CN108682544B - 无线充电系统发射线圈优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线充电系统发射线圈优化设计方法，包括以下步骤：(1)按照应用需求设置接收线圈的基本参数；(2)基本参数确定后计算接收线圈长度，并使发射线圈与接收线圈长度相等，通过计算确定发射线圈最佳的线圈匝间距。通过以上步骤可以在收发线圈原结构相等的前提条件下，通过优化线圈的绕制方式，提高系统的整体传输效率。

Description

无线充电系统发射线圈优化设计方法

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及磁耦合无线电能传输系统线圈的设计。

背景技术

无线电能传输技术的应用前景十分广阔，不仅可以用于居家设备、电动汽车充电，还可以在航空航天、油田钻井、医疗器械等环境比较特殊的领域发挥极大的应用价值，具有深远的研究意义。无线电能传输大致上可以分为三类：电磁感应式无线电能传输、微波式无线电能传输、磁耦合谐振式无线电能传输。多年来国内外的科学家在无线电能传输技术方面执着地开展了很多探索研究工作，但进展缓慢。近几年，磁耦合谐振式无线能量传输技术作为一种新兴的无线电能传输技术迅速发展起来，并在无线能量传输领域引起巨大的反响，该技术是目前最有应用前景的一种无线电能传输方式。

通常来说，无线电能传输系统中接收线圈与发射线圈结构相同，导线长度相等，但是随着传输距离的增加，系统的传输效率下降较快，即相同的收发线圈结构并不是最优的线圈结构。如果在接收线圈长度不变的情况下，通过改变其绕制方式，可以减缓效率的降低速度，提高系统的传输效率，并且该方法无需增加耗材，适合实际应用需要。

发明内容

本发明提供无线充电系统发射线圈优化设计方法，在导线长度不变的情况下，改变其绕制方式，提高系统的传输效率，解决目前无线电能传输系统中普遍存在的传输效率低的问题。

为实现上述目的，平面线圈设计的具体步骤如下：

(1)设定基本参数：根据应用场合和应用对象确定传输距离D，发射线圈与接收线圈平均半径r₁＝r₂＝D/4，初定两平面螺旋线圈的初始半径r_{out_1}＝r_{out_2}＝10cm，接收线圈的匝间距s₂＝-15mm，匝数N₂＝6，采用线径w为1mm的导线绕制，线圈导线总长度l_i可由下式计算得出：

式中[N_i]表示不超过N_i的最大整数，下标i为1和2时分别表示发射线圈与接收线圈的参数，将接收线圈参数代入上式计算可得l₂，在无线电能传输系统中，线圈谐振频率一般选取在MHz数量级，即系统工作在高频段，此时必须考虑反射的问题，所以电阻R_S需要跟传输线的特征阻抗相匹配，而常用的特征阻抗为50Ω，所以R_S取50Ω，负载R_L由充电对象决定；

(2)确定与基本参数匹配的最佳匝间距s₁’：为提高系统的传输效率，则需使互感变化尽可能的平缓，两线圈之间的互感可由下式计算得出：

式中μ₀＝4π×10^-7H/m为真空磁导率，d为两线圈间的距离，令互感M关于s₁的偏微分为零可得：

可得互感变化最平缓时发射线圈匝数N₁与匝间距s₁之间的关系，为使发射线圈与接收线圈导线长度相等，则需满足：

l₁＝l₂ (4)

联立(1)(3)(4)式，分别求出s₁和N₁，可在保证两线圈导线长度相同的条件下，使线圈互感更为平缓，从而提高整体传输效率。此时的s₁即为等长度发射线圈的最佳匝间距s₁’。

