CN110336386A - 一种优化线圈偏移时磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的方法 - Google Patents

一种优化线圈偏移时磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的方法 Download PDF

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田晓盈
耿盛涛
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Abstract

本发明针对磁耦合谐振式无线电能传输系统线圈发生偏移时传输效率会大大降低这一问题，并考虑到在磁耦合谐振式无线电能传输系统的实际应用中，线圈完全对正是非常苛刻的要求，特别是医疗植入、家用电器、煤矿井下等特殊领域，线圈完全对正是几乎不可能实现的。基于此，提出一种优化线圈偏移时磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的方法。该方法将线圈间的偏移分为径向偏移和角度偏移，在磁耦合谐振式无线电能传输系统的线圈间发生径向偏移时通过调整线圈间的角度偏移对传输效率进行优化，在线圈间具有角度偏移时通过调整线圈间的径向偏移对传输效率进行优化。本发明可以应用于线圈发生偏移的磁耦合谐振式无线电能传输系统，能够很好的优化系统的传输效率，满足设备供电的稳定性。

Description

一种优化线圈偏移时磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的 方法
技术领域
本发明属于磁耦合谐振式无线电能传输技术领域，涉及一种磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的优化方法，特别是一种适合优化线圈发生偏移时的磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的方法。
背景技术
一个多世纪前，特斯拉提出了无线电能传输理论，并进行了大量的实验，但是由于种种原因没有取得突破性的进展。直到2007年麻省理工学院的研究团队提出了磁耦合谐振式无线电能传输理论，并利用这一技术点亮了2m外的一盏60瓦的灯泡且效率达到了40％。随着磁耦合谐振技术的提出，关于无线电能传输技术的研究开始迅猛发展，使得无线电能传输技术成为世界专家学者研究的热点之一。目前主要的无线电能传输方式主要有三种：
微波式无线电能传输：该技术具有功率密度高、定向性好等优点，适用于远距离的传输，但是由于微波的频率高、波长小，难以穿越障碍物，易受传输介质的影响，另外，其传输效率受天气及地形等因素影响极大，特别是系统发射的高能电磁波对周围的环境影响较大。
电磁感应式无线电能传输：该技术传输功率大，传输效率高，但是由于初次级线圈之间要进行电磁耦合，所以两线圈间距离不能太大，一般在毫米级别，在线圈之间距离增加时传输效率会急剧下降。
磁耦合谐振式：该技术是利用磁场的非辐射近场耦合进行的能量传输，具有传输距离远、输出功率大、传输效率高、电磁辐射小等优点。
由于磁耦合谐振式无线电能传输技术具有传输距离远、输出功率大、传输效率高、电磁辐射小等优点，能够应用于航空航天、矿井开采、医疗植入、电动汽车、水下勘测、家用电器等多种领域，为人们的生活和工作带来了极大的便利。因此，磁耦合谐振式无线电能传输技术得到了广泛的关注，迅速成为了研究热点。
对于医疗植入、煤矿井下、家用电器等应用领域，想要使发射线圈与接收线圈完全处于平行且对称状态是非常困难的，也就是说在两线圈之间会存在角度偏移与径向偏移。角度偏移是非平行线圈结构的特有的参数，反应着发射线圈与接收线圈的非平行偏转程度。径向偏移表征的是两线圈中心的偏离程度。只有在发射线圈与接收线圈处于平行且对称状态时，磁耦合谐振式无线电能传输系统的效率是最高的，因此径向偏移与角度偏移在很大程度上影响着该技术的传输效率。
