三维无线电能传输系统实时最大功率传输方法

摘要

本发明实施例提供了一种三维无线电能传输系统实时最大功率传输方法，所述方法通过梯度下降法确定系统中发射装置与接收装置之间的虚拟等效互感的平方取值最大时所述发射装置的虚拟等效电流的方向参数的取值；并根据虚拟等效电流的方向参数的取值，确定接收装置的方位以及所述发射装置中各发射电流的取值，以使所述发射装置产生的合磁场方向与所述接收装置的方位一致，实现最大功率传输。本发明实施例提供的方法可以对接收装置的具体方位进行检测和自动追踪，在确定接收装置具体位置的同时实现无线电能的最大传输效率，并且不需要在发射装置和接收装置之间建立通信连接，避免了通信困难的环境下，因无法建立通信连接而不能有效实现无线电能传输。

权利要求

1.一种三维无线电能传输系统实时最大功率传输方法，其特征在于，包括：S11，基于梯度下降法，确定三维无线电能传输系统中发射装置与接收装置之间的虚拟等效互感的平方取值最大时所述发射装置的虚拟等效电流的方向参数的取值；

S12，根据所述虚拟等效电流的方向参数的取值，确定所述接收装置的方位以及所述发射装置中各发射电流的取值，以使所述发射装置产生的合磁场方向与所述接收装置的方位一致，实现最大功率传输；

所述发射装置具体包括：第一发射线圈、第二发射线圈、第三发射线圈、第一谐振电容、第二谐振电容和第三谐振电容；

所述第一发射线圈的中心、所述第二发射线圈与所述第三发射线圈的中心重合，且所述第一发射线圈所处的平面、所述第二发射线圈所处的平面与所述第三发射线圈所处的平面两两垂直；

所述第一发射线圈与所述第一谐振电容连接，所述第二发射线圈与所述第二谐振电容连接，所述第三发射线圈与所述第三谐振电容连接；

所述虚拟等效电流的方向参数包括：笛卡尔坐标系下所述虚拟等效电流的方位角和仰角；

相应地，S11具体包括：

基于梯度下降法，以所述虚拟等效互感的平方与-1/2的乘积作为目标函数，以所述虚拟等效电流的方位角和仰角的取值范围为约束条件，确定使所述目标函数收敛至局部极小值时所述虚拟等效电流的方位角的取值和仰角的取值，并将所述方位角的取值和所述仰角的取值作为所述虚拟等效互感的平方取值最大时所述虚拟等效电流的方向参数的取值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标函数具体为：

其中， θ为所述虚拟等效电流的方位角，为所述虚拟等效电流的仰角，MA为所述第一发射线圈与接收线圈之间的互感，MB为所述第二发射线圈与接收线圈之间的互感，MC为所述第三发射线圈与接收线圈之间的互感。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于梯度下降法，以所述虚拟等效互感的平方与-1/2的乘积作为目标函数，以所述虚拟等效电流的方位角和仰角的取值范围为约束条件，确定使所述目标函数收敛至局部极小值时所述虚拟等效电流的方位角的取值和仰角的取值，具体包括：选取所述虚拟等效电流的方位角的任一取值和仰角的任一取值构成数据对；

根据所述数据对确定当前迭代过程中所述目标函数的梯度值；

将所述目标函数的梯度值与预设步长的乘积作为下降距离，若判断获知所述下降距离小于预设终止距离，则将所述数据对中方位角的取值和仰角的取值分别作为使所述目标函数收敛至局部极小值时所述虚拟等效电流的方位角的取值和仰角的取值；

否则，通过下降距离更新所述数据对，并根据更新后的数据对重复执行上述迭代过程，直至得到的下降距离小于所述预设终止距离，将最终更新后的数据对中方位角的取值和仰角的取值分别作为使所述目标函数收敛至局部极小值时所述虚拟等效电流的方位角的取值和仰角的取值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述通过下降距离更新所述数据对，具体包括：通过如下公式更新所述数据对：

