[发明专利]无线电力传输装置的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线电力传输装置的设计方法。

背景技术

磁谐振无线电力传输技术自2007年由美国麻省理工学院(MIT)提出以来，因其在传输距离上的优势，在军工业、消费电子、生命医学、电动汽车等行业具有广阔的市场前景，各种相关产品相继被开发出来。无线电力传输系统的一个固有特点是当收发线圈发生偏移时传输的功率和传输效率将大大降低，按照现有技术如专利CN 203014500U、专利CN 103208866A设计的无线电力传输系统，只有当无线电力传输系统的发射装置和接收装置处于完全对准或接近完全对准的位置时，才能达到期望的输出功率和效率。然而在实际的应用场合中，比如给手机或电动汽车进行无线充电时，发射装置和接收装置的相对位置存在一定偏移没有完全对准的情况是经常发生的。为此，专利CN 103342101A“感应式非接触充电定位对准装置及其定位方法”提出了一种解决方案，需要同时为该非接触充电装置额外配备车载夜视摄像头、超声波精确定位系统、地面移动平台，加上复杂的通信确认和闭环控制以便在每次充电过程中实现收发装置的精确定位，虽然解决了对准问题，但是这样的设计大大增加了系统结构复杂度以及用户操作复杂度，还增加了设计成本和维护难度。

发明内容

本发明的目的克服现有的无线电力传输装置设计方法的不足，提出一种能够拓宽无线电力传输装置有效工作范围的新的设计方法。本发明可以解决无线电力传输装置对线圈位置敏感的问题，避免过程复杂的线圈对准操作，减小系统结构复杂度、节约设计成本，并提高无线电力传输装置的使用方便性。

本发明设计方法适用于所有使用外接补偿电容的无线电力传输装置，尤其适用于采用了多个放大线圈多个补偿电容的无线电力传输系统，而对无线电力传输装置的功率等级、应用场合以及线圈的数目、几何形状、尺寸、绕制方式都没有要求，无论是绕成空心线圈还是采用一定的磁性屏蔽材料加强耦合均可。

本发明的核心内容是通过设计一组补偿电容来拓宽无线电力传输装置的有效工作范围，即当发射装置与接收装置的相对位置在很大范围内发生偏移时，无线电能传输装置均能维持额定功率的输出。先测取收发装置完全对准时的线圈参数，再测取收发装置偏移到最大容许偏移值时的线圈参数，然后通过两次非线性规划建模与求解，得到最终的补偿电容容值。

本发明包含以下步骤：

步骤A、在接收装置和发射装置完全对准的情况下，测量无线电力传输装置各个线圈的自身电气参数，以及两两线圈之间的互感，记为耦合矩阵M₀；

步骤B、在接收装置相对发射装置偏移到最大设计偏移值的情况下，再次测量各个线圈的自身电气参数及两两线圈之间的互感，记为新的耦合矩阵M₁；

步骤C、在接收装置和发射装置完全对准的情况下，以最大效率和指定功率为目标函数建立用于求取收发装置完全对准情况下的补偿电容容值C_opt0的非线性规划优化模型，迭代求出谐振补偿电容的最优容值C_opt0；

步骤D、考虑接收装置和发射装置相对位置发生偏离的影响，更改优化目标函数建立新的非线性规划模型，建立用于求取考虑线圈偏移的影响后的无线电力传输装置补偿电容容值C_opt1的非线性规划优化模型，以C_opt0为初值迭代求解优化问题，得到最终的谐振补偿电容容值C_opt1。

所述的步骤A中，各个线圈的自身电气参数包括在给定工作频率下发射线圈自感L和额定工作频率下的交流内阻r。测量两两线圈之间的互感时需尽量在无线电力传输装置实际的工作环境下进行测量。假设无线电力传输装置由n个线圈组成，第i个线圈的交流内阻记为r_i,自感记为L_i,i＝1,2,…,n,第i个线圈与第j个线圈的互感记为M_ij，所述耦合矩阵M₀的记法为：