CN107546867B - 磁耦合高效率电能传输并联线圈设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁耦合高效率电能传输并联线圈设计方法，根据实际应用中充电目标的尺寸确定接收端单向线圈的大小、半径和匝数，由激励源确定发射端正向线圈和反向线圈的半径；根据发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感随传输距离变化曲线的平坦程度确定发射端正向线圈和反向线圈的匝数，近距离传输时，使用发射端正反向并联线圈作为发射线圈，抑制频率分裂实现系统能量高效传输；传输距离超过一定范围时，将发射端反向线圈进行开路，使用发射端正向线圈作为发射线圈，保持系统能量高效传输，调谐电容，将收发线圈调谐在所用工作频率实现设计。本发明能够同时实现近距离能量传输和远距离能量传输时，WPT/MRC系统进行高效能量传输。

Description

磁耦合高效率电能传输并联线圈设计方法

技术领域

本发明属于无线电能传输设备技术领域，具体涉及一种磁耦合高效率电能传输并联线圈设计方法。

背景技术

近年来，随着科技的发展，以智能手机、平板电脑为代表的电子产品使用量激增，形形色色的家用电器走进千家万户，这些电子产品在给人们带来极大便利和享受的同时也带来了错综复杂的电线，限制了移动设备的灵活性。此外，随着收入的提高，汽车产业将继续保持高速增长态势，但是现阶段又面临着石油短缺的严峻挑战，可以预期随着石油、天然气等不可再生能源的日趋减少，未来电动汽车取代燃油汽车将是一个必然的趋势，随之而来的是电动汽车能源供应的问题，电池是电动汽车发展的关键，当前电动汽车的发展主要受限于其能量的供给，目前仍未研制出一种像传统汽油高能量密度的电池为电动汽车提供能量，如何在保证能量供给的前提下减轻车载电池的重量以及快捷方便的给汽车充电是未来电动汽车推广使用的主要难题和障碍。磁耦合无线电能传输技术的出现，为上述存在的问题找到了有效的解决方案，因此，该技术受到越来越多研究者的重视。

无线电能传输技术按原理可以分为三类：电磁感应原理、微波传输原理和磁谐振耦合原理，经过近些年的发展，利用电磁感应原理实现电能的近距离无线传输已经比较成熟，已有较多商业化产品见诸报道。利用电磁感应原理实现无线电能传输能在近距离(1cm以内)以较高效率传输较大的功率，但是其无法实现较远距离传输的缺点，成为限制其发展的重要因素。此外，采用微波传输原理虽然能够实现远距离的无线电能传输，但是其复杂的跟踪定位系统以及较低的传输效率，使其发展受到严重阻碍。磁谐振耦合无线电能传输以其能实现中距离、高效率传输的特点，成为目前该领域的研究热点。

而在磁耦合谐振式无线电能传输中，当发射线圈和接收线圈之间的距离小于某个临界值时，两线圈处于过耦合状态，线圈间的互感发生剧烈变化，系统传输效率也会急剧下降。此时，效率在谐振频率点两端的某两个频率点处达到峰值，而在谐振频率处线圈传输效率不再是最大值，这种现象称为频率分裂。

为了抑制频率分裂，可以采用频率跟踪、阻抗匹配及改变线圈结构等方法。频率跟踪技术是通过在传输系统中附加高频电流检测器、差分放大器、相位补偿器、锁相环等一系列复杂的电路来实现对发射回路谐振频率的跟踪控制，进而抑制频率分裂。但是，这些附加的电路会使系统变得复杂，也会消耗额外的能量。阻抗匹配方法是在传输系统中使用可调阻抗匹配网络来抑制频率分裂，但是需要通过逆变电路、反馈电路、控制电路等根据传输的距离来调整匹配阻抗。此外，还可以通过改变线圈的结构的方式抑制频率分裂。这种方法无需在系统中添加额外复杂电路，便于操作，简单易行。

发明内容

本发明为了实现在系统中不附加额外复杂电路、消耗多余能量的同时，能够在近距离内有效抑制WPT/MRC中出现的频率分裂，提高系统传输效率，能够在远距离时保持高效率传输，从而提供了一种磁耦合高效率电能传输并联线圈设计方法。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，磁耦合高效率电能传输并联线圈设计方法，装置包括信号发生器、功率放大器、由内外同轴设置的反向线圈和正向线圈组成的发射端正反向并联线圈、接收端单向线圈、开关g、可调电容C₁、可调电容C₂和负载，其中发射端正反向并联线圈与接收端单向线圈之间预留间隔后相对同轴设置，所述信号发生器的信号输出端与功率放大器的信号输入端连接，功率放大器的正向输出端与可调电容C₁的一端连接，可调电容C₁的另一端分别与发射端正向线圈的一端和开关g的一端连接，开关g的另一端与发射端反向线圈的一端连接，发射端正向线圈的另一端和反向线圈的另一端分别与功率放大器的负向输出端连接，所述接收端单向线圈的一端与负载的正向输入端连接，单向线圈的另一端与可调电容C₂的一端连接，可调电容C₂的另一端与负载的负向输入端连接；

