CN107196423A - 基于13.56MHz磁耦合谐振式无线电能传输装置 - Google Patents

基于13.56MHz磁耦合谐振式无线电能传输装置 Download PDF

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王建
胡陈飞
袁能
李仄立
杨亦雯
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Abstract

本发明公开了一种基于13.56MHz磁耦合谐振式无线电能传输装置，射频电源用于将直流电流高频激励转化成频率为13.56MHz的高频交流电，发射线圈用于当接通射频电源发出的13.56MHz高频电流时，将产生频率为13.56MHz的第一交变磁场，第一馈传输线圈在发射线圈产生的第一交变磁场作用下产生并辐射第二交变磁场，第二馈传输线圈在接收第二交变磁场后激发并产生第三交变磁场，接收线圈通过与第二馈传输线圈电磁耦合激发并产生第三交变磁场，由第三交变磁场在接收线圈中产生交变电流，经整流电路高频整流后与负载连接，实现向负载传输电能。13.56MHz属于商业频段，使得此无线电能传输装置有广泛的实用性。

Description

基于13.56MHz磁耦合谐振式无线电能传输装置
技术领域
本发明属于电工新技术领域，尤其涉及一种13.56MHz磁耦合谐振式无线电能充电装置。
技术背景
磁耦合谐振式无线电能传输(MCR—WPT)主要是利用谐振频率相同的两个LC线圈作为收发线圈在谐振频率或者是接近谐振频率下工作，从而能够使线圈电流最大同时使各线圈有着合适的等效阻抗而能够与距离尽量远的线圈发生功率尽量大的能量交换，以此实现无线电能传输。
我国目前对于磁耦合谐振功率非线性连接传输技术的研究进展方兴未艾，对于系统参数的分析还未进一步有效展开；发射和接受线圈的形状、安置位置和参数的分析和设计还没有系统完善的方法；负载阻抗的匹配，以及系统与干扰源之间的影响关系也未得到充分的讨论。因此，合理划定系统最佳谐振频率范围、确定系统的特性参量、减少干扰体对传输功率的损耗，以及在提高系统的传输效率的同时减少对人体的危害等都需要进一步研究。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种基于13.56MHz磁耦合谐振式无线电能传输装置，有效解决物联网中各种传感器供电效率低的问题，非接触式地为负载提供电能，大大提高了无线电能传输的效率。
具体的技术方案为：
包括基于C类功率放大器的13.56MHz射频电源、发射线圈、自谐振频率为13.56MHz的两馈传输线圈、接收线圈、高频整流电路。
射频电源，用于将直流电源转化为频率为13.56MHz的高频交流电，为发射线圈提供电源；
发射线圈，用于当接通射频电源发出的13.56MHz高频电源时，产生频率为13.56MHz的第一交变磁场；
第一馈传输线圈，与发射线圈同轴布置，通过与发射线圈电磁耦合，在第一馈传输线圈中激发产生并辐射第二交变磁场；
第二馈传输线圈，与第一馈传输线圈同轴布置，经第一馈传输线圈产生的第二交变磁场激发并辐射第三交变磁场；
接收线圈，与第二馈传输线圈同轴布置，通过与第二馈传输线圈电磁耦合，在接收线圈产生交变电流；
高频整流电路，采用MBRF20100整流模块，将接收线圈产生的交流电整流成直流电后与负载连接，实现向负载传输电能。
在13.56MHz射频电源中注入直流电，在射频电源输出端输出13.56MHz高频交流电，为发射线圈提供电源，在发射线圈中产生13.56MHz的第一交变磁场，第一馈传输线圈在发射线圈产生的交变电磁场作用下产生并辐射第二交变磁场，第二馈传输线圈在接收第二交变磁场后激发并产生第三交变磁场，接收线圈通过与第二馈传输线圈电磁耦合激发并产生第三交变磁场，由第三交变磁场在接收线圈中产生交变电流，经整流电路高频整流后与负载连接，实现向负载传输电能。
进一步地，所述13.56MHz射频电源包括电源部分、信号源、第一级C类功率放大器、第二级C类功率放大器；
进一步地，电源部分包括12V电源和5V电源，其中12V电源给整个电路供电，是射频功率输出能量的来源，5V电源通过电源芯片LM7805将12V电源降压得到；
进一步地，信号源采用13.56MHz有源晶振，R2阻值为4.7kΩ，电容C11为100nF,电位器R5额定阻值为1KΩ；
进一步地，第一级C类功率放大器，为第二级C类功率放大器提供驱动，包括三极管S9018，CBB电容C13大小为220nF,偏置电阻R3与R7阻值分别为4.7KΩ、10KΩ，滤波部分采用大小为138nH的电感L2与1nF的电容C10，电容C15的大小为220nF；
进一步地，第二级C类功率放大器，包括偏置电阻R1、R6大小分别为4.7KΩ、10KΩ，滤波电容C9大小为1uF，电感L1为通直流隔交流，滤波网络电感L3与电容C14大小为138nH、1nF；功率器件为RD06HVF1；
进一步地，发射线圈与接收线圈均为直径为250mm的圆环结构，线径为1.6mm，材料为电导率为5.8×108s/m的铜；
