CN107359705A - 一种非对称无线输电系统及其输电方法 - Google Patents

Abstract

一种非对称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。所述系统包括：高频信号发生器、功率放大器、阻抗匹配网络、发射线圈和接收线圈；所述功率放大器连接在高频信号发生器和阻抗匹配网络间；所述发射线圈连接在阻抗匹配网络与与其耦合的同轴紧邻等大的第一中继线圈间；所述第二中继线圈与所述第一中继线圈耦合；所述接收线圈与所述第二中继线圈耦合且同轴设置，且所述接收线圈还用于与负载相连；其中，所述四个线圈都由镀银镍绞合铜线构成，提升线圈品质因数。通过分别设置与发射线圈及与接收线圈等大且同轴紧邻的两中继线圈，提升线圈间的互感系数，提高电能的传输效率。此外，线圈的等大紧邻设置还节省了系统占用空间。

Description

一种非对称无线输电系统及其输电方法

技术领域

本发明属于磁耦合谐振无线电能传输技术领域，涉及一种磁谐振无线输电系统及其输电方法，尤其涉及接收线圈与发射线圈尺寸有较大差距且有水平偏移的非对称无线输电系统及其输电方法。

背景技术

1889年，著名的电气工程师尼古拉·特斯拉首次提出和发明了无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)方法，其研究为后来无线电能传输技术的发展奠定了理论及实践基础。此后，无线输电技术得到越来越多的关注和研究。2006 年11月的AIP工业物理论坛上，麻省理工学院(MIT)的物理教授Marin Soljacic 和他的研究团队在首次提出了磁耦合谐振式无线输电技术，并利用此技术于 2007年6月成功点亮了2.13m处的一个60W的灯泡，且能量传输效率达到40％，再次将无线电能传输的研究推向了一个新的阶段，掀起了人们对无线输电技术研究的新热潮。近年来，随着无线电能传输技术的发展，其应用也越来越多地走进我们的生活，2012年6月三星公司发布了采用磁耦合式无线充电的Galaxy SIII的无线充电手机，引发热议。

目前国内外常采用磁耦合谐振式无线电能传输(magnetically-coupledresonant wireless power transmission，MCR-WPT)进行电能的无线传输，它是利用空间高频变化的无线电磁波或变化电磁场作为电能传输媒介进行电能无线传输的新型电能输电技术。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，使得能量在两个谐振线圈间振荡交换，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能克服有线输电技术的各种不足并不受空间限制，同时弥补了近场传输的距离短板，有较高的传输效率，同时对人体的伤害大大减少，此方式传输效率高、距离远、功率大，在各领域有无可比拟的优势和极其广阔的应用前景，是全球电能传输的前沿领域，是近几年国内外热点研究方向之一。

传输效率是磁耦合谐振无线电能传输系统的重要指标。然而相比较完全对称结构的无线输电系统而言，发射线圈与接收线圈尺寸有较大差别且位置不完全对称的无线输电装置的电能传输的效率会低得多。传输系统的发射线圈与接收线圈对称与否以及其尺寸是影响传输效率的重要因素，同时不同材质线圈的品质因数及伴随高频交流电所产生的邻近效应和集肤效应等也对传输效率有较大影响。在现阶段的实验及应用中，常采用收发线圈尺寸及位置完全对称的结构以保持较高效率传输。但在实际生产生活中，但在实际的无线电能传输系统中，常有发射端与接收端尺寸不同的情况，且很难保证两者位置对称，如为传感器探头等较小设备供电。这种情况下，常造成传输效率大大降低。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明提供一种非对称无线输电系统及其输电方法，能够保持端不对称的无线输电系统较高的传输效率的同时，节约其所占空间。

本发明的第一个方面是提供一种非对称无线输电系统，包括：高频信号发生器、功率放大器、阻抗匹配网络、发射线圈和接收线圈；所述功率放大器连接在高频信号发生器和阻抗匹配网络之间；所述阻抗匹配网络与发射线圈一侧相连；所述发射线圈另一侧设有紧邻的第一中继线圈，所述第一中继线圈与所述发射线圈耦合且同轴设置；所述第二中继线圈与所述第一中继线圈耦合；所述接收线圈与所述第二中继线圈耦合且同轴设置，且所述接收线圈还用于与负载设备相连；其中，所述发射线圈、第一中继线圈、第二中继线圈和接收线圈都由镀银镍绞合导线构成。

