CN108683266B - 一种无线电能传输方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线电能传输方法和系统，其中系统包括高频激励电源、发射线圈、防频率分裂调谐线圈、至少两个共振线圈以及谐振电容，其中高频激励电源与发射线圈以及谐振电容处于并联结构；防频率分裂调谐线圈与发射线圈处于同平面同时防频率分裂调谐线圈的直径大于发射线圈的直径且发射线圈和防频率分裂线圈的感值、与发射线圈并联的电容容值以及与防频率分裂线圈串联的电容容值要满足特定公式。本发明既使用并联谐振也使用串联谐振，提供能量的高频激励电源与发射线圈和谐振电容处于并联结构，在无接收线圈接收的静态工作下发射阻抗达到最大，静态消耗低，发射端的发射能量会随着接收线圈的能量需求的变化而变化，减少不必要的能量消耗。

Description

一种无线电能传输方法和系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种无线电能传输方法和系统。

背景技术

在信息化社会高速发展的今天，电子设备已经是随处可见。由于传统的电能传输需要导线构成回路，有些情况考虑实际情况无法连接导线，致使很多电子设备也出现了无线充电和无线供电的技术需求。很多手机厂商也开始支持近距离的无线充电的技术，各种各样的无线供电设备也开始慢慢出现。

目前有的无线充电设备都为近距离耦合，仅仅省去插接充电线路的麻烦。而且当没有充电设备接入时，无线电能发射装置发射的电能都被浪费。因此现有技术的无线充电设备的发射端发射能量不能随着接收线圈的能量需求的变化而随之变化来减少能量消耗，为解决这个问题，市场上的产品使用的方法是：发射端间歇性的发一串脉冲信号检测是否有接收装置接入，未接入时采用待机的方法减少电能消耗；或使用红外对管检测是否有设备接入。但发射脉冲的时候仍会消耗很多电能，红外对管检测也会受外界光强度变化的干扰，错误判断，造成浪费。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术的无线充电设备的发射端不能通过发射能量随着接收线圈的能量需求的变化而变化来减少能量消耗，提供一种无线电能传输方法和系统。

为解决上述技术问题，本发明一种无线电能传输方法，其特征在于包括：

(1)绕制同心圆结构的发射线圈和防频率分裂调谐线圈以及共振线圈和接收线圈，其中共振线圈至少两个且，并且防频率分裂调谐线圈的直径大于发射线圈的直径，并将所有线圈固定；

(2)将用于产生并联谐振的高频激励电源、发射线圈和谐振电容并联连接，将用于产生串联谐振的防频率分裂调谐线圈、所有共振线圈以及接收线圈与电容串联连接；

(3)调节发射线圈端的发射线圈和防频率分裂调谐线圈的感值、与发射线圈并联的电容容值以及与防频率分裂调谐线圈串联的电容容值至没有接收端时发射线圈端处于并联谐振状态；

(4)将用于近场耦合的发射线圈和防频率分裂调谐线圈置于同平面；按照预定条件调节发射线圈与第一个共振线圈的间距D1以及第二个共振线圈与接收线圈的间距D2至两个共振线圈在无线电能传输的时候处于共振磁耦合状态；

(5)接通高频激励电源和发射线圈，微调并联的谐振电容至高频激励电源的输出电流最小时调谐完成；

(6)测试接收线圈是否接收到能量，

若未接收到能量，测量高频激励电源的输出是否正常，测量共振线圈谐振频率是否和发射频率相同；

若接收到能量，改变负载的大小，测量高频激励电源的输出电流是否通过接收负载的电流变化而同向变化，如果相同，则无线电能传输系统工作正常。

进一步地，步骤(3)中所述发射线圈端处于并联谐振状态需满足以下公式：

式1中f₀为高频驱动电源的交变频率，R为发射线圈的等效内阻，C1为与发射线圈并联的电容容值，L_m为防频率分裂调谐线圈与发射线圈近场耦合后的等效电感值。

更进一步地，所述防频率分裂调谐线圈与发射线圈近场耦合后的等效电感值L_m满足以下关系式：

式2中ω为高频驱动电源的角频率，M为两线圈之间的互感系数，L1为发射线圈的电感值，L2为防频率分裂调谐线圈的电感值，C2为与防频率分裂调谐线圈串联的电容容值。

另外为了解决提高传输效率和传输距离的技术问题，本文发明方法中包括按照预定条件调节发射线圈与第一个共振线圈的间距D1以及第二个共振线圈与接收线圈的间距D2至两个共振线圈在无线电能传输时处于共振磁耦合状态；所述预定条件为D1的长度与防频率分裂调谐线圈的直径相同，D2的长度为共振线圈的直径长度。防频率分裂调谐线圈与发射线圈处于同平面，两个线圈是近场耦合状态，其余的线圈在无线电能传输的时候处于共振磁耦合状态。

