本發明屬于無線電能傳輸，尤其是涉及一種多模式無線電能傳輸系統及其自適應優化方法。

背景技術：

1、無線電力傳輸(wpt)是一種前景廣闊的電源技術，能夠在多種電力應用中提供高效、安全的供電。與傳統的電線和電纜相比，wpt技術的應用能夠消除這些物理連接的需求，從而提高電子設備的防水防塵性能。因此，wpt技術有望成為物聯網設備在各種環境中的理想電源解決方案。由于這些顯著優勢，wpt技術的標準化、立法和研發引起了廣泛關注，預計其將被廣泛應用于眾多電子設備中。然而，盡管wpt技術具有巨大潛力，在其實際應用中仍然存在一些亟需解決的挑戰，其中之一便是缺乏針對發射器、接收器和中繼器的有效設計方法。線圈的幾何形狀對wpt系統的性能至關重要，因為它直接影響功率傳輸效率(pte)以及磁場泄漏。在高功率傳輸過程中，減少磁場泄漏是關鍵，以避免對人體的輻射暴露以及電磁兼容性(emc)問題。因此，如何優化發射器、接收器和中繼器的線圈設計，以適應不同設備的需求，成為推動wpt技術廣泛應用的關鍵。

技術實現思路

1、有鑒于此，本發明旨在提出多模式無線電能傳輸系統及其自適應優化方法，以通過多模式線圈設計與優化算法，提升無線電力傳輸系統的功率傳輸效率，并實現發射器、接收器和中繼器的高效集成與調諧，以適應不同電子設備的需求。

2、為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：

3、多模式無線電能傳輸系統。

4、進一步的，無線電能傳輸系統包括若干可變電容器、陣列器、電源，陣列器設有若干個相鄰并聯的線圈，各線圈獨立地串聯至少一個所述可變電容器，電源與陣列器電連接；

5、無線電能傳輸系統設有若干工作模式，包括發射器、中繼器、接收器，通過對各線圈給電/失電和調節各可變電容器以適應不同工作模式，使陣列器等效閉環線圈在當前工作模式下其無線電能傳輸處于最優狀態。

6、進一步的，無線電能傳輸系統自適應優化方法，基于所述的多模式無線電能傳輸系統，所述無線電能傳輸系統處于接收器模式時，根據對應發射線圈形狀優化所述陣列器接收線圈形狀，并保證接收電能必要的感應電壓和磁場強度；

7、所述無線電能傳輸系統處于發射器模式時，更改各線圈的輸入功率以優化陣列器的磁偶極矩分布，得出最佳的發射器等效線圈；

8、所述無線電能傳輸系統處于中繼器模式時，根據諧振頻率調整各線圈的可變電容器組成可調諧的中繼陣列，以將磁場聚焦到接收器上。

9、進一步的，所述無線電能傳輸系統處于接收器模式時，所述陣列器接收線圈形狀根據以下目標函數f進行優化：

10、

11、式中，min?mtotal為線圈質量最輕化，etotal(t)為線圈t時刻總感應電壓，v0為參考電壓，ε為允許的感應電壓偏差范圍，hp(t)為p點處t時刻磁場強度，ho為臨界磁場強度。

12、進一步的，所述無線電能傳輸系統處于接收器模式時，所述電源與所述陣列器之間串聯補償電容c1，無線電能傳輸系統對應的發射器主回路串聯補償電容c2，以實現諧振匹配。

13、進一步的，所述無線電能傳輸系統處于發射器模式時，通過計算所有所述陣列器線圈的環路電流值得出最佳電流分布，沿磁偶極矩相同的線圈的外圍等高邊界纏繞導線形成閉環區域作為發射線圈，實現功率傳輸效率最大化；

14、陣列器網格線圈轉換環流如下：

15、

16、式中，imesh、iloop分別是陣列器網格化線圈電流和環路電流。

17、進一步的，當所述閉環區域的磁偶極矩方向與發射方向相同時，采用正繞的方式纏繞外圍等高邊界；

18、當所述閉環區域的磁偶極矩方向與發射方向相同反，采用反繞的方式纏繞外圍等高邊界。

19、進一步的，所述無線電能傳輸系統處于中繼器模式時，通過調節所述可變電容器降低靠近接收線圈的所述陣列器線圈的負折射率，提高遠離接收線圈的陣列器線圈的負折射率，使無線電能傳輸系統與其配置的wpt系統的諧振頻率相匹配。

20、進一步的，一種電子設備，包括處理器以及與處理器通信連接，且用于存儲所述處理器可執行指令的存儲器，所述處理器用于執行所述的無線電能傳輸系統自適應優化方法。

21、進一步的，一種計算機可讀取存儲介質，存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執行時實現所述的無線電能傳輸系統自適應優化方法。