进一步地，所述镀银镍绞合导线包括：绞合铜导线，所述绞合铜导线最内侧由四根铜线绞合构成，其中每根铜线分别为铜芯外镀银层构成，且在镀银绞合铜线外再依次裹覆镍层及绝缘层。

进一步地，所述发射线圈、第一中继线圈、第二中继线圈及接收线圈为具有相同匝数和匝距的多匝线圈。

进一步地，所述第一中继线圈设置在发射线圈靠近接收线圈一侧，且与发射线圈紧邻而间距极近，发射线圈与第一中继线圈尺寸相同，同轴设置。

进一步地，所述第二中继线圈设置在接收线圈靠近发射线圈一侧，且与接收线圈紧邻而距离极近，接收线圈与第二中继线圈尺寸相同且远小于发射线圈。

进一步地，所述接收线圈轴线与发射线圈轴线平行但不重合，即两者有水平偏移；

进一步地，所述接收线圈串联一个匹配电容，并直接连接交流负载设备。

进一步地，所述接收线圈通过一个整流电路供给直流负载设备；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和发射线圈间还连接有阻抗匹配网络。

进一步地，所述阻抗匹配网络是无源网络，由电感和电容组成。

进一步地，所述阻抗匹配网络是有源网络，包括源极跟随器、射极跟随器和缓冲器，所述源极跟踪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并经由功率放大器放大后由阻抗匹配网络传来的高频振荡信号；

第一中继线圈与发射线圈近场耦合，将所述发射线圈接收到的高频振荡信号以电磁波的形式发送出去；

第二中继线圈接收所述第一中继线圈发出的电磁波，并通过与接收线圈近场耦合，将电磁波传递给接收线圈；

接收线圈接收所述第二中继线圈的电磁波，并将电磁波转化为电能传输给负载设备；

其中，所述电能无线传输模块的发射线圈、第一中继线圈、第二中继线圈和接收线圈都由镀银镍绞合导线构成。

本发明的有益效果是：

1.本发明提供的非对称无线输电系统及其输电方法，通过设置与发射线圈紧邻的同轴同尺寸的第一中继线圈，大大增加两者间的互感系数，实现对源极电流的放大作用，提高传输效率。

2.同时，通过设置与接收线圈紧邻的同轴同尺寸的第二中继线圈，增强两者的耦合系数，减少传输损耗，提高传输效率。

3.银镍绞合导线的设计和运用提高了线圈品质因数，使电能传输系统的传输效率提升。

4.此外，与发射线圈紧邻的等大同轴的第一中继线圈及与接收线圈紧邻的等大同轴的第二中继线圈在保证传输效率的同时也极大地节约了系统所占空间。

附图说明

图1是本发明实施例非对称无线输电系统的结构示意图；

图2是本发明实施例非对称无线输电系统中发射线圈与第一中继线圈的位置示意图；

图3是本发明实施例非对称无线输电系统中第二中继线圈与接收线圈的位置示意图；

图4是本发明实施例非对称无线输电系统的镀银镍绞合导线的横截面结构示意图；

图5是本发明实施例非对称无线输电系统的镀银镍绞合导线的纵切面结构示意图；

图6是本发明实施例非对称无线输电系统的等效电路图；

图7是本发明实施例非对称无线输电系统中各个线圈的位置示意图；

图8为本发明实施例非对称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-阻抗匹配网络；14-发射线圈；21-第一中继线圈；22-第二中继线圈；31-接收线圈；32-负载设备；41- 铜线；42-银层；43-镍层；44-绝缘层。

具体实施方式

为了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、完整的描述。应该强调的是，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是本发明实施例非对称无线输电系统的结构示意图；图2是本发明实施例非对称无线输电系统中发射线圈与第一中继线圈的位置示意图；图3是本发明实施例非对称无线输电系统中第二中继线圈与接收线圈的位置示意图。请参照图1-3所示，本实例提供一种非对称无线输电系统，包括：高频信号发生器11、功率放大器12、阻抗匹配网络13、发射线圈14、第一中继线圈21、第二中继线圈 22和接收线圈31；所述发射线圈14一侧与阻抗匹配网络13相连，另一侧与第一中继线圈21耦合，两者紧邻且同轴同尺寸；所述第二中继线圈22与所述第一中继线圈21耦合；所述接收线圈31与所述第二中继线圈22耦合，两者紧邻且同轴同尺寸，且所述接收线圈31还用于与负载设备32连接；其中，所述第二中继线圈22及接收线圈31尺寸远小于发射线圈14。发射线圈13、第一中继线圈21、第二中继线圈22和接收线圈31都由镀银镍绞合导线构成。

