本發(fā)明涉及無線電能傳輸技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種無線電能傳輸系統(tǒng)及基于距離自適應(yīng)的驅(qū)動(dòng)線圈配置方法。

背景技術(shù)：

近些年，由于傳統(tǒng)有線輸電系統(tǒng)接觸線易產(chǎn)生火花、導(dǎo)體易消損問題的突出，無線電能傳輸技術(shù)的研究越來越受到人們的重視，該技術(shù)的應(yīng)用范圍也從小型移動(dòng)設(shè)備向工業(yè)領(lǐng)域不斷擴(kuò)寬。2007年麻省理工科學(xué)家在無線電能傳輸技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了新的突破，發(fā)現(xiàn)磁耦合諧振式技術(shù)能夠有效地提高無線電能傳輸距離和傳輸功率，并在實(shí)驗(yàn)中成功點(diǎn)亮了2米外的一盞功率為60瓦的燈泡。自此，磁耦合諧振式技術(shù)成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者在中遠(yuǎn)距離無線電能傳輸中研究的重點(diǎn)技術(shù)。

由于兩線圈的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率對(duì)距離較為敏感，國(guó)內(nèi)外研究者通常采用增加中繼線圈的方式來進(jìn)一步擴(kuò)寬傳輸范圍，提高傳輸效率，常見的主要有三線圈和四線圈結(jié)構(gòu)。但是不論哪種結(jié)構(gòu)，當(dāng)傳輸距離發(fā)生變化時(shí)，線圈之間耦合也會(huì)發(fā)生變化，使系統(tǒng)出現(xiàn)頻率分裂現(xiàn)象，而頻率分裂現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)使系統(tǒng)的傳輸效率急劇下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種無線電能傳輸系統(tǒng)及基于距離自適應(yīng)的驅(qū)動(dòng)線圈配置方法，采用對(duì)稱式的四線圈無線電能傳輸系統(tǒng)并且驅(qū)動(dòng)線圈組為采用非同軸結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸裝置的輕便性，有效降低系統(tǒng)損耗，基于距離自適應(yīng)的驅(qū)動(dòng)線圈配置方法能夠在傳輸距離發(fā)生變化時(shí)，保證系統(tǒng)仍然以最大效率進(jìn)行無線電能傳輸，大大提高了系統(tǒng)效率。

一方面，本發(fā)明提供一種無線電能傳輸系統(tǒng)，為非同軸四線圈磁耦合諧振式系統(tǒng)，包括高頻驅(qū)動(dòng)電源、驅(qū)動(dòng)線圈組、發(fā)射線圈、接收線圈和負(fù)載線圈組；所述高頻驅(qū)動(dòng)電源與驅(qū)動(dòng)線圈組串聯(lián)構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路回路；所述負(fù)載線圈組的兩端與需用電的負(fù)載連接構(gòu)成負(fù)載電路回路；所述發(fā)射線圈和接收線圈依次獨(dú)立且同軸設(shè)置于驅(qū)動(dòng)線圈組和負(fù)載線圈組之間，發(fā)射線圈與接收線圈完全對(duì)稱；驅(qū)動(dòng)線圈組包括n個(gè)并聯(lián)的驅(qū)動(dòng)線圈，負(fù)載線圈組包括n個(gè)并聯(lián)的負(fù)載線圈，負(fù)載線圈組與驅(qū)動(dòng)線圈組完全對(duì)稱；所述驅(qū)動(dòng)線圈、發(fā)射線圈、接收線圈和負(fù)載線圈均包括電感線圈和串聯(lián)補(bǔ)償電容，所述驅(qū)動(dòng)線圈組和負(fù)載線圈組中電感線圈的一端連接于一點(diǎn)，另一端分別串聯(lián)相應(yīng)的串聯(lián)補(bǔ)償電容；高頻驅(qū)動(dòng)電源與驅(qū)動(dòng)線圈組之間、負(fù)載線圈組與需用電的負(fù)載之間均通過選擇開關(guān)連接，保證驅(qū)動(dòng)線圈組中的驅(qū)動(dòng)線圈根據(jù)傳輸距離選擇性接通，負(fù)載線圈相對(duì)稱接通；n個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈為非同軸結(jié)構(gòu)且在同一平面；n個(gè)負(fù)載線圈為非同軸結(jié)構(gòu)且在同一平面，n的具體取值根據(jù)最大傳輸距離進(jìn)行配置確定。

