CN106300701A - 无线输电系统及其输电方法 - Google Patents

Abstract

一种无线输电系统及其输电方法，涉及磁耦合谐振无线电能传输技术。所述无线输电系统包括：包括：高频信号发生器、功率放大器、发射线圈和接收线圈；功率放大器连接在发射线圈、高频信号发生器之间；发射线圈内侧设有中继线圈，中继线圈与发射线圈耦合，且中继线圈与发射线圈同轴同平面；接收线圈与中继线圈耦合，且接收线圈还用于与负载设备连接；其中，发射线圈、中继线圈和接收线圈都由磁镀导线构成。通过设置与发射线圈同轴同平面的中继线圈，大大增加了发射线圈与中继线圈之间的互感系数，实现了对源极电流的放大作用，提高了电能的传输效率。此外，中继线圈与发射线圈同轴同平面设置还可以节省无线输电系统的占用空间。

Description

无线输电系统及其输电方法

技术领域

本发明涉及磁耦合谐振无线电能传输技术，尤其涉及一种无线输电系统及其输电方法。

背景技术

早在19世纪中后期，著名的电气工程师尼古拉特斯拉提出了无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术的概念，并利用无线电能传输原理进行了相关的实验研究，为后来无线电能传输技术的发展奠定了理论和实践基础。此后，无线输电技术得到越来越多的关注和研究。随着无线电能传输技术研究的兴起，其应用也越来越多地走进我们的生活，例如磁悬浮列车、电动汽车、无尾家电、生物医学等方面的应用。

目前国内外无线电能传输通常采用磁耦合谐振式无线电能传输系统，其基本原理是将发射线圈与接收线圈调成一个谐振系统，当发射线圈的振荡频率与接收线圈的固有频率相同时发生谐振，使得能量在具有相同谐振频率的发射与接收线圈间交互振荡，从而完成能量的传递，而其他非谐振物体则不会受到影响。磁耦合谐振式无线电能传输技术弥补了近场传输的距离短板，将传输距离提高至米级以上，同时对人体的伤害大大减少，是未来无线输电技术研究的重要发展方向。

然而，现有技术中，当接收线圈尺寸远远小于发射线圈尺寸时，无线输电系统的传输效率比同样情况下发射线圈与接收线圈尺寸相同的完全对称的无线输电系统的传输效率小得多。在实际的无线电能传输系统中，常有较远距离小尺寸接收线圈出现，比如，在对手机等无线移动设备充电时，手机内接收线圈尺寸远小于发射线圈尺寸，在这种无线电能传输系统中，传输效率会大大下降。

发明内容

针对现有技术中的上述缺陷，本发明提供一种无线输电系统及其输电方法，能够提高电能的传输效率，节省无线输电系统的占用空间。

本发明的第一个方面是提供一种无线输电系统，包括：高频信号发生器、功率放大器、发射线圈和接收线圈；所述功率放大器连接在所述发射线圈、高频信号发生器之间；所述发射线圈内侧设有中继线圈，所述中继线圈与所述发射线圈耦合，且所述中继线圈与发射线圈同轴同平面；所述接收线圈与所述中继线圈耦合，且所述接收线圈还用于与负载设备连接；其中，所述发射线圈、中继线圈和接收线圈都由磁镀导线构成。

