基于模态分析理论的MCR-WPT系统谐振点配置方法

摘要

本发明公开了一种基于模态分析理论的MCR‑WPT系统谐振点配置方法，包括以下步骤：判断MCR‑WPT系统是否属于第一类型，若MCR‑WPT系统属于第一类型，则建立MCR‑WPT系统的模态分析模型，根据模态分析模型获取电参数表达式和模态指标表达式，建立电参数表达式和模态指标表达式之间的对应关系，并计算出耦合电感线圈之间的互感量；若MCR‑WPT系统不属于第一类型,则建立适应度函数，并建立电参数矩阵，采用PSO算法对适应度函数和电参数矩阵进行寻优，从而得到满足谐振点配置要求的电参数矩阵的可行解。本发明能够对系统谐振点进行准确配置，保证调谐效果。

说明书

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体涉及一种基于模态分析理论的MCR-WPT系统谐振点配置方法。

背景技术

MCR-WPT(Magnetically Coupled Resonant Wireless Power Transfer,磁耦合谐振式无线电能传输)系统能够满足中距离下大输出功率、高效率无线传输的需求，因此，该系统在植入式医疗设备、电动汽车、家用电器等领域已经得到了产业化的应用。

MCR-WPT系统本质上是一个多自由度的振动系统，只有在特定的传输距离和频率下才能实现线圈间的谐振，该系统对传输距离和频率极为敏感，参数轻微变动都会引起失谐，造成系统功效骤降和输出电流激增，为了让系统保持谐振，现有技术中一般是通过控制环节对系统的电参数进行补偿，例如频率跟踪控制、阻抗匹配、调整线圈耦合强度，控制环节虽然可以使MCR-WPT系统重新谐振，但是调谐后系统的输出功率难以维持原先的水平，调谐效果不理想。MCR-WPT系统的功频特性由系统的多个电参数共同决定，对应关系十分复杂，现有MCR-WPT系统的建模理论(电路理论、耦合模理论等)不能确立功率、频率与系统电参数的对应关系，从而无法对系统谐振点进行准确配置，使得调谐效果无法得到保证。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于模态分析理论的MCR-WPT系统谐振点配置方法，能够对系统谐振点进行准确配置，保证调谐效果。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一种基于模态分析理论的MCR-WPT系统谐振点配置方法，包括以下步骤：

1)判断MCR-WPT系统是否属于第一类型，若MCR-WPT系统属于第一类型，则执行步骤2)，否则，执行步骤5)；

所述第一类型为：耦合电感线圈数量不大于3个，且仅耦合系数可变的MCR-WPT系统；

2)建立MCR-WPT系统的模态分析模型，并执行步骤3)；

3)根据所述模态分析模型获取电参数表达式和模态指标表达式，建立所述电参数表达式和模态指标表达式之间的对应关系，并执行步骤4)；

4)根据所述电参数表达式和模态指标表达式之间的对应关系、以及MCR-WPT系统谐振点的期望谐振频率计算出耦合电感线圈之间的互感量；

5)根据MCR-WPT系统谐振点的期望谐振频率和实际谐振频率建立适应度函数，并建立电参数矩阵，执行步骤6)；

6)采用PSO算法对适应度函数和电参数矩阵进行寻优，从而得到满足谐振点配置要求的电参数矩阵的可行解。

在其中一个实施方式中，所述MCR-WPT系统包括发射回路和接收回路，所述发射回路和接收回路之间设置有多个中继回路，所述发射回路、接收回路和中继回路均为LC谐振电路，所述谐振电路均包括串联的耦合电感线圈、调谐电容、电阻和交流电源。

在其中一个实施方式中，所述步骤2)中MCR-WPT系统的模态分析模型为：

其中，S表示系统矩阵，L表示电感矩阵，C表示电容矩阵，R表示电阻矩阵，I

L

在其中一个实施方式中，所述系统矩阵S具有n对共轭的特征值，定义第n对共轭特征值的实部均为-α

F

F

其中，z

在其中一个实施方式中，所述电参数表达式和模态指标表达式之间的对应关系为：

在其中一个实施方式中，所述步骤5)中的适应度函数fitness为：

fitness＝-(W

其中，f

本发明具有以下有益效果：本发明的基于模态分析理论的MCR-WPT系统谐振点配置方法，能够对不同类型的MCR-WPT系统的谐振点进行准确配置，配置方法简便、通用性强，有效保证了调谐效果。

附图说明

图1是本发明的MCR-WPT系统的电路图；

图2是双线圈MCR-WPT系统的电路图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本实施例公开了一种基于模态分析理论的MCR-WPT系统谐振点配置方法，包括以下步骤：

1)判断MCR-WPT系统是否属于第一类型，若MCR-WPT系统属于第一类型，则执行步骤2)，否则，执行步骤5)；

第一类型为：耦合电感线圈数量n≤3，且仅耦合系数可变的MCR-WPT系统；

可以理解地，不属于第一类型的MCR-WPT系统为限制部分电参数的系统或不限制电参数的系统，例如，多线圈(耦合电感线圈数n＞3)MCR-WPT系统或不限制电参数的少线圈(耦合电感线圈数n≤3)MCR-WPT系统；其中，电参数包括电容、电感、电阻和耦合电感线圈数量；