另一方面，本發(fā)明還提供一種基于距離自適應(yīng)的無線電能傳輸系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)線圈配置方法，該方法以上述的非同軸四線圈磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)為基礎(chǔ)，計(jì)算出該系統(tǒng)的傳輸效率表達(dá)式，并得出系統(tǒng)最大效率傳輸時(shí)耦合系數(shù)和線圈品質(zhì)因數(shù)應(yīng)滿足的條件，通過將該條件轉(zhuǎn)化為與驅(qū)動(dòng)線圈半徑有關(guān)的隱式函數(shù)，求得驅(qū)動(dòng)線圈的最佳半徑，進(jìn)而確定驅(qū)動(dòng)線圈的電感和串聯(lián)補(bǔ)償電容，完成一個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈的配置，負(fù)載線圈與驅(qū)動(dòng)線圈參數(shù)完全一致；然后改變發(fā)射線圈與接收線圈之間的傳輸距離，仍以上述方法配置一個(gè)新的驅(qū)動(dòng)線圈；再改變發(fā)射線圈與接收線圈之間的傳輸距離，再以上述方法再配置一個(gè)新的驅(qū)動(dòng)線圈；如此循環(huán)，直到配置完n個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈，完成驅(qū)動(dòng)線圈組的全部配置；當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行無線電能傳輸時(shí)，根據(jù)實(shí)際的傳輸距離，在n個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈中選擇其半徑、電感和串聯(lián)補(bǔ)償電容滿足最大傳輸效率條件的驅(qū)動(dòng)線圈導(dǎo)通，使系統(tǒng)始終以最大效率傳輸?shù)臓顟B(tài)進(jìn)行無線電能傳輸。

進(jìn)一步地，所述發(fā)射線圈與接收線圈之間的傳輸距離的改變?yōu)橐缘攘窟f增改變，遞增量即相鄰兩個(gè)傳輸距離之間的距離差為其中d為最大傳輸距離，即根據(jù)實(shí)際條件限定的發(fā)射線圈與接收線圈之間的最大距離，配置中的各傳輸距離為di＝i·δd，i＝1，2，…，n。

進(jìn)一步地，基于距離自適應(yīng)的驅(qū)動(dòng)線圈配置方法中求得驅(qū)動(dòng)線圈最佳半徑、電感和串聯(lián)補(bǔ)償電容的具體步驟如下：

步驟1：設(shè)定無線電能傳輸系統(tǒng)的基本參數(shù)，并初始化循環(huán)變量i＝1；設(shè)定高頻驅(qū)動(dòng)源的角頻率為ω0，系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)線圈、發(fā)射線圈、接收線圈及負(fù)載線圈均滿足在此角頻率下發(fā)生諧振；系統(tǒng)發(fā)射線圈與接收線圈的電感、電阻、品質(zhì)因數(shù)和串聯(lián)補(bǔ)償電容分別相同，即lt＝lr、rt＝rr、qt＝qr、ct＝cr；發(fā)射線圈與接收線圈的電感參數(shù)人為設(shè)定，驅(qū)動(dòng)線圈和負(fù)載線圈的電感參數(shù)通過計(jì)算所得，驅(qū)動(dòng)線圈和負(fù)載線圈的電感、串聯(lián)補(bǔ)償電容、電阻、品質(zhì)因數(shù)分別相同，即ldi＝lli、rdi＝rli、cdi＝cli、qdi＝qli，i＝1，2，…，n；系統(tǒng)中所有線圈使用的繞線半徑均相同，記為a；

