CN107546869A - 三线圈无线输电系统频率分裂现象的抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了三线圈磁耦合谐振无线电能传输系统的频率分裂现象及其抑制方法，频率分裂现象仅出现在过耦合区域，随着谐振线圈之间距离的减小，频率分裂现象变得更加明显。由于频率分裂现象的本质是阻抗不匹配，因此本发明通过在发射端添加L型阻抗匹配电路并且在接收端组成概念性阻抗匹配网络，来实现抑制频率分裂现象、增大系统效率的目的。本发明对三线圈磁耦合谐振无线电能传输系统在实际中的应用起到重要作用。

Description

三线圈无线输电系统频率分裂现象的抑制方法

技术领域

本发明属于磁耦合谐振无线电能传输技术领域，涉及三线圈磁耦合谐振无线电能传输系统的频率分裂现象，涉及一种通过阻抗匹配来抑制频率分裂现象的方法。

背景技术

无线输电一直是人类的一大梦想。从1889年特斯拉最早发明了无线输电方法，人类就一直致力于无线输电的研究。多年来国内外专家一直在进行无线电能传输的研究，但一直以来科研进展缓慢，直到2007年，美国麻省理工学院(MIT)的实验再次掀起了无线输电的研究热潮，他们利用电磁共振原理成功点亮了一个距离电源2m远的60W的灯泡，效率达到40％。 MIT的实验的优势在于发射线圈和接受线圈位置的灵活性以及较长的传输距离和较高的传输效率。麻省理工的实验重新引起了人们对无线输电的研究。为了使无线电能传输技术尽快得到应用，2010年9月1日，全球首个推动无线充电技术的标准化组织--无线充电联盟(Wireless Power Consortium，WPC)在北京宣布将Qi无线充电国际标准率先引入中国，信息产业部通信电磁兼容质量监督中心也加入该组织，其中深圳桑菲消费通信有限公司是Qi标准的支持者，也是该联盟常务理事成员中唯一一家中国企业。

现有的无线电能传输方式主要有以下三种：

1.感应式无线电能传输—利用电磁感应原理，采用松耦合变压器或者可分离变压器方式实现功率无线传输，传输距离很近。

2.电磁辐射式无线电能传输—利用电磁波能量可以通过天线发送和接收的原理，该传输方式由于损耗大、传输方向受限、传输效率低并且对人和生物体有很大危害，所以主要应用在特殊领域。

3.磁耦合谐振式无线电能传输--利用共振原理把能量从发射端传输到接收端，提高传输距离的同时也提高了传输效率。

磁耦合谐振式无线电能传输系统的基本原理是共振，即高频功率源的频率、发射端的固有频率、接收端的固有频率相同。当发射线圈向一个方向发射一个频率的电磁波时，引起接收回路的共振，使它的谐振幅度达到最大，从而将发射的能量大部分吸收，极大的提高了传输功率和效率。对于三线圈WPT系统，发射端是由发射线圈和中继线圈组成，它们之间是通过直接耦合的方式进行能量传输；接收端是由接收线圈组成。而发射端和接收端则是通过磁场的耦合谐振来实现电能的无线输出。

磁耦合谐振式无线电能传输系统相对其他无线输电方式有很大的优势，但是这种传输方式实现比较高的传输效率要有两个前提：谐振线圈不但要处在谐振状态，还必须是临界耦合点。而频率分裂现象恰恰破坏了这种平衡，频率分裂现象仅出现在过耦合区域，该现象是由于发射线圈和接收线圈之间的过耦合导致系统出现多个谐振频率的现象，频率分裂现象增加了系统控制的复杂性以及系统的不稳定性，对系统的传输效率有很大影响。

综上所述，磁耦合谐振式无线电能传输系统的频率分裂现象是一种普遍存在的现象，频率分裂现象的研究对于工作在谐振频率的发射线圈和接收线圈实现高效的能量传输是非常重要的。因为频率分裂现象的本质是阻抗不匹配，为此，我们必须找到一种技术方法来抑制频率分裂现象——通过一种阻抗匹配方法来抑制频率分裂现象。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于针对三线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统中的频率分裂现象导致系统传输效率低的问题，从S参数、效率的角度对三线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统中的频率分裂现象进行分析，并通过一种阻抗匹配方法来抑制频率分裂现象。该方法是通过在发射端添加L型阻抗匹配电路并且在接收端组成概念性阻抗匹配网络，来实现抑制频率分裂现象、增大系统效率的目的。