其中， 为更新前的数据对， 为更新后的数据对，θ为所述虚拟等效

电流的方位角， 为所述虚拟等效电流的仰角，f(x)为目标函数，k为正数且为常数，为每次迭代过程中的下降距离。

5.一种三维无线电能传输系统实时最大功率传输设备，其特征在于，包括：取值确定模块和方位确定模块；其中，所述取值确定模块用于基于梯度下降法，确定三维无线电能传输系统中发射装置与接收装置之间的虚拟等效互感的平方取值最大时所述发射装置的虚拟等效电流的方向参数的取值；

所述方位确定模块用于根据所述虚拟等效电流的方向参数的取值，确定所述接收装置的方位以及所述发射装置中各发射电流的取值，以使所述发射装置产生的合磁场方向与所述接收装置的方位一致，实现最大功率传输；

所述发射装置具体包括：第一发射线圈、第二发射线圈、第三发射线圈、第一谐振电容、第二谐振电容和第三谐振电容；

所述第一发射线圈的中心、所述第二发射线圈与所述第三发射线圈的中心重合，且所述第一发射线圈所处的平面、所述第二发射线圈所处的平面与所述第三发射线圈所处的平面两两垂直；

所述第一发射线圈与所述第一谐振电容连接，所述第二发射线圈与所述第二谐振电容连接，所述第三发射线圈与所述第三谐振电容连接；

所述虚拟等效电流的方向参数包括：笛卡尔坐标系下所述虚拟等效电流的方位角和仰角；

相应地，所述取值确定模块具体用于：

基于梯度下降法，以所述虚拟等效互感的平方与-1/2的乘积作为目标函数，以所述虚拟等效电流的方位角和仰角的取值范围为约束条件，确定使所述目标函数收敛至局部极小值时所述虚拟等效电流的方位角的取值和仰角的取值，并将所述方位角的取值和所述仰角的取值作为所述虚拟等效互感的平方取值最大时所述虚拟等效电流的方向参数的取值。

6.一种三维无线电能传输系统实时最大功率传输设备，其特征在于，包括：至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；其中，

所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；

所述通信接口用于所述传输设备与显示装置的通信设备之间的信息传输；

所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1-4中任一项所述的方法。

7.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1-4中任一项所述的方法。

说明书

三维无线电能传输系统实时最大功率传输方法

技术领域

[0001] 本发明实施例涉及无线电能传输技术领域，更具体地，涉及三维无线电能传输系统实时最大功率传输方法。

背景技术

[0002] 电能的出现改变了人们的生活方式并且已经成为人们生活中不可分割的一部分。虽然电能的普及为人们的生活带来极大便利，但是现有的供电方式也带来了诸多问题，比如日常生活中各种设备的电线和适配器等交织混杂，不仅影响美观也给使用上带来很多不便；水下应用和有爆炸危险中也存在很多安全问题。无线电能传输技术作为一种新型的电能传输技术由于其便捷、简单、安全的特性而受到越来越广泛的应用。与现有的有线电能传输技术相比较，无线电能传输能使人们摆脱电线的束缚，减少由于电线磨损、老化带来的潜在威胁，目前在电动汽车、医疗器械、移动电子设备等方面都有广泛的应用。

[0003] 已有的关于无线电能传输方面的研究多集中在单源单载无线电能传输系统，但是这种系统有其局限性，主要表现在为电能传输方向单一，能量接受的自由度不高，只有当发射装置和接收装置同轴摆放时才可能获得较大的传输效率。考虑到现有的用电产品大多具有便携性和可移动性，传统的单源单载(即单维)无线电能传输系统已经不能满足市场的需求。满足高空间自由度和动态无线充电的无线电能传输系统逐渐成为研究热点。

[0004] 为了突破单维无线电能传输系统的局限性，一些具有高空间自由度的无线电能传输系统已经被提出，其中对二维无线电能传输系统和三维无线电能传输系统的研究较为集中。传输效率是衡量一个无线电能传输系统性能的重要指标，为了达到最大传输效率这个目标，二维和三维无线电能传输系统主要是通过控制发射装置中的电流来控制空间中的磁场，并且可以根据不同的应用场合来对磁场进行定向和旋转，它们分别可以对平面和空间内任意一点传输电能。