步驟2：當(dāng)發(fā)射線圈與接收線圈之間的傳輸距離為di時(shí)，確定無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率表達(dá)式如式(1)所示；

其中，kdit、ktr分別表示驅(qū)動(dòng)線圈與發(fā)射線圈之間的耦合系數(shù)、發(fā)射線圈與接收線圈之間的耦合系數(shù)；

步驟3：對(duì)傳輸效率表達(dá)式(1)進(jìn)行求偏導(dǎo)確定使傳輸效率最大時(shí)無線電能傳輸系統(tǒng)應(yīng)滿足的條件為式(2)；

步驟4：通過互感計(jì)算公式計(jì)算出發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感mtr，互感計(jì)算公式如式(3)所示；

其中，μ0為真空磁導(dǎo)率，數(shù)值為4π×10^-7；rt是發(fā)射線圈的半徑，rr是接收線圈的半徑；d為發(fā)射線圈與接收線圈橫向偏移(中心軸之間)的距離；k²＝4αv((1+αv)²+β²)^-1，其中α＝rrrt^-1，β＝dirt^-1，di為發(fā)射線圈與接收線圈所在平面之間的距離，也即發(fā)射線圈與接收線圈之間的傳輸距離；ψ(k)＝(1-k²/2)k(k)-e(k)，k(k)和e(k)分別是第一類橢圓積分和第二類橢圓積分，

步驟5：根據(jù)發(fā)射線圈電感l(wèi)t、接收線圈電感l(wèi)r和發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感mtr，確定發(fā)射線圈與接收線圈之間的耦合系數(shù)ktr，計(jì)算公式如式(4)所示；

步驟6：設(shè)定驅(qū)動(dòng)線圈的半徑為rdi，在距離不變、發(fā)射線圈確定的情況下，根據(jù)互感的計(jì)算公式(5)和耦合系數(shù)的計(jì)算公式(6)確定驅(qū)動(dòng)線圈與發(fā)射線圈之間的耦合系數(shù)kdit與驅(qū)動(dòng)線圈半徑rdi的隱函數(shù)關(guān)系；

其中，rt是發(fā)射線圈的半徑；d′為驅(qū)動(dòng)線圈與發(fā)射線圈橫向偏移(中心軸之間)的距離；k′²＝4α′v′((1+α′v′)²+β′²)^-1，其中α′＝rtrdi^-1，β′＝crdi^-1，v′＝(1+d′²rt^-2-2d′rt^-1cosφ)^1/2，c為驅(qū)動(dòng)線圈和發(fā)射線圈所在平面之間的距離；

步驟7：驅(qū)動(dòng)線圈的電感l(wèi)di與半徑rdi有如下關(guān)系，

ldi＝μ0rdi[ln(8rdi/a)-1.75](7)

則驅(qū)動(dòng)線圈的品質(zhì)因數(shù)為qdi＝ω0ldi/rdi，是驅(qū)動(dòng)線圈半徑rdi的函數(shù)；

根據(jù)傳輸效率最大時(shí)無線電能傳輸系統(tǒng)滿足的條件式(2)，確定唯一的驅(qū)動(dòng)線圈半徑rdi；

步驟8：根據(jù)步驟7中確定的驅(qū)動(dòng)線圈半徑rdi與式(7)，確定驅(qū)動(dòng)線圈的電感l(wèi)di；根據(jù)諧振頻率公式確定驅(qū)動(dòng)線圈串聯(lián)補(bǔ)償電容cdi，此時(shí)系統(tǒng)以最大效率進(jìn)行無線電能傳輸；