进一步地，第一馈传输线圈、第二馈传输线圈为直径6mm的铜管绕制，线圈内径为226mm，外径为400mm，共7圈；
进一步地，高频整流电路采用MBRF20100整流模块。
通过本发明构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.根据射频功率放大器的设计方法设计了一种13.56MHz射频电源，匹配负载为12.5Ω，输出功率为8.2W，输出效率可达到73.5％。
2.13.56MHz电源是商用频段，所以该无线电能传输系统工作频率为13.56MHz，此频率同时也利于使用电感线圈的分布电容与其电感构成谐振回路。
3.通过优化射频电源与传输线圈，在传输距离为32cm处，可以使线圈的传输效率达到71.4％，总的传输效率为50％以上，实现了13.56MHz无线电能传输装置能够在长距离高效率的传输电能。
4.该装置能够在13.56MHz频率下进行电能的无线传输，传输距离远，传输效率高，结构简单，体积小，便于操作。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明射频电源部分12V电源电路原理图；
图3是本发明射频电源部分5V电源电路原理图；
图4是本发明射频电源部分信号源与第一级C类功放电路原理图；
图5是本发明射频电源部分第二级C类功放电路原理图；
图6是本发明发射线圈与接收线圈的仿真结构示意图；
图7是本发明传输线圈仿真结构示意图；
图8是本发明传输线圈电路仿真模型图。
图9是本发明整流电路图。
具体实施方案
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本方案进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，基于13.56MHz磁耦合谐振式无线电能传输装置，依次包括基于C类功率放大器的13.56MHz射频电源、发射线圈、第一馈传输线圈、第二馈传输线圈、接收线圈、高频整流电路；
所述射频电源，用于将直流电源高频激励转化成频率为13.56MHz的高频交流电，为发射线圈提供电源；
所述发射线圈，用于当接通射频电源发出的13.56MHz高频电源时，产生频率为13.56MHz的第一交变磁场；
所述第一馈传输线圈，与发射线圈同轴布置，通过与发射线圈电磁耦合，在第一馈传输线圈中激发产生并辐射第二交变磁场；
所述第二馈传输线圈，与第一馈传输线圈同轴布置，经第一馈传输线圈产生的第二交变磁场激发并辐射第三交变磁场；
所述接收线圈，与第二馈传输线圈同轴布置，通过与第二馈传输线圈电磁耦合，在接收线圈产生交变电流；
所述高频整流电路，将接收线圈产生的交流电高频整流成直流电后与负载连接，实现向负载传输电能。
如图2所示，基于C类功放的13.56MHz射频电源，电源部分包括12V电源和5V电源，其中12V电源给整个电路供电，是射频功率输出能量的来源，C1、C2、C3、C4均为CBB电容高频特性良好，起着稳压滤波的作用，选用了容值不同的电容使各个频率的电源纹波尽量小，保证了系统的稳定性。
如图3所示，基于C类功放的13.56MHz射频电源内的5V电源通过电源芯片LM7805将12V电源降压得到，其电容起稳压滤波作用。
如图4所示，信号源，采用13.56MHz有源晶振，R2阻值为4.7kΩ，电容C11为100nF，电位器R5额定阻值为1KΩ，其作用为调节输出电压振幅，同时有着限流的作用，避免输出功率过大损坏晶振。第一级C类功率放大器，包括三极管S9018，CBB电容C13大小为220nF,偏置电阻R3与R7阻值分别为4.7KΩ、10KΩ，滤波部分采用大小为138nH的电感L2与大小为1nF的电容C10，使13.56MHz的电流从输出端流过，而其他频率的电流从此电路流过，电容C15的大小为220nF，起着隔直流通交流的作用。
如图5所示，第二级C类功率放大器，包括偏置电阻R1、R6大小分别为4.7KΩ、10KΩ，滤波电容C9大小为1uF，电感L1为通直流隔交流，滤波网络电感L3与电容C14大小为138nH、1nF；功率器件为RD06HVF1，采用C16与其并联增强其电容的稳定性，又串联一个电感L4组成串联谐振既有滤波作用又可提高晶体管G级上的电压幅值，前一级再串联一个10Ω的电阻R4，可以使功放输入阻抗增大降低上一级功放的三极管耗散功率。
发射线圈与接收线圈的仿真过程，如图6所示，首先在CST设置使用频域求解器求解，绘制完结构模型后放置好离散端口(端口输入阻抗为50Ω)，设置频率范围为13.5—13.6MHz，各个方向上的边界条件为open。经过计算可得线圈电感量为530nH。计算得所需构成串联谐振的电容为270pF，电容采用高频特性极好的云母电容。接收线圈与发射线圈相同，直径为250mm的圆环结构，线径为1.6mm，材料为电导率为5.8×108s/m的铜。
如图7所示，第一馈传输线圈、第二馈传输线圈为阿基米德螺旋形，直径6mm的铜管绕制，线圈内径为226mm，外径为400mm，共7圈，其电路仿真模型如图8所示，。
如图9所示，高频整流电路采用MBRF20100整流模块。