为此，我们必须找到一种方法实现在线圈发生偏移时对磁耦合谐振式无线电能传输系统的效率进行优化。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于针对磁耦合谐振式无线电能传输系统在线圈发生偏移时传输效率会大大降低这一问题，并考虑到在磁耦合谐振式无线电能传输系统的实际应用中，线圈完全对正是非常苛刻的要求，特别是医疗植入、家用电器、煤矿井下等特殊领域，线圈完全对正是几乎不可能实现的。基于此，提出一种优化线圈偏移时磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的方法。该方法将线圈间的偏移分为径向偏移和角度偏移，在磁耦合谐振式无线电能传输系统的线圈间发生径向偏移时通过调整线圈间的角度偏移对传输效率进行优化，在线圈间具有角度偏移时通过调整线圈间的径向偏移对传输效率进行优化。本发明可以应用于线圈发生偏移的磁耦合谐振式无线电能传输系统，能够很好的优化系统的效率，满足设备供电的稳定性。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的磁耦合谐振式无线电能传输系统由高频电源、发射线圈、接收线圈以及负载等组成。
所述发射线圈与接收线圈利用自身寄生电容值以及外加补偿电容达到所需谐振频率。
所述磁耦合谐振式无线电能传输系统的发射线圈与接收线圈之间存在偏移。
所述磁耦合谐振式无线电能传输系统的发射线圈与接收线圈之间通过近场磁耦合谐振的方式进行能量传递。
所述一种优化线圈偏移时磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的方法，将线圈间的偏移分为径向偏移与角度偏移，在发射线圈与接收线圈间发生径向偏移时通过调整线圈间的角度偏移对传输效率进行优化，在发射线圈与接收线圈间发生角度偏移时通过调整线圈间的径向偏移对传输效率进行优化；所述一种优化线圈偏移时磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的方法，包括以下步骤：
步骤1：画出线圈偏移时磁耦合谐振式无线电能传输系统的等效电路图；
步骤2：根据步骤1中所得到的磁耦合谐振式无线电能传输系统的等效电路图列出磁耦合谐振式无线电能传输系统的基尔霍夫电压方程；
步骤3：根据步骤2中所得到的基尔霍夫电压方程求出所述磁耦合谐振式无线电能传输系统的效率公式；
步骤4：根据线圈间具有偏移时的空间示意图求出线圈间径向偏移、角度偏移与线圈间互感的关系公式；
步骤5：根据步骤3中得到的磁耦合谐振式无线电能传输系统的效率公式与步骤4中得到的径向偏移、角度偏移与线圈间的互感之间公式求得线圈间径向偏移、角度偏移与磁耦合谐振式无线电能传输系统效率之间的关系公式；
步骤6：根据步骤5中所得到的线圈间径向偏移、角度偏移与磁耦合谐振式无线电能传输系统效率之间的关系公式进行仿真，得到径向偏移、角度偏移与磁耦合谐振式无线电能传输系统效率之间的三维关系图；
步骤7：根据步骤6中所得到的径向偏移、角度偏移与磁耦合谐振式无线电能传输系统效率之间的三维关系图，在线圈间存在径向偏移时调整角度偏移优化传输效率，在线圈间存在角度偏移时调整径向偏移优化传输效率。
本发明的有益效果是：
1.本发明提供的方法，可以使线圈间发生偏移的磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输效率达到最优。
2.与现有技术相比，所述优化方法进一步解决了磁耦合谐振式无线电能传输系统线圈间发生偏移时用电设备无法正常工作的问题，扩展了磁耦合谐振式无线电能传输系统的应用环境。
附图说明
图1是本发明所述的线圈偏移时的磁耦合谐振式无线电能传输系统的示意图；
图2是本发明所述的线圈偏移时的磁耦合谐振式无线电能传输系统的等效电路图；
图3是本发明所述的线圈间具有偏移时的空间示意图；
图4是线圈间径向偏移、角度偏移与磁耦合谐振式无线电能传输系统效率之间的关系图。
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，以下结合附图，对本发明的一种优化线圈偏移时磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的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。