步驟9：判斷循環(huán)變量i是否等于n，若是，則步驟結(jié)束，完成驅(qū)動(dòng)線圈的配置；若否，則i＝i+1，使傳輸距離等量遞增一次，返回步驟2，確定新的驅(qū)動(dòng)線圈半徑、電感和串聯(lián)補(bǔ)償電容。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供的一種無線電能傳輸系統(tǒng)及基于距離自適應(yīng)的驅(qū)動(dòng)線圈配置方法，無線電能傳輸系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)線圈組采用非同軸結(jié)構(gòu)，n個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈都在同一平面，可以使無線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端體積大大縮小，實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸裝置的輕便性，并能有效避免驅(qū)動(dòng)電源與驅(qū)動(dòng)線圈之間過長(zhǎng)的連接線，有效降低系統(tǒng)損耗；以非同軸四線圈磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)距離自適應(yīng)最大效率無線電能傳輸為目標(biāo)，通過驅(qū)動(dòng)線圈配置方法對(duì)驅(qū)動(dòng)線圈組的n個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)無線電能的最大效率傳輸，當(dāng)傳輸距離發(fā)生變化時(shí)，仍能保證無線電能傳輸系統(tǒng)以最大效率進(jìn)行無線電能傳輸，大大提高了系統(tǒng)效率，很好地解決了當(dāng)傳輸距離發(fā)生變化時(shí)無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率急劇下降的難題，為中距離無線電能傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)距離自適應(yīng)的最大效率傳輸提供明確的指導(dǎo)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的無線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D；

圖2為圖1的等效電路圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于距離自適應(yīng)的驅(qū)動(dòng)線圈配置方法流程圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的無線電能傳輸系統(tǒng)傳輸效率與傳輸距離的關(guān)系曲線圖。

圖中：1、高頻驅(qū)動(dòng)電源；2、驅(qū)動(dòng)線圈組；3、發(fā)射線圈；4、接收線圈；5、負(fù)載線圈組；6、負(fù)載；7、驅(qū)動(dòng)電路；8、發(fā)射電路；9、接收電路；10、負(fù)載電路；11、選擇開關(guān)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

一種無線電能傳輸系統(tǒng)，為非同軸四線圈磁耦合諧振式系統(tǒng)，包括高頻驅(qū)動(dòng)電源1、驅(qū)動(dòng)線圈組2、發(fā)射線圈3、接收線圈4和負(fù)載線圈組5。高頻驅(qū)動(dòng)電源1與驅(qū)動(dòng)線圈組2串聯(lián)構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路回路，負(fù)載線圈組5的兩端與需用電的負(fù)載6連接構(gòu)成負(fù)載電路回路；發(fā)射線圈3和接收線圈4依次獨(dú)立且同軸設(shè)置于驅(qū)動(dòng)線圈組2和負(fù)載線圈組5之間，發(fā)射線圈3與接收線圈4完全對(duì)稱。驅(qū)動(dòng)線圈組2包括n個(gè)并聯(lián)的驅(qū)動(dòng)線圈，負(fù)載線圈組5包括n個(gè)并聯(lián)的負(fù)載線圈，負(fù)載線圈組5與驅(qū)動(dòng)線圈組2完全對(duì)稱；驅(qū)動(dòng)線圈、發(fā)射線圈、接收線圈和負(fù)載線圈均包括電感線圈和相應(yīng)的串聯(lián)補(bǔ)償電容，驅(qū)動(dòng)線圈組2和負(fù)載線圈組5中電感線圈的一端連接于一點(diǎn)，另一端分別串聯(lián)相應(yīng)的串聯(lián)補(bǔ)償電容，高頻驅(qū)動(dòng)電源1與驅(qū)動(dòng)線圈組2之間、負(fù)載線圈組5與需用電的負(fù)載6之間均通過選擇開關(guān)11連接，保證驅(qū)動(dòng)線圈組2中的驅(qū)動(dòng)線圈根據(jù)傳輸距離選擇性接通，負(fù)載線圈相對(duì)稱接通；n個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈為非同軸結(jié)構(gòu)且在同一平面；n個(gè)負(fù)載線圈為非同軸結(jié)構(gòu)且在同一平面，n的具體取值根據(jù)最大傳輸距離進(jìn)行配置確定，本實(shí)施例中，最大傳輸距離(即由于實(shí)際條件限定的發(fā)射線圈與接收線圈所在平面之間的最大距離)為0.5m，驅(qū)動(dòng)線圈的個(gè)數(shù)n＝4，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。

