CN108173354B - 无线电能传输系统及其传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线电能传输系统及其传输方法，其主要由信号源、激励线圈、一对谐振频率相同的谐振线圈、接收线圈以及负载组成，利用在有机玻璃板侧面上多重绕匝利兹线并加载电容形成的一对谐振线圈实现调控线圈谐振频率，并通过利用非厄米系统中单模点的物理特性，使工作频率位于谐振线圈的谐振频率处，以控制接收线圈与其邻近谐振线圈的距离来调整耦合出系统能量的传输速率，从而在改变一对谐振线圈耦合距离的情况下保证系统处于单模点，克服了现有技术缺陷，达到在变化耦合距离的情况下，利用单模点固定频率和最低损耗的物理性质实现高效的无线电能传输以及在千赫兹频段进行单频率高效无线电能传输的目的。

Description

无线电能传输系统及其传输方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体来说涉及利用非辐射的磁耦合线圈进行无线电能传输的系统及其传输方法。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)是通过发射器将电能转化为其它形式的中继能量，如电磁场能、激光、微波及机械波等，隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能，实现电能无线传输。根据能量传输过程中，中继能量形式的不同，可分为磁(场)耦合式、电(场)耦合式、电磁辐射式和机械波耦合(超声波耦合)式。因传输功率大、效率高，磁耦合式无线电能传输应用较其它方式更为广泛。

近年来，研究人员利用磁场耦合的近场实现了非辐射无线电能传输系统，该工作的重大突破越发激起了无线电能传输相关应用的研究。由于无线电能传输机制的限制，所述非辐射无线电能传输系统通常在一个固定工作频率下仅对应一个确定的传输距离可实现最大传输效率。因此，实现不同传输距离下的高效率电能传输在应用上就显得十分重要。在这方面，传统的方法是通过设计外加电路来追踪最佳传输效率的频率点。这种方法需要同时对激励端和接收端进行调控和反馈，并且繁杂的原件和系统在大功率运作时经常会出现烧毁故障。

值得注意的是，美国斯坦福大学的Fan S.H.教授提出了利用非线性电路自动宇称-时间对称系统中的本征模式，实现了一个随距离变化高效电能传输效率具有鲁棒性的系统。然而，该方案虽可实现在一段距离上电能的高效传输，但是仍然存在无法避免因电路元件多样性导致系统大功率下的不稳定性。此外，在系统中实现两个纯实的本征模式还额外需要提供一个有效的增益，但能量传输的时候却只需要用到其一；从而存在能量上需要有额外的消耗，亦没有物尽其用，浪费了系统中另外一个本征模式。

综上，利用非辐射的磁耦合线圈进行无线电能传输是目前在这个领域的趋势，同时近场耦合的模式劈裂导致传输效率下降也是该领域的一大难题。目前，仍然没有一个有效的方案能兼顾在传输距离变化的前提下保证系统工作频率和效率的稳定。

发明内容

鉴于上述情况，本发明提供一种无线电能传输系统及其传输方法，其主要由信号源、激励线圈、一对谐振频率相同的谐振线圈、接收线圈以及负载组成，利用在有机玻璃板侧面上多重绕匝利兹线并加载电容形成的一对谐振线圈实现调控线圈谐振频率，并通过利用非厄米系统中单模点的物理特性，使工作频率位于谐振线圈的谐振频率处，以控制接收线圈与其邻近谐振线圈的距离来调整耦合出系统能量的传输速率，从而在改变一对谐振线圈耦合距离的情况下保证系统处于单模点，克服了现有技术缺陷，达到在变化耦合距离的情况下，利用单模点固定频率和最低损耗的物理性质实现高效的无线电能传输以及在千赫兹频段进行单频率高效无线电能传输的目的。

为实现上述目的，本发明提供一种无线电能传输系统，所述系统包括双谐振线圈装置，所述双谐振线圈装置包括谐振频率相同的第一谐振线圈及第二谐振线圈，所述双谐振线圈装置通过调整所述第一谐振线圈与所述第二谐振线圈之间的耦合间距，相应调整所述第一谐振线圈及第二谐振线圈的电磁参数并形成单模点固定频率的无线电能传输系统。

