CN103414254B - 一种磁耦合共振无线能量传输系统功率匹配设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁耦合共振无线能量传输系统优化设计的功率匹配方法，包括以下步骤：一、建立磁耦合共振无线能量传输系统的等效二端口网络模型；二、利用功率波方法分析该二端口网络模型的特性；三、定义磁耦合共振无线能量传输系统的功率传输效率，从而得到系统的功率匹配条件，为工程优化设计提供指导方法。本发明的优点：一是物理意义明确；二是计算过程简单、易于实现；三是实现了系统无线能量传输效率最大时负载上获取的功率也最大。

Description

一种磁耦合共振无线能量传输系统功率匹配设计方法

技术领域

本发明属于无线能量传输技术领域，具体涉及一种磁耦合共振无线能量传输系统优化设计的功率匹配方法。

背景技术

无线能量传输技术可以在无需线缆的情况下为负载提供电能，在无线网络、机器人、移动终端设备、智能交通、医学等领域具有迫切应用需求。电能如何实现高效传输是无线能量传输技术的核心问题之一。目前常用的方法是建立在电磁感应原理基础上的，即设置相互接近的发射和接收两个线圈，当发射线圈中流过的电流发生变化时，通过接收线圈磁通量也会发生变化，由于电磁感应而在接收线圈中产生感应电动势，实现电能的无线传输。该无线传输方式原理简单、易于实现，但其传输效率与传输距离紧密相关，距离越大，传输效率会急剧下降，故只能工作在几厘米范围内，大大限制了其应用范围。

近年来，一种基于磁耦合共振的中距离无线能量传输技术得到了国内外的高度关注，它也由两个线圈组成，但每个线圈本身是一个谐振系统，其中发射线圈与电源相连，它并不向外辐射电磁波，而是在它的周围形成了一个非辐射磁场，将电能转换成磁场能；接收线圈与发射线圈产生磁共振时，两个线圈之间会形成一个非辐射磁场通道，从而通过磁场能到电能的转换实现中距离的无线电能传输。相对于电磁感应方式来说，该方法最大的优点是明显提高了无线能量传输效率和距离。但是，磁共振是该方法的一个前提条件，一旦失共振，它的传输效率和距离就会急剧下降。目前，工程中如何设计满足磁共振条件的无线能量传输系统还缺乏相应的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁耦合共振无线能量传输系统优化设计的功率匹配方法，使得该系统处于磁共振状态。

本发明方法，主要包括下列步骤：

一、建立磁耦合共振无线能量传输系统的等效二端口网络功率波模型：

在包括高频电源、发射线圈、接收线圈、第一、第二调谐电容、负载的磁耦合共振无线能量传输系统中，将高频电源通过串联第一谐振电容连接到发射线圈两端，接收线圈通过串联第二谐振电容连接到负载两端，从而建立所述系统的等效二端口网络功率波模型，其中发射线圈、接收线圈、第一、第二调谐电容构成二端口网络，第一端口的两个端点位于高频电源的两端，第二端口的两个端点位于负载的两端；

二、在等效二端口网络功率波模型中，将二端口网络及负载作为等效负载，将电源及二端口网络作为等效电源，定义等效负载的反射系数为 ，等效电源的反射系数为，其中分别表示第一端口处的入射和反射功率波，分别表示第二端口处的入射和反射功率波，为等效电源的原功率波；

三、定义磁耦合共振无线能量传输系统的功率传输效率，从而得到系统的功率匹配条件：

1）利用功率波表示方法，将高频电源的输出功率定义为

               （1）

式中，高频电源的反射系数为，为高频电源的输出阻抗，为特性阻抗。分别是的相位，是高频电源的原功率波；由于高频电源原功率波与反射系数是固定的，因此高频电源的输出功率由决定，当满足条件、时，的值最大，即当满足第一端口功率匹配条件时，高频电源输出功率最大，其最大值为