如圖2所示為上述無線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路圖(n＝4)，包括驅(qū)動(dòng)電路7、發(fā)射電路8、接收電路9和負(fù)載電路10。驅(qū)動(dòng)電路7包括高頻驅(qū)動(dòng)電源vs及其內(nèi)阻rs和4組并聯(lián)的crl電路，其中l(wèi)di(i＝1，2，3，4)為驅(qū)動(dòng)線圈的電感，rdi(i＝1，2，3，4)為驅(qū)動(dòng)線圈的寄生電阻，cdi(i＝1，2，3，4)為驅(qū)動(dòng)線圈的串聯(lián)補(bǔ)償電容。發(fā)射電路8包括一組串聯(lián)的crl電路，其中l(wèi)t為發(fā)射線圈的電感，rt為發(fā)射線圈的寄生電阻，ct為發(fā)射線圈的串聯(lián)補(bǔ)償電容。接收電路9包括一組串聯(lián)的crl電路，其中l(wèi)r為接收線圈的電感，rr為接收線圈的寄生電阻，cr為接收線圈的串聯(lián)補(bǔ)償電容。負(fù)載電路10包括負(fù)載電阻rl和4組并聯(lián)的crl電路，其中l(wèi)li(i＝1，2，3，4)為負(fù)載線圈的電感，rli(i＝1，2，3，4)為負(fù)載線圈的寄生電阻，cli(i＝1，2，3，4)為負(fù)載線圈的串聯(lián)補(bǔ)償電容。

基于上述的非同軸四線圈磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)距離自適應(yīng)最大效率無線電能傳輸，解決當(dāng)傳輸距離發(fā)生變化時(shí)無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率急劇下降的難題，本實(shí)施例提供一種基于距離自適應(yīng)的驅(qū)動(dòng)線圈配置方法，先計(jì)算出系統(tǒng)的無線電能傳輸效率表達(dá)式，并得出系統(tǒng)最大效率傳輸時(shí)耦合系數(shù)應(yīng)滿足的條件，通過將該條件轉(zhuǎn)化為與驅(qū)動(dòng)線圈半徑有關(guān)的隱式函數(shù)，求得驅(qū)動(dòng)線圈的最佳半徑，進(jìn)而確定驅(qū)動(dòng)線圈的電感和串聯(lián)補(bǔ)償電容，完成一個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈的配置；然后等量遞增改變發(fā)射線圈與接收線圈之間的傳輸距離，仍以上述方法配置一個(gè)新的驅(qū)動(dòng)線圈；再改變發(fā)射線圈與接收線圈之間的傳輸距離，再以上述方法再配置一個(gè)新的驅(qū)動(dòng)線圈；如此循環(huán)，直到配置完n個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈，完成驅(qū)動(dòng)線圈組2的全部配置。其中，發(fā)射線圈與接收線圈之間的傳輸距離等量遞增改變時(shí)的遞增量即相鄰兩個(gè)傳輸距離之間的距離差為其中d為最大傳輸距離，配置中變化的各傳輸距離為di＝i·δd，i＝1，2，…，n。本實(shí)施例中，根據(jù)最大傳輸距離0.5m，傳輸距離遞增量為0.1m，變化四次傳輸距離，從而配置4個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈。具體實(shí)施中，發(fā)射線圈與接收線圈之間的傳輸距離的改變也可以是等量遞減改變，其配置結(jié)果與等量遞增改變的配置結(jié)果是一樣的，也可以根據(jù)實(shí)際的最大傳輸距離與實(shí)際條件，人為設(shè)定配置中傳輸距離改變的規(guī)則。負(fù)載線圈與驅(qū)動(dòng)線圈參數(shù)完全一致，且負(fù)載線圈跟隨驅(qū)動(dòng)線圈變化。如圖3所示，驅(qū)動(dòng)線圈配置的具體方法的如下。