2)建立MCR-WPT系统的模态分析模型，并执行步骤3)；

3)根据模态分析模型获取电参数表达式和模态指标表达式，建立电参数表达式和模态指标表达式之间的对应关系，并执行步骤4)；

4)根据电参数表达式和模态指标表达式之间的对应关系、以及MCR-WPT系统谐振点的期望谐振频率计算出耦合电感线圈之间的互感量；

5)根据MCR-WPT系统谐振点的期望谐振频率和实际谐振频率建立适应度函数，并建立电参数矩阵，执行步骤6)；

6)采用PSO(Particle Swarm Optimization，粒子群算法)算法对适应度函数和电参数矩阵进行寻优，从而得到满足谐振点配置要求的电参数矩阵的可行解，从而完成系统配置。

其中，谐振点为发生谐振的等同点，谐振点的频率即为谐振频率。

在其中一个实施方式中，如图1所示，MCR-WPT系统包括发射回路和接收回路，发射回路和接收回路之间设置有多个中继回路，发射回路、接收回路和中继回路均为LC谐振电路，谐振电路均包括串联的耦合电感线圈、调谐电容、电阻和交流电源。例如，图1中包括n个LC谐振电路，可以将最左端的LC谐振电路作为发射回路，最右端的LC谐振电路作为接收回路，发射回路和接收回路之间的多个LC谐振电路构成多个中继回路。

在其中一个实施方式中，步骤2)中MCR-WPT系统的模态分析模型为：

其中，S表示系统矩阵，L表示电感矩阵，C表示电容矩阵，R表示电阻矩阵，I

L

进一步地，系统矩阵S具有n对共轭的特征值，定义第n对共轭特征值的实部均为-α

则系统矩阵S的特征方程可以转化为以下两种表达形式：模态指标表达式F

模态指标表达式为：

F

电参数表达式为：

F

其中，z

其中，电参数表达式是由

进一步地，电参数表达式和模态指标表达式各项之间的比对，可得到两表达式之间的对应关系，该对应关系是2n个由谐振点和电参数构成的线性无关的方程：

在其中一个实施方式中，步骤5)中的适应度函数fitness为：

fitness＝-(W

其中，f

下面以双线圈MCR-WPT系统(如图2所示)，也即耦合电感线圈数量为2个的MCR-WPT系统的为例，来具体说明上述MCR-WPT系统谐振点配置方法：

双线圈MCR-WPT系统的电参数包括交流电压v

双线圈MCR-WPT系统的交流电压输入构成向量v＝[v

其中，

系统矩阵S具有2对共轭的特征值，则有：

从而得到电参数表达式和模态指标表达式之间的对应关系方程为：

当双线圈MCR-WPT系统属于第一类型时，也即仅耦合系数可变类型时，系统参数设置情况如表1所示。确认配置目标f

表1双线圈MCR-WPT系统的参数设置表

表2第一类型的双线圈MCR-WPT系统的配置目标表

由表2的结果可知，对于仅耦合系数可变的双线圈MCR-WPT系统，利用本实施例的方法配置的谐振点计算值与仿真值能够很好的吻合。f

当双线圈MCR-WPT系统不属于第一类型，而是属于不限制电参数的类型时，先确认配置目标f

表3不限制电参数的双线圈MCR-WPT系统的配置目标表

由表3的结果可知，对于不限制电参数的双线圈MCR-WPT系统，可将系统配置在任意谐振点上，并得出所有电参数的可行解。对于表3需要指出的是，在配置不限制电参数的MCR-WPT系统时，根据期望谐振频率(f

本实施例的基于模态分析理论的MCR-WPT系统谐振点配置方法，对于仅耦合可变的少线圈MCR-WPT系统(耦合电感线圈数n≤3)，也即对于第一类型的MCR-WPT系统，包括单发射单接收、单发射双接收、双发射单接收的MCR-WPT系统，能够快速、精确地计算出配置谐振点所需的耦合系数值或互感值；对于第一类型之外的其他MCR-WPT系统，能够将MCR-WPT系统配置在任意谐振点处，并给出实现配置所需的所有电参数的可行解，包括所有的电感、互感、电容和电阻，提升了MCR-WPT系统谐振点配置的灵活性。且对于不限制电参数的MCR-WPT系统进行设计时，可以将传输效率、输出功率等其他指标加入到算法的适应度函数中，作为算法优化目标的一部分，从而满足系统设计对功率和效率的需求，具有较强的通用性和可拓展性。

综上所述，本实施例的基于模态分析理论的MCR-WPT系统谐振点配置方法，能够将仅耦合可变的少线圈(耦合电感线圈数n≤3)MCR-WPT系统配置在目标谐振点，并给出耦合系数的解析解；也可以将不限制电参数或限制部分电参数MCR-WPT系统配置在任意谐振点，并给出所有电参数的可行解，配置方法简便、通用性强，配置准确、能够使得系统在选定的频率和传输距离下输出所需的功率，传输稳定，有效保证了调谐效果。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。