进一步地，所述发射线圈、中继线圈和接收线圈都由磁镀导线构成。

进一步地，所述磁镀导线包括：铜导线，所述铜导线外依次套设有第一绝缘层、铁层、镍层和第二绝缘层。

进一步地，所述发射线圈、中继线圈及接收线圈为具有相同匝数及匝距的多扎线圈。

进一步地，所述发射线圈与第一电容串联；和/或，所述中继线圈与第二电容串联；和/或，所述接收线圈与所述第三电容串联。

进一步地，所述接收线圈与直流负载设备之间连接有整流电路；所述整流电路包括：半波整流、全波整流和桥式整流。

进一步地，所述高频信号发生器与发射线圈之间还连接有阻抗匹配网络。

进一步地，所述阻抗匹配网络包括串联的电感和第四电容。

进一步地，所述阻抗匹配网络包括源极跟随器、射极跟随器和缓冲器；所述源极跟随器包括有源器件和无源器件。

本发明的另一个方面是提供一种基于上述无线输电系统的输电方法，包括：

发射线圈接收高频信号发生器产生的、由功率放大器放大的高频振荡信号；

中继线圈通过与所述发射线圈的近场耦合，接收所述发射线圈传送的所述高频振荡信号，并将所述高频振荡信号以非辐射近场电磁波的形式发送出去；

接收线圈接收所述中继线圈发出的电磁波，并将接收到的所述电磁波转化为电能传输给负载设备；

其中，所述发射线圈、中继线圈和接收线圈都由磁镀导线构成。

本发明提供的本实施例提供的无线输电系统及输电方法，通过设置与发射线圈同轴同平面的中继线圈，大大增加了发射线圈与中继线圈之间的互感系数，实现了对源极电流的放大作用，提高了电能的传输效率。此外，中继线圈与发射线圈同轴同平面设置还可以节省无线输电系统的占用空间。

附图说明

图1为本发明实施例无线输电系统的结构示意图；

图2为本发明实施例无线输电系统中发射线圈与中继线圈的位置示意图；

图3为本发明实施例无线输电系统中磁镀导线的结构示意图；

图4为本发明实施例无线输电系统的等效电路图；

图5为本发明实施例无线输电系统的传输效率仿真图。

其中，11-高频信号发生器；12-功率放大器；13-发射线圈；21-中继线圈；31-接收线圈；32-负载设备；41-铜导线；42-第一绝缘层；43-铁层；44-镍层；45-第二绝缘层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于方便描述不同的部件，而不能理解为指示或暗示顺序关系、相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

图1为本发明实施例无线输电系统的结构示意图；图2为本发明实施例无线输电系统中发射线圈与中继线圈的位置示意图。请参照图1-2所示，本实施例提供一种无线输电系统，包括：高频信号发生器11、功率放大器12、发射线圈13和接收线圈31；功率放大器12连接在发射线圈13、高频信号发生器11之间；发射线圈13内侧设有中继线圈21，中继线圈21与发射线圈13耦合，且中继线圈21与发射线圈13同轴同平面；接收线圈31与中继线圈21耦合，且接收线圈31还用于与负载设备32连接；其中，发射线圈13、中继线圈21和接收线圈31都由磁镀导线构成。

具体地，高频信号发生器11用于发出高频振荡信号，例如高频正弦信号；功率放大器12用于对高频信号发生器11发出的高频振荡信号进行放大；发射线圈13的一侧可以通过功率放大器12与高频信号发生器11连接，发射线圈13的另一侧可以与接收线圈31耦合。中继线圈21的径向尺寸小于发射线圈13，设置在发射线圈13内侧，且与发射线圈13同轴同平面设置。接收线圈31的径向尺寸比发射线圈13的径向尺寸小得多，接收线圈31通过与发射线圈13和中继线圈21之间的磁耦合谐振接收高频振荡信号，并为负载设备32提供电能。

本实施例中，发射线圈13、中继线圈21及接收线圈31可以为具有相同匝数及匝距的多扎线圈。发射线圈13、中继线圈21和接收线圈31可以具有相同的谐振频率。当发射线圈13和接收线圈31平行但不同轴时，由于发射线圈13与中继线圈21、中继线圈21与接收线圈31间有较强的互感，无线输电系统仍能以较高的效率进行传输。并且，发射线圈13、中继线圈21和接收线圈31都由磁镀导线构成，以提高发射线圈13、中继线圈21和接收线圈31的品质因数，进而提高电能传输效率。

本实施例提供的无线输电系统，通过设置与发射线圈13同轴同平面的中继线圈21，大大增加了发射线圈13与中继线圈21之间的互感系数，实现了对源极电流的放大作用，提高了电能的传输效率。此外，中继线圈21与发射线圈13同轴同平面设置还可以节省无线输电系统的占用空间。

在RLC电路中，电阻为耗能元件，电感及电容为储能元件。在电路处于谐振状态下，谐振电路与外界无功率的交换。在一个周期T内，可以证明电阻所耗散的能量与电容与电感所储存的能量分别为：W_R＝I²RT，W_R与W_S之比反映了谐振电路储能的效率。因此，谐振电路的品质因数