为实现上述目标，本发明实现的技术方案如下：

一种具有频率分裂现象的磁谐振无线电能传输系统，所述的磁谐振无线电能传输系统包括磁谐振无线电能传输模块、磁谐振无线电能传输系统的频率分裂现象模块和阻抗匹配模块；

所述磁谐振无线电能传输模块包括一个发射装置和一个接收装置；所述阻抗匹配模块包括L型阻抗匹配电路和概念性阻抗匹配电路。

根据本发明所述的一种磁谐振无线电能传输系统，所述的发射装置包括高频信号发生器、发射线圈和中继线圈。

根据本发明所述的一种磁谐振无线电能传输系统，所述的接收装置包括接收线圈。

根据本发明所述的一种具有频率分裂现象的磁谐振无线电能传输系统，所述的频率分裂现象是指：

(1)磁谐振无线电能传输系统的工作区域可以分为欠耦合、临界耦合和过耦合，频率分裂现象仅出现在过耦合区域；

(2)在磁谐振无线电能传输系统自身参数不变的情况下，谐振线圈(即发射线圈和接收线圈)之间的耦合系数与它们之间的距离成反比；

(3)随着距离的减小，谐振线圈之间的耦合程度逐渐增大，频率分裂现象也变得越来越明显；而随着距离的增大，谐振线圈之间的耦合程度逐渐减小，频率分裂的两个分支也慢慢汇合直到汇聚到一点，该点为临界耦合点，在临界耦合点能够实现能量的最大传输效率，临界耦合点是欠耦合状态和过耦合状态的过渡点；

(4)欠耦合状态下，仍然能够进行无线电能传输，但是可实现的能量传输效率是有限的，随着耦合系数的减小，传输到负载端的能量急剧减小；

(5)过耦合状态下，发生频率分裂现象，此时系统的谐振点不再只有一个，每个谐振点都能取到能量传输的效率的极大值。

根据本发明所述的一种磁谐振无线电能传输系统，所述的L型阻抗匹配电路包括空心电感器和非极化电容器。

根据本发明所述的一种磁谐振无线电能传输系统，所述的频率分裂现象的本质是阻抗不匹配。

根据本发明所述的一种磁谐振无线电能传输系统，所述的阻抗匹配方法是通过在发射端添加L型阻抗匹配电路并且在接收端组成概念性阻抗匹配网络，来实现抑制频率分裂现象、增大系统效率的目的。

本发明的有益效果是：

1.本发明是对三线圈磁耦合谐振无线电能传输系统的频率分裂现象进行分析。

2.本发明提出一种阻抗匹配方法来抑制频率分裂现象，通过在发射端和接收端添加L型阻抗匹配电路、在接收端组成概念性阻抗匹配电路，当发射端的等效阻抗和接收端的等效阻抗同时满足特定条件时，达到抑制频率分裂现象并增大系统效率的目的。

附图说明

图1是本发明所述三线圈磁耦合谐振无线电能传输系统的电路模型；

图2是本发明所述系统模型的参数列表；

图3是本发明所述系统的S参数、耦合系数、频率的关系；

图4是本发明所述系统的阻抗匹配电路；

图5是本发明所述系统阻抗匹配电路发射端的等效电路；

图6是本发明所述系统阻抗匹配电路匹配电容和匹配电感实验数据；

图7是本发明所述系统阻抗匹配电路装置；

图8是本发明所述系统添加阻抗匹配电路不同距离下的效率值。

具体实施方式

为了使本发明技术方案的内容和优势更加清楚明了，下面结合附图和具体实施例，对本发明三线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统中的频率分裂现象和抑制方法进行进一步的详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

如图1所示，三线圈磁耦合谐振无线电能传输系统的电路模型，V_S是系统的高频功率源， R_S为高频功率源的内阻；R_p1、R_p2、R_p3分别是发射线圈、中继线圈、接收线圈损耗电阻，因为辐射电阻要远远小于损耗电阻，故本文忽略线圈的辐射电阻；C₁、C₂、C₃分别为对应线圈的等效电容；L₁、L₂、L₃分别为对应线圈的等效电感；R_L为线圈的负载电阻，f₀为系统谐振频率。L₁与L₂之间互感为M₁₂，L₂与L₃之间互感为M₂₃。同时为了方便计算，本文忽略发射线圈和接收线圈之间的互感。

对本发明的三线圈磁耦合谐振无线电能传输系统的电路模型分析步骤如下：

1.由基尔霍夫定律得到：

Z₁I₁-jωM₁₂I₂＝V_S

Z₂I₂+jωM₁₂I₁-jωM₂₃I₃＝0

Z₃I₃-jωM₂₃I₂＝0

其中，Z₁、Z₂、Z₃满足下式：

Z₁＝R_S+R_p1+jωL₁+1/jωC₁

Z₂＝R_p2+jωL₂+1/jωC₂

Z₃＝R_L+R_p3+jωL₃+1/jωC₃

2.耦合系数满足：

3.由1中的公式得到三线圈V_L与V_S的比值：

4.系统的S参数满足：

5.系统的效率满足：

η＝|S₂₁|²

由此得到三线圈WPT系统的传输效率公式：

其中，Q是线圈的品质因数，品质因数是谐振条件下电感或者电容消耗的无功功率与负载上消耗的有功功率的比值。Q₁＝ωL₁/(R_p1+R_S)是发射线圈的品质因数；Q₂＝ωL₂/R_p2为中继线圈的品质因数；Q₃＝ωL₃/(R_p3+R_L)为接收线圈的品质因数。