具体设计过程为：根据实际应用中充电目标的尺寸确定接收端单向线圈的大小，即接收端单向线圈的半径和匝数，由激励源确定发射端正向线圈和反向线圈的半径，根据互感公式确定发射端正向线圈和反向线圈之间的匝数比，其中设定接收端单向线圈的半径为r_R，匝数为n_R，设定发射端正向线圈的半径为r_T ^f，反向线圈的半径为r_T ^r，

线圈自感公式为：

式中，μ₀为真空磁导率，r为线圈半径，n为线圈匝数，a为导线半径；

两单匝圆线圈之间的互感公式为：

式中，r₁和r₂分别是两单匝圆线圈的半径，d为两单匝圆线圈间的距离，K(k)和E(k)分别是第一类和第二类椭圆积分；

根据电路理论求出发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感：

式中，n_T ^f和n_T ^r分别是发射端正向线圈和反向线圈的匝数，n_R是接收端单向线圈的匝数，r_T ^f和r_T ^r分别是发射端正向线圈和反向线圈的半径，r_R是接收端单向线圈半径，D_ij是发射端正向线圈或反向线圈的第i匝与接收端单向线圈的第j匝之间的距离，D为发射端正向线圈或反向线圈与接收端单向线圈中心点之间的距离，L_T ^f和L_T ^r分别是发射端正向线圈和反向线圈的自感，M_fr是发射端正向线圈和反向线圈之间的互感，M_f(D)和M_r(D)分别是发射端正向线圈和接收端单向线圈之间的互感与发射端反向线圈和接收端单向线圈之间的互感；

通过求M(D)关于D的微分，得出公式：

根据发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈的结构，在确定发射端正向线圈和反向线圈的半径后，求出发射端正向线圈和反向线圈的匝数比；

对发射端正向线圈和反向线圈的匝数进行调整，根据公式

确定发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间互感曲线随距离变化的平坦程度，式中，D₀为发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的初始距离，D₁为发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间互感取最大值时发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的距离，v越小则表示互感变化曲线越平坦，根据发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感随传输距离变化曲线的平坦程度确定发射端正向线圈和反向线圈的匝数，以满足无线电能传输系统之间最优传输调节，其中选取发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感随传输距离变化曲线最平坦所对应的发射端正向线圈和反向线圈的匝数作为最优设计匝数，即得出发射端正向线圈优化匝数n_T ^f和反向线圈优化匝数n_T ^r；

求出发射端正向线圈作为发射线圈的WPT/MRC系统传输效率达到最高时，发射端正反向并联线圈与接收端单向线圈之间的距离为：

其中a为导线半径，μ₀为真空磁导率，ω为角频率，σ为磁导率，r_T ^f为发射端正向线圈的半径，r_R为接收端单向线圈的半径；

当传输距离小于D_m时，发射端正反向并联线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的传输效率高于发射端正向线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的传输效率，故使用发射端正反向并联线圈作为WPT/MRC系统的发射线圈，用来抑制频率分裂，实现系统能量的高效率传输，当传输距离不小于D_m时，发射端正反向并联线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的传输效率低于正向线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的传输效率，故将发射端反向线圈进行开路，使用发射端正向线圈作为WPT/MRC系统的发射线圈，保持系统能量的高效率传输；

利用可调电容C₁和可调电容C₂分别将发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈调谐在所用工作频率，即完成应用于无线电能传输的磁耦合高效率电能传输并联线圈的设计。

进一步优选，所述接收端单向线圈的半径r_R和匝数n_R的设定根据实际充电目标确定，所述发射端正反向并联线圈的正向线圈半径r_T ^f和反向线圈半径r_T ^r的设定根据信号源确定。

进一步优选，所述发射端正向线圈和反向线圈及接收端单向线圈均为螺旋圆形线圈、螺旋矩形线圈或螺旋椭圆形线圈。

本发明具有以下有益效果：近距离时，发射端正反向并联线圈作为WPT/MRC系统的发射线圈能有效抑制频率分裂现象的产生，提高系统能量的传输效率；远距离时，发射端正向线圈作为WPT/MRC系统的发射线圈，保持系统能量的高效率传输。