由于传输的过程耦合方式采用共振的方法，所以传输时的耦合系数都比传统的远距离磁耦合效果更好。因此本系统的传输距离和传输的效率都有所提高。

在另一方面，本发明提拱了一种无线电能传输系统，包括高频激励电源,其特征在于，包括发射线圈L1、防频率分裂调谐线圈L2、至少两个共振线圈L3、L4以及谐振电容，其中高频激励电源与发射线圈L1以及谐振电容C1处于并联结构；防频率分裂调谐线圈L2与发射线圈L1处于同平面同时防频率分裂调谐线圈L2的直径大于发射线圈L1的直径,防频率分裂调谐线圈、所有共振线圈以及接收线圈均与电容串联；其中发射线圈L1、防频率分裂调谐线圈L2、与发射线圈并联的电容C1、与防频率分裂调谐线圈串联的电容C2满足以下公式：

式1中f₀为高频驱动电源的交变频率，R为发射线圈的等效内阻，C1为与发射线圈并联的电容容值，L_m为防频率分裂调谐线圈与发射线圈近场耦合后的等效电感值；

其中防频率分裂调谐线圈与发射线圈近场耦合后的等效电感值L_m满足以下关系式：

式2中ω为高频驱动电源的角频率，M为两线圈之间的互感系数，L1为发射线圈的电感值，L2为防频率分裂调谐线圈的电感值，C2为与防频率分裂调谐线圈串联的电容容值。

进一步地，所有线圈的空间位置均为同轴状态。

更一进步的，所述共振线圈和接收线圈的线圈半径均相同。

本发明所达到的有益效果：本发明的无线电能传输系统采用独创的五线圈结构，既使用并联谐振也使用串联谐振，提供能量的高频激励电源与发射线圈和谐振电容处于并联结构，而不是传统的串联谐振。本传输系统在发射端供电时，若未有接收端的时候，发射线圈端要进入并联谐振状态，且谐振电感不是单一的发射线圈，而是发射线圈与防频率分裂调谐线圈构成的等效电感。当接收线圈接入时，发射电路偏离谐振点，也就是系统工作时，发射端的线圈全都不工作在谐振点。本系统在无接收线圈接收的静态工作下发射阻抗达到最大，静态消耗低，发射端的发射能量会随着接收线圈的能量需求的变化而随之变化，减少不必要的能量消耗。

附图说明

图1是本发明实施例系统结构图；

图2是本发明实施例系统的等效电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在一个方面，本发明提拱了一种无线电能传输方法，在一个具体实施例中包括以下步骤：

(1)绕制同心圆结构的发射线圈和防频率分裂调谐线圈以及共振线圈和接收线圈，其中共振线圈至少两个且，并且防频率分裂调谐线圈的直径大于发射线圈的直径，并将所有线圈固定。如图1所述绕制同心圆结构的发射线圈L1和防频率分裂调谐线圈L2以及共振线圈L3、L4和接收线圈L5，其中优选地，两个共振线圈与接收线圈的半径均相同，制作不同L1线圈感值、L2线圈感值和电容C2容值的选取会影响发射端的并联谐振谐振品质，谐振的品质因数Q越大越好。为了使谐振点固定、中心频率不漂移，器件的稳定性要好，线圈要固定稳固使电感值保持不变化。

(2)将用于产生并联谐振的高频激励电源、发射线圈和谐振电容并联连接，将用于产生串联谐振的防频率分裂调谐线圈、所有共振线圈以及接收线圈与电容串联连接；

(3)调节发射线圈端的发射线圈和防频率分裂调谐线圈的感值、与发射线圈并联的电容容值以及与防频率分裂调谐线圈串联的电容容值至没有接收端时发射线圈端处于并联谐振状态；测量发射线圈和防频率分裂调谐线圈的感值，通过互感系数，线圈感值计算出调谐电容的容值；其中发射线圈L1、防频率分裂调谐线圈L2、与发射线圈并联的电容C1、与防频率分裂调谐线圈串联的电容C2满足以下公式：