[0005] 在三维无线电能传输系统中，针对可移动的接收装置，接收装置位置发生变化会导致发射装置与接收装置间的磁场耦合发生改变，发射装置所产生的原有合磁场方向将无法对移动的接收装置的现有方位实现最大功率传输，导致资源浪费。

发明内容

[0006] 为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供了一种三维无线电能传输系统实时最大功率传输方法及设备。

[0007] 一方面，本发明实施例提供了一种三维无线电能传输系统实时最大功率传输方法，包括：

[0008] S11，基于梯度下降法，确定三维无线电能传输系统中发射装置与接收装置之间的虚拟等效互感的平方取值最大时所述发射装置的虚拟等效电流的方向参数的取值；

[0009] S12，根据所述虚拟等效电流的方向参数的取值，确定所述接收装置的方位以及所述发射装置中各发射电流的取值，以使所述发射装置产生的合磁场方向与所述接收装置的方位一致，实现最大功率传输。

[0010] 另一方面，本发明还提供了一种三维无线电能传输系统实时最大功率传输设备，包括：取值确定模块和方位确定模块。其中，

[0011] 所述取值确定模块用于基于梯度下降法，确定三维无线电能传输系统中发射装置与所述接收装置之间的虚拟等效互感的平方取值最大时所述发射装置的虚拟等效电流的方向参数的取值；

[0012] 所述方位确定模块用于根据所述虚拟等效电流的方向参数的取值，确定所述接收装置的方位以及所述发射装置中各发射电流的取值，以使所述发射装置产生的合磁场方向与所述接收装置的方位一致，实现最大功率传输。

[0013] 另一方面，本发明还提供了一种三维无线电能传输系统实时最大功率传输设备，包括：

[0014] 至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；其中，

[0015] 所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；

[0016] 所述通信接口用于所述传输设备与显示装置的通信设备之间的信息传输；

[0017] 所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行上述所述的方法。

[0018] 另一方面，本发明还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述所述的方法。

[0019] 本发明实施例提供的三维无线电能传输系统实时最大功率传输方法及设备，所述方法通过梯度下降法确定三维无线电能传输系统中发射装置与接收装置之间的虚拟等效互感的平方取值最大时所述发射装置的虚拟等效电流的方向参数的取值；并根据虚拟等效电流的方向参数的取值，确定接收装置的方位以及所述发射装置中各发射电流的取值，以使所述发射装置产生的合磁场方向与所述接收装置的方位一致，实现最大功率传输。本发明实施例提供的方法可以对接收装置的具体方位进行检测和自动追踪，在确定接收装置具体位置的同时实现无线电能的最大传输效率，并且不需要在发射装置和接收装置之间建立通信连接，避免了通信困难的环境下，因无法建立通信连接而不能有效实现无线电能传输。

附图说明

[0020] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0021] 图1为本发明一实施例提供的一种三维无线电能传输系统实时最大功率传输方法的流程示意图；

[0022] 图2为本发明另一实施例提供的一种三维无线电能传输系统的结构示意图；

[0023] 图3为本发明另一实施例提供的一种三维无线电能传输系统的等效电流结构示意图；

[0024] 图4为本发明另一实施例提供的一种三维无线电能传输系统的等效电流的完整结构示意图；

[0025] 图5a为本发明另一实施例提供的一种三维无线电能传输磁场定向系统中接收线圈的位置示意图；

[0026] 图5b为图5a中接收线圈移动位置前后各发射线圈内的电流变化示意图；

[0027] 图6a为本发明另一实施例提供的一种三维无线电能传输磁场定向系统中接收线圈的位置示意图；

[0028] 图6b为图6a中接收线圈移动位置前后各发射线圈内的电流变化示意图；

[0029] 图7为本发明另一实施例提供的一种三维无线电能传输系统实时最大功率传输设备的结构示意图；

[0030] 图8为本发明另一实施例提供的一种三维无线电能传输系统实时最大功率传输设备的结构示意图。

具体实施方式

[0031] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0032] 如图1所示，本发明一实施例提供了一种三维无线电能传输系统实时最大功率传输方法，包括：

