CN103414255A - 一种自调谐磁耦合共振无线能量传输系统及其自调谐方法 - Google Patents

一种自调谐磁耦合共振无线能量传输系统及其自调谐方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自调谐磁耦合共振无线能量传输系统及其自调谐方法，该系统包括：发射端电路，由高频电源、发射端功率匹配电路、发射端定向耦合器检测电路、发射端调谐电容、发射线圈之间依次电连接；接收端电路，由接收线圈、接收端调谐电容、接收端定向耦合器检测电路、接收端功率匹配电路、整流转换电路以及负载之间依次电连接；其中发射线圈、接收线圈、发射端调谐电容、接收端调谐电容构成二端口网络。本发明具有如下特点：一是自调谐过程是在线进行的，具有较强的自适应能力；二是自调谐控制结构简单，便于实现；三是系统保持在磁耦合共振状态，具有较高的功率传输效率。

Description

一种自调谐磁耦合共振无线能量传输系统及其自调谐方法
技术领域
本发明属于无线能量传输领域，具体涉及一种自调谐磁耦合共振无线能量传输系统及其自调谐方法。
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。传统的基于电磁感应的无线传输方式虽然原理简单、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，故它的能量传输距离十分受限，一般只能在几厘米范围内有效工作。
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，它并不向外发射电磁波，而是在它的周围形成了一个非辐射磁场。当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电能传输，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。而在实际应用中，线圈位置的改变、环境引起的线圈电容和电感改变、负载改变等因素都会导致事先设计的磁耦合共振系统偏离共振状态，通过人工方式来调谐存在费时费力、精度不高等突出问题，迫切需要一种自调谐方式来在线调整磁耦合共振无线能量传输系统的参数，使系统保持磁耦合共振状态。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、精度高、在线调谐、安全可靠的自调谐磁耦合共振无线能量传输系统及其自调谐方法。
实现本发明目的采用的技术方案是：
本发明提供的自调谐磁耦合共振无线能量传输系统，包括：
发射端电路，由高频电源、发射端功率匹配电路、发射端定向耦合器检测电路、发射端调谐电容、发射线圈之间依次电连接，发射端定向耦合器检测电路、发射端微处理器控制模块、发射端功率匹配电路之间依次电连接；
接收端电路，由接收线圈、接收端调谐电容、接收端定向耦合器检测电路、接收端功率匹配电路、整流转换电路以及负载之间依次电连接，接收端定向耦合器检测电路、接收端微处理器控制模块、接收端功率匹配电路之间依次电连接，整流转换电路与接收端微处理器控制模块之间电连接；
所述的发射线圈、接收线圈、发射端调谐电容、接收端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；
所述发射端定向耦合器检测电路用于在线检测第一端口处的入射、反射功率波，并输入发射端微处理器控制模块；所述接收端定向耦合器检测电路用于在线检测第二端口处的入射、反射功率波，并输入接收端微处理器控制模块；发射端和接收端微处理器控制模块之间通过无线通信交换检测数据用于计算所述二端口网络的散射参数                                                
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，实现自调谐控制，其中
Figure 983820DEST_PATH_IMAGE002
表示第二端口连接特性阻抗
Figure DEST_PATH_IMAGE003
时第一端口的反射系数，
Figure 987548DEST_PATH_IMAGE004
表示第二端口连接
Figure 133621DEST_PATH_IMAGE003
时第一端口到第二端口的传输系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表示第一端口连接
Figure 590010DEST_PATH_IMAGE003
时第二端口到第一端口的传输系数，
Figure 345476DEST_PATH_IMAGE006
表示第一端口连接
Figure 469290DEST_PATH_IMAGE003
时第二端口的反射系数。
所述发射端功率匹配电路、接收端功率匹配电路均是由压控可调电容和压控可调电感组成的匹配网络。
