CN106374636A - 一种新型的中距离谐振式无线电能传输方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的中距离谐振式无线电能传输方法，将无线电能传输系统中的接收端负载线圈的一端接地，使发射线圈和接收线圈中的电压在系统谐振时互补叠加，同时射频源和电磁发射部分之间设有电源匹配电路，用于调整匹配电路与射频源阻抗匹配，使正向发射功率达到最大；电磁接收部分与负载之间设有负载匹配电路，使系统与负载共轭匹配，接收功率达到最大。本发明利用发射线圈与接收线圈能量互补叠加原理，设计的新型磁耦合谐振式无线电能传输方法及装置，大幅度提高了传输距离，同时也能提高传输功率和效率。

Description

一种新型的中距离谐振式无线电能传输方法及装置

技术领域

本发明属于无线电能传输领域，特别是涉及到一种新型的中距离谐振式无线电能传输方法及装置。

背景技术

自从1840年发现利用电磁感应现象及导线可以传输电能至今，电能的传输主要是由导线直接接触进行传输的。电工设备的充电一般是通过插头和插座来进行，但是在进行大功率充电时，这种充电方式存在高压触电的危险。且由于存在摩擦和磨损，系统的安全性、可靠性及使用寿命较低，特别是在化工、采矿等一些易燃、易爆领域，极易引发大的事故。新型无接触电能传输系统采用电磁感应原理、电力电子技术以及控制理论相结合，实现了电能的无线传输，完全克服了以上限制。根据电能传输原理，无线电能传输大致上可以分为三类：第一类是变压器原理的直接耦合式，这种方式功率虽然较大，但是仅适于近距离；第二类电波无线能量传输技术，直接利用电磁波能量可以通过天线发射和接收的原理，这种方式虽然实现了长距离和大功率能量的传输，但是能量传输受方向限制，也不能绕过障碍物，并且损耗较大，对人体和其它生物都有严重伤害；第三类是非辐射耦合谐振方式，该技术可以在有障碍物的情况下传输，传输距离也比较远，传输功率也较大，而且对人体没有伤害。

2007年，MIT的研究人员采用高频电磁谐振耦合方式实现了电能的中程无线传输，在间隔2m距离给60W灯泡供电时效率约为40％。这一重大进展又激起了国内外研究人员对磁耦合谐振式无线电能传输技术的兴趣，众多学者在提高传输功率和效率，以及传输距离等方面进行了深入的研究，他们大多是通过频率跟踪和阻抗匹配等方式来实现提高传输功率和效率，以及传输距离的目的。但是他们实验的临界耦合距离都限制在谐振器直径的2倍之内，在超过临界耦合距离之外，其传输功率和效率随着传输距离迅速降低。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种新型的中距离谐振式无线电能传输方法及装置，利用发射线圈与接收线圈能量互补叠加原理，进一步大幅提高传输距离，提高传输功率和效率。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种新型的中距离谐振式无线电能传输方法，将无线电能传输系统中的接收端负载线圈的一端接地，使发射线圈和接收线圈中的电压在系统谐振时互补叠加。

进一步的，将负载线圈设置为单匝线圈，与多匝的接收线圈共同构成电磁接收部分。

进一步的，设置单匝的激励线圈，与多匝的发射线圈共同构成电磁发射部分。

进一步的，将电源匹配电路设置在射频源和电磁发射部分之间。

进一步的，将负载匹配电路设置在电磁接收部分与负载之间。

本发明还提供了一种新型的中距离谐振式无线电能传输装置，包括射频源以及与其连接的电磁发射部分，电磁接收部分以及与其连接的负载；所述电磁接收部分设有负载线圈，所述负载线圈的一端接地。

进一步的，所述负载线圈为单匝线圈，与多匝的接收线圈共同构成所述电磁接收部分。

进一步的，所述发射线圈为多匝线圈，与单匝的激励线圈共同构成所述电磁发射部分。

进一步的，所述射频源和电磁发射部分之间设有电源匹配电路。

进一步的，所述电磁接收部分与负载之间设有负载匹配电路。

相对于现有技术，本发明的优点在于：本发明利用发射线圈与接收线圈能量互补叠加原理，设计的新型磁耦合谐振式无线电能传输方法及装置，大幅度提高了传输距离，同时也能提高传输功率和效率。