式1中f₀为高频驱动电源的交变频率，R为发射线圈的等效内阻，C1为与发射线圈并联的电容容值，L_m为防频率分裂调谐线圈与发射线圈近场耦合后的等效电感值；

其中防频率分裂调谐线圈与发射线圈近场耦合后的等效电感值L_m满足以下关系式：

式2中ω为高频驱动电源的角频率，M为两线圈之间的互感系数，L1为发射线圈的电感值，L2为防频率分裂调谐线圈的电感值，C2为与防频率分裂调谐线圈串联的电容容值。

为使系统静态工作消耗低，要调节发射线圈和防频率分裂调谐线圈的感值和并联的电容容值，调谐过程中要保证不能有其他线圈耦合入系统，一般情况下电感的感值容易调节，即调节线圈圈数和每圈之间的紧密程度，调节完成后要固定死线圈，防止线圈感值随外力形变而变化，导致谐振的中心频率的飘移。

(4)将用于近场耦合的发射线圈和防频率分裂调谐线圈置于同平面；按照预定条件调节发射线圈与第一个共振线圈的间距D1以及第二个共振线圈与接收线圈的间距D2至两个共振线圈在无线电能传输的时候处于共振磁耦合状态；

由于防频率分裂调谐线圈与发射线圈处于同平面，两个线圈是近场耦合状态，第一个共振线圈与发射线圈距离为D1，实验发现距离D1的最佳长度与防频率分裂调谐线圈的直径相同。第二个共振线圈与接收线圈的距离D2的最佳长度为共振线圈的直径长度。两个共振线圈在无线电能传输的时候处于共振磁耦合状态。

(5)接通高频激励电源和发射线圈，微调并联的谐振电容使整个发射端的工作功率最低即高频激励电源的输出电流最小时调谐完成；

假定共振线圈和接收线圈的半径为R，加入共振线圈和接收线圈，保证发射线圈与共振线圈、共振线圈与接收线圈的间距均为2R，两个共振线圈之间距离大于等于2R，测量接收线圈是否有接收到能量。

(6)测试接收线圈是否接收到能量，

若未接收到能量，测量高频激励电源的输出是否正常，测量共振线圈谐振频率是否和发射频率相同；

若接收到能量，改变负载的大小，测量高频激励电源的输出电流是否通过接收负载的电流变化而同向变化，如果相同，则无线电能传输系统工作正常。

实验中仅使用半径7cm的共振线圈，就可以将能量传输到2米外，点亮3颗功率LED。

另一方面，本发明提供了一种无线电能传输系统，包括高频激励电源,其特征在于，包括发射线圈L1、防频率分裂调谐线圈L2、至少两个共振线圈L3、L4以及谐振电容，其中高频激励电源与发射线圈L1以及谐振电容C1处于并联结构；防频率分裂调谐线圈L2与发射线圈L1处于同平面同时防频率分裂调谐线圈L2的直径大于发射线圈L1的直径,防频率分裂调谐线圈、所有共振线圈以及接收线圈均与电容串联；

图1示出了本发明实施例系统结构图,本发明系统最小实现结构为五个线圈，也可以通过增加中继线圈方式继续提高传输距离。在图1中，本发明系统包括高频激励电源AC、发射线圈L1、防频率分裂调谐线圈L2、两个共振线圈L3和L4以及谐振电容C1～C5。

高频驱动电源AC提供高频单频激励以提供发射能量。微系统供电的电源功率需要根据接收的功率需求配置，一般情况下至少大于接收功率的二倍，在传输距离大于线圈直径的情况下，传输距离越远传输效率越低。为了使传输效率更高，供电电源的交变频率应大于150KHz，使电能发射对空气的穿透能力增强。

发射线圈L1与电容C1并联，防频率分裂调谐线圈L2与发射线圈L1处于同平面，并且防频率分裂调谐线圈L2的直径大于发射线圈L1的直径。为使传输效率最大，所有线圈的空间位置均为同轴状态。共振线圈L3与电容C3串联，共振线圈L4与电容C4串联，接收线圈L5与电容L5串联。

为提高传输距离和效率，尽量减小发射、接收线圈面积的情况下提高传输距离，系统中可以增加共振线圈，并且所有共振线圈均使用串联谐振，谐振频率与线圈、电容均满足

为防止传输距离变化导致的共振频率分裂现象，防频率分裂调谐线圈的半径要大于发射线圈半径，且所有共振线圈和接收线圈的半径都小于等于防频率分裂调谐线圈的半径，并且处于共轴，同一直线上的状态。