具体地，高频信号发生器11发出高频振荡信号；功率放大器12对高频信号发生器11发出的高频振荡信号进行放大；信号经由阻抗匹配网络13传输至发射线圈14的一侧，发射线圈14的另一侧与第一中继线圈21耦合。第一中继线圈21的径向尺寸与发射线圈14相同，设置在发射线圈14靠近接收线圈31 的一侧，且与发射线圈14同轴紧贴设置。第二接收线圈22的径向尺寸比发射线圈14小得多，接收第一中继线圈21的电磁波并将其传输给接收线圈31。接收线圈31与第二中继线圈22同轴紧贴放置且尺寸相同，接收第二中继线圈22 的高频振荡信号，并为负载设备32提供电能。

本实施例中，发射线圈14、第一中继线圈21、第二中继线圈22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14、第一中继线圈21、第二中继线圈22和接收线圈31可以具有相同的谐振频率。当发射线圈14和接收线圈31平行但不同轴时，由于发射线圈14与第一中继线圈21、第一中继线圈21与第二中继线圈22、第二中继线圈22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14、第一中继线圈21、第二中继线圈22和接收线圈31都由镀银镍绞合导线构成，用以提高发射线圈14、第一中继线圈21、第二中继线圈22和接收线圈31在高频下的品质因数，且削弱集肤效应等影响，进而使电能传输效率提高。

本实施例提供的非对称无线输电系统，通过设置与发射线圈14同轴且紧邻的第一中继线圈21，大大增加了发射线圈14与第一中继线圈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。同时，通过设置与接收线圈31同轴且紧邻的第二中继线圈22，增强两者的耦合系数，减少传输损耗，提高传输效率。中空镀银铜线的运用也提高了线圈在高频环境下的品质因数，进一步提升系统的传输效率。此外，与发射线圈14同轴且紧邻的第一中继线圈21及与接收线圈31同轴且紧邻的第二中继线圈22还可节省系统所占空间。

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:

即Q值为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，则意味着相对于储存的能量来说，耗散的能量越少，电路的储能效率就越高，系统的电能传输效率也就越高。

图4是本发明实施例非对称无线输电系统的镀银镍绞合导线的横截面结构示意图，图5是本发明实施例非对称无线输电系统的镀银镍绞合导线的纵切面结构示意图。参照图4-5所示，具体地，所述镀银镍绞合导线包括：绞合铜导线，所述绞合铜导线最内侧由四根铜线41绞合构成，其中每根铜线分别镀有银层42，且在镀银绞合铜线外再依次裹覆镍层43及绝缘层44。此导线结构可减少能量损耗，提升线圈品质因数和系统的能量传输效率。

在RLC等效电路中，阻抗Z＝R+jωL+(-j/ωC)＝R+j(ωL-1/ωC)，其中虚部为电抗X，ω为外加信号的角频率。当X＝0时，电路处于谐振状态，容抗等于感抗，所以电容和电感上两端的电压有效值必然相等，而 U_C＝I×1/ωC＝U/ωCR＝QU，U_L＝ωLI＝ωL×U/R＝QU，即品质因数 Q＝1/ωCR＝ωL/R，其中R为线圈的总损耗电阻，由直流电阻、高频电阻介质损耗等组成，其值越小则品质因数越高，系统的传输效率就越高。

本实施例的镀银镍绞合导线中，铜线41并不是简单的单股结构，而是在其外镀银层42后将4根导体绞合。银层42可提升线圈导电性能，减少导体阻抗，即减少能量在线圈自身的损耗，且绞线结构可以非常有效地减少高频交流环境下集肤效应和邻近效应造成的附加能量损耗。此导线结构使线圈的品质因数Q 相比较普通铜线大大提高，因此可有效提升系统的电能传输效率。

其中，银层42在提高铜线41电导率的同时，可以增强其耐高温及耐腐蚀性，厚度可以为0.2毫米；四股绞线结构降低能量损耗的同时，可使运行温度降低，有更高的柔韧性；镍层43可提高导线的耐磨性，厚度可以为0.2毫米；绝缘层44可以由PVC(Polyvinylchloride，聚氯乙烯)材料制成，对镀银镍绞合导线的内部有保护作用。