Claims (5)

1.基于13.56MHz磁耦合谐振式无线电能传输装置，其特征在于，依次包括基于C类功率放大器的13.56MHz射频电源、发射线圈、第一馈传输线圈、第二馈传输线圈、接收线圈、高频整流电路；
所述射频电源，用于将直流电源高频激励转化成频率为13.56MHz的高频交流电，为发射线圈提供电源；
所述发射线圈，用于当接通射频电源发出的13.56MHz高频电源时，产生频率为13.56MHz的第一交变磁场；
所述第一馈传输线圈，与发射线圈同轴布置，通过与发射线圈电磁耦合，在第一馈传输线圈中激发产生并辐射第二交变磁场；
所述第二馈传输线圈，与第一馈传输线圈同轴布置，经第一馈传输线圈产生的第二交变磁场激发并辐射第三交变磁场；
所述接收线圈，与第二馈传输线圈同轴布置，通过与第二馈传输线圈电磁耦合，在接收线圈产生交变电流；
所述高频整流电路，将接收线圈产生的交流电高频整流成直流电后与负载连接，实现向负载传输电能。
2.根据权利要求1所述的基于13.56MHz磁耦合谐振式无线电能传输装置，其特征在于，所述射频电源包括电源部分、信号源、第一级C类功率放大器、第二级C类功率放大器；
所述电源部分包括12V电源和5V电源，其中12V电源给整个传输装置中的电路供电，是射频功率输出能量的来源，5V电源通过电源芯片LM7805将12V电源降压得到；
所述信号源，采用13.56MHz有源晶振；
所述第一级C类功率放大器，为第二级C类功率放大器提供驱动。
3.根据权利要求1所述的基于13.56MHz磁耦合谐振式无线电能传输装置，其特征在于，所述发射线圈与接收线圈均为直径为250mm的圆环结构，线径为1.6mm，材料为电导率为5.8×108s/m的铜。
4.根据权利要求1所述的基于13.56MHz磁耦合谐振式无线电能传输装置，其特征在于，所述第一馈传输线圈、第二馈传输线圈均为阿基米德螺旋形线圈，直径6mm的铜管绕制，线圈内径为226mm，外径为400mm，均为7圈。
5.根据权利要求1所述的基于13.56MHz磁耦合谐振式无线电能传输装置，其特征在于，所述高频整流电路采用MBRF20100整流模块。
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