所述发射端和接收端微处理器控制模块中均内置功率匹配条件算法，接收端微处理器控制模块的工作电压由接收端整流转换电路提供。
所述的发射端微处理器控制模块中的功率匹配条件为所述二端口网络中第一端口的反射系数
Figure DEST_PATH_IMAGE007
和高频电源反射系数
Figure 284799DEST_PATH_IMAGE008
满足
Figure DEST_PATH_IMAGE009
；接收端微处理器控制模块中的功率匹配条件为所述二端口网络中第二端口的反射系数
Figure 228484DEST_PATH_IMAGE010
和负载反射系数
Figure DEST_PATH_IMAGE011
满足
Figure 787642DEST_PATH_IMAGE012
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 998918DEST_PATH_IMAGE014
可以根据测量的散射参数计算得到，，
Figure 250908DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
是高频电源的输出阻抗，
Figure 681889DEST_PATH_IMAGE018
是负载的阻抗，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
是特性阻抗。
本发明提供的自调谐磁耦合共振无线能量传输系统的自调谐方法，包括：通过发射端定向耦合器检测电路在线检测第一端口处的入射、反射功率波，并输入发射端微处理器控制模块，通过接收端定向耦合器检测电路在线检测第二端口处的入射、反射功率波，并输入接收端微处理器控制模块；发射端和接收端微处理器控制模块之间通过无线通信交换检测数据用于计算所述二端口网络的散射参数
Figure 779158DEST_PATH_IMAGE001
，再利用功率匹配条件算法计算得到匹配网络中的最佳电容和电感值，并输出电压信号控制相应的压控可调电容和压控可调电感，使整个系统保持磁耦合共振状态，获得较高的功率传输效率。 
本发明具有如下特点：一是自调谐过程是在线进行的，具有较强的自适应能力；二是自调谐控制结构简单，便于实现；三是系统保持在磁耦合共振状态，具有较高的功率传输效率。
附图说明
图1是本发明系统示意图。
图2是本发明中发射端功率匹配电路图。
图3是本发明中接收端功率匹配电路图。
图4是本发明系统的等效模型图。
图5是本发明效果对比图。
具体实施方式
本发明的自调谐磁耦合共振无线能量传输系统如图1所示，包括发射端电路和接收端电路，所述发射端电路由高频电源10、发射端功率匹配电路21、发射端定向耦合器检测电路31、发射端调谐电容41、发射线圈51之间依次电连接，发射端定向耦合器检测电路31、发射端微处理器控制模块61、发射端功率匹配电路21之间依次电连接；接收端电路由接收线圈52、接收端调谐电容42、接收端定向耦合器检测电路32、接收端功率匹配电路22、整流转换电路70以及负载80之间依次电连接，接收端定向耦合器检测电路32、接收端微处理器控制模块62、接收端功率匹配电路22之间依次电连接；整流转换电路70、接收端微处理器控制模块62之间电连接；
本发明的发射端调谐电容41、发射线圈51、接收线圈52、接收端调谐电容42构成二端口网络。第一端口1-1’和第二端口2-2’构成一个二端口网络。发射端的两个端点（高频电源的两端）1-1’构成第一端口，接收端的两个端点（负载的两端）2-2’构成第二端口。
所述发射端定向耦合器检测电路31用于在线检测上述二端口网络第一端口1-1’处的入射、反射功率波并输入发射端微处理器控制模块61；所述接收端定向耦合器检测电路32用于在线检测上述二端口网络第二端口2-2’处的入射、反射功率波并输入接收端微处理器控制模块62；发射端和接收端微处理器控制模块61、62之间需要通过无线通信连接交换检测信息用于计算所述二端口网络的散射参数
Figure 80826DEST_PATH_IMAGE001
并进行自调谐控制。
本发明的发射端功率匹配电路21采用倒L型匹配网络，如图2所示，由压控可调电容
Figure 972559DEST_PATH_IMAGE020
和压控可调电感
Figure DEST_PATH_IMAGE021
组成；接收端功率匹配电路22采用倒L型匹配网络，如图3所示，由压控可调电容
Figure 890837DEST_PATH_IMAGE022
和压控可调电感组成。
本发明系统的等效模型如图4所示，可以得到
     （1）
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 246174DEST_PATH_IMAGE026
， 
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 574387DEST_PATH_IMAGE028
。
进一步由图4连接关系可得
Figure DEST_PATH_IMAGE029