[0033] S11，基于梯度下降法，确定三维无线电能传输系统中发射装置与接收装置之间的虚拟等效互感的平方取值最大时所述发射装置的虚拟等效电流的方向参数的取值；

[0034] S12，根据所述虚拟等效电流的方向参数的取值，确定所述接收装置的方位以及所述发射装置中各发射电流的取值，以使所述发射装置产生的合磁场方向与所述接收装置的方位一致，实现最大功率传输。

[0035] 具体地，三维无线电能传输系统中包括发射装置与接收装置，发射装置可将电能转化为电磁场能，隔空传输一段距离之后，接收装置将电磁场能转化为电能，实现无线电能传输。本发明中所说的接收装置通常指需要供电的移动设备。当发射装置中的电流发生变化时，在接收装置中产生感应电动势，为接收装置内接有的负载进行充电。但是由于接收装置相对于发射装置的位置不同，会导致发射装置与接收装置之间的互感不同，进而使接收装置接收到的功率不同。为实现对不同位置的接收装置均能进行最大功率的电能传输，本发明不需要在发射装置和接收装置之间进行通信连接，而是通过确定发射装置与接收装置之间的虚拟等效互感的平方取值最大时所述虚拟等效电流的方向参数的取值，来确定接收装置相对于发射装置的方位角以及发射装置中各发射电流的取值，以使得发射装置产生的合磁场方向与接收装置的方位一致，也就是使合磁场方向与接收装置所在的方向相同，从而实现最大功率传输。

[0036] 在三维空间坐标系中，以三维笛卡尔坐标系为例，虚拟等效电流的方向参数包括虚拟等效电流的方位角和虚拟等效电流的仰角。在确定发射装置与接收装置之间的虚拟等效互感的平方取值最大时虚拟等效电流的方向参数的取值时，可以通过梯度下降法来实现，即通过梯度下降法进行一步步迭代求解，得到虚拟等效互感的平方取最大值时对应的虚拟等效电流的方向参数的取值。这里需要说明的是，由于常规的梯度下降法是通过一步步的迭代求解得到一个目标函数的最小值。但是，本发明可通过转换目标函数的形式，使得本发明的求解过程适用于梯度下降法。本发明中的虚拟等效互感是指三维无线电能传输系统中发射装置作为整体与接收装置之间的等效互感，这是一种虚拟的互感，所以命名为虚拟等效互感。同理，本发明中的虚拟互感电流是指三维无线电能传输系统中发射装置作为整体时的发射电流，这是一种虚拟的电流，所以命名为虚拟等效电流。

[0037] 由于发射装置与接收装置之间存在磁场耦合，当发射装置与接收装置之间的虚拟等效互感的平方取值最大时，即说明接收装置在最大传输功率的方向上，也就是说，此时接收装置的方位角即为虚拟等效电流的方位角，此时接收装置的仰角即为虚拟等效电流的仰角。

[0038] 本发明实施例提供的一种三维无线电能传输系统实时最大功率传输方法，通过梯度下降法确定三维无线电能传输系统中发射装置与接收装置之间的虚拟等效互感的平方取值最大时所述发射装置的虚拟等效电流的方向参数的取值；并根据虚拟等效电流的方向参数的取值，确定接收装置的方位以及所述发射装置中各发射电流的取值，以使所述发射装置产生的合磁场方向与所述接收装置的方位一致，实现最大功率传输。本发明实施例提供的方法可以对接收装置的具体方位进行检测和自动追踪，在确定接收装置具体位置的同时实现无线电能的最大传输效率，并且不需要在发射装置和接收装置之间建立通信连接，避免了通信困难的环境下，因无法建立通信连接而不能有效实现无线电能传输。