步驟1：設(shè)定無線電能傳輸系統(tǒng)的基本參數(shù)，并初始化循環(huán)變量i＝1；設(shè)定高頻驅(qū)動(dòng)源的角頻率為ω0，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)線圈、發(fā)射線圈、接收線圈及負(fù)載線圈均滿足在此頻率下發(fā)生諧振；系統(tǒng)中所有線圈使用繞線相同，且繞線半徑為a；系統(tǒng)發(fā)射線圈與接收線圈完全對(duì)稱，驅(qū)動(dòng)線圈組與負(fù)載系線圈組完全對(duì)稱，因此發(fā)射線圈的電感、電阻、品質(zhì)因數(shù)和串聯(lián)補(bǔ)償電容與接收線圈的電感、電阻、品質(zhì)因數(shù)和串聯(lián)補(bǔ)償電容分別相同，即lt＝lr、rt＝rr、qt＝qr、ct＝cr，驅(qū)動(dòng)線圈的電感、串聯(lián)補(bǔ)償電容、電阻、品質(zhì)因數(shù)與負(fù)載系線圈的電感、串聯(lián)補(bǔ)償電容、電阻、品質(zhì)因數(shù)分別相同，即ldi＝lli、rdi＝rli、cdi＝cli、qdi＝qli，i＝1，2，3，4。發(fā)射線圈與接收線圈電感參數(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)人為設(shè)定，驅(qū)動(dòng)線圈和負(fù)載線圈的電感參數(shù)在設(shè)計(jì)過程中通過計(jì)算所得，本實(shí)施例中，角頻率ω0＝2π*13.56mhz，繞線半徑a＝2.5mm，發(fā)射線圈與接收線圈電感l(wèi)t＝lr＝15.56uh。

根據(jù)諧振頻率公式確定發(fā)射線圈的串聯(lián)補(bǔ)償電容為接收線圈的串聯(lián)補(bǔ)償電容為根據(jù)寄生電阻計(jì)算公式其中σ和l分別表示銅線電導(dǎo)率和線圈總長(zhǎng)(抻直之后的長(zhǎng)度)，確定發(fā)射線圈的寄生電阻為接收線圈的寄生電阻為根據(jù)品質(zhì)因數(shù)計(jì)算公式確定發(fā)射線圈的品質(zhì)因數(shù)為接收線圈的品質(zhì)因數(shù)為

步驟2：當(dāng)傳輸距離為di(發(fā)射線圈3與接收線圈4之間的距離)時(shí)，確定無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率η，表達(dá)式如式(1)所示；

其中，kdit、ktr分別表示驅(qū)動(dòng)線圈與發(fā)射線圈之間的耦合系數(shù)、發(fā)射線圈與接收線圈之間的耦合系數(shù)。本實(shí)施例中，首先設(shè)定傳輸距離為d1＝0.1m。

步驟3：對(duì)傳輸效率表達(dá)式(1)進(jìn)行求偏導(dǎo)確定使傳輸效率最大時(shí)無線電能傳輸系統(tǒng)應(yīng)滿足的條件為式(2)；

只有當(dāng)耦合系數(shù)kdit、ktr和品質(zhì)因數(shù)qdi、qt滿足上式關(guān)系時(shí)，系統(tǒng)無線電能傳輸?shù)男什攀亲畲蟮摹?/p>

步驟4：通過互感計(jì)算公式計(jì)算出發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感mtr，互感計(jì)算公式如式(3)所示。

其中，μ0為真空磁導(dǎo)率，數(shù)值為4π×10^-7；rt是發(fā)射線圈的半徑，rr是接收線圈的半徑；d為發(fā)射線圈與接收線圈橫向偏移(中心軸之間)的距離；k²＝4αv((1+αv)²+β²)^-1，其中α＝rrrt^-1，β＝dirt^-1，di為發(fā)射線圈與接收線圈所在平面之間的距離，也即發(fā)射線圈與接收線圈之間的傳輸距離；ψ(k)＝(1-k²/2)k(k)-e(k)，k(k)和e(k)分別是第一類橢圓積分和第二類橢圓積分，φ和θ是積分符號(hào)，計(jì)算結(jié)果里不會(huì)出現(xiàn)。本實(shí)施例中，計(jì)算得到發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感為mtr＝1.2450μh。