附图说明

图1是WPT/MRC系统的等效电路图；

图2是选取的最优设计示意图；

图3是近距离时发射端正反向并联线圈作为发射线圈，远距离时正向线圈作为发射线圈的无线电能传输系统传输效率随距离变化的示意图。

具体实施方式

以下结合实施例描述本发明的具体技术方案。

磁耦合高效率电能传输并联线圈设计方法，它包括发射线圈(由正向线圈和反向线圈组成的正反向并联线圈)、接收线圈(单向线圈)、可调电容C₁和可调电容C₂；发射端正向线圈、反向线圈和接收端单向线圈均为螺旋圆形线圈。

信号发生器的信号输出端与功率放大器的信号输入端连接，功率放大器的正向输出端子与可调电容C₁的一端连接，可调电容C₁的另一端分别与发射端正向线圈一端和开关g一端连接，发射端正向线圈另一端与功率放大器的负向输出端连接，开关g另一端与发射端反向线圈一端连接，发射端反向线圈另一端与功率放大器的负向输出端连接。

所述发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈相对同轴放置，所述接收端单向线圈的一端与负载的正向输入端子连接，接收端单向线圈的另一端与可调电容C₂的一端连接，可调电容C₂的另一端与负载的负向端子连接。

图1即为WPT/MRC系统的等效电路，线圈之间通过磁场谐振耦合相互作用，这种耦合的强度用互感M来衡量。

磁耦合谐振式无线能量传输系统的传输特性可以用传输系数S₂₁来表示，传输效率用η来表示。

η＝|S₂₁|²×100％ (2)

当系统工作于线圈谐振频率时，传输系数S₂₁可以简化为(3)式：

由公式(3)可以看出，传输系数S₂₁是关于互感和频率的函数，所以在固定工作频率下得到平坦的效率变化曲线，可以通过得到平坦的互感变化曲线来实现。因此，互感曲线的平坦度对于线圈的优化设计是非常重要的。

发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感可以用下式来表示：

对发射端正向线圈和反向线圈的匝数进行调整，确定发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间互感随距离变化曲线的平坦程度，v越小则表示互感随距离变化变化曲线越平坦，综合考虑后，选取优化参数，如图2所示。

根据WPT/MRC系统的等效电路图(如图1)、公式(1)和(2)绘制出发射端正向线圈作为发射线圈的WPT/MRC系统传输效率与收发端单向线圈之间距离和工作频率之间的仿真示意图和正反向并联线圈作为发射线圈的WPT/MRC系统传输效率与收发线圈间距离和工作频率之间的仿真示意图，通过比较可以发现发射端正向线圈作为发射线圈的WPT/MRC系统在近距离内会发生明显的频率分裂，这是因为随着发射端正向线圈和接收端单向线圈之间距离的减小，发射端正反向并联线圈与接收端单向线圈之间的互感会发生剧烈变化，导致系统处于过耦合状态，发生频率分裂；而发射端正反向并联线圈作为发射线圈的WPT/MRC系统，由于发射端反向线圈的存在，抑制发射端正向线圈和接收端单向线圈之间互感的剧烈变化，阻碍频率分裂现象的发生。最终可以得出发射端正反向并联线圈作为发射线圈的无线电能传输系统可以很好的抑制频率分裂现象的发生。

当传输距离小于D_m时，发射端正反向并联线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的传输效率高于发射端正向线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的传输效率；当传输距离不小于D_m时，发射端正反向并联线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的传输效率低于发射端正向线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的传输效率。则可以在D_m点处进行发射端正反向并联线圈和发射端正向线圈之间的切换，使发射端正反向并联线圈和发射端正向线圈分别在不同的情况下作为发射线圈，从而实现系统的高效率传输。

图3即给出了发射端正反向并联线圈和发射端正向线圈在不同情况下相互切换作为发射线圈时，系统效率随距离变化示意图。近距离时发射端正反向并联线圈作为发射线圈，系统进行高效率传输；远距离时发射端正向线圈作为发射线圈，保持系统高效率传输。总结上面发射端正反向并联线圈的设计及其切换方法，可以总结成如下设计步骤：

1、根据充电目标确定接收端但向线圈大小，根据电源确定发射端正向线圈和反向线圈大小；

2、求出发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感，通过对互感的微分得出发射端正向线圈和反向线圈的匝数比，根据发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间互感曲线变化的平坦程度选取合适的匝数；

3、近距离传输时，使用发射端正反向并联线圈作为发射线圈，当传输距离超过某个值时，在发射端把反向线圈进行开路，即用发射端正向线圈作为发射线圈，利用可调电容将收发线圈调谐在所用工作频率。