$Q=2\mathrm{\π}\frac{W_S}{W_R}.$

即Q值等于谐振电路中储存的能量与每个周期中消耗的能量之比的2π倍。Q值越高，即意味着相对与储存的能量来说，耗散的能量越少，电路的储能效率就越高，系统的传输效率就越高。

图3为本发明实施例无线输电系统中磁镀导线的结构示意图；具体地，磁镀导线包括：铜导线41，铜导线41外依次套设有第一绝缘层42、铁层43、镍层44和第二绝缘层45，以减少磁镀导线的磁场能量聚集在磁镀导线的内部，减少磁场能量对外部的散失。

本实施例的磁镀导线中，铁和镍属于磁性物质，铁层43和镍层44起到了有效的聚磁作用，使磁场能量聚集在铁层43内，而非大量散失。因此，本实施例的无线输电系统，通过采用上述磁镀导线，品质因数大幅提升，同时降低阻抗，能够很大程度减少损耗，提高了电能传输效率。

其中，第一绝缘层42是为了隔绝铜导线41与铁层43；铁层43还可以提高磁镀导线的强度，厚度可以为0.3毫米；镍层44还可以提高磁镀导线的耐腐蚀性及耐磨性，厚度可以为0.2毫米；第二绝缘层45可以由PVC(Polyvinyl chloride，聚氯乙烯)材料制成，对磁镀导线的内部具有保护作用。

进一步地，发射线圈13与第一电容串联；和/或，中继线圈21与第二电容串联；和/或，接收线圈31与第三电容串联。第一电容、第二电容和第三电容分别对发射线圈13、中继线圈21和接收线圈31起调谐作用，使发射线圈13、中继线圈21和接收线圈31具有相同的谐振频率。

本实施例中，当负载设备32为交流负载设备时，接收线圈31可以串联匹配电容，并直接与交流负载设备连接，匹配电容用于稳定振荡频率，防止接收线圈31的输出信号被干扰。当负载设备32为直流负载设备时，进一步地，接收线圈31与直流负载设备之间连接有整流电路，整流电路用于将接收线圈31的交流电能转换为直流电能；整流电路可以包括：半波整流、全波整流和桥式整流。

为了实现最大功率传输，进一步地，高频信号发生器11与发射线圈13之间还连接有阻抗匹配网络。

其中，阻抗匹配网络可以为无源网络，具体包括串联的电感和第四电容。或者，阻抗匹配网络为有源网络，具体包括源极跟随器、射极跟随器和缓冲器；源极跟随器包括有源器件和无源器件。

图4为本发明实施例无线输电系统的等效电路图；图5为本发明实施例无线输电系统的传输效率仿真图。请参照图4-5所示，下面对本发明无线输电系统的等效电路模型进行分析：

其中，发射端及接收端均采用串联结构。其中R₁、R₂、R₃与L₁、L₂、L₃分别为发射端、中继和接收端的损耗电阻及电感，R_S和R_L分别为电源等效内阻及负载电阻；M₁₂为发射线圈13与中继线圈21间互感系数，k₁₂为其耦合系数；M₂₃为中继线圈21和接收线圈31的互感系数，k₂₃为其耦合系数；C₁、C₂和C₃分别为发射线圈13、中继线圈21和接收线圈31的调谐电容；V_S为高频电压源；

S1、对无线输电系统的等效电路进行分析，得到如下等式：

$\left[\begin{array}{c}{V}_S\\ 0\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{Z}_{11}& {\mathrm{j\ωM}}_{12}& 0\\ {\mathrm{j\ωM}}_{12}& Z_{22}& {\mathrm{j\ωM}}_{23}\\ 0& 0& Z_{33}+{\mathrm{j\ωM}}_{23}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_1\\ i_2\\ i_3\end{array}\right]$

其中V_S是高频信号发生器11的输出电压，j为虚数单位，ω为角频率；Z₁₁、Z₂₂和Z₃₃分别为发射端回路、中级回路和接收端回路的回路阻抗，其值分别为：

M₁₂为发射线圈13与中继线圈21的互感系数，M₂₃为中继线圈21和接收线圈31的互感系数，i₁、i₂和i₃分别为发射端、中继和接收端三条回路的回路电流。

当系统工作在谐振状态时，有：

S2、对S1中的行列式求解，可得i₁、i₂和i₃表达式如下：

$i_1=\frac{V_s({\mathrm{\ω}}^2{M}_{23}^2+R_2(R_3+R_L\left)\right)}{{\mathrm{\ω}}^2{M}_{12}^2(R_3+R_L)+{\mathrm{\ω}}^2{M}_{23}^2(R_1+R_S)+(R_3+R_L)(R_1+R_S)R_2}$