有益效果：相对普通平面无线电能传输系统，在绕制导线长度不变的情况下，改变发射线圈的绕制方式，可以使整个传输范围内的传输效率η得到提高。

附图说明

图1是无线电能传输系统结构示意图；

图2是平面线圈结构示意图；

图3是系统的等效电路简图；

图4是发射线圈优化前后的互感曲线对比图；

图5是发射线圈优化前后的传输效率对比图。

具体实施方式

无线充电系统发射线圈优化设计方法，包括发射装置和接收装置。

如图1所示为系统的结构图，发射装置包括信号发生器、功率放大器、可调电容C₁和发射线圈，发射线圈与可调电容C₁实现串联谐振；接收装置包括接收线圈、可调电容C₂和负载，接收线圈与可调电容C₂也实现串联谐振。发射装置中信号发生器产生频率固定的高频信号，经功率放大器输出，驱动发射线圈，通过谐振将信号传递给接收线圈，进而传递给负载。

系统的具体连接方式如下：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；所述功率放大器的正向输出端子与发射线圈的一端连接；所述发射线圈的另一端与可调电容C₁的一端连接；所述可调电容C₁的另一端与功率放大器的负向输出端子连接。所述接收线圈与发射线圈同轴放置，接收线圈的一端与负载的正向输入端子连接，另一端与可调电容C₂连接；所述可调电容C₂的另一端与负载的负向端子连接。

如图2所示为平面线圈结构示意图，图中r_{out_1},r_{out_2}分别为发射线圈与接收线圈的初始半径，s为线圈的匝间距，w为线圈所用导线线径，只要以上参数确定，则线圈结构得以确定。d为两线圈之间的传输距离。

如图3所示是系统的等效电路简图，图中V_S为信号源，R₁,R₂分别为发射线圈与接收线圈的等效电阻，由于其阻值远小于信号源内阻R_S与负载电阻R_L，在计算时可忽略不计。

如图4所示为发射线圈优化前后，即s₂值优化前后的互感对比图，由图可看出，在近距离处，发射线圈优化后的互感曲线有明显的减弱趋势，可以减弱普通平面线圈近距离处的过耦合，同时在远距离处，优化后的互感明显高于优化前的互感，可以增强远距离处的弱耦合。

如图5所示为发射线圈优化前后系统的传输效率对比图，由图可看出，优化后的线圈系统可明显提高系统在整个传输距离范围内的传输效率。

Claims (1)

1.无线充电系统发射线圈优化设计方法，其特征在于：无线电能传输系统包括发射装置和接收装置，发射装置包括信号发生器、功率放大器、可调电容C₁和发射线圈，发射线圈与可调电容C₁实现串联谐振；接收装置包括接收线圈、可调电容C₂和负载，接收线圈与可调电容C₂也实现串联谐振，发射装置中信号发生器产生频率固定的高频信号，经功率放大器输出，驱动发射线圈，通过谐振将信号传递给接收线圈，进而传递给负载，具体设计步骤如下：

(1)按照具体应用场合和应用对象确定传输距离d，发射线圈与接收线圈的平均半径r₁＝r₂＝d/4，初定两平面螺旋线圈的初始半径r_{out_1}＝r_{out_2}＝10cm，接收线圈的匝间距s₂＝-15mm，匝数N₂＝6，采用线径w为1mm的导线绕制，线圈导线总长度l_i可由下式计算得出：

式中[N_i]表示不超过N_i的最大整数，下标i为1和2时分别表示发射线圈与接收线圈的参数，通过上式可计算得到接收线圈长度l₂，源内阻R_S取50Ω，负载R_L由充电对象决定；

(2)确定与基本参数匹配的最佳匝间距s₁’：为提高系统的传输效率，则需使互感变化尽可能的平缓，两线圈之间的互感可由下式计算得出：

式中μ₀＝4π×10^-7H/m为真空磁导率，d为两线圈间的距离即传输距离，令互感M关于s₁的偏微分为零可得：

可得互感变化最平缓时发射线圈匝数N₁与匝间距s₁之间的关系，为使发射线圈与接收线圈导线长度相等，则需满足：

l₁＝l₂ (4)

联立(1)(3)(4)式解得s₁和N₁，可使互感平缓的同时保证两线圈导线长度相同，此时的s₁即为等长度发射线圈的最佳匝间距s₁’。

Images