统能实现远距离、高效率的能量传输，还要根据实际情况考虑输入电压v
in
、线圈间互感m
12
、m
23
、
……
、m
(n-1)n
以及角频率ω和各个回路线圈电阻(r1、r2、
……
、r
n-1
、rn)之间的约束问题。
[0086]
s15：结合各种因素优化相邻线圈之间的距离，得到wpt系统效率最优模型：
[0087]
进一步的，在输入电压v
in
、角频率ω、不考虑各个回路交流电阻条件下，确定所求目标函数：
[0088]
maxη(m)＝f(m
12
,m
23
,m
34
,r
eq
)；
[0089]
依据所给出的目标函数，给出约束函数：
[0090][0091]
其中，d
total
为线圈间总距离，r
given
为给定负载；
[0092][0093]
k(g)、e(g)分别为第一类和第二类椭圆积分，r1、r2为线圈的平均半径，d为相邻两线圈的距离，μ0为真空磁导率。
[0094]
根据上述所给出的目标函数和约束函数，在求解器中优化相邻线圈之间的距离，得到所述wpt系统效率最优模型。
[0095]
本发明实施例提供了一种远距离wpt系统效率模型优化方法，所述优化方法通过建立wpt效率模型，分析不同线圈尺寸排布下wpt系统效率，优化wpt系统中相邻线圈的距离，获得wpt系统效率最优模型，从而使系统在能量传输过程中始终工作在高效状态，有效改善了中远距离无线电能传输过程中效率较低的问题。
[0096]
实施例二
[0097]
图3示出了本发明实施例中远距离wpt系统效率模型优化装置，所述装置包括：
[0098]
计算模块10：确定wpt系统中无源整流器交流输入端侧的等效负载r
eq
。
[0099]
具体的，所述wpt系统中的线圈补偿电容和线圈自感满足下式：
[0100][0101]
其中，ω为系统的工作角频率，f是系统的工作频率，c1、c2、
……
、c
n-1
和cn为wpt系统中各个线圈的补偿电容，l1、l2、
……
、l
n-1
和ln为wpt系统中各个线圈的线圈自感。
[0102]
进一步的，将所述直流负载r
l
代入公式得所述无源整流器交流输入侧等效负载r
eq
，所述公式为：
[0103][0104]
其中：r
eq
为无源整流器交流输入侧等效负载，vn为接收侧结构单元电压，in为接收侧结构单元电流，r
l
为直流负载。
[0105]
方程运算模块20：基于ss拓扑简化等效电路模型，结合等效负载req，依据基尔霍夫电压定律，列写n线圈回路方程，并确定各个回路的电流。
[0106]
所述n线圈回路方程为：
[0107]
[0108]
其中：ω为系统的工作角频率，j是虚数单位，z
ii
(i＝1,2,3
…
n-1)以及z
nn
分别为各个回路的阻抗，且可表示为：
[0109][0110]
其中，rn为n线圈回路负载电阻，r
eq
为无源整流器交流输入侧等效负载；
[0111]
简化所述回路方程：
[0112][0113]
各个回路的电流关系式可以表示为：
[0114][0115]
其中，m
12
…m(n-1)n
为远距离无线电传输系统中各个线圈之间的互感值，i1、i2、
…
、i
n-1
、in为各个线圈回路电流。
[0116]
建模模块30：根据每个回路的电流，构建wpt系统效率模型。
[0117]
具体的，将所述各个回路的电流代入公式确定各个回路的有功功率表达式：
[0118][0119]
所述远距离wpt系统效率模型可表示为：
[0120][0121]
其中，η为远距离wpt系统效率，p
out
为系统输出功率。
[0122]
分析模块40：根据wpt系统效率模型，分析影响wpt系统效率提升的因素。
[0123]
将所述远距离wpt效率模型结合所述各个回路电流关系式，建立多因素影响下的远距离wpt系统效率模型：
[0124]
η＝f(m
12
,m
23
,m
34
,
…
,m
(n-1)n
,r
eq
)；
[0125]
其中：η为远距离wpt系统效率，m
12
…m(n-1)n
为远距离无线电传输系统中各个线圈之间的互感值。
[0126]
进一步的，所述效率模型是在特定输入电压v
in
、特定工作频率ω以及忽略线圈内阻的情况下建立的，能够减少其它因素的影响，方便获取所述wpt系统中多线圈布置的最优
距离。
[0127]
在实际工作中，为保证wpt系统能实现远距离、高效率的能量传输，还要根据实际情况考虑输入电压v
in
、线圈间互感m
12
、m
23
、
……
、m
(n-1)n
以及角频率ω和各个回路线圈电阻(r1、r2、
……
、r
n-1
、rn)之间的约束问题。
[0128]
优化模块50：结合各种因素优化相邻线圈之间的距离，得到wpt系统效率最优模型。
[0129]
确定优化的目标函数：
[0130]
maxη(m,r)＝f(m
12
,m
23
,m
34
,
…
,m
(n-1)n
,r
eq
)；
[0131]
根据目标函数给出优化需要的约束函数：
[0132][0133]
其中，d
total
为线圈间总距离，r
given
为给定负载；
[0134][0135]
k(g)、e(g)分别为第一类和第二类椭圆积分，r1、r2为线圈的平均半径，d为相邻两线圈的距离，μ0为真空磁导率。
[0136]
将所述目标函数和所述约束函数在求解器中优化所述远距离wpt系统中相邻线圈的距离，获得wpt系统效率最优模型。
[0137]
本发明实施例提供了一种远距离wpt系统效率模型优化装置，所述装置根据wpt系统建立系统效率模型，通过模型分析计算优化相邻线圈的距离，获得最优的wpt系统效率模型，进而实现中远距离能量高效传输，有效改善中远距离无线电能传输过程中效率较低的问题。
[0138]
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(rom，readonly memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁盘或光盘等。
[0139]
另外，以上对本发明实施例所提供的进行了详细介绍，本文中应采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。