[0042] 以下结合附图对本发明作进一步说明。
[0043] 用于电场耦合无线电能传输的阻抗匹配网络的优化方法，应用于电场耦合无线电能传输电路。
[0044] 如图1所示，电场耦合无线电能传输电路包括信号源①、阻抗匹配网络②、耦合极板组③和负载④。信号源①包括直流电源和逆变器。其中，直流电源提供供电路工作的直流电压。逆变器将直流信号转换成能够通过基板电容传输的交流信号。阻抗匹配网络②用来补偿电路中的虚部阻抗以减小无功功率的损耗，本发明的目标就是设计阻抗匹配网络。耦合极板组③由两对极板构成，分别将信号输出端与信号接收端相隔开并形成回路。负载④在这里替代所有耗能器件，负载上产生的有功功率即为无线电能传输电路的输出功率。
[0045] 逆变器采用全桥、半桥逆变、AB类功放或E类功放的逆变器，不同的逆变器会有不同的工作效率，但是不会对后面的优化过程造成影响。部分逆变器在设计参数过程中存在最佳负载Ropt，在此负载下逆变器的效率能够达到最高，为了使电路系统整体工作效率提高，后面的阻抗匹配网络应尽可能与最佳负载Ropt相匹配。在耦合极板组的前级与后级均可设计阻抗匹配网络，单边网络和双边网络会对电能传输系统的抗偏移能力，传输距离等造成影响，但是在设计流程优化中不会造成差异。阻抗匹配网络的参数设计过程中需要自定义一些变量，所取的变量值的不同，会使系统具有不同的特性。
[0046] 将负载看做纯电阻，且阻抗匹配网络也达到虚部阻抗为零的理想状态，因此从电压增益的变化能够直观地反映出电路系统中元器件受工作频率抖动所造成的影响。
[0047] 如图2所示，阻抗匹配网络采用LCL阻抗匹配网络；LCL阻抗匹配网络包括电容C1、电感L1和电感L2。电感L1与电感L2串联在信号源与耦合极板组之间，电容C1并联在回路上，且一端位于电感L1与电感L2之间。图2中，R1为电感L1的寄生电阻；R2为电感L2的寄生电阻；CE1、CE2分别为电场耦合无线电能传输电路中的两对无线传输极板各自形成的电容。
[0048] 用于电场耦合无线电能传输的阻抗匹配网络的优化方法的具体步骤如下：
[0049] 步骤1、根据设计要求确定信号源内逆变器的最佳负载阻抗。逆变器的最佳负载阻抗与负载阻抗RL相等。逆变器的最佳负载阻抗即为信号源内阻Rs。
[0050] 步骤2、确定匹配网络设计流程和参数计算公式
[0051] 2-1.引入第一负载品质因数Q1、第二负载品质因数Q2和电感比k。第一负载品质因数Q1为电感L1的阻抗与信号源内阻Rs的比值；第一负载品质因数Q1为电感L2的阻抗与负载阻抗RL的比值；电感比k表示电感L1与电感L2的电感值之比；引入综合品质因数
[0052] 2-2.如图3和4所示，根据阻抗变换原理，将LCL阻抗匹配网络中的信号源内阻Rs、电感L1、电容C1、电感L2和负载RL等效为并联的电导GS、B1、BC、B2、GL；
[0053] 根据共轭原理，实部相等、虚部抵消的原则，建立式(1)
[0054] YA＝GS-jB1 式(1a)
[0055] YB＝GL-jB2 式(2a)
[0056] GS＝GL 式(3a)
[0057] BC＝B1+B2 式(4a)
[0058] 式(1)中，YA、YB分别表示从电容C1的两端看进去的等效电导表达式。理想状态下，满足式(1)的各电导参数能够消除不必要的无功功率损耗。
[0059] 根据阻抗变换原理，建立如下表达式：
[0060] 2-3.综合前式，建立Q1、Q2关于Q0、k的表达式如下：