其中μ₀是自由空间磁导率，N₂、N₃是中继线圈和接收线圈的匝数，r₂、r₃是中继线圈和接收线圈的半径，d₂₃是它们之间的距离。

由图2中的参数以及公式3得到三个线圈的WPT系统的|S₂₁|、耦合系数k₂₃以及频率f 的关系如图3所示。

无线输电系统的工作区域可以分为欠耦合、临界耦合和过耦合，频率分裂现象仅出现在过耦合区域。由公式6和图3看出，在三线圈自身参数不变的情况下，谐振线圈(即发射线圈和接收线圈)之间的耦合系数k₂₃与它们之间的距离成反比。随着距离的减小，谐振线圈之间的耦合程度逐渐增大，频率分裂现象也变得越来越明显。而随着距离的增大，谐振线圈之间的耦合程度逐渐减小，频率分裂的两个分支也慢慢汇合直到汇聚到f₀点，f₀点为临界耦合点，在该点能够实现能量的最大传输效率。临界耦合点是欠耦合状态和过耦合状态的过渡点。欠耦合状态下，仍然能够进行无线电能传输，但是可实现的能量传输效率是有限的。随着耦合系数k₂₃的减小，传输到负载端的能量急剧减小。过耦合状态下，发生频率分裂现象，此时系统的谐振点不再只有一个，每个谐振点都能取到能量传输的效率的极大值。

下面来分析一下频率分裂现象的原因：

发射线圈和接收线圈距离很近时会导致发射线圈内阻对效率产生很大的影响。在近距离时，原谐振频率点的输入阻抗具有很大的阻抗角和比较小的幅值。大的阻抗角导致非常低的传输能量，小的幅值导致大的源电流，进而增加内阻的减小。这两个因素都会使效率降低。在低于和高于原谐振频率时，输入阻抗具有非常小的阻抗角和比较高的幅值。由于这两个相反的特性，效率在两个谐振频率点出现极大值即频率分裂现象。由此说明频率分裂的本质是阻抗不匹配。因此为了减小内阻对频率分裂的影响，通过增加一个阻抗匹配网络来抑制频率分裂现象。

由于频率分裂现象的本质是阻抗不匹配，为了最大化传输能量，通过添加阻抗匹配网络来抑制频率分裂现象。阻抗匹配网络主要有三种：L型、π型、T型。L型匹配电路由于适用于传输距离小、等效阻抗大的情况并且结构更简单、更易实现，故本发明选择L型匹配电路。如图4所示，在源线圈添加L型阻抗匹配电路来抑制频率分裂现象，同时，本发明采用概念性阻抗匹配方法，将中继线圈和接收线圈组成另一个阻抗匹配电路以达到增大WPT系统传输效率的作用。

本发明首先对添加了阻抗匹配的系统进行理论分析。根据最大功率传输原则，谐振状态下，发送端的阻抗匹配网络的输入阻抗Z_in的实部等于源线圈内阻R_S而虚部等于0.设WPT除发送端阻抗匹配电路之外的等效阻抗为Z₀，如图5所示,得到等效阻抗Z₀：

此时令Z_in的实部等于R_S虚部等于0，得到发射端的匹配电容、匹配电感C_P、L_S的公式为：

其中ω₀为谐振角频率，Q₁为发射端的品质因数，

其公式为：

当R_S<Z₀时等式10成立。由公式10看出，距离的变化导致耦合系数的变化，然后导致等效阻抗Z₀的改变，进而品质因数也随之改变，匹配电容和匹配电感也随之改变。

相似地，谐振状态时，输出匹配网络使接收端的输出阻抗Z_out与最优负载阻抗R_L(opt)共轭匹配。如下为最优负载阻抗的表示式：

以上本发明分析了添加阻抗匹配网络之后WPT系统匹配电容、匹配电感以及输入阻抗输出阻抗的关系式。而对于整个WPT系统来说，在添加阻抗匹配网络以后，既要满足输入阻抗与内阻共轭匹配，又要满足输出阻抗与负载共轭匹配，才可在抑制频率分裂现象的同时提高 WPT系统的效率。对于源线圈添加的阻抗匹配网络，主要任务是找到匹配电容和匹配电感的值；对于接收端的匹配网络，主要任务是找到耦合系数的值。而它们均受距离因素影响，因此距离是影响本文所提阻抗匹配系统的关键因素。