                           （2）

2）、利用功率波表示方法，将负载上获取的功率定义为

                             （3）

式中，负载的反射系数为，为负载阻抗，为特性阻抗。

同理，当满足第二端口功率匹配条件时，负载上获取的功率最大，其最大值为

                           （4）

3）、将磁耦合共振无线能量传输系统的功率传输效率定义为负载获取功率与高频电源最大输出功率的比值，即

            （5）

式中为磁耦合共振无线能量传输系统等效二端口网络功率波模型的散射参数，表示第二端口连接特性阻抗时第一端口的反射系数，表示第二端口连接时从第一端口到第二端口的传输系数。

4）当第一端口与第二端口同时满足功率匹配条件，即且时，系统的功率传输效率最大，此时负载上获得的功率也最大。

本发明方法的特点是通过建立磁耦合共振无线能量传输系统的等效二端口网络模型，利用功率波分析方法分析该二端口网络模型的特性，定义无线能量传输系统的功率传输效率，从而得到系统的功率匹配条件，为工程优化设计提供指导方法。本发明的优点：一是物理意义明确；二是计算过程简单、易于实现；三是实现了系统无线能量传输效率最大时负载上获取的功率也最大。

下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1是磁耦合共振无线能量传输系统的结构示意图。

图2是磁耦合共振无线能量传输系统的等效二端口网络模型。

图3是磁耦合共振无线能量传输系统的二端口网络功率波模型。

图4是磁耦合共振无线能量传输系统二端口网络功率波模型的等效分解示意图。

图5是磁耦合共振无线能量传输系统满足功率匹配与失匹配时的功率传输效率对比图。

具体实施方式

如图1所示，一个磁耦合共振无线能量传输系统通常由高频电源1、发射线圈2、接收线圈3、第一、第二调谐电容C_S、C_D、负载4等几部分组成，将发射电源1通过串联第一谐振电容C_S连接到发射线圈2两端，接收线圈3通过串联第二谐振电容C_D连接到负载两端，从而建立所述系统的等效模型。

（）图1所示的系统可以等效为如图2所示的二端口网络模型，其中发射线圈2、接收线圈3、第一、第二调谐电容C_S、C_D构成二端口网络，发射端的两个端点（高频电源的两端）Ⅰ—Ⅰ’构成第一端口，接收端的两个端点（负载的两端）Ⅱ—Ⅱ＇构成第二端口。图2中为高频电源的开路电压，为高频电源的输出阻抗，、分别为发射线圈、接收线圈的调谐电容，、分别为发射线圈、接收线圈的等效电感，、分别为发射线圈、接收线圈等效电阻，为负载阻抗，为两线圈之间的互感，、分别为第一端口Ⅰ—Ⅰ＇处的电压与电流，、分别为第二端口Ⅱ—Ⅱ＇处的电压与电流。

（）图2所示的二端口网络模型可以表示为图3所示的二端口网络功率波模型，其中，二端口网络对应图2中的发射线圈2、接收线圈3、第一调谐电容C_S与第二调谐电容C_D，表示高频电源的原功率波，表示高频电源的输出功率波，表示高频电源接收到的功率波，分别表示第一端口Ⅰ—Ⅰ＇处的入射和反射功率波，分别表示第二端口Ⅱ—Ⅱ＇处的入射和反射功率波，表示负载的入射功率波，表示负载的反射功率波。

（）分别将二端口网络及负载作为等效负载、将高频电源及二端口网络作为等效电源，则图3所示的二端口网络功率波模型可转化为图4所示的分解模型，定义等效负载的反射系数为、等效电源的反射系数为，其中分别表示第一端口Ⅰ—Ⅰ＇处的入射和反射功率波，分别表示第二端口Ⅱ—Ⅱ＇处的入射和反射功率波，为等效电源的原功率波。

利用功率波表示方法，高频电源的输出功率定义为

              （1）

式中，高频电源的反射系数为，为高频电源的输出阻抗，为特性阻抗。分别是的相位，是高频电源的原功率波；由于高频电源原功率波与反射系数是固定的，因此高频电源的输出功率由决定，当满足条件、时，的值最大，即当满足第一端口功率匹配条件时，高频电源输出的功率最大，其最大值为

