CN110212654A - 基于无源lc谐振线圈的磁耦合谐振式无线电能传输结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无源LC谐振线圈的磁耦合谐振式无线电能传输结构，在发送线圈和负载线圈之间即电容串串补偿谐振结构引入多级谐振线圈，第一级发送线圈连接到高频电源上；将引入的第二级谐振线圈为源线圈，将发送线圈传输过来的能量进行接收和存储，并将能量传送到下一级；第n‑1级引入的谐振线圈，为驱动线圈，接收上一级传递来的能量，同时连接到负载上，用于负载的消耗，并且传送最后一级负载线圈，通过引入相同的谐振线圈并与电容串联构成LC谐振结构，其固有谐振频率与驱动端激励频率相同。无线电能传输的耦合单元，在保证良好的传输效率情况下，大大提高无线电能传输的距离与角度。

Description

基于无源LC谐振线圈的磁耦合谐振式无线电能传输结构

技术领域

本发明涉及无线电能传输领域，特别涉及一种基于无源LC谐振线圈的磁耦合谐振式无线电能传输结构。

背景技术

在现代社会，人们的生活已经离不开电能，而随着科学技术的发展，高精度电子产品的发展使得人们在日常生活以及工业生产中对电能传输的要求越来越高。就目前来说，随着传统有线供电方式在电能传输上的大量使用，其在安全等方面存在的问题随着时间推移凸显的越来越多。主要体现在使用导线进行连接时导线占用空间较大，同时导线的缠绕连接不紧实轻则会产生电磁干扰，重则会因不断发热引起火灾，从而带来无法弥补的损失，基于此，无线电能传输技术的发展显得更尤为重要。

根据传输方式的不同，能够将无线电能传输技术分成三种，分别是磁耦合谐振式、电磁感应式和电磁辐射式。

对于电磁感应式而言，其对两个线圈的互感特别敏感，因此造成线圈的相对位置或者是传输距离会在很大程度上影响传输效率，同时系统具有较差的稳定性。电磁辐射式无线电能传输虽然通过微波和激光实现超远距离的电能传输。但当电磁波传播时，激光不能绕过障碍物，传输功率小，此微波会对地球生物造成一定的危害。磁耦合谐振式无线电能传输弥补了上面两种无线电能传输的缺点，可是通常情况下所使用的传输方式都是二线圈谐振结构，在能够确保效率较好的情况下，一般电能传输的距离不可以超过电感线圈的直径大小，在本文方案中，在负载线圈以及驱动线圈两者之间进行了多级LC谐振线圈的添加，在保证传输效率的情况下，将打破传输距离的限制，大大提高传输距离和传输角度，从而实现真正意义上的无线电能传输。

发明内容

1、发明目的。

为了解决磁耦合谐振式无线电能传输技术传输效率和传输距离成反比，同时不能实现大角度电能传输等缺点，本发明提出了一种基于无源LC谐振线圈磁耦合谐振式无线电能传输结构。

2、本发明所采用的技术方案。

本发明公开了一种基于无源LC谐振线圈的磁耦合谐振式无线电能传输结构，在发送线圈和负载线圈之间即电容串串补偿谐振结构引入多级谐振线圈，第一级发送线圈连接到高频电源上；将引入的第二级谐振线圈为源线圈，将发送线圈传输过来的能量进行接收和存储，并将能量传送到下一级；第n-1级引入的谐振线圈，为驱动线圈，接收上一级传递来的能量，同时连接到负载上，用于负载的消耗，并且传送最后一级负载线圈，通过引入相同的谐振线圈并与电容串联构成LC谐振结构，其固有谐振频率与驱动端激励频率相同。

更进一步，源线圈和驱动线圈之间采用等间距的排列方式，而发送线圈与源线圈、驱动线圈到负载线圈之间距离是相等且小于中间其他各级之间的距离。

更进一步，通过多级谐振线圈互感模型列出基尔荷夫方程，从而得到各级电流和各级的反射阻抗，即各级谐振线圈的电流公式如下：

如果不对非相邻LC谐振线圈之间所存在的互感进行考虑，并且那么如下所示就是每一级反射等效阻抗的大小：

其中那么根据上式计算得到的各级LC谐振结构的电流与反射阻抗公式，从而得到输出功率为：

P₀＝|I_n|²R_L＝f₁(k₁,k₂,...,k_n-1,R₁,R₂,...,R_n,R_L) (1)