进一步地，发射线圈14与第一电容串联；和/或，第一中继线圈21与第二电容串联；和/或，第二中继线圈22与第三电容串联；和/或，接收线圈31与第四电容串联。第一电容、第二电容、第三电容和第四电容分别对发射线圈14、第一中继线圈21、第二中继线圈22和接收线圈31起调谐作用，使发射线圈14、第一中继线圈21、第二中继线圈22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。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。

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14之间还连接有阻抗匹配网络13。

其中，阻抗匹配网络13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13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6为本发明实施例非对称无线输电系统的等效电路图，图7是本发明实施例非对称无线输电系统中各个线圈的位置示意图；图8为本发明实施例非对称无线输电系统的传输效率仿真图。参照图6-8所示，下面对本发明非对称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、R₄与L₁、L₂、L₃、 L₄分别为发射端、第一中继、第二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14与第一中继线圈21间互感系数，k₁₂为其耦合系数；M₂₃为第一中继线圈21和第二中继线圈22的互感系数， k₂₃为其耦合系数；M₃₄为第二中继线圈22与接收线圈31的互感系数，k₃₄为其耦合系数；C₁、C₂、C₃和C₄分别为发射线圈14、第一中继线圈21、第二中继线圈22和接收线圈31的调谐电容；U_S为高频电压源；M₁₃、M₁₄和M₂₄分别为发射线圈14与第二中继线圈22、发射线圈14与接收线圈31和第一中继线圈21 与接收线圈31的互感系数，但其耦合十分微弱，忽略不计。

S1、对所述无线输电系统的等效电路进行分析，根据基尔霍夫定律，可以得到以下方程：

式中，i₁、i₂、i₃和i₄分别为发射线圈14、第一中继线圈21、第二中继线圈 22和接收线圈31的电流，U_S是高频信号发生器的输出电压，Z₁₁、Z₂₂、Z₃₃和Z₄₄分别为发射端回路、第一中继回路、第二中继回路和接收端回路的回路阻抗，其值分别为：

当所述系统工作在谐振状态时，有：

S2、求解S1中行列式，可得发射线圈14、第一中继线圈21、第二中继线圈22和接收线圈31的电流分别为：

此系统的输出功率为将上式带入，则系统的输出功率为：

同理，系统的输入功率为p_in＝U_Si₁，又由上式得到系统的输入功率为：

传输效率η可表示为系统输出功率与输入功率的比值，即：

由系统传输效率公式可知，系统的传输效率与系统内电能传输模块的发射线圈13、第一中继线圈21、第二中继线圈22及接收线圈31间的互感系数M₁₂、 M₂₃、M₃₄以及各线圈的阻抗有很大关系。

S3、发射线圈14所在平面与接收线圈31所在平面的垂直距离为D，发射线圈14所在平面与第一中继线圈21所在平面的垂直距离为d₁，接收线圈31所在平面与第二中继线圈22所在平面的垂直距离为d₂，则第一中继线圈21与第二中继线圈22间距离为D-d₁-d₂，系统线圈间的互感系数如下：

上式中，u₀为真空磁导率，其值为u₀＝4π×10^-7H/m，N₁、N₂、N₃和N₄分别为发射线圈14、第一中继线圈21、第二中继线圈22和接收线圈31的匝数，O₁、 O₂、O₃和O₄代表相应的导线回路，dl₁、dl₂、dl₃和dl₄分别为发射线圈14、第一中继线圈21、第二中继线圈22和接收线圈31上的一个微元。

本发明所述系统及方法中，由于发射线圈14与第一中继线圈21紧邻设置，即d₁极小，d₁→0，则发射线圈14与第一中继线圈21间互感M₁₂比普通有中继线圈的输电系统同等情况下大幅增强；且接收线圈31与第二中继线圈22同样紧邻，所以d₂极小，d₂→0，则接收线圈31与第二中继线圈22间互感M₃₄也较强。

