CN103036321A - 基于滤波器设计原理的磁谐振耦合无线能量传输系统 - Google Patents

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周济
郭云胜
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Abstract

本发明公开了无线能量传输系统设计技术领域中的一种基于滤波器设计原理的磁谐振耦合无线能量传输系统，运用电感耦合二阶带通滤波器设计原理对磁谐振耦合无线能量传输系统进行指导与设计。该系统包括电源、导纳变换器、并联谐振电路以及负载。此设计方法利用滤波器综合设计法原理，有效地解决了无线能量传输系统中的传输功率、传输效率、传输距离、工作频率和电路系统中各个电子元件值之间的关系，能使所设计的传输系统在最大传输功率和传输效率的状态下工作；同时，本发明通过设计一定的带宽，使无线能量传输系统在一个较宽的频率范围内使用，很好地解决了系统误差导致最佳传输频率漂移而使传输功率和传输效率下降的问题。

Description

基于滤波器设计原理的磁谐振耦合无线能量传输系统
技术领域
本发明属于无线能量传输系统设计技术领域，尤其设计一种基于滤波器设计原理的磁谐振耦合无线能量传输系统。
背景技术
磁谐振耦合无线能量传输技术是一种新型的无线能量传输技术，它比传统的磁耦合无线能量传输技术具有很大的优越性。磁谐振耦合无线能量传输技术能在较远的距离实现较高的传输功率和传输效率，实现了真正意义上的无线传输，克服了传统的磁耦合无线能量传输技术只能在非常近的距离才能使用的缺点。
然而，磁谐振耦合无线能量传输技术作为一种新型的能量传输技术，它的理论来源却是非常传统的，它并不是像有关学者提出的在本质上类似于量子力学中的隧道效应，也没有必要用到复杂的耦合模理论，它只是一个简单的电路理论。关于谐振耦合的概念，在以前的一些滤波器教材中都有描述，它指的是串联或并联谐振电路，其间用电容或电感进行耦合的网络形式。电容耦合即电耦合，电感耦合即磁耦合。所以，磁谐振耦合无线能量传输本质上是一个用磁耦合的并联谐振电路，即电感耦合带通滤波器。由于耦合电感可用两自感线圈之间的互感实现，所以就实现了能量的无线传输。在带通滤波器中，为了缩小体积，所有的元件都是集成在一起的，提供互感的两自电感以及它们之间的距离是较小的。如果把两自感线圈做的很大，它们之间的距离又较远，此时的带通滤波器已经完成了磁谐振耦合无线能量的传输功能。而且，从滤波器的角度看，磁谐振耦合无线能量传输系统的确很简单，因为它只用到了二阶。那么，同是磁耦合，传统的磁耦合无线能量传输系统为什么要逊色的多，原因就在于它缺少“谐振”二字。不能谐振，回路中的电流很小，导致传输功率和传输效率急剧下降。
在磁谐振耦合无线能量传输技术中，为了达到较高的传输功率和传输效率，通常采用四个线圈的形式，即电源连在一个线圈上和发射线圈耦合起来，负载连在另一线圈和接收线圈耦合起来。这种连接方式使得发射端和接收端都占用了较大的空间，在一些特殊的环境中并不适用。而且，发射端和接收端两线圈位置的改变都会给最佳传输频率、传输功率和传输效率带来较大的影响。因此，迫切需要发明创造一种解决该问题的技术方案。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有磁谐振耦合无线能量传输技术存在的传输功率和传输效率低下，系统占用空间较大的问题，提出一种基于滤波器设计原理的磁谐振耦合无线能量传输系统。
为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种基于滤波器设计原理的磁谐振耦合无线能量传输系统，其特征是所述系统包括顺次连接的电源（1）、第一导纳变换器（2）、第一并联谐振电路（3）、第二导纳变换器（4）、第二并联谐振电路（5）、第三导纳变换器（6）和负载（7）；
所述第一导纳变换器（2）和第三导纳变换器（6）分别由处于串联臂上的正电容和处于并联臂上的负电容组成，所述第二导纳变换器（4）由处于串联臂上正电感和两个处于并联臂上的负电感组成；
所述第一并联谐振电路（3）和第二并联谐振电路（5）由电感和电容并联组成。