22、相對于現有技術，本發明所述的多模式無線電能傳輸系統及其自適應優化方法具有以下有益效果：

23、(1)本發明所述的無線電能傳輸系統自適應優化方法，實現多模式自適應優化，提升無線電能傳輸效率、磁場聚焦精準度及系統兼容性。

24、(2)本發明所述的多模式無線電能傳輸系統，在接收器模式下，系統通過基于梯度優化算法設計接收線圈的形狀，結合等效閉環感應電壓優化方法，使線圈形狀適配發射線圈，同時通過串聯補償電容實現諧振匹配，確保感應電壓在參考范圍內，優化磁場強度，最小化線圈質量，實現緊湊設計和高分辨率；

25、(3)本發明所述的多模式無線電能傳輸系統，在發射器模式下，利用網狀導體環路電流的分布計算磁偶極矩，沿等高線方向纏繞導線形成閉環區域作為發射線圈，通過調節輸入功率優化磁場分布，減少能量損耗并增強功率傳輸效率；

26、(4)本發明所述的多模式無線電能傳輸系統，在中繼器模式下，通過調節可變電容器實現負折射率的精確控制，從而將磁場聚焦到接收器位置，同時確保與wpt系統的諧振頻率匹配，提升磁場集中度和傳輸效率。

技術特征：

1.多模式無線電能傳輸系統，其特征在于：無線電能傳輸系統包括若干可變電容器、陣列器、電源，陣列器設有若干個相鄰并聯的線圈，各線圈獨立地串聯至少一個所述可變電容器，電源與陣列器電連接；

2.無線電能傳輸系統自適應優化方法，基于權利要求1所述的多模式無線電能傳輸系統，其特征在于：所述無線電能傳輸系統處于接收器模式時，根據對應發射線圈形狀優化所述陣列器接收線圈形狀，并保證接收電能必要的感應電壓和磁場強度；

3.根據權利要求2所述的無線電能傳輸系統自適應優化方法，其特征在于：所述無線電能傳輸系統處于接收器模式時，所述陣列器接收線圈形狀根據以下目標函數f進行優化：

4.根據權利要求2所述的無線電能傳輸系統自適應優化方法，其特征在于：所述無線電能傳輸系統處于接收器模式時，所述電源與所述陣列器之間串聯補償電容c1，無線電能傳輸系統對應的發射器主回路串聯補償電容c2，以實現諧振匹配。

5.根據權利要求2所述的無線電能傳輸系統自適應優化方法，其特征在于：所述無線電能傳輸系統處于發射器模式時，通過計算所有所述陣列器線圈的環路電流值得出最佳電流分布，沿磁偶極矩相同的線圈的外圍等高邊界纏繞導線形成閉環區域作為發射線圈，實現功率傳輸效率最大化；

6.根據權利要求5所述的無線電能傳輸系統自適應優化方法，其特征在于：當所述閉環區域的磁偶極矩方向與發射方向相同時，采用正繞的方式纏繞外圍等高邊界；

7.根據權利要求2所述的無線電能傳輸系統自適應優化方法，其特征在于：所述無線電能傳輸系統處于中繼器模式時，通過調節所述可變電容器降低靠近接收線圈的所述陣列器線圈的負折射率，提高遠離接收線圈的陣列器線圈的負折射率，使無線電能傳輸系統與其配置的wpt系統的諧振頻率相匹配。

8.一種電子設備，包括處理器以及與處理器通信連接，且用于存儲所述處理器可執行指令的存儲器，其特征在于：所述處理器用于執行上述權利要求2-7任一所述的無線電能傳輸系統自適應優化方法。

9.一種計算機可讀取存儲介質，存儲有計算機程序，其特征在于：所述計算機程序被處理器執行時實現權利要求2-7任一項所述的無線電能傳輸系統自適應優化方法。

技術總結
本發明提供了多模式無線電能傳輸系統及其自適應優化方法，無線電能傳輸系統包括若干可變電容器、陣列器、電源，陣列器設有若干個相鄰并聯的線圈，各線圈互相獨立且串聯至少一個所述可變電容器，電源與陣列器電連接；無線電能傳輸系統設有若干工作模式，包括發射器、中繼器、接收器，通過對各線圈給電/失電和調節各可變電容器以適應不同工作模式，使陣列器等效閉環線圈在當前工作模式下其無線電能傳輸處于最優狀態。本發明有益效果：提升無線電力傳輸系統的功率傳輸效率，并實現發射器、接收器和中繼器的高效集成與調諧。

技術研發人員：代中余,張夢霄,葉碩,高韜涵,全優
受保護的技術使用者：河北工業大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/24