本发明的无线电能传输系统实施例中，所述双谐振线圈装置还包括激励线圈及接收线圈，所述第一谐振线圈及所述第二谐振线圈设于所述激励线圈与所述接收线圈之间；所述第一谐振线圈与所述激励线圈相邻设置，所述第二谐振线圈与所述接收线圈相邻设置；定义所述激励线圈与所述第一谐振线圈之间的距离为第一间距，所述接收线圈与所述第二谐振线圈之间的距离为第二间距，所述第一谐振线圈与所述第二谐振线圈之间的距离为耦合间距；令所述无线电能传输系统通过控制所述第一间距及所述第二间距以调整耦合出系统的能量传输速率，且所述无线电能传输系统通过改变所述耦合间距并相应调整谐振线圈的电磁参数以处于单模点状态。

本发明的无线电能传输系统实施例中，所述系统还包括与所述双谐振线圈装置电性连接的信号源及负载；所述信号源与所述激励线圈电性连接；所述负载与所述接收线圈电性连接。

本发明的无线电能传输系统实施例中，所述第一谐振线圈及所述第二谐振线圈通过多重绕匝并加载集总参数元件调控谐振频率。

本发明的无线电能传输系统实施例中，所述双谐振线圈的工作频率为1kHz至100MHz。

本发明的无线电能传输系统实施例中，所述第一谐振线圈及所述第二谐振线圈的线圈尺寸小于工作波长的1/1000。

本发明另提供一种无线电能传输方法，所述方法的步骤包括：

提供具有相同谐振频率的第一谐振线圈及第二谐振线圈，以形成双谐振线圈；

隔开所述第一谐振线圈与所述第二谐振线圈形成耦合间距；

调整所述耦合间距并相应调整所述双谐振线圈的电磁参数，使所述双谐振线圈处于单模点固定频率状态进行无线电能传输。

本发明的无线电能传输方法实施例中，所述方法的步骤还包括：

将所述第一谐振线圈与所述第二谐振线圈设置在一激励线圈与一接收线圈之间，并使所述激励线圈与所述第一谐振线圈之间隔开形成第一间距，所述接收线圈与所述第二谐振线圈之间隔开形成第二间距；

调整所述第一间距及所述第二间距以耦合获得无线电能传输速率，所述无线电传输速率于所述固定频率处锁定形成单模点，以进行固定频率距离可调的单模点无线电能传输。

本发明的无线电能传输方法实施例中，所述第一谐振线圈及所述第二谐振线圈通过多重绕匝并加载集总参数元件调控谐振频率，所述谐振频率为1kHz至100MHz，无线电能传输的工作频率位于所述谐振频率处。

本发明的无线电能传输方法实施例中，所述第一谐振线圈及所述第二谐振线圈的线圈尺寸小于工作波长的1/1000。

本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：

(1)本发明通过利用单模点的物理性质，使所述无线电能传输系统的工作频率位于谐振线圈的谐振频率处，可免去传统方案中频率追踪电路及宽频信号源。

(2)本发明双谐振线圈装置中的激励线圈、接受线圈及两个谐振线圈整体能够支持一百瓦以上的功率传输，且由于没有繁杂的电路元件，大功率运作时系统稳定性强于传统方案。

(3)本发明的无线电能传输系统通过变化谐振线圈间耦合距离时，可通过调整接受线圈与谐振线圈的距离以实现单模点追踪，具有操作简单、电能传输高效、稳定等效果。

本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明和权利要求得以充分体现，并可通过所附权利要求中特地指出的手段、装置和它们的组合得以实现。

附图说明

图1是本发明双谐振线圈装置的有机玻璃板平面结构示意图。

图2是本发明图1的有机玻璃板侧视结构示意图。

图3是本发明双谐振线圈装置的有机玻璃板侧面上设有金属导线的平面结构示意图。

图4是本发明图1的有机玻璃板上设有金属导线的侧视结构示意图。

图5是本发明无线电能传输系统的架构示意图。

图6是本发明无线电能传输系统在强耦合区域(ex.耦合间距d＝10cm)时，将第二间距d2由10cm调整至0.5cm，通过减小第二间距d2以调整系统至单模点的前后效率对比图。