$i_2=\frac{{\mathrm{\ωM}}_{12}{R}_S(R_3+R_L)}{{\mathrm{\ω}}^2{M}_{12}^2(R_3+R_L)+{\mathrm{\ω}}^2{M}_{23}^2(R_1+R_S)+(R_3+R_L)(R_1+R_S)R_2}$

$i_3=\frac{V_s{\mathrm{\ω}}^2{M}_{12}{M}_{23}}{{\mathrm{\ω}}^2{M}_{12}^2(R_3+R_L)+{\mathrm{\ω}}^2{M}_{23}^2(R_1+R_S)+(R_3+R_L)(R_1+R_S)R_2}$

S3、对S2中的表达式计算，可进一步得出输入功率及输出功率如下：

$P_{in}=V_S{i}_1=\frac{V_S^2({\mathrm{\ω}}^2{M}_{23}^2+R_2(R_3+R_L))}{{\mathrm{\ω}}^2{M}_{12}^2(R_3+R_L)+{\mathrm{\ω}}^2{M}_{23}^2(R_1+R_S)+(R_3+R_L)(R_1+R_S)R_2}$

$P_{out}=i_3^2{R}_L=\frac{V_S^2{\mathrm{\ω}}^4{M}_{12}^2{M}_{23}^2{R}_L}{{\[{\mathrm{\ω}}^2{M}_{12}^2(R_3+R_L)+{\mathrm{\ω}}^2{M}_{23}^2(R_1+R_S)+(R_3+R_L)(R_1+R_S)R_2\]}^2}$

S4、对S3进一步计算，可得系统的传输效率如下：

$\mathrm{\η}=\frac{P_{out}}{P_{in}}=\frac{{\mathrm{\ω}}^4{M}_{12}^2{M}_{23}^2{R}_L}{\[{\mathrm{\ω}}^2{M}_{12}^2(R_3+R_L)+{\mathrm{\ω}}^2{M}_{23}^2(R_1+R_S)+(R_3+R_L)(R_1+R_S)R_2\]\[{\mathrm{\ω}}^2{M}_{23}^2+(R_3+R_L)R_2\]}$

S5、发射线圈13中心点与接收线圈31中心点间的垂直距离为D，发射线圈13中心点与中继线圈21中心点间的垂直距离为d，则中继线圈21与接收线圈31间距离为D-d，则互感系数如下：

上式中，u₀为真空磁导率，其值为u₀＝4π×10^-7H/m，N₁、N₂和N₃分别为发射线圈13、中继线圈21和接收线圈31的匝数，O₁、O₂和O₃代表相应的导线回路，dl₁、dl₂和dl₃分别为发射线圈13、中继线圈21和接收线圈31上的一个微元。

由于发射线圈13与中继线圈21同轴同平面，所以d→0，则发射线圈13与中继线圈21间互感M₁₂比普通有中继线圈21的输电系统同等情况下大幅增强。

例如：发射线圈13半径为40cm，同轴同平面的中继线圈21半径为30cm,接收线圈31半径为5cm,水平侧移距离为10cm。发射线圈13、中继线圈21及接收线圈31的匝距都为1cm，匝数为8匝，均采用上述磁镀导线，且发射线圈13与接收线圈31垂直距离为1m，激励源频率设定为f₀＝10.6MHz，使串联谐振电路的线圈谐振发生在10.6MHz附近。如图5所示，在谐振频率点附近，本实施例的无线输电系统的传输效率达到接近于1的最高值，很大程度上提高了非对称小尺寸接收端在有水平侧移情况下的磁耦合谐振无线输电系统的传输效率。

上述各实施例尤其适用于非对称小尺寸接收端、接收线圈31相对于发射线圈13有水平偏移的应用场景。通过采用上述实施例中的磁镀导线结构，能够提高各线圈的品质因数，降低传输损耗；同时通过中继线圈21与发射线圈13同轴同平面设置，节约空间又增强线圈互感，进而显著提高系统的传输效率。