在图1中防频率分裂调谐线圈L2与发射线圈L1处于同平面结构，发射端供电时，若未有接收端的时候，发射线圈L1端要进入并联谐振状态，且谐振电感不是单一的发射线圈，而是发射线圈与防频率分裂调谐线圈构成的等效电感，因此两个线圈L1、L2及两个调谐电容C1、C2的关系要满足式1：

式1中f₀为高频驱动电源的交变频率，R为发射线圈的等效内阻，L_m为防频率分裂调谐线圈与发射线圈近场耦合后的等效电感值，C1为电容C1的容值，L_m的值满足关系式2:

式2中ω为高频驱动电源的角频率，M为两线圈之间的互感系数，L1为发射线圈的电感值，L2为防频率分裂调谐线圈的电感值。此时发射电路达到并联谐振状态，发射阻抗为纯阻性

供电电流到达最小值，其中C1为电容C1的容值，L_m为防频率分裂调谐线圈与发射线圈近场耦合后的等效电感值，R发射线圈的等效内阻。由于选取器件的不同，R_s数量级常在10KΩ-1MΩ内，系统发射的功率为

其中Us是高压激励电源电压，Rs是发射阻抗为纯阻性；可见待机工作时整个系统功耗很低。共振线圈L3和L4上的电容线圈构成串联谐振电路。

当有共振线圈和接收线圈接入时，由于线圈之间的共振耦合，等效电感L_m的感值发生变化，使系统发射频率不满足式1中的并联谐振状态，发射功率自动增大。

当接收线圈负载发生变化时，等效电感L_m的感值也会随之变化，系统发射功率会随负载需求而自动变化。

本传输系统在发射端供电时，若未有接收端的时候，发射线圈端要进入并联谐振状态，且谐振电感不是单一的发射线圈，而是发射线圈与防频率分裂调谐线圈构成的等效电感；当接收线圈接入时，发射电路偏离谐振点，也就是系统真正开始电能传输的时候，发射端的线圈全都不工作在谐振点，而其它线圈却都处于谐振状态。上电后整个系统会有三种发射情况：

1、无接收线圈靠近时，此时发射电路达到并联谐振状态，发射阻抗为纯阻性且为高阻抗状态，供电电流到达最小值，以此到达静态工作消耗低的目的，省去了繁琐的接收端应答等等的休眠结构。

2、有接收线圈靠近时，由于线圈之间的共振耦合，共振线圈与接收线圈都耦合入发射线圈，L1与L2耦合的等效电感的感值发生变化，使系统发射频率不满足式并联谐振状态，偏离并联谐振点，发射功率自动增大。

3、当接收线圈负载发生变化时，L1与L2耦合的等效电感的等效阻抗也会发生变化，等效电感的感值也会随之变化，系统发射功率会随负载需求而自动变化。

传输系统的耦合方式：本装置配有一个五个线圈，防频率分裂调谐线圈与发射线圈处于同平面，两个线圈是近场耦合状态，两个线圈是近场耦合状态，第一个共振线圈与发射线圈距离为D1，实验发现距离D1的最佳长度与防频率分裂调谐线圈的直径相同。第二个共振线圈与接收线圈的距离D2的最佳长度为共振线圈的直径长度。两个共振线圈在无线电能传输的时候处于共振磁耦合状态。

由于传输的过程耦合方式采用共振的方法，所以传输时的耦合系数都比传统的远距离磁耦合效果更好。因此本系统的传输距离和传输的效率都有所提高。

本系统区别于其他系统的另一点为：系统只有待机工作时发射线圈处于并联谐振状态，而电能开始较大功率传输的时候发射线圈就不处于谐振状态。本发明系统真正开始电能传输的时候，发射线圈并不是在谐振点工作，而其它线圈却都处于谐振状态。

当有共振线圈和接收线圈接入时，由于线圈之间的共振耦合，等效电感L_m的感值发生变化，使系统发射频率不满足式1中的并联谐振状态，发射功率自动增大。

发射端发射的能量会随着接收线圈的能量需求的变化而随动变化，当接收线圈负载发生变化时，等效电感L_m的感值也会随之变化，系统发射功率会随负载需求而自动变化。

本发明提供了一种传输距离远、待机消耗低的高效率无线电能传输系统。当未有接收端接入或接收端工作功率很低时，无需使用脉冲检测或红外对接，无需发射接收间使用MCU检测来反馈，实现需求电能大，发射电能自动增大，需求电能小，发射电能自动减小的无线供电结构。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无线电能传输方法，其特征在于包括：

