本發(fā)明屬于無線功率傳輸?shù)淖杩蛊ヅ涞?，具體涉及一種快速自適應(yīng)阻抗匹配方法、系統(tǒng)及無線功率傳輸系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、無線功率傳輸(wireless?power?transfer，wpt)技術(shù)憑借其安全、便捷以及高效等特性，在醫(yī)療設(shè)備、電動汽車充電、家用電器、醫(yī)療電子以及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域中均受到了廣泛的關(guān)注。在無線功率傳輸系統(tǒng)的實際運用當(dāng)中，當(dāng)系統(tǒng)的傳輸距離變化或者發(fā)射(或接收)端周圍環(huán)境發(fā)生變化時，都可能會導(dǎo)致系統(tǒng)的輸入阻抗發(fā)生變化，從而引起阻抗失配問題，這對無線功率傳輸系統(tǒng)的傳輸效率以及功率穩(wěn)定性造成極大的影響。因此，在無線功率傳輸系統(tǒng)的設(shè)計中，匹配問題一直占據(jù)著至關(guān)重要的地位。例如，使用無線充電技術(shù)對手機進行充電時，一旦手機偏離充電板，傳輸效率便會迅速下降。類似的問題也存在于電動汽車的無線充電系統(tǒng)中?，F(xiàn)有的充電系統(tǒng)對于線圈的對齊方式和傳輸距離有嚴(yán)格的規(guī)定。

2、然而，現(xiàn)有的技術(shù)在應(yīng)對這一關(guān)鍵問題時呈現(xiàn)出了諸多局限性。首先，在不同的工作場景和環(huán)境條件下，通常需要迅速地進行自適應(yīng)匹配，當(dāng)前技術(shù)很難滿足動態(tài)變化的需求。其次，系統(tǒng)自動化水平不足，匹配工作很多時候依然依賴人工干預(yù)。這樣不僅效率低下，而且極易出現(xiàn)人為誤差。再者，匹配系統(tǒng)精度差，實際難以精準(zhǔn)匹配，影響傳輸效果。此外，匹配效率低嚴(yán)重阻礙了電路的高效運行，也成為阻礙無線功率傳輸系統(tǒng)應(yīng)用的主要障礙之一。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種快速自適應(yīng)阻抗匹配方法、系統(tǒng)及無線功率傳輸系統(tǒng)，旨在解決上述的問題。

2、本發(fā)明主要通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、一種快速自適應(yīng)阻抗匹配方法，通過mcu動態(tài)控制π型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗值，實現(xiàn)系統(tǒng)的自適應(yīng)阻抗匹配；包括以下步驟：

4、步驟s1：mcu通過控制繼電器開關(guān)將π型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)置于短路狀態(tài)，利用幅度相位測量電路測量得到系統(tǒng)兩組反射系數(shù)，且其中一組為偽值，mcu對應(yīng)計算得到系統(tǒng)的兩個輸入阻抗；

5、步驟s2：針對兩個輸入阻抗，mcu分別計算π型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)所有電容組合對應(yīng)的反射系數(shù)，其中最小反射系數(shù)對應(yīng)的電容組合即為每個輸入阻抗對應(yīng)的理論最優(yōu)電容組合；利用幅度相位測量電路實測兩個輸入阻抗在對應(yīng)的理論最優(yōu)電容組合時的反射系數(shù)，反射系數(shù)較小的電容組合即為實際的最佳電容組合(cl-opt1，cl-opt2)；

6、步驟s3：在π型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的電容區(qū)間內(nèi)圍繞實際最佳電容組合(cl-opt1，cl-opt2)進行局部搜索：

7、γn＝f(cn+α*dm)??(4)

8、其中：γn為n次迭代后的局部最小反射系數(shù)；

9、f為局部尋優(yōu)迭代函數(shù)；

10、cn為n次迭代后局部最優(yōu)解所對應(yīng)的最佳電容組合；

11、α為最小步進值；

12、dm為位置矩陣，且表示為([-1,-1],[-1,0],[-1,1],[0,-1],[0,0],[0,1],[1,-1],[1,0],[1,1])；

13、通過測量可以確定9個電容組合中反射系數(shù)最小的情況，它代表本次迭代中的局部最優(yōu)解；按照此方法直到達到最大迭代次數(shù)時，即得到實際最佳電容組合(cr-opt1，cr-opt2)，mcu控制π型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)完成重新匹配，并進入步驟s4；如果在迭代過程中沒有發(fā)現(xiàn)新的局部最優(yōu)電容組合，則以cn作為實際最佳電容組合(cr-opt1，cr-opt2)進行匹配，并直接進入步驟s4；

14、步驟s4：利用幅度相位測量電路動態(tài)監(jiān)測給定頻率下系統(tǒng)的輸入阻抗，當(dāng)輸入阻抗變化超過設(shè)定閾值時，則進入步驟s1。