同样可得到系统效率的函数：

出现谐振的时候，则对于谐振系统而言，其每一级LC谐振结构均会呈纯阻性，也就是

Z_i＝R_i(i＝1,2,...,n-1)，Z_n＝R_n+R_L；从而可以计算出谐振时刻时整个系统输出功率和系统效率。

更进一步，取偶数级的时候，那么中间每一级所起到的作用就能够等效成一个广义耦合系数K或者是广义互感；在取奇数级的时候，那么所起到的作用就能够等效成一个常数；如果把自第二级向后每一级所形成的热损耗电阻进行忽略之后，得到反射阻抗为：

通过上面的式子能够看得出来，对于N级LC谐振线圈而言，能够简化其结构当中等效至发射端的每一级谐振回路所对应的反射阻抗为：

其中M呈现互感性质，m呈现是常数性质。

更进一步，发生谐振的时候，系统所对应的输入电流是：

那么根据各级电流的关系可计算出输出电流：

那么可根据式(6)计算出输出功率：

根据输入输出功率可以得到系统效率：

其中i＝1，2，3...

在N级相耦合LC谐振线圈结构里面的第二级谐振线圈至n-1级谐振线圈，两者间的间距大小是相同的，而所有的第n-1级谐线圈振至第n级谐振线圈两者之间的距离是一样的，并且这个距离没有中间每一级间的距离大。

3、本发明所产生的技术效果。

(1)本发明提出了一种基于无源LC谐振线圈的远距离、大角度磁耦合谐振式无线电能传输结构，用以解决传输距离和传输角度等问题的限制，在能够确保系统传输效率良好的基础上，使得系统的传输角度以及传输距离均得到大幅度提升。

(2)本发明串联电容以及谐振线圈实现电能的传输，固有谐振频率的大小与驱动频率大小相同，对应的阻抗值为最小，大小一样的谐振频率，在和LC谐振线圈进行串联的电容以及电感两端形成一个集中电压，LC谐振结构内部汇集着所需要进行传输的能量，利用LC谐振结构形成一个磁场，输送至下一级谐振线圈里面。对于LC谐振结构而言，其作用就是中继，通过其就能够实现较高效率的电能无线传输。

(3)本发明的LC谐振结构可以使得传输距离和角度得到大幅度的扩大。

(4)本发明采用的是N级无源LC谐振线圈的无线电能传输结构，通过N级无源LC谐振线圈多种排列方式，从而达到扩大无线电能传输的距离与角度的优点，无源LC谐振线圈本身并不需要电能，通过吸收并存储上一级传输的电能，通过线圈传输给下一级。

附图说明

图1为N级LC谐振线圈电容串联补偿结构示意图；

图2为N级LC谐振线圈电容串联补偿等效模型图；

图3为N级相耦合LC谐振线圈组电能传输组合方式结构图。

具体实施方式

实施例1

本发明通过多级谐振线圈互感模型列出基尔荷夫方程，从而得到各级电流和各级的反射阻抗，即各级谐振线圈的电流公式如下：

如果不对非相邻LC谐振线圈之间所存在的互感进行考虑，并且那么如下所示就是每一级反射等效阻抗的大小：

其中那么根据上式计算得到的各级LC谐振结构的电流与反射阻抗公式，从而得到输出功率为：

P₀＝|I_n|²R_L＝f₁(k₁,k₂,...,k_n-1,R₁,R₂,...,R_n,R_L) (1)

同样可得到系统效率的函数：

出现谐振的时候，则对于谐振系统而言，其每一级LC谐振结构均会呈纯阻性，也就是

Z_i＝R_i(i＝1,2,...,n-1)，Z_n＝R_n+R_L。从而可以计算出谐振时刻时整个系统输出功率和系统效率。

通过对反射阻抗公式的观察能够看出，当出现谐振的时候，不对每一级所形成的热损耗进行考虑，在取偶数级的时候，那么中间每一级所起到的作用就能够等效成一个广义耦合系数K或者是广义互感；在取奇数级的时候，那么所起到的作用就能够等效成一个常数。如果把自第二级向后每一级所形成的热损耗电阻进行忽略之后，得到反射阻抗为：

