[发明专利]基于非同频振动模式的无线充电系统功率效率控制方法

权利要求书

1.基于非同频振动模式的无线充电系统功率效率控制方法，其特征在于：无线充电系统中源线圈、中继线圈和负载线圈均是由漆包铜线绕制而成的N匝螺线管；激励电源与源线圈相连接，负载与负载线圈相连接；漆包铜线横截面半径相等，均为r_c；螺线管匝间距相等，均为d’；源线圈、中继线圈和负载线圈半径均为r且该源线圈、中继线圈和负载线圈同轴设置；源线圈与负载线圈之间的距离固定为D；中继线圈在源线圈与负载线圈之间移动；源线圈与中继线圈之间的距离为d；负载线圈谐振频率等于激励电源的频率f₀；激励电源、源线圈和补偿电容串联形成第一谐振电路，中继线圈与补偿电容串联形成第二谐振电路，负载、负载线圈和补偿电容串联形成第三谐振电路；基于非同频振动模式的无线充电系统功率效率控制方法的具体过程为：

(1)保证输出功率最大时的设计步骤如下：

步骤a.当源线圈与中继线圈之间的距离为d₁时，首先根据系统输出功率计算公式分别对源线圈的补偿电容C₁和中继线圈的补偿电容C₂求偏导，令以上两偏导式均为0，求得n组源线圈和中继线圈的补偿电容值，分别表示为C_1n和C_2n(n＝1,2,3…)，将n组源线圈电容C_1n和中继线圈电容C_2n分别代入输出功率公式计算系统的输出功率，上述输出功率计算公式如下：

P_out＝|I₃|²R_L

其中

式中，Z₁₁＝R_S+R₁+j(ωL₁-1/(ωC₁))，Z₂₂＝R₂+j(ωL₂-1/(ωC₂))，Z₃₃＝R_L+R₃+j(ωL₃-1/(ωC₃))，V_S是激励电源电压，C_i(i＝1,2,3)分别是各个谐振电路所对应的补偿电容，R_i与L_i分别为对应谐振电路线圈的电阻和电感，R_S和R_L分别是激励电源内阻和负载电阻，I_i(i＝1,2,3)是流过第i个谐振电路的电流，M_ij(j＝1,2,3,i≠j)是第i个谐振电路与第j个谐振电路之间的互感，ω是激励源角频率；

比较n个输出功率值，将输出功率最大时对应的源线圈和中继线圈的匹配电容值，分别记为源线圈的最佳补偿电容值C_1opt与中继线圈的最佳补偿电容值C_2opt，分别将源线圈和中继线圈的最佳补偿电容值代入最优谐振频率计算公式即可得到第一谐振电路的最优谐振频率f₁和第二谐振电路的最优谐振频率f₂，构成源线圈与中继线圈之间的距离为d₁时的非同频振动模式，上述最优谐振频率计算公式如下：

式中，f_i是第i个谐振电路的谐振频率；

步骤b.当源线圈与中继线圈之间的距离d改变时，重复(1)中的步骤a操作得到不同距离d处第一谐振电路和第二谐振电路的最优谐振频率，实现了距离d变化条件下源线圈和中继线圈均在最优频率处谐振，完成距离d变化条件下的保证输出功率最大时的非同频振动模式构建；

(2)保证传输效率最高时的设计步骤如下：

步骤a.当源线圈与中继线圈之间的距离为d₁时，由于系统传输效率公式不包含C₁，根据传输效率公式对中继线圈的补偿电容C₂求偏导，令偏导式等于0，求得n个中继线圈的补偿电容值C_2n(n＝1,2,3…)，将n个中继线圈补偿电容值代入传输效率公式计算系统的效率，上述系统传输效率公式为：

比较n个效率值，将效率值最大对应的中继线圈的补偿电容值记为中继线圈的最佳补偿电容值C_2opt，将中继线圈的最佳补偿电容值代入最优谐振频率计算公式即可得到第二谐振电路的最优谐振频率f₂，此时中继线圈在频率f₂处谐振，上述最优谐振频率计算公式如下：

当源线圈与中继线圈之间的距离为d₁时，令C₂等于中继线圈的最佳补偿电容值为C_2opt，然后，根据输出功率公式对源线圈的补偿电容C₁求偏导，令偏导式等于0，求得n个源线圈的电容值C_1n(n＝1,2,3…)，将n个源线圈电容代入输出功率公式计算并比较系统的输出功率，系统输出功率公式如下：

P_out＝|I₃|²R_L

将输出功率最大对应的源线圈的补偿电容值记为源线圈的最佳补偿电容值C_1opt，将源线圈的最佳补偿电容值代入最优谐振频率计算公式即可得到谐振电路1的最优谐振频率f₁，此时中继线圈在频率f₂处谐振；

步骤b.当源线圈与中继线圈之间的距离d改变时，重复(2)中的步骤a操作即可得到不同距离d处第一谐振电路和第二谐振电路的最优谐振频率，最终完成距离d变化条件下保证传输效率最高时的非同频振动模式构建。