本实施例还提供一种无线输电系统的输电方法，该输电方法基于上述各实施例中的无线输电系统，包括：

发射线圈接收高频信号发生器产生的、由功率放大器放大的高频振荡信号；

中继线圈通过与发射线圈的近场耦合，接收发射线圈传送的高频振荡信号，并将高频振荡信号以非辐射近场电磁波的形式发送出去；

接收线圈接收中继线圈发出的电磁波，并将接收到的电磁波转化为电能传输给负载设备。

具体地，发射线圈、中继线圈和接收线圈全部采用磁镀导线新型结构，在此前提下发射线圈接收高频信号发生器产生的高频正弦波信号，得到输入功率；发射线圈将接收到的高频振荡信号以非辐射近场电磁波的形式发送出去；中继线圈在发射端和接收端的能量输送过程中起到中转站的作用，通过线圈间的近场耦合收到发射线圈传送的高频振荡信号，然后以非辐射近场电磁波的形式发送出去；接收线圈同样以线圈间耦合接收中继线圈发出的信号，得到输出功率，并将接收到的电磁波转化为电能传输给负载设备为其供电，系统的传输效率即为输入功率与输出功率之比，由此，系统以较高的效率进行电力传输。

其中，由于接收线圈的尺寸相对于发射线圈和中继线圈的尺寸小的多，中继线圈设置在发射线圈内侧，接收线圈与发射线圈同轴或者靠近发射线圈的轴线设置，因此，接收线圈接收到的电磁波主要为中继线圈发出的；当然，接收线圈还可以接收发射线圈发出的电磁波。

本实施例提供的无线输电系统的输电方法，通过设置与发射线圈同轴同平面的中继线圈，大大增加了发射线圈与发射线圈之间的互感系数，实现了对源极电流的放大作用，提高了电能的传输效率。此外，中继线圈与发射线圈同轴同平面设置还可以节省无线输电系统的占用空间。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种无线输电系统，其特征在于，包括：高频信号发生器、功率放大器、发射线圈和接收线圈；所述功率放大器连接在所述发射线圈、高频信号发生器之间；所述发射线圈内侧设有中继线圈，所述中继线圈与所述发射线圈耦合，且所述中继线圈与发射线圈同轴同平面；所述接收线圈与所述中继线圈耦合，且所述接收线圈还用于与负载设备连接；其中，所述发射线圈、中继线圈和接收线圈都由磁镀导线构成。

2.根据权利要求1所述的无线输电系统，其特征在于，所述磁镀导线包括：铜导线，所述铜导线外依次套设有第一绝缘层、铁层、镍层和第二绝缘层。

3.根据权利要求1或2所述的无线输电系统，其特征在于，所述发射线圈、中继线圈及接收线圈为具有相同匝数及匝距的多扎线圈。

4.根据权利要求1或2所述的无线输电系统，其特征在于，所述发射线圈与第一电容串联；和/或，所述中继线圈与第二电容串联；和/或，所述接收线圈与所述第三电容串联。

5.根据权利要求1或2所述的无线输电系统，其特征在于，所述接收线圈与直流负载设备之间连接有整流电路；所述整流电路包括：半波整流、全波整流和桥式整流。

6.根据权利要求1或2所述的无线输电系统，其特征在于，所述高频信号发生器与发射线圈之间还连接有阻抗匹配网络。

7.根据权利要求6所述的无线输电系统，其特征在于，所述阻抗匹配网络包括串联的电感和第四电容。

8.根据权利要求6所述的无线输电系统，其特征在于，所述阻抗匹配网络包括源极跟随器、射极跟随器和缓冲器；所述源极跟随器包括有源器件和无源器件。

9.一种基于权利要求1-8任一项所述的无线输电系统的输电方法，其特征在于，包括：

发射线圈接收高频信号发生器产生的、由功率放大器放大的高频振荡信号；

中继线圈通过与所述发射线圈的近场耦合，接收所述发射线圈传送的所述高频振荡信号，并将所述高频振荡信号以非辐射近场电磁波的形式发送出去；

接收线圈接收所述中继线圈发出的电磁波，并将接收到的所述电磁波转化为电能传输给负载设备；

其中，所述发射线圈、中继线圈和接收线圈都由磁镀导线构成。