(1)绕制同心圆结构的发射线圈和防频率分裂调谐线圈以及共振线圈和接收线圈，其中共振线圈至少两个，并且防频率分裂调谐线圈的直径大于发射线圈的直径，并将所有线圈固定；

(2)将用于产生并联谐振的高频激励电源、发射线圈和谐振电容并联连接，将用于产生串联谐振的防频率分裂调谐线圈、所有共振线圈以及接收线圈与电容串联连接；

(3)调节发射线圈端的发射线圈和防频率分裂调谐线圈的感值、与发射线圈并联的电容容值以及与防频率分裂调谐线圈串联的电容容值至没有接收端时发射线圈端处于并联谐振状态；

(4)将用于近场耦合的发射线圈和防频率分裂调谐线圈置于同平面；按照预定条件调节发射线圈与第一个共振线圈的间距D1以及第二个共振线圈与接收线圈的间距D2至两个共振线圈在无线电能传输时处于共振磁耦合状态；

(5)接通高频激励电源和发射线圈，微调并联的谐振电容至高频激励电源的输出电流最小时调谐完成；

(6)测试接收线圈是否接收到能量，

若未接收到能量，测量高频激励电源的输出是否正常，测量共振线圈谐振频率是否和发射频率相同；

若接收到能量，改变负载的大小，测量高频激励电源的输出电流是否通过接收负载的电流变化而同向变化，如果相同，则无线电能传输系统工作正常。

2.如权利要求1所述的一种无线电能传输方法，其特征在于：

步骤(3)中所述没有接收端时发射线圈端处于并联谐振状态需满足以下公式：

式1中f₀为高频驱动电源的交变频率，R为发射线圈的等效内阻，C1为与发射线圈并联的电容容值，L_m为防频率分裂调谐线圈与发射线圈近场耦合后的等效电感值。

3.如权利要求2所述的一种无线电能传输方法，其特征在于：

式1中的防频率分裂调谐线圈与发射线圈近场耦合后的等效电感值L_m满足以下关系式：

式2中ω为高频驱动电源的角频率，M为两线圈之间的互感系数，L1为发射线圈的电感值，L2为防频率分裂调谐线圈的电感值，C2为与防频率分裂调谐线圈串联的电容容值。

4.如权利要求1～3任意一项权利要求所述的一种无线电能传输方法，其特征在于：所述预定条件为D1的长度与防频率分裂调谐线圈的直径相同，D2的长度为共振线圈的直径长度。

5.一种无线电能传输系统，包括高频激励电源,其特征在于，包括发射线圈L1、防频率分裂调谐线圈L2、至少两个共振线圈L3、L4以及谐振电容，其中高频激励电源与发射线圈L1以及谐振电容C1处于并联结构；防频率分裂调谐线圈L2与发射线圈L1处于同平面同时防频率分裂调谐线圈L2的直径大于发射线圈L1的直径,防频率分裂调谐线圈、所有共振线圈以及接收线圈均与电容串联。

6.如权利要求5所述的无线电能传输系统，其特征在于所述发射线圈L1、防频率分裂调谐线圈L2、与发射线圈并联的电容C1、与防频率分裂调谐线圈串联的电容C2满足以下公式：

式1中f₀为高频驱动电源的交变频率，R为发射线圈的等效内阻，C1为与发射线圈并联的电容容值，L_m为防频率分裂调谐线圈与发射线圈近场耦合后的等效电感值；

其中防频率分裂调谐线圈与发射线圈近场耦合后的等效电感值L_m满足以下关系式：

式2中ω为高频驱动电源的角频率，M为两线圈之间的互感系数，L1为发射线圈的电感值，L2为防频率分裂调谐线圈的电感值，C2为与防频率分裂调谐线圈串联的电容容值。

7.根据权利要求6所述的一种无线电能传输系统，其特征在于，第一个共振线圈与发射线圈距离与防频率分裂调谐线圈的直径相同。

8.根据权利要求7所述的一种无线电能传输系统，其特征在于，第二个共振线圈与接收线圈的距离与共振线圈的直径相同。

9.根据权利要求5～8任一项权利要求所述的一种无线电能传输系统，其特征在于，所有线圈的空间位置均为同轴状态。

10.根据权利要求5～8任一项权利要求所述的一种无线电能传输系统，其特征在于，所述共振线圈和接收线圈的线圈半径均相同。

Images