CN102044915A

CN102044915A - 一种谐振式无线能量传输装置

Info

Publication number: CN102044915A
Application number: CN2011100037604A
Authority: CN
Inventors: 崔铁军; 陈林辉; 刘硕; 周永春; 程强
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-01-10
Filing date: 2011-01-10
Publication date: 2011-05-04

Abstract

一种基于串并联电路模型的非辐射性磁谐振能量传输系统，由一对全等的线圈和附加电容所组成的电路构成，其特征在于与线圈所连接的电路为串并联电路模型，即线圈两头引线并联一个电容，然后再将这个并联电路串联上另一个电容，最后将发射线圈连接高频发射电源，接收线圈连接接收负载。此新系统拥有串联电路和并联电路模型各自的优点，大幅度提高了传输效率，增大了传输距离。同时，可以通过调整串联电容和并联电容以实现不同距离下的最大能量传输效率。

Description

一种谐振式无线能量传输装置

技术领域

本发明涉及一种新型的远距离高效率无线能量传输系统，尤其涉及一种新型的结构简单、设计方便、非辐射性磁谐振无线能量传输串并联完备电路模型，可应用在无线充电电子产品或者无线电力传输中，以实现在设计要求的距离范围内显著提高无线充电效率，或者保持较高效率情况下极大地增加能量传输距离。

背景技术

磁耦合谐振式无线能量传输技术是近两年提出的世界前沿课题，该技术思路最早由美国麻省理工学院(MIT)物理系助理教授Marin Soljacic研究小组于2006年11月在美国AIP工业物理论坛上提出，并于2007年6月进行了实验验证，相隔2.16m隔空将一只60W灯泡点亮。这是一种全新的技术，区别于基于普通电磁感应的近场耦合，通过使接收线圈和发射线圈产生共振来实现能量的无线传输。本质上，这个过程与量子隧道效应相似，只是电磁波替代了量子力学中的波函数。该技术可在有障碍物的情况下传输，传输距离可达到米级范围。但目前此方案均采用线圈电感与分离电容串联来组成LC振荡回路，在一倍线圈直径距离内最高拥有不超过80％的能量传输效率。随着距离增大，传输效率迅速下降。两倍直径距离时的能量传输效率只有20％左右，大部分能量都耗散在空间中，这使得该方案目前无法进行实际应用。该方案的另一个缺点是需要初次级线圈共四个，体积庞大，设计复杂，对于将来设计便携式无线充电产品是不适用的。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种谐振式无线能量传输装置，该系统能够进一步大幅度提高无线能量传输的效率，增大传输距离；同时具有结构简单、设计方便的特点。

技术方案：本发明的谐振式无线能量传输装置包括高频发射电源，能量发射线圈，能量接收线圈和第一电容，第二电容，第三电容，第四电容；其中，能量发射线圈与能量接收线圈相对放置，能量发射线圈两端引线并联一个电容，然后再将这个并联电路串联上第一电容组成发射电路，最后将该发射电路连接高频发射电源；能量接收线圈两端引线并联第三电容，然后再将这个并联电路串联上第四电容组成接收电路，最后将接收电路连接接收负载。能量传输线圈与并联电容和串联电容一起形成谐振电路，谐振频率满足

f_{0} = \frac{1}{2 π \sqrt{L_{1} (C_{1} + C_{2})}} = \frac{1}{2 π \sqrt{L_{2} (C_{3} + C_{4})}} .

第一电容C₁，第二电容C₂，第三电容C₃，第四电容C₄可任意取值，但是对于源和负载匹配的情况下要满足Δ＝C₁/C₂＝C₄/C₃。

通过设计不同的Δ从而获得指定距离范围内的最大传输效率；或者在指定的效率下能够获得最远的传输距离。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.结构简单，成本低，应用广泛。因为本发明是基于一种新型的谐振电路模型，此模型可应用于任何现有无线能量的传输电路中，在几乎不增加成本、不增加系统尺寸和体积的情况下改善系统性能。

2.小型化。传统的无线能量传输方案要求系统有巨大的Q值，必然需要很大的电感，因此需要增大线圈的尺寸才能获得高效率或者远距离，这对于小型化设计或者用于手持设备的充电是不利的。本发明能够降低对Q值的要求，使得小型化远距离高效率无线能量传输成为可能。

3.高效率和远距离。将非辐射性磁谐振能量传输系统的串联电路模型和并联电路模型相结合，使得此新系统拥有串联电路和并联电路模型各自的优点，提高了传输效率，增大了传输距离。

4.设计简单。本发明只需要通过调节串联电容和并联电容的大小以及他们之间的比例，就可以显著地改变此系统能量传输的性能及特点，使得在不同距离下都可获得最大的能量传输效率。

附图说明

图1：本发明的结构示意图。

其中有，高频发射电源1，能量发射线圈4，能量接收线圈5、第一电容2，第二电容3，第三电容6，第四电容7、接收负载8。

图2：本发明的等效电路图。

图3：一倍直径范围内本发明系统的仿真结果图(图左半部分)和普通谐振电路的仿真结果图(图右半部分)，所采用的线圈直径为10cm。

图4：两倍直径范围内本发明系统的仿真结果图(图左半部分)和普通谐振电路的仿真结果图(图右半部分)，所采用的线圈直径为10cm。

具体实施方式

本发明所提出的非辐射性磁谐振串并联无线能量传输系统采用的技术方案如下。用漆包线绕制成两个相同的线圈，两个线圈各并联一个电容，然后将这两个并联电路各串联另一个电容，最后将发射线圈连接到高频发射电源，接收线圈连接接收负载，电路模型如图2所示。