15、為了更好地實現(xiàn)本發(fā)明，進一步地，所述步驟s1中，輸入阻抗zin的計算公式為：

16、

17、其中：z0為特征阻抗；

18、γ為反射系數(shù)。

19、為了更好地實現(xiàn)本發(fā)明，進一步地，所述步驟s1中，mcu通過改變π型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的可調(diào)電容c1和可調(diào)電容c2的容值，實現(xiàn)對輸入阻抗zin的調(diào)整，從而使系統(tǒng)匹配，此時，輸入阻抗zin的計算公式為：

20、

21、其中：zl為匹配負(fù)載短路時候的輸入阻抗；

22、ω為系統(tǒng)的角頻率；

23、l為π型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的串聯(lián)電感；

24、利用公式(2)和公式(3)計算得到兩組理論最優(yōu)電容組合，且其中一組為偽值。

25、本發(fā)明主要通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

26、一種快速自適應(yīng)阻抗匹配系統(tǒng)，基于上述的一種快速自適應(yīng)阻抗匹配方法進行，包括信號源、幅度相位測量電路、π型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和mcu，所述信號源通過幅度相位測量電路與π型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連接，所述mcu分別與幅度相位測量電路以及π型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的各繼電器開關(guān)連接；所述幅度相位測量電路包括雙定向耦合器、衰減器和ad8302芯片，所述雙定向耦合器的輸入端和直通端分別與信號源的輸出端和π型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入端連接，且雙定向耦合器的耦合端與隔離端分別通過衰減器與ad8302芯片的輸入端口連接；所述ad8302芯片的幅值和相位檢測端接入mcu的通用輸入端口。

27、為了更好地實現(xiàn)本發(fā)明，進一步地，所述信號源包括信號發(fā)生器和功率放大器，所述信號發(fā)射器通過功率放大器與雙定向耦合器的輸入端連接。

28、為了更好地實現(xiàn)本發(fā)明，進一步地，所述π型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)包括定值電感l(wèi)和可調(diào)電容c1、可調(diào)電容c2，所述定值電感l(wèi)的左右兩側(cè)分別并聯(lián)設(shè)置有可調(diào)電容c1、可調(diào)電容c2；所述可調(diào)電容c1、可調(diào)電容c2分別由n個電容cn-i并聯(lián)而成，每個電容cn-i(n＝1,2，i＝1,2，…n)與繼電器開關(guān)相連，所述繼電器開關(guān)與mcu連接，電容cn-i等于最小步進電容值的2i-1倍。

29、本發(fā)明主要通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

30、一種無線功率傳輸系統(tǒng)，包括上述的一種快速自適應(yīng)阻抗匹配系統(tǒng)，還包括接收端和發(fā)射端，所述π型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端與發(fā)射端連接。

31、為了更好地實現(xiàn)本發(fā)明，進一步地，所述接收端包括接收線圈、諧振電容cr2和負(fù)載，所述諧振電容cr2的兩側(cè)分別串聯(lián)設(shè)置有接收線圈和負(fù)載；所述發(fā)射端對應(yīng)設(shè)置有發(fā)射線圈和諧振電容cr1，所述諧振電容cr1的兩側(cè)分別串聯(lián)設(shè)置有發(fā)射線圈和π型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。

32、本發(fā)明的有益效果如下：

33、本發(fā)明利用mcu及幅度相位測量電路動態(tài)監(jiān)測給定頻率下無線功率傳輸系統(tǒng)匹配狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)失配時，可自動啟動阻抗匹配程序。本發(fā)明可以根據(jù)接收端的輸入阻抗，自適應(yīng)調(diào)整π型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)系統(tǒng)的自適應(yīng)匹配。本發(fā)明實現(xiàn)了系統(tǒng)匹配狀態(tài)的自主檢測，并能高效、高精度的實現(xiàn)系統(tǒng)的重新匹配，極大的提升了系統(tǒng)的匹配效率和穩(wěn)定性。此外，本發(fā)明提出的局部優(yōu)化控制算法，可以有效的避免寄生參數(shù)對于系統(tǒng)匹配精度的影響，進一步增強了系統(tǒng)的傳輸效率及穩(wěn)定性。

34、在本發(fā)明設(shè)計的無線功率傳輸系統(tǒng)中，當(dāng)無線功率傳輸系統(tǒng)的輸入阻抗發(fā)生變化時，系統(tǒng)可實現(xiàn)自適應(yīng)匹配。該應(yīng)用借助mcu和幅度相位測量電路對系統(tǒng)輸入阻抗的變化進行實時監(jiān)控，并通過調(diào)整π型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)達成自適應(yīng)匹配，相較于傳統(tǒng)純硬件調(diào)試方法，本發(fā)明提出基于理論計算結(jié)合硬件測試的方法極大地提高了匹配效率，增強了系統(tǒng)的傳輸效率與功率穩(wěn)定性，具有較好的實用性。