本发明的电源WPT采用逆变电源，见图7，可以将直流电压转换为固定频率的交流电，其中固定频率为磁耦合谐振式WPT系统的谐振频率f₀＝10MHz；输入电压V_S设为10V来限制输入电流；发射装置包括发射线圈和中继线圈，接受装置包括接收线圈，线圈的匝数均为10 匝，发射线圈半径为8cm，中继线圈、接收线圈半径为4cm；L型匹配网络由空心电感器和非极化电容器构成，线圈的详细参数见图2。

本发明使用图7所示装置以及上述阻抗匹配方法来抑制频率分裂现象。如图6所示为不同距离下匹配电容C_P和匹配电感L_S的值，，由图6可以看出距离不同时匹配电容和匹配电感的值是不一样的，这是由距离不同导致的，距离不同导致等效阻抗不同，进而品质因数不同，最终导致匹配电容和匹配电感值不同。由于发射端的L型阻抗匹配网络旨在抑制频率分裂现象，在此同时接收端的阻抗匹配网络用来提高WPT系统效率，如图8所示为本发明中不同距离下该WPT系统的效率值。效率1为加入阻抗匹配网络之前的效率，效率2为加入阻抗匹配网络之后的效率。由图8可以看出，加入阻抗匹配网络之后，与未加入阻抗匹配时的WPT系统相比，在过耦合区域系统的效率明显增加，这是由于频率分裂现象受到抑制；同时可以看出在过耦合区域，系统的效率在不同距离下相差不大，这是添加阻抗匹配网络使不同距离下满足临界耦合条件的原因；在欠耦合区域，系统的效率也相对增大，这主要是接收端概念性阻抗匹配网络的作用。

综上所述，加入阻抗匹配网络之后，在过耦合区域系统的频率分裂现象被抑制并且系统的效率总体上得到了增加(包括欠耦合区域)。因此本发明所提阻抗匹配方法可以起到抑制频率分裂现象、在一定程度上增大系统效率的作用。

本发明研究了三线圈磁耦合谐振无线电能传输系统的频率分裂现象，并设计了一种阻抗匹配方法来抑制频率分裂现象，有利于三线圈WPT系统在实际中的应用。

以上所述为本发明的基本原理和实施过程，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 (8)

1.一种具有频率分裂现象的磁谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述的磁谐振无线电能传输系统包括磁谐振无线电能传输模块、磁谐振无线电能传输系统的频率分裂现象模块和阻抗匹配模块；

所述磁谐振无线电能传输模块包括一个发射装置和一个接收装置；

所述阻抗匹配模块包括L型阻抗匹配电路。

2.根据权利要求1所述一种磁谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述的发射装置包括高频信号发生器、发射线圈和中继线圈。

3.根据权利要求1所述一种磁谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述的接收装置包括接收线圈。

4.根据权利要求1所述一种具有频率分裂现象的磁谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述的频率分裂现象是指：

(1)磁谐振无线电能传输系统的工作区域可以分为欠耦合、临界耦合和过耦合，频率分裂现象仅出现在过耦合区域；

(2)在磁谐振无线电能传输系统自身参数不变的情况下，谐振线圈(即发射线圈和接收线圈)之间的耦合系数与它们之间的距离成反比；

(3)随着距离的减小，谐振线圈之间的耦合程度逐渐增大，频率分裂现象也变得越来越明显；而随着距离的增大，谐振线圈之间的耦合程度逐渐减小，频率分裂的两个分支也慢慢汇合直到汇聚到一点，该点为临界耦合点，在临界耦合点能够实现能量的最大传输效率，临界耦合点是欠耦合状态和过耦合状态的过渡点；

(4)欠耦合状态下，仍然能够进行无线电能传输，但是可实现的能量传输效率是有限的，随着耦合系数的减小，传输到负载端的能量急剧减小；

(5)过耦合状态下，发生频率分裂现象，此时系统的谐振点不再只有一个，每个谐振点都能取到能量传输的效率的极大值。

5.根据权利要求1所述一种磁谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述的阻抗匹配模块连接在磁谐振无线电能传输模块的发射端。

6.根据权利要求1所述一种磁谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述的L型阻抗匹配电路包括空心电感器和非极化电容器。

7.根据权利要求1所述一种磁谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述的频率分裂现象的本质是阻抗不匹配。

8.根据权利要求1所述一种磁谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述的阻抗匹配方法是通过在发射端添加L型阻抗匹配电路并且在接收端组成概念性阻抗匹配网络，来实现抑制频率分裂现象、增大系统效率的目的。