所提出的无线能量传输系统其特征在于线圈和串联电容、并联电容一起形成谐振回路，其能量传输效率满足：

η = {| S_{21} |}^{2} = 4 \cdot \frac{{V_{L}}^{2}}{{V_{s}}^{2}} \cdot \frac{R_{S}}{R_{L}} = 4 \cdot {Z_{LL}}^{2} {Z_{SS}}^{2} {Z_{LS}}^{2} \cdot \frac{R_{S}}{R_{L}}

公式1

其中

Z_{LS} = \frac{jωk \sqrt{L_{1} L_{2}} (R_{p 2} + \frac{1 + jω C_{4} R_{L}}{jω C_{4} + jω C_{3} - ω^{2} C_{3} C_{4} R_{L}})}{({jωL}_{1} + R_{p 1} + \frac{1 + jω C_{1} R_{S}}{jω C_{1} + jω C_{2} - ω^{2} C_{1} C_{2} R_{S}}) (jω L_{2} + R_{p 2} + \frac{1 + jω C_{4} R_{L}}{jω C_{4} + jω C_{3} - ω^{2} C_{3} C_{4} R_{L}}) + ω^{2} k^{2} L_{1} L_{2}}

公式2

Z_{LL} = \frac{jω C_{4} R_{L}}{1 + jω C_{4} R_{L} + (jω C_{4} + jω C_{3} - ω^{2} C_{3} C_{4} R_{L}) R_{p 2}}

公式3

Z_{ss} = \frac{C_{1}}{C_{1} + C_{2} + jω C_{1} C_{2} R_{s}}

公式4

式中，k为线圈之间的耦合系数，ω为角频率。为了提高能量传输距离和传输效率，本发明通过调节串联电容和并联电容的比值实现。根据上述公式，可以在MATLAB中进行数值仿真，找到合适的电容比，在实际电路中再进行微调，就很容易克服普通谐振式无线能量传输系统距离不够远的缺陷，实现高效率远距离能量传输。

本发明中基于串并联电路模型的非辐射性磁谐振能量传输系统是在发射源、接收负载和能量线圈根据产品要求固定的情况下通过设计合适的谐振频率(即电容值)和合适的电容比值实现的，整个系统包括一个能量发射线圈，一个能量接收线圈和两组电容所组成的电路构成。本发明的核心是串并联电容完备模型和设计公式。通过调节总电容的值，以获得合适的谐振频率；通过改变电容的比，以获得更高的效率和距离。

该装置包括高频发射电源1，能量发射线圈4，能量接收线圈5和第一电容2，第二电容3，第三电容6，第四电容7；其中，能量发射线圈4与能量接收线圈5相对放置，

能量发射线圈4两端引线并联一个电容3，然后再将这个并联电路串联上第一电容2组成发射电路，最后将该发射电路连接高频发射电源1；

能量接收线圈5两端引线并联第三电容6，然后再将这个并联电路串联上第四电容7组成接收电路，最后将接收电路连接接收负载8。

在本发明的实例中，发射源和接收负载使用矢量网络分析仪代替，从而源电阻和负载电阻分别为50欧姆；发射和接收线圈均由1.25mm半径的铜线紧密绕制5圈，线圈半径为5cm，由Q表测得电感约为4.622uH，寄生电阻约0.614欧姆，设计工作频率为3MHz，图1，2，3分别是使用公式1的数值仿真结果，图5是测试结果。

从仿真结果和测试结果可见，系统的传输效率有了巨大的提高。其中仿真结果1(图3)在一倍线圈直径(在本实例中为10cm)处效率能够达到94％，远大于普通的串联谐振无线能量传输系统。仿真结果2(图4)尽管在一倍线圈直径处的效率只有76％，但在两倍线圈直径范围内(在本实例中为20cm)都在70％以上。测试结果比仿真结果稍差一些，是因为使用的铜线寄生电阻偏大，但传输效率也有巨大提高。一倍直径(10cm)能够达到85％左右，两倍直径(20cm)能够达到42％以上。

以下是普通谐振式无线能量传输系统(组别1)和本发明实例的实测结果(组别2和3)的对比，其中组别2中Δ＝5/7，组别3中Δ＝1/6。

Claims

1.一种谐振式无线能量传输装置，其特征在于该装置包括高频发射电源（1），能量发射线圈（4），能量接收线圈（5）和第一电容（2），第二电容（3），第三电容（6），第四电容（7）；其中，能量发射线圈（4）与能量接收线圈（5）相对放置，能量发射线圈（4）两端引线并联一个电容（3），然后再将这个并联电路串联上第一电容（2）组成发射电路，最后将该发射电路连接高频发射电源（1）；能量接收线圈（5）两端引线并联第三电容（6），然后再将这个并联电路串联上第四电容（7）组成接收电路，最后将接收电路连接接收负载（8）。

2.根据权利要求1所述的谐振式无线能量传输装置，其特征在于能量传输线圈与并联电容和串联电容一起形成谐振电路，谐振频率满足

Figure 2011100037604100001DEST_PATH_IMAGE001

。

3.根据权利要求1所述的谐振式无线能量传输装置，其特征在于第一电容（2），第二电容（3），第三电容（6），第四电容（7）可任意取值，但是对于源和负载匹配的情况下要满足

。