所述第二导纳变换器（4）串联臂上的电感由第二导纳变换器（4）的两个处于并联臂上的电感耦合实现。
所述第二导纳变换器（4）的两个处于并联臂上的负电感由电容替换。
所述第一导纳变换器的负电容、第一并联谐振电路（3）的电容和第二导纳变换器（4）靠近电源一侧的电容合并后由独石电容替换；
所述第三导纳变换器的负电容、第二并联谐振电路（3）的电容和第二导纳变换器（4）靠近负载一侧的电容合并后由独石电容替换。
所述独石电容的取值为
Figure BDA00002682968900031
其中，ω0为系统工作频率，G0为电源内阻和负载阻值的导纳，J12为第二导纳变换器（4）的特性导纳且
Figure BDA00002682968900032
W为能量传输的相对带宽，
Figure BDA00002682968900033
J01为第一导纳变换器（2）和第二导纳变换器（6）的特性导纳且g0，g1和g2由低通原型得到，C0为设计变量。
本发明提供的无线能量传输系统的电源和负载通过两个体积非常小的独石电容分别直接连到发射线圈和接收线圈上，既解决了发射端和接收端占用较大空间的问题，又实现了该无线能量传输系统的最大的传输功率和传输效率；同时，本发明提供的系统的能量传输通带的带宽可以进行调整，很好地解决了系统误差导致最佳传输频率漂移而使传输功率和传输效率下降的问题。
附图说明
图1是本发明的整体系统框图；
图2是本发明的整体系统简化框图；
图3为实施例1的仿真结果图；
图4为实施例2的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
运用电感耦合二阶带通滤波器设计原理实现的磁谐振耦合无线能量传输系统如图1所示，此系统包括电源（1），第一导纳变换器（2），第一并联谐振电路（3），第二导纳变换器（4），第二并联谐振电路（5），第三导纳变换器（6）和负载（7）。由于处于并联臂上的各个电容可以合并，处于导纳变换器串联臂上的电感可由两并联臂上的电感线圈耦合实现，所以最终实现的磁谐振耦合无线能量传输系统的简化电路图如图2所示。根据滤波器综合设计法原理，可以得到电路系统中各个电子元件值和所设计的磁谐振耦合无线能量传输指标之间的关系。
设磁谐振耦合无线能量传输系统中电源内阻和负载阻值的导纳为G0，系统工作频率为ω0，所允许能量传输的相对带宽为W，则电路图1中第一导纳变换器（2）和第二导纳变换器（6）的特性导纳为
Figure BDA00002682968900041
第二导纳变换器（4）的特性导纳为
Figure BDA00002682968900042
其中的g0，g1，g2由低通原型得到，在实际应用时可根据所选择滤波器的类型而确定。C0为设计变量，可根据需要自由选择。
把磁谐振耦合无线能量传输系统的电路图1简化后，得到的电路图2中的处于串联臂上的电容的表达式为
Figure BDA00002682968900043
处于并联臂上的电容的表达式为
Figure BDA00002682968900044
它们都可由体积非常小的独石电容完成，与电感线圈的大小相比微不足道，并不会增加系统的体积。处于并联臂上的电感的表达式为
Figure BDA00002682968900051
它们之间的耦合电感为
Figure BDA00002682968900052
电感线圈可由铜导线绕制而成，根据无线能量传输的实际应用场合，选择它们的面积大小、形状和匝数。两电感线圈的互感可由线圈的大小以及两线圈之间的距离调节，从而也确定了能量无线传输的距离。或者反过来进行，即已知无线传输能量的距离，然后确定所需线圈的大小和匝数。从以上表达式可以看出，电路图2中所有电容和电感元件值都与设计变量C0有关，这在一定程度上增加了本发明设计的灵活性。另外，为考虑所设计的电路更接近于实际情况，图2中已考虑到了线圈的损耗电阻R。
以下举例说明本发明的实施例。
实施例1：