本发明的有益效果为：通过理论计算可知，近距离能量传输时，发射端正反向并联线圈作为发射线圈，可以有效抑制WPT/MRC系统频率分裂现象的发生，提高系统的传输效率；远距离能量传输时，发射端正向线圈作为发射线圈，可以保持WPT/MRC系统高效率地进行能量传输。

Claims (1)

1.磁耦合高效率电能传输并联线圈设计方法，其特征在于：磁耦合高效率电能传输装置包括信号发生器、功率放大器、由内外同轴设置的反向线圈和正向线圈组成的发射端正反向并联线圈、接收端单向线圈、开关g、可调电容C₁、可调电容C₂和负载，其中发射端正反向并联线圈与接收端单向线圈之间预留间隔后相对同轴设置，所述信号发生器的信号输出端与功率放大器的信号输入端连接，功率放大器的正向输出端与可调电容C₁的一端连接，可调电容C₁的另一端分别与发射端正向线圈的一端和开关g的一端连接，开关g的另一端与发射端反向线圈的一端连接，发射端正向线圈的另一端和反向线圈的另一端分别与功率放大器的负向输出端连接，所述接收端单向线圈的一端与负载的正向输入端连接，接收端单向线圈的另一端与可调电容C₂的一端连接，可调电容C₂的另一端与负载的负向输入端连接；

具体设计过程为：根据实际应用中充电目标的尺寸确定接收端单向线圈的大小，即接收端单向线圈的半径和匝数，由激励源确定发射端正向线圈和反向线圈的半径，根据互感公式确定发射端正向线圈和反向线圈之间的匝数比，其中设定接收端单向线圈的半径为r_R，匝数为n_R，设定发射端正向线圈的半径为r_T ^f，反向线圈的半径为r_T ^r，

线圈自感公式为：

式中，μ₀为真空磁导率，r为线圈半径，n为线圈匝数，a为导线半径；

两单匝圆线圈之间的互感公式为：

式中，r₁和r₂分别是两单匝圆线圈的半径，d为两单匝圆线圈间的距离，K(k)和E(k)分别是第一类和第二类椭圆积分；

根据电路理论求出发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感：

式中，n_T ^f和n_T ^r分别是发射端正向线圈和反向线圈的匝数，n_R是接收端单向线圈的匝数，r_T ^f和r_T ^r分别是发射端正向线圈和反向线圈的半径，r_R是接收端单向线圈半径，D_ij是发射端正向线圈或反向线圈的第i匝与接收端单向线圈的第j匝之间的距离，D为发射端正向线圈或反向线圈与接收端单向线圈中心点之间的距离，L_T ^f和L_T ^r分别是发射端正向线圈和反向线圈的自感，M_fr是发射端正向线圈和反向线圈之间的互感，M_f(D)和M_r(D)分别是发射端正向线圈和接收端单向线圈之间的互感与发射端反向线圈和接收端单向线圈之间的互感；

通过求M(D)关于D的微分，得出公式：

根据发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈的结构，在确定发射端正向线圈和反向线圈的半径后，求出发射端正向线圈和反向线圈的匝数比；

对发射端正向线圈和反向线圈的匝数进行调整，根据公式

确定发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间互感曲线随距离变化的平坦程度，式中，D₀为发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的初始距离，D₁为发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间互感取最大值时发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的距离，v越小则表示互感变化曲线越平坦，根据发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感随传输距离变化曲线的平坦程度确定发射端正向线圈和反向线圈的匝数，以满足无线电能传输系统之间最优传输调节，其中选取发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感随传输距离变化曲线最平坦所对应的发射端正向线圈和反向线圈的匝数作为最优设计匝数，即得出发射端正向线圈优化匝数n_T ^f和反向线圈优化匝数n_T ^r；

求出发射端正向线圈作为发射线圈的WPT/MRC系统传输效率达到最高时，发射端正反向并联线圈与接收端单向线圈之间的距离为：

其中a为导线半径，μ₀为真空磁导率，ω为角频率，σ为磁导率，r_T ^f为发射端正向线圈的半径，r_R为接收端单向线圈的半径；

当传输距离小于D_m时，发射端正反向并联线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的传输效率高于发射端正向线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的传输效率，故使用发射端正反向并联线圈作为WPT/MRC系统的发射线圈，用来抑制频率分裂，实现系统能量的高效率传输，当传输距离不小于D_m时，发射端正反向并联线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的传输效率低于正向线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的传输效率，故将发射端反向线圈进行开路，使用发射端正向线圈作为WPT/MRC系统的发射线圈，保持系统能量的高效率传输；

利用可调电容C₁和可调电容C₂分别将发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈调谐在所用工作频率，即完成应用于无线电能传输的磁耦合高效率电能传输并联线圈的设计。