     （2）
Figure 714381DEST_PATH_IMAGE030
    （3）
根据式（2）、（3）方程左右两边的实部与虚部分别相等，可解得匹配电容
Figure DEST_PATH_IMAGE031
与匹配电感
Figure 419032DEST_PATH_IMAGE032
的值。
所述发射端功率匹配电路、接收端功率匹配电路也可以采用T型或π型匹配网络等。
所述发射端和接收端微处理器控制模块中均内置功率匹配条件算法，接收端微处理器控制模块的工作电压由接收端整流转换电路提供，微处理器可选用单片机、DSP等。
所述的发射端微处理器控制模块中的功率匹配条件为上述二端口网络中第一端口1-1’的反射系数
Figure 492030DEST_PATH_IMAGE007
和高频电源反射系数
Figure 459986DEST_PATH_IMAGE008
满足
Figure 87277DEST_PATH_IMAGE009
；接收端微处理器控制模块中的功率匹配条件为上述二端口网络中第二端口2-2’的反射系数
Figure 828574DEST_PATH_IMAGE010
和负载反射系数
Figure 693762DEST_PATH_IMAGE011
满足
Figure 363778DEST_PATH_IMAGE012
，其中和
Figure 728080DEST_PATH_IMAGE014
可以根据测量的散射参数S计算得到，
Figure 244512DEST_PATH_IMAGE015
，，
Figure 156154DEST_PATH_IMAGE017
是高频电源的输出阻抗，
Figure 209560DEST_PATH_IMAGE018
是负载的阻抗，
Figure 580499DEST_PATH_IMAGE019
是特性阻抗。 
本发明系统的磁耦合共振频率
Figure DEST_PATH_IMAGE033
一般根据实际需求实现设定，依据
Figure 592317DEST_PATH_IMAGE033
设计相应的高频电源使其输出频率等于
Figure 415917DEST_PATH_IMAGE033
；考虑使用空间限制，分别确定发射线圈和接收线圈的合适半径和匝数并测得线圈电感，再依据
Figure 273014DEST_PATH_IMAGE034
分别确定发射端和接收端调谐电容，使发射谐振回路与接收谐振回路的谐振频率均等于。
本发明系统的自调谐包括如下过程：通过发射端检测电路31在线检测上述二端口网络第一端口1-1’处的入射、反射功率波并输入发射端微处理器控制模块61；通过接收端检测电路32在线检测上述二端口网络第二端口2-2’处的入射、反射功率波并输入接收端微处理器控制模块62；发射端微处理器控制模块61和接收端微处理器控制模块62之间通过无线通信连接交换检测信息并计算所述二端口网络的散射参数，发射端微处理器控制模块61和接收端微处理器控制模块62通过功率匹配条件算法计算得到匹配网络中的最佳电容和电感值，并输出电压信号控制相应的压控可调电容和压控可调电感，使整个系统保持磁耦合共振状态，获得较高功率传输效率。
本发明效果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，发射端调谐电容、发射线圈分别与接收端调谐电容、接收线圈对应相同，高频电源输出阻抗为50Ω，负载电阻
Figure 227960DEST_PATH_IMAGE018
选取280Ω，此时高频电源的反射系数
Figure DEST_PATH_IMAGE035
，负载的反射系数
Figure 154328DEST_PATH_IMAGE036
，在系统共振频率2MHz处，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
，故
Figure 234279DEST_PATH_IMAGE038
，即第一端口1-1’没有实现功率匹配，从而整个系统不满足功率匹配条件。
 
表1 磁耦合共振无线能量传输系统参数
参数类型 参数值 参数类型 参数值
线圈半径 220 mm 谐振电容C 0.576 nF
铜导线半径 1.6 mm 线圈固有频率 2 MHz
线圈匝数 3 电源输出阻抗Z S 50 Ω
高频电源频率 1~5MHz 特性阻抗Z 0 50 Ω
线圈等效电感 11.0 mH    
线圈距离改变时，依据功率匹配条件算法，得到表1的磁耦合谐振式无线能量传输系统在2MHz时的功率匹配电路参数如表2所示。
表2 发射端和接收端功率匹配元件值
距离D/mm 频率f/MHz 电容C1/nF 电感L2/uH 电容C3/nF 电感L4/uH
150 2 0. 26289 0.63977 0.61959 8.4439
200 2 1.8108 1.9730 0.97832 5.9691