图7是本发明无线电能传输系统在弱耦合区域(ex.耦合间距d＝60cm)时，将第二间距d2由5cm调整至15cm，通过增加第二间距d2以调整系统至单模点的前后效率对比图。

图8是本发明无线电能传输系统在谐振线圈的本征频率处的传输效率(纵轴座标)与谐振线圈的耦合间距d(横轴座标)变化的多组实验测试结果曲线图。

附图标记与部件的对应关系如下：

信号源10；激励线圈20；发射端玻璃框架21；第一谐振线圈30；绝缘介质板31；金属导线32；第二谐振线圈40；接收线圈50；接收端玻璃框架51；负载60；第一间距d1；第二间距d2；耦合间距d；外半径长度L1；内半径长度L2；厚度L3；长度L4。

具体实施方式

在这里将公开本发明的详细的具体实施方案。然而应当理解，所公开的实施方案仅仅是本发明的典型例子，并且本发明可以通过多种备选形式来实施。因此，这里所公开的具体结构和功能细节不是限制性的，仅是以权利要求为原则，作为向本领域技术人员说明不同实施方式的代表性原则。

为利于对本发明的了解，以下结合附图1至图8及实施例进行说明。

请参阅图1至图4以及图5所示，本发明提供了一种双谐振线圈装置以及包括所述双谐振线圈装置的无线电传输系统。如图5所示，所述双谐振线圈装置包括激励线圈20、第一谐振线圈30、第二谐振线圈40以及接收线圈50；所述无线电能传输系统还包括与所述激励线圈20电性连接的信号源10，以及与所述接收线圈50电性连接的负载60。

如图5所示，所述激励线圈20通过绕制于呈圆筒形的发射端玻璃框架21外侧周面上形成；具体地，所述激励线圈20的绕匝圈数为单匝，所述发射端玻璃框架21的直径为600mm、长度为50mm。所述接收线圈50通过绕制于呈圆筒形的接收端玻璃框架51外侧周面上形成；具体地，所述接收线圈50的绕匝圈数为10匝，所述接收端玻璃框架51的直径为600mm、长度为100mm。

如图1至图4所示，双谐振线圈的第一谐振线圈30及第二谐振线圈40具有相同的结构体；所述第一谐振线圈30、第二谐振线圈40成形为深亚波长尺度，具有小于工作波长的1/1000的单元尺寸，从而实现具有深亚波长特征之特性。具体地，例如在电动汽车无线充电85KHz工作频率下，谐振线圈直径不超过65cm，厚度不超过10cm。

以第一谐振线圈30为例说明，所述第一谐振线圈30包括绝缘介质板31、金属导线32以及集总参数元件(图未示)，其中，所述第一谐振线圈30为多重绕匝结构，并可通过加载所述集总参数元件实现第一谐振线圈30与第二谐振线圈40之间的频率调谐，以及通过加载等效磁导率的金属导线32实现所述双谐振线圈的谐振。

如图1、图2所示，显示了本发明双谐振线圈装置的绝缘介质板31的平面结构与侧视结构示意图。如图，所述绝缘介质板31成形为中空圆筒形结构，所述绝缘介质板31为有机玻璃板，所述有机玻璃板具体可选择聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，但不限于此。

如图3、图4所示，显示了本发明双谐振线圈装置的绝缘介质板31外部绕匝有金属导线32的平面结构与侧视结构示意图。于本发明实施例中，所述双谐振线圈装置的金属导线32多重紧密绕制于所述绝缘介质板31上，用以支持220V以上高电压及5A以上的大电流。所述金属导线32可选自实心铜导线、利兹线或紫铜管。具体地，本发明双谐振线圈装置的金属导线32较佳采用利兹线，所述利兹线的规格可为0.1×200股(每股截面直径0.1mm)，所述利兹线可采用涤纶丝包线，且较佳选择以聚氨酯漆包线为芯的涤纶丝包线，所述利兹线的外径约为0.95mm，铜芯截面积约为0.393mm²。