例如：发射线圈14半径为40cm，与发射线圈14同轴的第一中继线圈21半径同样为40cm,第二中继线圈22半径为5cm，与第二中继线圈22同轴的接收线圈31半径为5cm,接收线圈31较发射线圈14的水平侧移距离为7cm。发射线圈13、第一中继线圈21、第二中继线圈22及接收线圈31的匝距都为0.4cm，匝数为8匝，均采用上述镀银镍绞合导线，且发射线圈14与第一中继线圈21 的中心点相距4cm，发射线圈14与第二中继线圈22的垂直距离为1m，第二中继线圈22与接收线圈31的中心点相距为4cm，激励源频率设定为f₀＝10.5MHz，使串联谐振电路的线圈谐振发生在10.5MHz附近。如图8所示，在谐振频率点附近，本实施例的非对称双中继无线输电系统的传输效率达到90％的最高值，很大程度上提高了小尺寸接收端在较发射端有水平侧移情况下的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结构、接收线圈31相对于发射线圈14有较大尺寸差距且出现水平偏移的应用场景。通过采用上述实施例中的镀银镍绞合导线结构，能够降低传输的能量损耗，提高各个线圈的品质因数；同时通过发射线圈14与第一中继线圈21紧邻且同轴同尺寸设置，及接收线圈31与第二中继线圈22紧邻且同轴同尺寸设置，缩小系统所占空间的同时又增强线圈互感，进而显著提高系统的传输效率。

以上所述为本发明的基本原理和较佳的实施过程，但本发明的保护范围并不局限于此，但凡熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，所作的等效修饰或变换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种无线电能传输系统，其特征在于，包括：高频信号发生器、功率放大器、阻抗匹配网络、发射线圈和接收线圈；所述功率放大器连接在高频信号发生器和阻抗匹配网络之间；所述阻抗匹配网络与发射线圈一侧相连；所述发射线圈另一侧设有紧邻的第一中继线圈，所述第一中继线圈与所述发射线圈耦合且同轴设置；所述第二中继线圈与所述第一中继线圈耦合；所述接收线圈与所述第二中继线圈耦合且同轴设置，且所述接收线圈还用于与负载设备相连；其中，所述发射线圈、第一中继线圈、第二中继线圈和接收线圈都由镀银镍绞合导线构成。

2.根据权利要求1所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述镀银镍绞合导线包括：绞合铜导线，所述绞合铜导线最内侧由四根铜线绞合构成，其中每根铜线分别为铜芯外镀银层构成，且在镀银绞合导线外再依次裹覆镍层及绝缘层。

3.根据权利要求1或2所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述电能无线传输系统的发射线圈、第一中继线圈、第二中继线圈及接收线圈为具有相同匝数和匝距的多匝线圈。

4.根据权利要求1或2所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述第一中继线圈设置在发射线圈靠近接收线圈一侧，且与发射线圈紧邻而间距极近，发射线圈与第一中继线圈尺寸相同，同轴设置。

5.根据权利要求1或2所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述第二中继线圈设置在接收线圈靠近发射线圈一侧，且与接收线圈紧邻而距离极近，接收线圈与第二中继线圈尺寸相同且远小于发射线圈。

6.根据权利要求1或2所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述接收线圈轴线与发射线圈轴线平行但不重合。

7.根据权利要求1或2所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述接收线圈串联一个匹配电容，并直接连接交流负载设备。

8.根据权利要求1或2所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述接收线圈通过一个整流电路供给直流负载设备；所述整流电路包括半波整流、全波整流和桥式整流。

9.根据权利要求1或2所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述高频信号发生器和发射线圈间还连接有阻抗匹配网络。

10.根据权利要求9所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述阻抗匹配网络是无源网络，由电感和电容组成。

11.根据权利要求9所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述阻抗匹配网络是有源网络，由有源、无源器件组成的源极跟随器、射极跟随器和缓冲器构成。

12.一种基于权利要求1-11任一项所述的无线电能传输系统的输电方法，其特征在于，包括：

发射线圈接收高频信号发生器产生并经由功率放大器放大后由阻抗匹配网络传来的高频振荡信号；

第一中继线圈与发射线圈近场耦合，将所述发射线圈接收到的高频振荡信号以电磁波的形式发送出去；

第二中继线圈接收所述第一中继线圈发出的电磁波，并通过与接收线圈近场耦合，将电磁波传递给接收线圈；

接收线圈接收所述第二中继线圈的电磁波，并将电磁波转化为电能传输给负载设备；

其中，所述电能无线传输模块的发射线圈、第一中继线圈、第二中继线圈和接收线圈都由镀银镍绞合线构成。