步驟5：根據(jù)步驟1中發(fā)射線圈電感l(wèi)t、接收線圈電感l(wèi)r和步驟4中計(jì)算出的發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感mtr，確定發(fā)射線圈與接收線圈之間的耦合系數(shù)ktr，計(jì)算公式如式(4)所示。

本實(shí)施例中，計(jì)算發(fā)射線圈與接收線圈之間的耦合系數(shù)為ktr＝0.1281。

步驟6：設(shè)定驅(qū)動(dòng)線圈的半徑為rdi，在距離不變、發(fā)射線圈確定的情況下，根據(jù)互感的計(jì)算公式(5)和耦合系數(shù)的計(jì)算公式(6)確定驅(qū)動(dòng)線圈與發(fā)射線圈之間的耦合系數(shù)kdit與驅(qū)動(dòng)線圈半徑rdi的隱函數(shù)關(guān)系。

其中，rt是發(fā)射線圈的半徑；d′為驅(qū)動(dòng)線圈與發(fā)射線圈橫向偏移(中心軸之間)的距離；k′²＝4α′v′((1+α′v′)²+β′²)^-1，其中α′＝rtrdi^-1，β′＝crdi^-1，v′＝(1+d′²rt^-2-2d′rt^-1cosφ)^1/2，c為驅(qū)動(dòng)線圈和發(fā)射線圈所在平面之間的距離，為了減小發(fā)射端體積，c取一個(gè)較小值，本實(shí)施例中c＝0.025m。

步驟7：驅(qū)動(dòng)線圈的電感l(wèi)di與rdi有如下關(guān)系，

ldi＝μ0rdi[ln(8rdi/a)-1.75](7)

則驅(qū)動(dòng)線圈的品質(zhì)因數(shù)qdi＝ω0ldi/rdi也是驅(qū)動(dòng)線圈半徑rdi的函數(shù)；根據(jù)傳輸效率最大時(shí)無線電能傳輸系統(tǒng)滿足的條件式(2)，確定唯一的驅(qū)動(dòng)線圈的半徑。本實(shí)施例中，當(dāng)傳輸距離為d1＝0.1m時(shí)，確定的驅(qū)動(dòng)線圈半徑為rd1＝0.095m。

將系統(tǒng)最大效率傳輸應(yīng)滿足的條件轉(zhuǎn)化為一個(gè)與驅(qū)動(dòng)線圈半徑rdi有關(guān)的隱式函數(shù)，通過求解出最佳的半徑rdi來反向推導(dǎo)驅(qū)動(dòng)線圈的電感，進(jìn)而得到驅(qū)動(dòng)線圈的串聯(lián)補(bǔ)償電容。

步驟8：根據(jù)步驟7中確定的驅(qū)動(dòng)線圈半徑rdi與式(7)，確定驅(qū)動(dòng)線圈電感l(wèi)di；根據(jù)諧振頻率公式確定驅(qū)動(dòng)線圈串聯(lián)補(bǔ)償電容cdi。本實(shí)施例中，當(dāng)傳輸距離為d1＝0.1m時(shí)，確定的驅(qū)動(dòng)線圈電感為ld1＝2.245μh，驅(qū)動(dòng)線圈串聯(lián)補(bǔ)償電容為cd1＝61.363pf。系統(tǒng)負(fù)載線圈與驅(qū)動(dòng)線圈參數(shù)完全一致，此時(shí)系統(tǒng)以最大效率進(jìn)行無線電能傳輸。

步驟9：判斷循環(huán)變量i是否等于n，若是，則驅(qū)動(dòng)線圈的配置完成；若否，則i＝i+1，使傳輸距離等量遞增一次，返回步驟2，確定新的驅(qū)動(dòng)線圈半徑、電感和串聯(lián)補(bǔ)償電容。