于本发明实施例中，本发明双谐振线圈装置选自可耐220V以上高电压的集总参数元件，所述集总参数元件经由与金属导线32的首尾端焊接以装配于所述绝缘介质板31上(图未示)。所述集总参数元件具体可以是金属化聚酯膜电容，其规格可为5.6nF/1000V。

于本发明实施例中，本发明双谐振线圈装置的频率调谐范围可以是但不限于1kHz至100MHz的范围内。

如图5所示，本发明无线电能传输系统包括所述双谐振线圈装置、所述信号源10及所述负载60；定义所述激励线圈20与所述第一谐振线圈30之间的距离为第一间距d1，所述接收线圈50与所述第二谐振线圈40之间的距离为第二间距d2，所述第一谐振线圈30与所述第二谐振线圈40之间的距离为耦合间距d。于本发明实施例中，所述信号源10用以接受并使位于本征频率的信号进入所述激励线圈20；所述无线电能传输系统通过控制所述第一间距d1及所述第二间距d2以调整耦合出系统的能量传输速率，且所述无线电能传输系统通过改变所述耦合间距d以处于单模点状态。

以下请复配合参阅图1至图8说明本发明无线电能传输系统及其传输方法具体应用实施例。

实施例1：一种包括双谐振线圈装置的无线电能传输系统。

一种可用于85KHz工作频率下大功率电动汽车无线电能传输的无线电能传输系统。所述系统由信号源10、激励线圈20、一对谐振频率为85kHz的线圈(第一谐振线圈30、第二谐振线圈40)、接收线圈50以及负载60组成，其中谐振线圈由有机玻璃板(绝缘介质板)、密绕22匝的利兹线(金属导线)和焊接的电容(集总参数元件)组成。

其中，所述谐振线圈的主要制备步骤包括：

采用利兹线在有机玻璃板侧面进行多重密绕，绕制22匝，再在利兹线的首尾端焊接电容。

其中，实施例1的有机玻璃板结构如图1、图2所示，其材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。该有机玻璃板的几何参数如下：外半径长度(L1)为300mm，内半径长度(L2)为295mm，厚度(L3)为5mm，长度(L4)为250mm。

其中，实施例1的利兹线是以聚氨酯漆包线为芯线的涤纶丝包线，所述利兹线的规格为0.1×200股。于实施例1中，所述利兹线的几何参数如下：截面直径约为0.95mm，铜芯截面积约为0.393mm²；且本发明实施例1中所使用的利兹线总长度约为42m。

其中，所述电容为5.6nF、可耐220V以上高电压的金属化聚酯膜直插电容。

实施例2：实施例1的无线电能传输系统的操作方法。

一种可用于85kHz工作频率下大功率高效无线电能传输系统如图5所示，令一个位于本征频率的信号经信号源进入激励线圈后，激发第一个谐振线圈，随后通过近场磁耦合将电能传递至第二个谐振线圈，最后通过接收线圈耦合出电能为负载所吸收，其中d1、d、d2分别表示激励线圈与第一个谐振线圈间距、谐振线圈之间间距、第二个谐振线圈与接收线圈间距。

如图6、图7，显示实施例1系统在耦合间距d落于强耦合区域或弱耦合区域以调整系统至单模点的前后效率对比图。其中实验频率即线圈谐振频率ω₀为kHz，并设置距离参数第一间距d1为0cm。

如图6所示，当系统处于强耦合区域时(例如耦合间距d＝10cm)，调整前(第二间距d2＝10cm)由于谐振线圈耦合出能量速率过小，近场作用导致模式劈裂在本征频率出传输效率极低；是以，于本发明的无线电能传输系统中，通过调整合适的第二间距d2＝0.5cm，即可使无线电能传输系统的两个本征模式实部合并(工作频率即为谐振频率)，进而能够利用没有虚部(效率最大)的单模点进行电能传输。

如图7所示，当系统处于弱耦合区域时(例如耦合间距d＝60cm)，调整前(第二间距d2＝5cm)由于谐振线圈耦合出能量速率过大，导致本征模式虚部过大造成电能损失，传输效率欠佳；是以，于本发明的无线电能传输系统中，通过调整合适的第二间距d2＝15cm，即可使无线电能传输系统重新回复至单模点进行电能传输，谐振频率处传输效率同强耦合情况下基本相同。