[0039] 如图2所示，在上述实施例的基础上，所述发射装置具体包括：第一发射线圈21、第二发射线圈22、第三发射线圈23、第一谐振电容 24、第二谐振电容25和第三谐振电容26；

[0040] 所述第一发射线圈21的中心、所述第二发射线圈22与所述第三发射线圈23的中心重合，且所述第一发射线圈21所处的平面、所述第二发射线圈22所处的平面与所述第三发射线圈23所处的平面两两垂直；

[0041] 所述第一发射线圈21与所述第一谐振电容24连接，所述第二发射线圈22与所述第二谐振电容25连接，所述第三发射线圈23与所述第三谐振电容26连接。

[0042] 在第一发射线圈21上还连接有交流电压源(图中未画出)，交流电压源产生高频电压，将高频电压作为第一发射线圈21的驱动电压。在第二发射线圈22上也连接有交流电压源，交流电源产生高频电压，将高频电压作为第二发射线圈22的驱动电压。在第三发射线圈23上也连接有交流电压源，交流电压源产生高频电压，将高频电压作为第三发射线圈23的驱动电压。

[0043] 正交的三个发射线圈会消除彼此之间的互感，保证发射线圈与接收线圈的互感耦合不受干扰并保证电能稳定的传输。一般情况下，由于三个发射线圈两两相互垂直，因此可认为任意两个发射线圈之间的互感为0。

[0044] 作为优选方案，第一发射线圈21、第二发射线圈22和第三发射线圈23还可以分别由两个相互独立的交流电流源IA和IB激励产生交变磁场，并通过控制电流幅值和电流相位角形成定向的交变磁场，本发明实施例在此不再赘述。

[0045] 与发射装置产生互感耦合的接收装置中包括接收线圈27和第四谐振电容28，接收线圈27与第四谐振电容28连接，同时，接收线圈27 与负载29连接，用于对负载29进行供电。

[0046] 需要说明的是，本实施例中的“第一”、“第二”以及“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0047] 在上述实施例的基础上，所述虚拟等效电流的方向参数包括：笛卡尔坐标系下所述虚拟等效电流的方位角和仰角；

[0048] 相应地，S11具体包括：

[0049] 基于梯度下降法，以所述虚拟等效互感的平方与-1/2的乘积作为目标函数，以所述虚拟等效电流的方位角和仰角的取值范围为约束条件，确定使所述目标函数收敛至局部极小值时所述虚拟等效电流的方位角的取值和仰角的取值，并将所述方位角的取值和所述仰角的取值作为所述虚拟等效互感的平方取值最大时所述虚拟等效电流的方向参数的取值。

[0050] 具体地，由于发射装置的三个发射线圈两两互相垂直，任意两个发射线圈之间的互感为0。根据基尔霍夫电压定律，可以建立发射装置和接收装置之间的电路数学模型：

[0051]

[0052]

[0053] 在公式(1)和公式(2)中，Ui(i＝A,B,C)表示发射线圈i对应的电压源的电压相量，Ii表示发射线圈i中的电流相量，ILOAD表示接收线圈连接的负载中的电流相量；Ri和Xi分别表示发射线圈i中的等效电阻和等效电抗，R1和X1分别表示接收线圈中的等效电阻和等效电抗， RLOAD表示接收线圈连接的负载的电阻(本发明实施例中假设负载为纯电阻)，Mi表示发射线圈i与接收线圈之间的互感，RLOAD表示接收线圈连接的负载的阻抗。

[0054] 三个发射线圈产生的合磁场可以到达空间中任意一点，因此三个发射线圈可被视为三维空间中的一个虚拟旋转线圈，即发射装置可等效为一个虚拟旋转线圈，对应的电流为虚拟等效电流，虚拟旋转线圈与接收装置之间形成的互感为虚拟等效互感。根据毕奥萨伐尔定律，每个发射线圈中的磁感应强度的数值大小与电流成正比关系，在保持三个发射线圈合磁场主磁通基本恒定的条件下，假定三个线圈中电流大小由下式决定：