系统在线自调谐匹配前后的功率传输效率对比图如图5所示，其中图5a）为发射线圈和接收线圈之间距离D=150mm时系统在匹配前后的功率传输效率对比图；图5b）为发射线圈和接收线圈之间距离D=200mm时系统在匹配前后的功率传输效率对比图。通过图5a）、图5b）均可以看出该自调谐方法能使系统获得较高的功率传输效率。

Claims (6)

1.一种自调谐磁耦合共振无线能量传输系统，其特征是包括：
发射端电路，由高频电源、发射端功率匹配电路、发射端定向耦合器检测电路、发射端调谐电容、发射线圈之间依次电连接，发射端定向耦合器检测电路、发射端微处理器控制模块、发射端功率匹配电路之间依次电连接；
接收端电路，由接收线圈、接收端调谐电容、接收端定向耦合器检测电路、接收端功率匹配电路、整流转换电路以及负载之间依次电连接，接收端定向耦合器检测电路、接收端微处理器控制模块、接收端功率匹配电路之间依次电连接，整流转换电路与接收端微处理器控制模块之间电连接；
所述的发射线圈、接收线圈、发射端调谐电容、接收端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。
2.根据权利要求1所述的自调谐磁耦合共振无线能量传输系统，其特征是所述发射端定向耦合器检测电路用于在线检测第一端口处的入射、反射功率波，并输入发射端微处理器控制模块；所述接收端定向耦合器检测电路用于在线检测第二端口处的入射、反射功率波，并输入接收端微处理器控制模块；发射端和接收端微处理器控制模块之间通过无线通信交换检测数据用于计算所述二端口网络的散射参数                                                
Figure 911887DEST_PATH_IMAGE001
，实现自调谐控制，其中
Figure 990701DEST_PATH_IMAGE002
表示第二端口连接特性阻抗
Figure 19837DEST_PATH_IMAGE003
时第一端口的反射系数，表示第二端口连接时第一端口到第二端口的传输系数，表示第一端口连接
Figure 39428DEST_PATH_IMAGE003
时第二端口到第一端口的传输系数，
Figure 513135DEST_PATH_IMAGE006
表示第一端口连接时第二端口的反射系数。
3.根据权利要求2所述的自调谐磁耦合共振无线能量传输系统，其特征是所述发射端功率匹配电路、接收端功率匹配电路均是由压控可调电容和压控可调电感组成的匹配网络。
4.根据权利要求3所述的自调谐磁耦合共振无线能量传输系统，其特征是所述发射端和接收端微处理器控制模块中均内置功率匹配条件算法，接收端微处理器控制模块的工作电压由接收端整流转换电路提供。
5.根据权利要求4所述的自调谐磁耦合共振无线能量传输系统，其特征是所述的发射端微处理器控制模块中的功率匹配条件为所述二端口网络中第一端口的反射系数
Figure 902845DEST_PATH_IMAGE007
和高频电源反射系数
Figure 906573DEST_PATH_IMAGE008
满足
Figure 285602DEST_PATH_IMAGE009
；接收端微处理器控制模块中的功率匹配条件为所述二端口网络中第二端口的反射系数
Figure 210833DEST_PATH_IMAGE010
和负载反射系数
Figure 467764DEST_PATH_IMAGE011
满足
Figure 794840DEST_PATH_IMAGE012
，其中
Figure 610349DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 554035DEST_PATH_IMAGE014
根据测量的S参数计算得到，
Figure 316454DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 29195DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 15606DEST_PATH_IMAGE017
是高频电源的输出阻抗，是负载的阻抗，
Figure 12698DEST_PATH_IMAGE019
是特性阻抗。
6.一种自调谐磁耦合共振无线能量传输系统的自调谐方法，其特征是包括：通过发射端定向耦合器检测电路在线检测第一端口处的入射、反射功率波，并输入发射端微处理器控制模块，通过接收端定向耦合器检测电路在线检测第二端口处的入射、反射功率波，并输入接收端微处理器控制模块；发射端和接收端微处理器控制模块之间通过无线通信交换检测数据用于计算所述二端口网络的散射参数
Figure 579945DEST_PATH_IMAGE001
，再利用功率匹配条件算法计算得到匹配网络中的最佳电容和电感值，并输出电压信号控制相应的压控可调电容和压控可调电感，使整个系统保持磁耦合共振状态，获得较高的功率传输效率。
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