附图说明

图1是无线电能传输系统无损发射、接收模型；

图2是无损振荡系统在谐振频率时的能量交换；

图3是本发明新型磁耦合谐振式无线电能传输系统框图；

图4是电源匹配电路示意图；

图5是负载匹配电路示意图；

图6是本发明实施例中接收功率数据分析图；

图7是本发明实施例中传输效率数据分析图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

为了解决现有技术中存在的问题，申请人进行了多方的实验摸索，如图1所示为无线电能传输系统无损发射、接收模型，发射和接收均由电感线圈和电容组成。选取振荡器中正向旋转的振荡模a₁和a₂，这时得到耦合模方程：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{da}}_1}{dt}={\mathrm{j\ω}}_1{a}_1+{\mathrm{\κ}}_{12}{a}_2\\ \frac{{\mathrm{da}}_2}{dt}={\mathrm{j\ω}}_2{a}_2+{\mathrm{\κ}}_{21}{a}_1\end{array}\right.---\left(1\right)$

最后解出该无损耦合系统的简正模：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_1\left(t\right)=\[a_1\left(0\right)(\cos \mathrm{\Λ}t+j\frac{{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2}{2\mathrm{\Λ}}\sin \mathrm{\Λ}t)+a_2\left(0\right)\frac{{\mathrm{\κ}}_{12}}{\mathrm{\Λ}}\sin \mathrm{\Λ}t\]e^{j\frac{{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2}{2}t}\\ a_2\left(t\right)=\[a_2\left(0\right)(\cos \mathrm{\Λ}t+j\frac{{\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_1}{2\mathrm{\Λ}}\sin \mathrm{\Λ}t)+a_1\left(0\right)\frac{{\mathrm{\κ}}_{21}}{\mathrm{\Λ}}\sin \mathrm{\Λ}t\]e^{j\frac{{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2}{2}t}\end{array}\right.---\left(2\right)$

由式(2)进一步推导得到每个谐振器所包含的能量：

$\left\{\begin{array}{c}{\left|a_1\left(t\right)\right|}^2\frac{{({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)}^2+2{\mathrm{\κ}}^2}{{({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)}^2+4{\mathrm{\κ}}^2}+\frac{2{\mathrm{\κ}}^2}{{({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)}^2+4{\mathrm{\κ}}^2}\cos 2\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2}{2}\right)}^2+{\mathrm{\κ}}^2}t\\ {\left|a_2\left(t\right)\right|}^2\frac{2{\mathrm{\κ}}^2}{{({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)}^2+4{\mathrm{\κ}}^2}+\frac{2{\mathrm{\κ}}^2}{{({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)}^2+4{\mathrm{\κ}}^2}\cos 2\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2}{2}\right)}^2+{\mathrm{\κ}}^2}t\end{array}\right.---\left(3\right)$

对于无损振荡系统，每个谐振器简正模能量随时间变化的波形如图2所示。

由图2可知，能量在两振荡器之间反复交换，当且仅当两振荡器的谐振角频率相等时，振荡器之间才会发生强烈的能量交换。由于振荡器中的能量变化不方便实时测量，申请人对两振荡器的电压进行了实验测量，实验结果表明：发射端的电压与接收端的电压相位也相差180°。由于振荡器中的能量在谐振角频率相等时交换更加强烈，那么两谐振器中的电压是否在某种条件下也会得到增大？

在试验摸索中，申请人将接收端负载线圈接地，结果两振荡器中的电压在谐振器谐振时得到加强，大幅度提高了传输距离，同时也提高了传输功率和效率。这是因为将负载线圈接地，改变了接收线圈中电压的参考点，使发射线圈和接收线圈中的电压在系统谐振时互补叠加，两端电压都得到加强，大幅度提高了传输距离，同时提高了传输功率和效率。

因此，本发明的技术方案如图3所示，包括射频源、电源匹配电路、电磁发射部分、电磁接收部分、负载匹配电路和负载。

所述的射频源包括DDS信号源和线性功率放大器。DDS信号源产生高频的小功率正弦信号，线性功率放大器将DDS信号源产生的高频小功率正弦信号进行功率放大。

所述的电源匹配电路如图4所示，称为改进的П型匹配电路，采用一个固定电感元件L1，两个固定电容元件C1、C2，两个可调电容元件C3、C4，选择这样的П型匹配电路，是因为此电路能够匹配整个史密斯圆图，即此电路能够将电源之外的整个电路的阻抗调节到与电源内阻50欧匹配，这里采用两个固定电容加上两个可调电容，目的是在快速达到匹配的范围内，能够使用小容值可调电容微调达到精确匹配，同时也节省成本。