                       （2）

利用功率波表示方法，将负载上获取的功率定义为

                          （3）

式中，负载的反射系数为，为负载阻抗，为特性阻抗。

同理，当满足第二端口功率匹配条件时，负载上获取的功率最大，其最大值为

                             （4）

（）将磁耦合共振无线能量传输系统的功率传输效率定义为负载获取功率与高频电源最大输出功率的比值，即

            （5）

式中为磁耦合共振无线能量传输系统二端口网络模型的散射参数，表示第二端口连接特性阻抗时第一端口的反射系数，表示第二端口连接时从第一端口到第二端口的传输系数。

反映了负载对高频电源所能提供的最大功率的利用率，当第一端口Ⅰ—Ⅰ＇与第二端口Ⅱ—Ⅱ＇同时满足功率匹配条件，即且时，系统的功率传输效率最大，此时负载上获得的功率也最大。

本发明效果可通过以下对比实验加以说明。

实验中磁耦合共振无线能量传输系统的有关参数如表1所示，负载电阻分别选取50Ω和280Ω两种情况用于比较。

表1 磁耦合共振无线能量传输系统参数

当时，高频电源的反射系数，负载的反射系数，此时有，而在系统共振频率2MHz处有，故满足，即第一端口Ⅰ—Ⅰ＇达到功率匹配；同理，在系统共振频率2MHz处满足，即第二端口Ⅱ—Ⅱ＇达到功率匹配，从而整个系统满足功率匹配条件，得到系统功率传输效率如图5（a）所示。当时，高频电源的反射系数，负载的反射系数，此时在系统共振频率2MHz处，，故，即第一端口Ⅰ—Ⅰ＇没有实现功率匹配，从而整个系统不满足功率匹配条件，得到系统功率传输效率如图5（b）所示。

比较图5的两个结果可以看出：在系统共振频率2MHz处，当系统满足功率匹配条件时，其功率传输效率接近于100%。而当失去匹配时，其功率传输效率仅有50%。

Claims (1)

1.一种磁耦合共振无线能量传输系统优化设计的功率匹配方法，其特征是包括以下步骤：

一、建立磁耦合共振无线能量传输系统的等效二端口网络功率波模型：

在包括高频电源、发射线圈、接收线圈、第一、第二调谐电容、负载的磁耦合共振无线能量传输系统中，将高频电源通过串联第一谐振电容连接到发射线圈两端，接收线圈通过串联第二谐振电容连接到负载两端从而建立所述系统的等效二端口网络功率波模型，其中发射线圈、接收线圈、第一、第二调谐电容构成二端口网络，第一端口的两个端点位于高频电源的两端，第二端口的两个端点位于负载的两端；

二、在所述等效二端口网络功率波模型中，将二端口网络及负载作为等效负载，将电源及二端口网络作为等效电源，定义等效负载的反射系数为                                                ，等效电源的反射系数为，其中分别表示第一端口处的入射和反射功率波，分别表示第二端口处的入射和反射功率波，为等效电源的原功率波；

三、定义磁耦合共振无线能量传输系统的功率传输效率，从而得到系统的功率匹配条件：

1）利用功率波表示方法，将高频电源的输出功率定义为

                （1）

式中，为高频电源的反射系数为，为高频电源的输出阻抗，为特性阻抗；

分别是的相位，是高频电源的原功率波；由于高频电源原功率波与反射系数是固定的，因此高频电源的输出功率由决定，当满足条件、时，的值最大，即当满足第一端口功率匹配条件时，高频电源输出功率最大，其最大值为

                           （2）

2）、利用功率波表示方法，将负载上获取的功率定义为

                             （3）

式中，为负载的反射系数，为负载阻抗，为特性阻抗；

同理，当满足第二端口功率匹配条件时，负载上获取的功率最大，其最大值为

                            （4）

3）、将磁耦合共振无线能量传输系统的功率传输效率定义为负载获取功率与高频电源最大输出功率的比值，即

            （5）

式中为等效二端口网络功率波模型的散射参数，表示第二端口连接特性阻抗时第一端口的反射系数，表示第二端口连接时从第一端口到第二端口的传输系数；

4）当第一端口与第二端口同时满足功率匹配条件，即且时，系统的功率传输效率最大，此时负载上获得的功率也最大。