CN103078415A - 磁谐振耦合无线能量传输系统的临界耦合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了磁谐振耦合无线能量传输技术领域中的一种磁谐振耦合无线能量传输系统的临界耦合控制方法，主要解决了在传输距离比较远而又不能依靠增加线圈的大小和匝数来提高耦合系数的弱耦合情况下传输功率和效率低的问题。该方法通过在电源和负载接入阻抗变换器，调节电源和负载的电阻值，以使得无线能量传输系统工作在临界耦合状态。本发明快速准确地得出系统处于临界耦合状态的最佳设计方案，使磁谐振耦合无线能量传输系统始终工作在一种功率大，效率高的状态。

Description

磁谐振耦合无线能量传输系统的临界耦合控制方法

技术领域

本发明属于磁谐振耦合无线能量传输技术领域，尤其涉及一种磁谐振耦合无线能量传输系统的临界耦合控制方法。

背景技术

磁谐振耦合无线能量传输系统中，能量是通过两个具有同一谐振频率的自谐振线圈之间的磁耦合进行传递的，耦合系数对于能量传输的功率和效率起着至关重要的作用。根据耦合系数的大小，磁谐振耦合无线能量传输系统可以分为三种方式：强耦合、临界耦合和弱耦合。在强耦合到临界耦合的范围内，能量传输的功率和效率最大，并且不随耦合系数发生变化，但传输功率最大值点对应的频率有两个，一个高于线圈的自谐振频率，另一个低于线圈的自谐振频率，即最佳传输频率点并不是线圈的自谐振频率。随着耦合系数的逐渐降低，传输功率最大值点对应的两个频率逐渐靠拢，直到耦合系数达到临界耦合时，传输功率最大值点对应的频率在自谐振频率处重合。随着耦合系数进一步降低到弱耦合区域，传输功率和效率随耦合系数的下降而逐渐减小，但最佳传输状态始终保持在自谐振频率处不变。

当自谐振线圈的大小、形状及放置方式确定时，耦合系数直接反应了传输距离的远近。强耦合时能量传输的距离短，产生频率劈裂的现象使得系统在自谐振频率处的传输功率很低，这种方式在无线能量传输的应用中很少采用。弱耦合时能量传输的功率和效率也比较低，而且随着传输距离的增加，耦合系数进一步变小，能量传输的功率和效率也随着变小。所以，基于磁谐振耦合无线能量传输的最佳状态是系统工作于临界耦合的情形。但是，由于临界耦合所对应的传输距离是确定的、有限的，这在无线能量传输的应用中受到了很大的限制。所以，最好的传输方式是能量传输的距离远，功率大，效率高。为此，必须找到一种技术方法实现该传输方案。

发明内容

本发明的目的在于提出一种磁谐振耦合无线能量传输系统的临界耦合控制方法，主要解决随着传输距离的逐渐增大，耦合系数逐渐减小而导致传输功率和传输效率逐渐下降的问题。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种磁谐振耦合无线能量传输系统的临界耦合控制方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：确定所述系统的无线能量传输距离D；

步骤2：根据无线能量传输距离D，利用公式

计算所述系统的耦合系数；其中，u₀为真空磁导率，u₀=4π×10^-7，单位：亨利/米，r₁、r₂、n₁和n₂分别为发射线圈和接收线圈的半径及匝数；

步骤3：利用公式ωM=R_s=R_L，计算临界耦合状态时所述系统的源电阻最佳阻值R_s和负载电阻最佳阻值R_L；其中，ω=2πf，f为所述系统的工作频率；

步骤4：分别将所述系统的源电阻阻值和负载电阻阻值调节至源电阻最佳阻值R_s和负载电阻最佳阻值R_L。

所述步骤4具体为，分别将两个阻抗变换器连接到源电阻和负载电阻两端；所述阻抗变换器包括阻抗变换器电感和阻抗变换器电容；

所述阻抗变换器电感的电感值的计算公式为

所述阻抗变换器电容的电容值的计算公式为

其中，R₁为临界耦合状态时所述系统的源电阻最佳阻值R_s或负载电阻最佳阻值R_L，R₂为实际工作状态下所述系统的源电阻阻值或负载电阻阻值。

本发明提供的方法，可以始终使无线能量传输系统工作在临界耦合状态，确保传输功率和效率总是最大值，解决了传输功率与效率和传输距离之间的矛盾。进一步，采用阻抗变换器调节系统的源电阻和负载电阻，不会增加系统的体积。

附图说明

图1是本发明提供的阻抗变换器电路图；

图2是磁谐振耦合无线能量传输系统等效电路图；

图3是未接入的阻抗变换器时磁谐振耦合无线能量传输系统仿真结果图；

图4是在弱耦合情况下磁谐振耦合无线能量传输系统仿真结果图；

图5是接入阻抗变换器的磁谐振耦合无线能量传输系统等效电路图；

图6是接入阻抗变换器的磁谐振耦合无线能量传输系统在临界耦合状态下的仿真结果图。

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。

磁谐振耦合无线能量传输系统中，当系统工作于临界耦合状态时，有关系式ωM=R_s=R_L。其中，ω=2πf，f表示无线能量传输系统的工作频率，M表示两线圈（发射线圈和接收线圈）之间的互感，R_s和R_L分别表示源和负载的电阻。可见，临界耦合的要求是工作频率与互感的乘积等于源和负载的电阻，此时能量传输的功率和效率最高。在实际应用中，如果电源和负载的电阻值相等（一般为50欧姆），这时可以通过设计工作于自谐振频率点的谐振电路（由线圈电感和独石电容实现）以及两线圈之间的互感值（互感值的大小与两线圈的大小、形状、匝数有关）直接实现临界耦合的传输状态。