上述电源匹配电路用于调整匹配电路与射频源阻抗匹配，能够减小反射功率，使正向发射功率达到最大。

所述的电磁发射部分有激励线圈和发射线圈，激励线圈为单匝线圈，为了减少射频源对发射线圈谐振频率的影响；发射线圈为多匝线圈，通过调谐与接收线圈谐振耦合。

所述的电磁接收部分有接收线圈和负载线圈，接收线圈为多匝线圈，通过调谐与发射线圈谐振耦合；负载线圈是单匝线圈，为了减少负载变化时对接收线圈谐振频率的影响，负载线圈的一端接地。

所述的负载匹配电路如图5所示，称为改进的Т型匹配电路，采用一个固定电感元件L2，两个固定电容元件C5、C7，两个可调电容元件C6、C8，选择这样的Т型匹配电路，是因为此电路能够将负载之外的整个电路的阻抗调节到与负载共轭匹配，这里采用两个固定电容加上两个可调电容，目的是在快速达到匹配的范围内，能够使用小容值可调电容C6、C8微调达到精确匹配，同时也节省成本。

上述负载匹配电路用于负载变化时跟踪调整匹配电路，能够使系统与负载共轭匹配，接收功率达到最大。

根据本发明的技术方案，实验如下：

射频源采用DDS信号发生器和线性功率放大器，DDS信号发生器产生频率为3.5MHz、幅度为1.9V的正弦信号，DDS信号发生器与线性功率放大器相连，DDS信号发生器输出的正弦信号经过线性功率放大器进行功率放大；线性功率放大器与功率计相连，功率计与电源匹配电路相连，电源匹配电路与电磁发射部分的激磁线圈相连，发射线圈与接收线圈(发射线圈和接收线圈的直径为30cm，平面螺旋形)的谐振频率通过调谐为3.5MHz，电磁接收部分的负载线圈接地后与负载匹配电路相连，负载匹配电路与功率计相连，功率计与负载相连。

基于此搭建的实验平台，得到相关的实验数据如下：

数据分析如图6和图7所示，可见本发明大幅度提高了传输距离，同时也能提高传输功率和效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型的中距离谐振式无线电能传输方法，其特征在于：将无线电能传输系统中的接收端负载线圈的一端接地，使发射线圈和接收线圈中的电压在系统谐振时互补叠加。

2.根据权利要求1所述的一种新型的中距离谐振式无线电能传输方法，其特征在于：将负载线圈设置为单匝线圈，与多匝的接收线圈共同构成电磁接收部分。

3.根据权利要求1或2所述的一种新型的中距离谐振式无线电能传输方法，其特征在于：设置单匝的激励线圈，与多匝的发射线圈共同构成电磁发射部分。

4.根据权利要求1所述的一种新型的中距离谐振式无线电能传输方法，其特征在于：将电源匹配电路设置在射频源和电磁发射部分之间。

5.根据权利要求1所述的一种新型的中距离谐振式无线电能传输方法，其特征在于：将负载匹配电路设置在电磁接收部分与负载之间。

6.一种新型的中距离谐振式无线电能传输装置，其特征在于：包括射频源以及与其连接的电磁发射部分，电磁接收部分以及与其连接的负载；所述电磁接收部分设有负载线圈，所述负载线圈的一端接地。

7.根据权利要求6所述的一种新型的中距离谐振式无线电能传输装置，其特征在于：所述负载线圈为单匝线圈，与多匝的接收线圈共同构成所述电磁接收部分。

8.根据权利要求6所述的一种新型的中距离谐振式无线电能传输装置，其特征在于：所述发射线圈为多匝线圈，与单匝的激励线圈共同构成所述电磁发射部分。

9.根据权利要求6所述的一种新型的中距离谐振式无线电能传输装置，其特征在于：所述射频源和电磁发射部分之间设有电源匹配电路。

10.根据权利要求6所述的一种新型的中距离谐振式无线电能传输装置，其特征在于：所述电磁接收部分与负载之间设有负载匹配电路。