由两组示例表明，无论系统处于何种工作状态，只需要合适的调整能量耦合出系统的速率便可达到单模点条件，可以实现单频率的高效电能传输。

如图8，显示本发明无线电能传输系统在谐振线圈的本征频率处的传输效率与谐振线圈距离变化的多组实验测试结果曲线。其中，耦合间距d每隔5cm取一组测试结果，虚线部分为理论计算结果；由图8可观察到谐振线圈间距在75cm以内均可实现高效的电能传输，而后由于材料的损耗原因才导致电能传输效率下降。

于本发明实施例2中，图6、图7、图8的测试结果具体通过将激励线圈连接在Keysight E5071C网络分析仪的Port 1端口，并将接受线圈连接至所述分析仪的Port 2端口，经记录反射参数S11、透射参数S21后计算得到系统电能传输效率。

以上结合附图及实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种无线电能传输系统，其特征在于，包括双谐振线圈装置，所述双谐振线圈装置包括谐振频率相同的第一谐振线圈及第二谐振线圈以及激励线圈和接收线圈，所述第一谐振线圈及所述第二谐振线圈设于所述激励线圈与所述接收线圈之间；所述第一谐振线圈与所述激励线圈相邻设置，所述第二谐振线圈与所述接收线圈相邻设置；

定义所述激励线圈与所述第一谐振线圈之间的距离为第一间距，所述接收线圈与所述第二谐振线圈之间的距离为第二间距，所述第一谐振线圈与所述第二谐振线圈之间的距离为耦合间距；

所述双谐振线圈装置通过调整所述第一谐振线圈与所述第二谐振线圈之间的耦合间距，相应调整所述第一谐振线圈及第二谐振线圈的电磁参数并形成单模点固定频率的无线电能传输系统，且令所述无线电能传输系统通过控制所述第一间距及所述第二间距以调整耦合出系统的能量传输速率，且所述无线电能传输系统通过改变所述耦合间距并相应调整谐振线圈的电磁参数以处于单模点状态。

2.根据权利要求1所述的无线电能传输系统，其特征在于：

所述系统还包括与所述双谐振线圈装置电性连接的信号源及负载；所述信号源与所述激励线圈电性连接；所述负载与所述接收线圈电性连接。

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：

所述第一谐振线圈及所述第二谐振线圈通过多重绕匝并加载集总参数元件调控谐振频率。

4.根据权利要求3所述的无线电能传输系统，其特征在于：

所述双谐振线圈的工作频率为1kHz至100MHz。

5.根据权利要求3所述的无线电能传输系统，其特征在于：

所述第一谐振线圈及所述第二谐振线圈的线圈尺寸小于工作波长的1/1000。

6.一种无线电能传输方法，其特征在于，所述方法的步骤包括：

提供具有相同谐振频率的第一谐振线圈及第二谐振线圈，以形成双谐振线圈；

将所述第一谐振线圈与所述第二谐振线圈设置在一激励线圈与一接收线圈之间，并使所述激励线圈与所述第一谐振线圈之间隔开形成第一间距，所述接收线圈与所述第二谐振线圈之间隔开形成第二间距；

隔开所述第一谐振线圈与所述第二谐振线圈形成耦合间距；

调整所述耦合间距并调整所述第一间距及所述第二间距以耦合获得无线电能传输速率，所述无线电传输速率于固定频率处锁定形成单模点，以进行固定频率距离可调的单模点无线电能传输。

7.根据权利要求6所述的无线电能传输方法，其特征在于：

所述第一谐振线圈及所述第二谐振线圈通过多重绕匝并加载集总参数元件调控谐振频率，所述谐振频率为1kHz至100MHz，无线电能传输的工作频率位于所述谐振频率处。

8.根据权利要求7所述的无线电能传输方法，其特征在于：

所述第一谐振线圈及所述第二谐振线圈的线圈尺寸小于工作波长的1/1000。

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