但是，在一些特殊的环境中，要求无线能量传输的距离尽可能的长，而发射线圈和接收线圈又不能占用太大的空间，即线圈的大小和匝数是确定的，此时耦合电感值较小。根据以上分析可知，为了得到更高功率和效率的能量传输，只能让系统工作于临界耦合状态。由此得出的源和负载的电阻也要变小才能符合临界耦合状态要求，所以此时能量传输功率和效率最大要求的源和负载的电阻与实际的源和负载的电阻值是不相等的，这个问题利用通过阻抗变换器解决。阻抗变换器能把一个电阻变换成任何一个所需要的电阻，这就实现了无线能量传输系统的临界耦合状态。

图1为本发明使用的阻抗变换器，其两端的电阻值之间的相互关系为

根据已知源和负载的电阻值以及能量传输功率和效率最高时所要求的最佳的电阻值大小，进而可把阻抗变换器的电容和电感值求出。通过阻抗变换器，甚至还可以实现负载电阻值和电源内阻值不相等的任何负载的无线能量临界耦合传输系统，进一步拓宽了无线能量传输系统的应用范围。

下面通过实施例说明本发明的实现过程。

图2是磁谐振耦合无线能量传输系统等效电路图。如图2所示，本实施例为工作频率f＝23.2MHz的无线能量传输系统临界耦合实现方案，电源和负载的电阻分别为50欧姆，若对传输距离并无特别要求时，可让系统直接工作于临界耦合状态而无需加载阻抗变换器。发射线圈和接收线圈是由截面半径为1mm的铜导线绕制成2匝半径为10cm的圆线圈做成的，线圈的电感值为L＝2360nH，线圈的损耗电阻为R＝0.25Ω。若再串联一个C＝20pF的独石电容，就可使电路的谐振频率为23.2MHz。发射线圈和接收线圈同轴放置，它们之间的距离由小到大逐渐增加，系统传输功率最大值点由2个逐渐合并为1个而后不变，此过程实际上是系统由强耦合变到临界耦合、然后又变到弱耦合的过程。如果把发射线圈和接收线圈设定在系统处于临界耦合状态的距离处，就完成了临界耦合无线能量传输的设计过程。图3是图2所示的磁谐振耦合无线能量传输系统仿真结果图，它描述了传输功率和传输效率随频率变化的情况，其横轴为频率，纵轴为传输效率和归一化的传输功率。图3中上面的曲线为传输能量的效率随频率变化的情况，下面的曲线为传输功率随频率的变化情况。在临界耦合处，互感值为340nH，仿真结果与理论计算完全一致。

若保持上述电路不变，增大能量传输的距离即减小同轴放置的两线圈之间的耦合系数使互感值减小到100nH，整个系统处于弱耦合状态，此时传输的功率和效率随频率变化的情况如图4所示，传输功率急剧下降，传输效率略有下降，严重影响了无线能量传输的应用。

采用本发明提出的临界耦合实现方案，由于互感值为100nH，因此直接利用公式ωM＝R_s＝R_L计算临界耦合状态时所述系统的源电阻最佳阻值R_s和负载电阻最佳阻值R_L，其中，ω=2πf，f为所述系统的工作频率，f=23.2MHz，则R_s＝R_L＝14.6Ω。再分别将源电阻阻值和负载电阻阻值调节至14.6Ω。其调节过程是将图1所示的两个阻抗变换器分别连接到图2所示的源电阻和负载电阻两端，接入两个阻抗变换器的磁谐振耦合无线能量传输系统等效电路图如图5所示。图5中，阻抗变换器包括阻抗变换器电感和阻抗变换器电容。其中，阻抗变换器电感的电感值为

阻抗变换器电容的电容值为

R₁为临界耦合状态时所述系统的源电阻最佳阻值R_s或负载电阻最佳阻值R_L，即14.6Ω。R₂为实际工作状态下所述系统的源电阻阻值或负载电阻阻值，即50欧姆。因此，求得阻抗变换器中的电感值L＝156nH，电容值C＝213pF。加载阻抗变换器后系统的传输功率和效率随频率变化的关系如图6所示，可以看出，与图4相比，功率和效率有极大的提高。

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 (2)

1.一种磁谐振耦合无线能量传输系统的临界耦合控制方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：确定所述系统的无线能量传输距离D；

步骤2：根据无线能量传输距离D，利用公式

计算所述系统的耦合系数；其中，u₀为真空磁导率，u₀=4π×10^-7，单位：亨利/米，r₁、r₂、n₁和n₂分别为发射线圈和接收线圈的半径及匝数；

步骤3：利用公式ωM=R_s=R_L，计算临界耦合状态时所述系统的源电阻最佳阻值R_s和负载电阻最佳阻值R_L；其中，ω=2πf，f为所述系统的工作频率；

步骤4：分别将所述系统的源电阻阻值和负载电阻阻值调节至源电阻最佳阻值R_s和负载电阻最佳阻值R_L。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征是所述步骤4具体为，分别将两个阻抗变换器连接到源电阻和负载电阻两端；所述阻抗变换器包括阻抗变换器电感和阻抗变换器电容；

所述阻抗变换器电感的电感值的计算公式为

所述阻抗变换器电容的电容值的计算公式为

其中，R₁为临界耦合状态时所述系统的源电阻最佳阻值R_s或负载电阻最佳阻值R_L，R₂为实际工作状态下所述系统的源电阻阻值或负载电阻阻值。

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