本實(shí)施例中，傳輸距離根據(jù)等量遞增原則由d1＝0.1m變成d2＝0.2m時(shí)，重復(fù)上述步驟2到步驟9，確定新的驅(qū)動(dòng)線圈半徑為rd2＝0.075m、驅(qū)動(dòng)線圈電感l(wèi)d2＝1.683μh和驅(qū)動(dòng)線圈串聯(lián)補(bǔ)償電容cd2＝81.853pf，負(fù)載線圈跟隨驅(qū)動(dòng)線圈變化，使系統(tǒng)仍滿足最大效率傳輸條件。當(dāng)傳輸距離再變成d3＝0.3m時(shí)，重復(fù)上述步驟2到步驟9，可以確定新的驅(qū)動(dòng)線圈半徑為rd3＝0.06m、驅(qū)動(dòng)線圈電感l(wèi)d3＝1.279μh和驅(qū)動(dòng)線圈串聯(lián)補(bǔ)償電容cd3＝107.71pf，負(fù)載線圈跟隨驅(qū)動(dòng)線圈變化，使系統(tǒng)仍滿足最大效率傳輸條件。當(dāng)傳輸距離再變成d4＝0.4m時(shí)，重復(fù)上述步驟2到步驟8，可以確定新的驅(qū)動(dòng)線圈半徑rd4＝0.055m，驅(qū)動(dòng)線圈電感l(wèi)d4＝1.084μh和驅(qū)動(dòng)線圈串聯(lián)補(bǔ)償電容cd4＝127.08pf，負(fù)載線圈跟隨驅(qū)動(dòng)線圈變化，使系統(tǒng)仍滿足最大效率傳輸條件。

具體實(shí)施中，各個(gè)傳輸距離對(duì)應(yīng)的求解過程(步驟2至步驟8)先后順序可以不限定，只要將n個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈相應(yīng)的尺寸和電感、電容參數(shù)都確定了，就完成了配置。

根據(jù)求得所有傳輸距離下的不同線圈半徑的傳輸效率，繪制不同線圈半徑下傳輸距離與效率的擬合曲線圖，如圖4所示，為本實(shí)施例得到的不同線圈半徑下傳輸距離與傳輸效率的擬合曲線圖。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行無線電能傳輸時(shí)，根據(jù)實(shí)際的傳輸距離，在n個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈中選擇其半徑、電感和串聯(lián)補(bǔ)償電容滿足最大傳輸效率條件的驅(qū)動(dòng)線圈導(dǎo)通，使系統(tǒng)始終以最大效率傳輸?shù)臓顟B(tài)進(jìn)行無線電能傳輸。本實(shí)施例中，當(dāng)傳輸距離在0.5m以內(nèi)變化時(shí)，根據(jù)曲線圖中該傳輸距離與四個(gè)傳輸效率值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，選擇其中最大的傳輸效率對(duì)應(yīng)的線圈半徑，進(jìn)而在配置好的4個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈中通過選擇開關(guān)選擇該半徑的驅(qū)動(dòng)線圈導(dǎo)通，此時(shí)系統(tǒng)能量傳輸效率達(dá)到最大。因此，當(dāng)傳輸距離不斷發(fā)生改變時(shí)，通過比較不同線圈半徑下傳輸距離與效率的大小關(guān)系，可以確定在任意傳輸距離時(shí)，通過切換線圈來實(shí)現(xiàn)效率最大的傳輸方式。

本實(shí)施例提出的無線電能傳輸系統(tǒng)及其基于距離自適應(yīng)的驅(qū)動(dòng)線圈配置方法能很好地解決當(dāng)傳輸距離發(fā)生變化時(shí)無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率急劇下降的難題，為無線電能傳輸技術(shù)在中遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)距離自適應(yīng)最大效率傳輸提供了明確的指導(dǎo)。

最后應(yīng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。