通过上面的式子能够看得出来，对于N级LC谐振线圈而言，能够简化其结构当中等效至发射端的每一级谐振回路所对应的反射阻抗为：

其中M呈现互感性质，m呈现是常数性质。

在详细的分析了N级LC谐振结构反射阻抗之后，能够得出在接收端和发射端两者之间进行LC谐振线圈组的添加，可以在确保系统具有良好输出功率以及传输效率的基础上，使得无线电能所具有的传输距离大幅度提升。

发生谐振的时候，系统所对应的输入电流是：

那么根据各级电流的关系可计算出输出电流：

那么可根据式(6)计算出输出功率：

根据输入输出功率可以得到系统效率：

其中i＝1，2，3...

在N级相耦合LC谐振线圈结构里面的第二级谐振线圈至n-1级谐振线圈，两者间的间距大小是相同的，而所有的第n-1级谐线圈振至第n级谐振线圈两者之间的距离是一样的，并且这个距离没有中间每一级间的距离大，只有这样才可以确保效率更优化。

实施例2

本发明首先使用一种电容串串(SS)补偿谐振结构，然后在这个结构上进行两个LC谐振线圈的添加，这样整个结构就成为了四谐振线圈磁耦合无线电能传输，这样的做法起到的作用就是为了能够使得无线电能所具有的传输距离能够得到扩大。如图1所示，第一谐振回路由L₁，C₁，R₁组成，第二谐振回路由L₂，C₂，R₂组成，第三谐振回路是通过L₃，C₃，R₃所构成的，第四谐振回路是通过L₄，C₄，R₄，R_L所构成的。

则第四谐振回路被等效至第三谐振回路所对应的反射阻抗是：

第三谐振回路等效到第二谐振回路的反射阻抗为：

第二谐振回路等效到第一谐振回路的反射阻抗为：

则四谐振线圈磁耦合无线电能传输结构所对应的输入阻抗大小是：

式中(12)中

则能够得知当处于这种情况下，所有级的谐振回路所具有的阻抗都是呈纯阴性，将那两个作用是中继的等效电阻进行忽略之后，那么就能够得出：

对于四线圈串联电容补偿结构而言，其在输入阻抗方面类似于两线圈串联电容补偿结构，在式子(12)当中把带进去的话就能够获得：

这里的耦合系数0≤k≤1，使得K＝(k₁k₃)/k₂的时候，能够利用针对4个谐振线圈间所对应距离的调整，将4个线圈所对应的最优排列方式寻找出来，相应的一定会有一个K₀，能够实现最大系统功率值，也就是一定具有一个最优的组合，同时灵活调整。按照四线圈串联补偿谐振结构，将不相邻每一级谐振回路间所对应的耦合系数进行忽略，可根据式(14)得到系统输入电流：

那么利用式(15)可得到：

根据式(16)到(17)可知，如果是在等效电路里面，所使用的是LC串联谐振结构的时候，在谐振出现时，因为会造成上一级谐振结构被等效成下一级谐振结构的时候引入了一个电感量这样就能够使得相邻线圈间可以形成一个90°的电流相位差。

那么输出功率为：

在上面的式子中，耦合系数0≤k≤1,K＝(k₁k₃)/k₂。如果是从输出功率的方面来看，那么在进行对比之后发觉，四谐振线圈电容串联补偿结构是非常类似于两谐振线圈电容串联补偿结构的。让dP₀/dK²＝0，能够获得：

