CN103683529A - 用于感应耦合无线电能传输效率优化的负载阻抗匹配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于感应耦合无线电能传输效率优化的负载阻抗匹配方法。本发明在感应耦合无线电能传输系统中，在接收线圈后串联一个电容C2，再并联一个电容C3形成新的副边阻抗变换电路。通过设计两个电容的值可以使得负载电阻值等于达到最大传输效率时所需的最优负载电阻值。本发明所采用的技术方案，具有更小的损耗、更容易在集成电路中实现等优点。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输领域，具体涉及感应耦合无线电能传输过程中负载阻抗匹配方法，可以优化传输效率。
背景技术
在许多场合，电子器件的供电采用有线供电或电池供电不方便甚至不可能。如在智能楼宇中的无线传感器大量植入材料、墙体中，当电池耗尽，无法更换电电池；在野外农业中用于检测农作物生长的无线传感器，更换电池要花费大量人力物力；在植入式医疗中植入体内的医疗器件，更换电池可能给人体带来痛苦和风险等。无线供电是解决此问题的途径之一。
感应耦合无线电能传输方式是电能发送端和接收端距离较近时通常采用的方法，它通过两个耦合线圈之间的电磁感应传递电能，其基本原理如图1所示，主要包括发送交流电压源，原边阻抗变换电路，发送线圈，接收线圈，副边阻抗变换电路，整流电路，滤波电路和电阻负载。原边阻抗变换电路和副边阻抗变换电路分别设计成与发送线圈和接收线圈谐振的形式，是当前提高传输效率、发送交流信号源输出功率因数的常用方法。原边阻抗变换电路通常是为提高发送交流信号源输出功率因数而设计，图1中采用串联谐振可以实现接近于1的功率因数。但是，副边阻抗变换电路采用简单的串联或并联谐振方式通常不能达到最优的传输效率。原因是，它们分别有一个能达到最优传输效率的负载电阻值，但这个最优负载电阻值与实际负载电阻值并不相等。
事实上，可以根据发送线圈和接收线圈的参数，求出传输效率最大时接收线圈所接的最优负载阻抗值及所对应的最大传输效率分别为Z L opt =ωL 2(1+k 2 Q 1 Q 2)0.5/Q 2−jωL 2和η=k 2 Q 1 Q 2/[1+(1+k 2 Q 1 Q 2)0.5]，其中Q 1和Q 2分别为原边和副边线圈的品质因数，k为两个线圈之间耦合系数，L 2为接收线圈的电感值，ω为系统工作频率。因此，可以根据得到的最优负载阻抗值设计副边阻抗变换电路达到最大传输效率。
发明内容
为解决传统串联或并联谐振无线电能传输方式中负载电阻并非效率最高时的最优电阻，以致于不能达到最大效率的问题，本发明采用一种新的副边阻抗变换电路来达到最高电能传输效率。
本发明所采用的技术方案是：在感应耦合无线电能传输系统中，在接收线圈后串联一个电容C 2，再并联一个电容C 3形成新的副边阻抗变换电路。通过设计两个电容的值可以使得负载电阻值等于达到最大传输效率时所需的最优负载电阻值。电容C 2的取值为[Q 2/ω 3 R L L 2(1+k 2 Q 1 Q 2)0.5−1/ω 2 R L 2]0.5，C 3的取值为Q 2 R L/[ω 2 R L L 2 Q 2 –ω3C 2 L 2 R L 2(1+k 2 Q 1 Q 2)0.5]，其中，R L为从整流电路往负载方向看进去的等效电阻值，L 1为发送线圈电感值，其它参数如前所述说明。
本发明具有如下优点：
（1）相比于传统的串并联谐振形式的副边阻抗变换电路，本发明所采用的技术方案可以将负载阻抗变换为最优负载阻抗，达到最大传输效率。
（2）相比于现有的其他形式副边阻抗变换电路，如在接收线圈后串联一个电容，再并联一个电感的阻抗变换电路，本发明所采用的技术方案，具有更小的损耗、更容易在集成电路中实现等优点。因为电容的品质因数通常大于电感的品质因数，尤其是在集成电路实现时，高品质因数的电感实现非常困难。
附图说明
图1为本发明结构框图。
图中：1.能量发送装置，2.能量接收装置，1-1.发送交流电压源，1-2.原边阻抗变换电路（电容C 3），1-3.发送线圈L 1，2-1.接收线圈L 2，2-2.副边阻抗变换电路中的电容C 1，2-3.副边阻抗变换电路中的电容C 2，2-4.整流电路，2-5.LC滤波电路及负载。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1所示，本发明包括能量发送装置1和能量接收装置2。
能量发送装置1包括，发送交流电压源1-1，发送线圈1-3及其所接电容1-2形成串联谐振，其谐振频率等于交流电压源输出信号频率ω，ω=(1/L 1C1)0.5。发送交流电压源1-1采用常规E类放大器实现。所述能量发射线圈1-3是在PCB板上制作的平面螺旋线圈。能量接收装置2包括能量接收线圈2-1及其所接阻抗变换电路电容2-2、电容2-3，整流电路2-4和LC滤波电路及负载2-5。能量接收线圈2-1是在PCB板上制作的平面螺旋线圈，整流电路2-4采用桥式整流。整流电路2-4和LC滤波电路及负载2-5可以等效成一个交流电阻R L，R L与实际负载电阻R load之间的关系为R L=(π2/8)R load。根据最优阻抗的理论分析结果，可以算出电容2-2和电容2-3的取值分别为：
[Q 2/ω 3 R L L 2(1+k 2 Q 1 Q 2)0.5−1/ω 2 R L 2]0.5和
Q 2 R L/[ω 2 R L L 2 Q 2 –ω3C 2 L 2 R L 2(1+k 2 Q 1 Q 2)0.5]。
可以将本发明与传统的串联和并联谐振方式进行传输效率的比较。在系统工作频率为13.56MHz条件下，发送线圈1-3的电感值L 1=10μH，品质因素Q 1=71，接收线圈2-1的电感值L 2=2μH，品质因素Q 2=60.8,负载电阻值R load=300Ω，此时，采用本发明的设计方案，可选择电容C 1=82.35pF,C 2=217.47pF，能达到的传输效率为90.35%。采用传统的并联谐振方式，副边阻抗变换电路的并联电容值为68.95pF，得到的传输效率为79%；或采用传统的串联谐振方式，副边阻抗变换电路的串联电容值为68.95pF，得到的传输效率为78%。可见，采用本发明的设计方案可以有效地提高传输效率。
Claims (1)
1. 用于感应耦合无线电能传输效率优化的负载阻抗匹配方法，其特征在于：在感应耦合无线电能传输系统中，在接收线圈后串联一个电容C 2，再并联一个电容C 3形成新的副边阻抗变换电路；通过设计两个电容的值可以使得负载电阻值等于达到最大传输效率时所需的最优负载电阻值；
电容C 2的取值为[Q 2/ω 3 R L L 2(1+k 2 Q 1 Q 2)0.5−1/ω 2 R L 2]0.5，
电容C 3的取值为Q 2 R L/[ω 2 R L L 2 Q 2 –ω3C 2 L 2 R L 2(1+k 2 Q 1 Q 2)0.5]，
其中，Q 1和Q 2分别为原边和副边线圈的品质因数，k为两个线圈之间耦合系数，L 2为接收线圈的电感值，ω为系统工作频率，R L为从整流电路往负载方向看进去的等效电阻值，L 1为发送线圈电感值。
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