[發明專利]一種磁耦合諧振無線電能傳輸系統的中繼端位置確定方法

在審

• 申請號: 201811546300.4
• 申請日: 2018-12-18
• 公開（公告）號: CN111342563A
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 王浩;張福亮;李敬;王玉澤;李鐵成;朱配清;趙振江;孫哲鋒;陳睿
• 申請（專利權）人: 航天科工慣性技術有限公司
• 主分類號: H02J50/12
• 分類號: H02J50/12;H02J50/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種磁耦合諧振無線電能傳輸系統的中繼位置確定方法，包括以下步驟：

S1.配置磁耦合諧振無線電能傳輸系統，發射端(1)、中繼端(2)和接收端(3)三個諧振體具有相同的自諧振參數，并且處于同一軸線上；

S2.計算系統總能量

根據耦合模理論，具有中繼端(2)的磁耦合諧振無線電能傳輸系統的耦合方程組為：

其中a₁、a₂、a₃分別表示發射端(1)、中繼端(2)、接收端(3)三個諧振體的耦合模幅度；Γ₁、Γ₂、Γ₃分別表示發射端(1)、中繼端(2)、接收端(3)三個諧振體的損耗率；k₁₂、k₁₃、k₂₁、k₂₃、k₃₁、k₃₂分別表示發射端(1)與中繼端(2)、發射端(1)與接收端(3)、中繼端(2)與發射端(1)、中繼端(2)與接收端(3)、接收端(3)與發射端(1)、接收端(3)與中繼端(2)之間的耦合系數，根據系統的互易性：k₁₂＝k₂₁＝k₁、k₂₃＝k₃₂＝k₂、k₁₃＝k₃₁＝k₃；根據步驟S1的系統配置，發射端(1)和接收端(3)之間的耦合系數k₃＝0；

計算得到系統總能量W(t)為：

W(t)＝|a₁(t)|²+|a₂(t)|²+|a₃(t)|²＝e^-2Γt (2)

S3.構建加入中繼端(2)后的磁耦合諧振無線電能傳輸系統諧振子電路

加入中繼端(2)后的磁耦合諧振無線電能傳輸系統具有三個諧振子電路，并且具有相同的諧振參數，利用基爾霍夫電壓定律(KVL)得出傳輸系統的方程組：

其中

式中：R_s為高頻電源內阻；R_L為負載阻抗；R_so、L_s、C_s為發射端(1)固有阻抗、等效電感、等效電容；R_REP、L_REP、C_REP為中繼端(2)固有阻抗、等效電感、等效電容；R_ro、L_r、C_r為接收端(3)固有阻抗、等效電感、等效電容；k₁，k₂為系統中繼端(2)兩邊的耦合系數；I_S表示發射端(1)電流、I_R表示接收端(3)電流，I_REP表示中繼線圈電流，V_S為輸入電壓；

ω表示振蕩角頻率，ω₀表示諧振角頻率ω₁，ω₂為振蕩角頻率的兩個解；

S4.根據電路拓撲建立以負載電壓為核心的能量傳輸模型

通過式(6)得出系統的負載電壓為：

其中V_L為負載電壓，因為發射端(1)、接收端(3)、中繼端(2)具有相同的結構特性，因此L_S＝L_R，C_S＝C_R，R₁＝R_S+R_SO R₂＝R_L+R_ro，R₁表示發射端(1)的等效電阻，R₂表示接收端(3)等效電阻，發射端(1)和接收端(3)具有相同的品質因數，Q₁＝Q₂；中繼端(2)品質因數Q_REP≈∞，發射端(1)輻射阻抗等于接收端(3)輻射阻抗，遠小于負載阻抗和電源內阻，忽略不計，則有R₁＝R_S，R₂＝R_L；因此式(11)簡化為：

當k₁＝k₂時，V_L取得最大值，此時中繼端(2)位于發射端(1)與接收端(3)正中心的位置，系統負載端獲得最大功率；

S5.建立中繼系數模型

中繼端(2)與接收端(3)之間的耦合系數通過兩個天線之間的互感和電感來表示,如式(13)和式(14)，

D＝αD₁ (17)

D₂＝D-D₁＝(α-1)D₁ (18)

其中α為中繼系數，即總傳輸距離與一級傳輸距離的比值，n為線圈匝數，r為傳輸諧振體半徑，μ₀為真空磁導率；D為互感天線垂直距離，D₁為發射端(1)到中繼端(2)的垂直距離，D₂為中繼端(2)到接收端(3)的垂直距離，對于發射端(1)、中繼端(2)和接收端(3)具有相同的結構性質，所以對于該類型傳輸系統是定值，且L_S＝L_R＝L_REP＝L，因此得到：

當α＝2時，負載電壓比最大，即中繼端(2)位于發射端(1)與接收端(3)正中心的位置，系統負載端獲得最大功率。

2.如權利要求1所述的中繼位置確定方法，其特征在于，對傳統非中繼端(2)磁諧振磁耦合諧振無線電能傳輸系統，根據電路模型，應用基爾霍夫電壓定律，得到系統的負載電壓比：

其中k為傳統無中繼無線電能傳輸系統耦合系統，Q為傳統無中繼無線電能傳輸系統耦合系統傳輸端的品質因數；利用式(12)和式(24)的功率等效關系得到：

將式(19)代入得到中繼系數模型：

因為系統具有互易性，所以當非中繼系統中kQ＞1時，當非中繼系統中kQ＜1時，當非中繼系統中kQ＝1時，非中繼系統工作在最大負載電壓比情況下，那么同樣中繼系統也要工作在最大負載電壓比情況下，α＝2；因此，中繼端(2)位于發射端(1)與接收端(3)正中心時系統傳輸效率最高。