以最平坦式低通滤波器原型为例说明实现磁谐振耦合无线能量传输的过程。通过查表得此种滤波器的g0=1，g1=g2=1.414。取3dB相对带宽为0.05，工作频率为10MHz，G0=0.02S，设计变量C0=20pF，经过计算得到图2中的元件值分别为C′=28pF，C=24pF，L=4899nH，M=167nH。这些电容分别由体积非常小的独石电容实现，电感由截面半径为1mm的铜导线绕制成2匝半径为20cm的平面圆形线圈实现，其损耗电阻大约为R＝0.5Ω，若两线圈共轴放置，它们之间的距离为42cm，就可实现所需大小的互电感，由此完成了磁谐振耦合无线能量传输系统。通过电路仿真得到的此传输系统的功率和效率如图3所示，图3中上下两条曲线分别为效率和归一化功率随频率的变化情况（其横坐标是频率，纵坐标是效率和归一化的功率），验证了所设计的磁谐振耦合无线能量传输系统的正确性。
实施例2：
从实施例1的仿真结果图3看出，若取滤波器相对带宽为0.05，在工作频率10MHz处能量传输的通带较窄，所以可能导致系统误差引起的最佳传输频率漂移而使传输功率和传输效率下降。要想解决此问题，可把相对带宽设置的大一些。若设置3dB相对带宽为0.1，在其他参量不变的情况下，计算得图2中的元件值分别为C′＝33.7pF，C＝20pF，L＝4752nH，M＝313nH。这些电容由体积非常小的独石电容实现，电感在上述实施例1的基础上对线圈进行微调就可实现，放置两线圈之间的共轴距离为35cm就可实现所需的互感，由此实现了磁谐振耦合无线能量传输系统。图4为传输效率和功率随频率变化的仿真结果图，与图3比较，能量传输的带宽变宽，传输的功率和效率都变大，解决了频率漂移而使传输功率和传输效率下降的问题。
本发明基于滤波器设计原理为磁谐振耦合无线能量传输系统提供了一整套设计方案，能够得到特定环境情况下无线能量传输系统的具体技术指标和系统中各个电子元件值，克服了理论指导不足而造成在设计过程中反复试验以找到一个最佳传输状态的盲目设计行为，缩短了设计和加工制作的周期。
本发明的电源和负载通过两个体积非常小的独石电容分别直接连到发射线圈和接收线圈上，既解决了反射端和接收端占用较大空间的问题，又实现了该无线能量传输系统的最大的传输功率和传输效率。
本发明是基于滤波器的设计方法，其能量传输通带的带宽可以进行调整，很好地解决了系统误差导致最佳传输频率漂移而使传输功率和传输效率下降的问题。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于滤波器设计原理的磁谐振耦合无线能量传输系统，其特征是所述系统包括顺次连接的电源（1）、第一导纳变换器（2）、第一并联谐振电路（3）、第二导纳变换器（4）、第二并联谐振电路（5）、第三导纳变换器（6）和负载（7）；
所述第一导纳变换器（2）和第三导纳变换器（6）分别由处于串联臂上的正电容和处于并联臂上的负电容组成，所述第二导纳变换器（4）由处于串联臂上正电感和两个处于并联臂上的负电感组成；
所述第一并联谐振电路（3）和第二并联谐振电路（5）由电感和电容并联组成。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征是所述第二导纳变换器（4）串联臂上的电感由第二导纳变换器（4）的两个处于并联臂上的电感耦合实现。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征是所述第二导纳变换器（4）的两个处于并联臂上的负电感由电容替换。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征是所述第一导纳变换器的负电容、第一并联谐振电路（3）的电容和第二导纳变换器（4）靠近电源一侧的电容合并后由独石电容替换；
所述第三导纳变换器的负电容、第二并联谐振电路（3）的电容和第二导纳变换器（4）靠近负载一侧的电容合并后由独石电容替换。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征是所述独石电容的取值为
Figure FDA00002682968800011
其中，ω0为系统工作频率，G0为电源内阻和负载阻值的导纳，J12为第二导纳变换器（4）的特性导纳且
Figure FDA00002682968800012
W为能量传输的相对带宽，J01为第一导纳变换器（2）和第二导纳变换器（6）的特性导纳且
Figure FDA00002682968800022
g0，g1和g2由低通原型得到，C0为设计变量。
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