[0055] [IA IB IC]T＝ATI  (3)

[0056] 其中， I即为虚拟等效电流。θ为虚拟等效电流的方位角，为虚拟等效电流的仰角。

[0057] 将公式(1)等式两端均左乘A并与公式(2)进行合并可得发射装置与接收装置的等效电路模型，如公式(4)所示：

[0058]

[0059] 其中， U为三维无线电能传输系统产生的等效电压， M 为发射装置与接收装置之
间的虚拟等效互感。为了简化模型，可令 RA＝RB＝RC＝R，XA＝XB＝XC＝X。等效电路如图3所示。图3中C 为合谐振电容，即图2中第一谐振电容24、第二谐振电容25和第三谐振电容26的等效电容。U为等效电压，R为发射装置的等效电阻，R1为接收装置的等效电阻，L为发射装置的等效电感，L1为接收装置的电感，负载29的电阻值为RLOAD。

[0060] 假定接收线圈被置于发射线圈周围且面向发射线圈中心，将接收线圈中心到发射线圈中心的距离设为r，以三个发射线圈的中心作为原点构建笛卡尔坐标系，如图2所示，则接收线圈中心位置在笛卡尔坐标系中可被表示为 其中θp为接收线圈中心位置的方位角， 为接收线圈中心位置的仰角。为了使得三个发射线圈的合磁场正好指向接收线圈，需要满足 虚拟等效互感的平方必须取得其
最大值，因此接收装置的位置追踪可被视为一个数学优化问题：

[0061]

[0062] 在该三维无线电能传输系统中，负载接收到的有功功率为 根据公式(4)可知，流过负载的电流幅值为：

[0063]

[0064] 因此，可得负载的有功功率为：

[0065] PLOAD＝KLOADM2  (7)

[0066] 其中，

[0067] 发射装置传输至接收装置的有功功率为：

[0068]

[0069] 其中，

[0070] 发射装置发射的有功功率为：

[0071] Pinput＝I2R+Poutput  (9)

[0072] 因此，当其他电路参数已知时，负载的有功功率PLOAD和发射装置传输至接收装置的有功功率Poutput取决于虚拟等效互感M。为了使得传输至接收端功率最大，需使得虚拟互感M的平方最大，因此最大传输功率问题可被视为一个数学优化问题：

[0073]

[0074] 由此可知，接收装置的位置检测追踪和最大功率传输这两个优化问题的优化目标一致，约束条件也一致，即当虚拟等效互感M的平方取最大值时，接收装置的位置能够被检测，并且此时整个三维无线电能传输系统可实现最大功率传输。

[0075] 为利用梯度下降法对上述优化问题进行求解，本发明实施例中令目标函数为：

[0076]

[0077] 其中， θ为所述虚拟等效电流的方位角，为所述虚拟等效电流的仰角，MA为所述第一发射线圈与接收线圈之间的互感，MB为所述第二发射线圈与接收线圈之间的互感，MC为所述第三发射线圈与接收线圈之间的互感。目标函数(11)取最小值时等同于虚拟等效互感的平方取值最大。

[0078] 在上述实施例的基础上，所述基于梯度下降法，以所述虚拟等效互感的平方与-1/2的乘积作为目标函数，以所述虚拟等效电流的方位角和仰角的取值范围为约束条件，确定使所述目标函数收敛至局部极小值时所述虚拟等效电流的方位角的取值和仰角的取值，具体包括：

[0079] 选取所述虚拟等效电流的方位角的任一取值和仰角的任一取值构成数据对；

[0080] 根据所述数据对确定当前迭代过程中所述目标函数的梯度值；

[0081] 将所述目标函数的梯度值与预设步长的乘积作为下降距离，若判断获知所述下降距离小于预设终止距离，则将所述数据对中方位角的取值和仰角的取值分别作为使所述目标函数收敛至局部极小值时所述虚拟等效电流的方位角的取值和仰角的取值；