那么将式(20)带入到式(19)中可以得到此系统最大输出功率为：

输入功率为：

从而得到效率为：

由于dη/dK²＞0，那么随K的增大系统效率也会跟着增大。将K＝K₀带入到式(23)中可得到系统取得最大输出功率时的效率为：

如果不考虑耦合系数的话，那么对于二谐振线圈磁耦合无线电能传输结构而言，其在很大部分特性上是非常类似于四谐振线圈磁耦合无线电能传输结构的，如果耦合系数越高的话，那么相应的系统也就会具有越大的传输效率，耦合系数达到1是系统的效率达到最大。二线圈电容串联补偿结构只有当两谐振线圈越相互靠近时，相应的耦合系数就会开始越来越大，相应的也就具有越高的传输效率，对于传输效率而言，其和两线圈之间的距离数值是成一种反比例关系的。对于四线圈电容串联补偿结构K＝(k₁k₃)/k₂，如果针对谐振线圈分布电容进行考虑的话，在K＝1的时候，才可以符合四线圈谐振系统最大功率传输。如果想要让系统能够满足K＝1的要求，那么能够选择针对4个线圈间所对应的相对距离进行调整的方式来实现，通过大量的实验得出，在第一级线圈和第二级线圈、第三级线圈与第四级线圈之间所对应的距离能够比较近，同时第二级线圈与第三级线圈间所对应的距离能够比较远的话，那么在这个时候K的数值和1是非常接近的，从而系统的传输效率也最大，进一步说明四线圈电容补偿结构在相同性能条件下，既保证系统的传输效率，又大大增加了电能传输距离。

Claims (5)

1.一种基于无源LC谐振线圈的磁耦合谐振式无线电能传输结构，其特征在于：在发送线圈和负载线圈之间即电容串串补偿谐振结构引入多级谐振线圈，第一级发送线圈连接到高频电源上；将引入的第二级谐振线圈为源线圈，将发送线圈传输过来的能量进行接收和存储，并将能量传送到下一级；第n-1级引入的谐振线圈，为驱动线圈，接收上一级传递来的能量，同时连接到负载上，用于负载的消耗，并且传送最后一级负载线圈，通过引入相同的谐振线圈并与电容串联构成LC谐振结构，其固有谐振频率与驱动端激励频率相同。

2.根据权利要求1所述的基于无源LC谐振线圈的磁耦合谐振式无线电能传输结构，其特征在于：源线圈和驱动线圈之间采用等间距的排列方式，而发送线圈与源线圈、驱动线圈到负载线圈之间距离是相等且小于中间其他各级之间的距离。

3.根据权利要求1所述的基于无源LC谐振线圈的磁耦合谐振式无线电能传输结构，其特征在于：通过多级谐振线圈互感模型列出基尔荷夫方程，从而得到各级电流和各级的反射阻抗，即各级谐振线圈的电流公式如下：

如果不对非相邻LC谐振线圈之间所存在的互感进行考虑，并且那么如下所示就是每一级反射等效阻抗的大小：

其中那么根据上式计算得到的各级LC谐振结构的电流与反射阻抗公式，从而得到输出功率为：

P₀＝|I_n|²R_L＝f₁(k₁,k₂,...,k_n-1,R₁,R₂,...,R_n,R_L) (1)

同样可得到系统效率的函数：

出现谐振的时候，则对于谐振系统而言，其每一级LC谐振结构均会呈纯阻性，也就是

Z_i＝R_i(i＝1,2,...,n-1)，Z_n＝R_n+R_L；从而可以计算出谐振时刻时整个系统输出功率和系统效率。

4.根据权利要求3所述的基于无源LC谐振线圈的磁耦合谐振式无线电能传输结构，其特征在于：取偶数级的时候，那么中间每一级所起到的作用就能够等效成一个广义耦合系数K或者是广义互感；在取奇数级的时候，那么所起到的作用就能够等效成一个常数；如果把自第二级向后每一级所形成的热损耗电阻进行忽略之后，得到反射阻抗为：

通过上面的式子能够看得出来，对于N级LC谐振线圈而言，能够简化其结构当中等效至发射端的每一级谐振回路所对应的反射阻抗为：

其中M呈现互感性质，m呈现是常数性质。

5.根据权利要求4所述的基于无源LC谐振线圈的磁耦合谐振式无线电能传输结构，其特征在于：发生谐振的时候，系统所对应的输入电流是：

那么根据各级电流的关系可计算出输出电流：

那么可根据式(6)计算出输出功率：

根据输入输出功率可以得到系统效率：

其中i＝1，2，3...

在N级相耦合LC谐振线圈结构里面的第二级谐振线圈至n-1级谐振线圈，两者间的间距大小是相同的，而所有的第n-1级谐线圈振至第n级谐振线圈两者之间的距离是一样的，并且这个距离没有中间每一级间的距离大。