[0061] 2-4.建立LCL阻抗匹配网络的参数计算表达式如式(2)所示
[0062]
[0063]
[0064]
[0065] 式(2)中，ω0为目标工作频率，其值根据负载确定。
[0066] 将不同的综合品质因数Q0和电感比k代入式(2)，即可得到对应的电容C1、电感L1、电感L2的参数，从而形成LCL阻抗匹配网络。
[0067] 步骤3、建立电压增益|Mv|与实际工作频率ω的函数关系式如式(3)所示；
[0068]
[0069] 式(3)中，ω为实际工作频率，其值的变化将影响电压增益|Mv|的大小； CE1为电场耦合无线电能传输电路中的第一对无线传输极板之间的电容值；
CE2为电场耦合无线电能传输电路中的第二对无线传输极板之间的电容值；j为虚数单位。
[0070] 步骤4、改变参数仿真电压变化曲线
[0071] 4-1.仿真设置纵坐标为电压增益，横坐标为频率，横坐标变量以目标工作频率ω0为中心，左右偏移10％(横坐标范围为0.9ω0～1.1ω0)的电压增益坐标系。这个设置的目的是直观地表现当工作过程中，工作频率发生抖动时，电压增益是否会出现急剧变化，这种变化可能会带来电压脉冲过大损害元器件等危害。电压增益为LCL阻抗匹配网络的输入电压与输出电压之比。
[0072] 4-2.建立Q0的候选参数集{q1,q2,...,qm}；建立k的候选参数集{k1,k2,...,kn}；m≥20，n≥20， q1,q2,...,qm的数值各不相同，且均大于0，小于50。k1,k2,...,kn的数值各不相同，且均大于1/5，小于5。将1赋值给i，j和a。
[0073] 4-3.将Q0的值设定为qi；将k的值设定为kj；根据Q0、k和式(2)在MATLAB软件计算出Q1、Q2、L1、L2、C1，并根据式(3)得到对应的电压增益随实际工作频率的变化曲线图；并读取电压增益随实际工作频率的变化曲线图在实际工作频率变化范围在0.96ω～1.04ω内的最大电压增益MVmax和最小电压增益MVmin；
[0074] 若MVmax和MVmin满足式(4)，且均满足设计要求(该设计要求根据具体的应用场景确定，属于现有技术，不作赘述)，则将qi作为第a个综合品质因数候选值Q′a，将kj作为第a个电感比候选值k′a，并将a增大1后进入步骤4-4；否则，直接进入步骤4-4。
[0075]
[0076] 4-4.若i＜m，j＜n，则将i增大1，并重复步骤4-3；若i＝m，j＜n，则将1赋值给i，将j增大1，并重复步骤4-3；若i＝m，j＝n，则进入步骤4-5。
[0077] 值得一提的是，选取不同的参数，会得到不同的所需电感值，由于电感在中高频应用中寄生电阻带来的损耗不可忽视，根据步骤3-4中的L1和L2的定义式，当Q和k取值越大时，得到的L1和L2的值也会越大，然而电感的寄生电阻与自身品质因数和电感值有关，且品质因数确定时，电感值越大则寄生电阻越大，因此在设定参数的时候尽可能使用较小的电感是能够降低损耗，提升电路整体的效率的。
[0078] 4-5.以a-1个品质因数候选值中的最小值到最大值的闭区间作为综合品质因数Q0的取值范围；以a-1个电感比候选值中的最小值到最大值的闭区间作为电感比k的取值范围。
[0079] 步骤五、根据设计要求在步骤4-5所得的综合品质因数Q0的取值范围中选取一个数值作为最终的综合品质因数Q0；在步骤4-5所得的电感比k的取值范围中选取一个数值作为最终的电感比k；并根据式(2)计算出电容C1的电容值、电感L1及电感L2的电感值，搭建出LCL阻抗匹配网络。