[0082] 否则，通过下降距离更新所述数据对，并根据更新后的数据对重复执行上述迭代过程，直至得到的下降距离小于所述预设终止距离，将最终更新后的数据对中方位角的取值和仰角的取值分别作为使所述目标函数收敛至局部极小值时所述虚拟等效电流的方位角的取值和仰角的取值。

[0083] 具体地，本发明中采用梯度下降法求解上述优化问题的具体流程如下：

[0084] i)对x进行初始化

[0085] 具体地，随机在虚拟等效电流的方位角的取值范围内选取一值，并随机在虚拟等效电流的仰角的取值范围内选取一值，构成数据对 设定梯度下降法的预设终止距离为ε，预设步长为-k/2；需要说明的是，预设终止距离和预设步长可以根据需要进行设置，本发明实施例中仅举例说明，不作具体限定。

[0086] ii)确定当前迭代过程中所述目标函数的梯度值

[0087] 具体地，对于数据对变量 目标函数的梯度表达式为：

[0088]

[0089] iii)求解梯度的下降距离

[0090] 用预设步长乘以目标函数的梯度值，得到当前迭代过程中下降的距离，即有：

[0091]

[0092] iv)确定是否x中的θ和 梯度的下降距离都小于预设终止距离ε，如果都小于预设终止距离ε则梯度下降法终止，并将数据对x中θ和 的取值分别作为使目标函数收敛至局部极小值时所述虚拟等效电流的方位角的取值和仰角的取值。

[0093] v)如果不都小于预设终止距离ε，即θ或 使目标函数梯度的下降距离都大于或等于预设终止距离ε，则下降距离更新所述数据对，并根据更新后的数据对重复执行ii)-iv)，直至得到的下降距离小于所述预设终止距离，将最终更新后的x中θ和 的取值分别作为使所述目标函数收敛至局部极小值时所述虚拟等效电流的方位角的取值和仰角的取值。

[0094] 其中，所述通过下降距离更新所述数据对，具体包括：

[0095] 通过如下公式更新所述数据对：

[0096]

[0097] 其中， 为更新前的数据对， 为更新后的数据对，θ为所述虚拟等效电流的方位角，为所述虚拟等效电流的仰角，f(x) 为目标函数，k为正数且为常数，为每次迭代过程中的下降距离。需要说明的是，在迭代过程中，为保证迭代顺利进行，需要将公式(14)变换为如公式(15)所示的形式。

[0098]

[0099] 最终，基于梯度下降法，通过有限次迭代，最终可以使目标函数f(x) 将收敛至局部极小值，最终f(x)收敛至局部极小值时对应的数据对中的θ和 的取值即最终需要得到的虚拟等效电流的方位角的取值和仰角的取值。

[0100] 上述的过程可以通过李雅普诺夫第一方法证明其稳定性。

[0101] 具体地，本发明实施例中构造李雅普诺夫函数为V(x)＝f(x)，则 V(x)的导数为[0102]

[0103] 其 中 ，k 为 正 数 ，因 此 为半 负 定 。数 据 对 x的 取 值 集 合 为其中满足 的变量x的集合为E， 雅可比矩阵通过计算可以证明雅可比矩阵A的特征值实部小于0，即Reλi＜0，因此目标函数f(x)是渐近稳定函数。

[0104] 为了验证本发明所提出的三维无线电能传输系统实时最大功率传输方法中接收装置位置的检测及追踪方法的可行性，本发明另一实施例中搭建了一个三维无线电能传输磁场定向系统实验平台，其中三个发射线圈两两互相垂直，其系统原理框图如图3和如图4所示。设 I＝13A。实验参数如表1所示。

[0105] 表1各参数取值表

[0106]

[0107] 如图5a所示，在搭建的三维无线电能传输磁场定向系统中，接收线圈27开始位于与发射线圈23平行的位置，然后移动至与三个发射线圈均成45°夹角的位置，这一移动过程中发射线圈电流如图5b所示。当接收线圈与发射线圈23平行时，仅与发射线圈23间存在互感，与其他两个发射线圈间互感为零，根据毕奥萨伐尔定律，仅有发射线圈23上存在电流，发射线圈21和22上电流为零；当接收线圈27与三个发射线圈均成45°夹角时，它与三个发射线圈间的互感相同，因此发射线圈电流幅值也应相同。图5b中中间线左边表示移动之前的电流幅值，中间线右边表示移动之后的电流幅值，图5b中所示实验结果与理论分析一致。图5b中idc为干路电流幅值。

[0108] 如图6a所示，在搭建的三维无线电能传输磁场定向系统中，接收线圈27开始位于与三个发射线圈均成45°夹角的位置，然后移动至与发射线圈21和22成45°夹角且与发射线圈23垂直的位置，这一移动过程中发射线圈电流如图6b所示。当接收线圈27与三个发射线圈均成45°夹角时，它与三个发射线圈间的互感相同，因此发射线圈电流幅值也应相同；当接收线圈27与发射线圈21和22成45°夹角且与发射线圈23垂直时，它与发射线圈23间的互感为0，与发射线圈21和 22间的互感相同，因此发射线圈23上电流为零，发射线圈21和22 上电流幅值相同。图6b所示实验结果与理论分析一致。

[0109] 以上实验结果证明本发明所提出的三维无线电能传输系统实时最大功率传输方法具有理论性可可行性，能实时准确检测和跟踪三维无线电能传输系统中接收线圈的方位，掌握了接收线圈的方位即可实现将发射装置磁场准确定向于接收线圈，从而达到最大功率传输的目的。

[0110] 如图7所示，在上述实施例的基础上，本发明还提供了一种三维无线电能传输系统实时最大功率传输设备，包括：取值确定模块71和方位确定模块72。其中，

[0111] 所述取值确定模块71用于基于梯度下降法，确定三维无线电能传输系统中发射装置与所述接收装置之间的虚拟等效互感的平方取值最大时所述发射装置的虚拟等效电流的方向参数的取值；

[0112] 所述方位确定模块72用于根据所述虚拟等效电流的方向参数的取值，确定所述接收装置的方位以及所述发射装置中各发射电流的取值，以使所述发射装置产生的合磁场方向与所述接收装置的方位一致，实现最大功率传输。

[0113] 具体地，本发明提供的三维无线电能传输系统实时最大功率传输设备中各模块的作用与处理流程与上述方法类实施例是一一对应的，本发明实施例在此不再赘述。

[0114] 本发明实施例提供的一种三维无线电能传输系统实时最大功率传输设备，取值确定模块通过梯度下降法确定三维无线电能传输系统中发射装置与接收装置之间的虚拟等效互感的平方取值最大时所述发射装置的虚拟等效电流的方向参数的取值；方位确定模块根据虚拟等效电流的方向参数的取值，确定接收装置的方位以及所述发射装置中各发射电流的取值，以使所述发射装置产生的合磁场方向与所述接收装置的方位一致，实现最大功率传输。本发明实施例提供的设备可以对接收装置的具体方位进行精确检测和自动追踪，在确定接收装置具体方位的同时实现无线电能的最大传输效率，并且不需要在发射装置和接收装置之间建立通信连接，避免了通信困难的环境下，因无法建立通信连接而不能有效实现无线电能传输。

[0115] 如图8所示，在上述实施例的基础上，本发明还提供了一种三维无线电能传输系统实时最大功率传输设备，包括：

[0116] 至少一个处理器81、至少一个存储器82、通信接口83和总线84。其中，所述处理器81、存储器82、通信接口83通过所述总线84完成相互间的通信；

[0117] 所述通信接口83用于所述传输设备与显示装置的通信设备之间的信息传输；

[0118] 所述存储器82存储有可被所述处理器81执行的程序指令，所述处理器81调用所述程序指令能够执行如图1所述的方法。

[0119] 上述的存储器82中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等) 执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

[0120] 在上述实施例的基础上，本发明还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如图1所述的方法。

[0121] 以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

[0122] 通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

[0123] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。