下面结合附图，详细说明本发明的一种优化线圈偏移时磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的方法的实现过程，具体步骤如下：
步骤1：画出所述的线圈偏移时磁耦合谐振式无线电能传输系统的等效电路图。
图1是本发明所述的线圈偏移时的磁耦合谐振式无线电能传输系统的示意图。
图1中信号发生器与功率放大器组合成为高频电源，TX为发射线圈，RX为接收线圈，d为两线圈之间的轴向距离，t为两线圈之间的径向偏移，α为两线圈之间的角度偏移。
信号发生器与功率放大器组合成的高频电源通过发射线圈将能量发射出去，通过磁耦合谐振将能量传递给接收线圈，接收线圈将能量供应给负载设备。
图2所示为线圈偏移时的磁耦合谐振式无线电能传输系统的等效电路图。
图中US代表高频电源，RS为高频电源内阻，R1、R2分别代表发射线圈与接收线圈的等效电阻(包括高频情况下的欧姆损耗和辐射电阻)，L1、L2分别代表两线圈的电感，C1、C2分别代表两线圈的补偿电容(包括分布电容)，RL为负载，I1、I2分别为两线圈内的电流，电流方向如图2中所示，M为两线圈之间的互感。
高频情况下线圈欧姆损耗电阻Ro和辐射损耗电阻Rr的计算公式为：
其中，μ0为真空磁导率，为ω角频率，n为线圈匝数，σ为电导率，r为线圈半径，l为长度，a为线径，h为线圈宽度，ε0为介电常数，c为光速。
在高频情况下Ro>>Rr，所以在分析时只考虑欧姆损耗电阻Ro，即R1＝R2＝Ro。
步骤2：根据步骤1中所得到的系统的等效电路图列出磁耦合谐振式无线电能传输系统的基尔霍夫电压方程。
发射线圈与接收线圈之间以近场谐振耦合的方式进行能量传递，所以互感M的大小对磁耦合谐振式无线电能传输系统的性能有直接的影响。由于在发射线圈与接收线圈之间发生谐振时磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输性能最佳，所以在计算时，假设发射线圈与接收线圈在谐振状态且谐振频率等于系统的工作频率，即根据图2所示的线圈偏移时的磁耦合谐振式无线电能传输系统的等效电路图及基尔霍夫电压定律(KVL)可知：
步骤3：根据步骤2中所得的基尔霍夫电压方程求出所述磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输效率公式。
通过步骤2中得到的系统的基尔霍夫电压方程可以求得流过发射线圈与接收线圈的电流I1、I2的值。
根据Pin＝USI1，可以求出磁耦合谐振式无线电能传输系统的输入与输出功率。
则整个磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输效率为η＝PoutPin：
步骤4：根据线圈间具有偏移时的空间示意图求出线圈间径向偏移、角度偏移与线圈间互感的关系公式。
图3所示为线圈间具有偏移时的空间示意图，图3中d为线圈间的轴向距离，t为线圈间的径向偏移，α为线圈间的角度偏移，O1点的坐标是(0,0,0)，O2点的坐标是(0,t,d)
根据诺依曼公式的二重积分可以求得线圈间存在偏移时的互感值，则线圈间的互感为：
其中，n1，n2分别是两线圈的匝数，μ0为真空磁导率，l1、l2为两线圈每匝的长度，dl1、dl2为线圈的无穷小分割单元，RQN为dl1与dl2之间的距离。
在两线圈间径向偏移为t，轴向距离为d，角度偏移为α时：
dl1＝(-r1sinθ+r1cosθ)dθ
则可以得到两线圈之间互感为：
其中：r1，r2为两线圈半径。
步骤5：根据步骤3中得到的磁耦合谐振式无线电能传输系统的效率公式与步骤4中得到的径向偏移、角度偏移与线圈间的互感之间公式求得线圈间径向偏移、角度偏移与磁耦合谐振式无线电能传输系统效率之间的关系公式。
根据步骤3中所得磁耦合谐振式无线电能传输系统的效率公式与步骤4中所得的径向偏移、角度偏移与线圈间互感之间的关系公式可得磁耦合谐振式无线电能传输系统效率与径向偏移、角度偏移之间的关系方程式为：
其中：
步骤6：根据步骤5中所得到的线圈间径向偏移、角度偏移与磁耦合谐振式无线电能传输系统效率间的关系公式进行仿真，得到径向偏移、角度偏移与磁耦合谐振式无线电能传输系统效率之间的三维关系图。
在进行仿真时假设谐振频率为6MHz，发射线圈与接收线圈均由线径为2mm的铜线绕制而成，线圈半径r1＝r2＝0.1m，线圈匝数n1＝n2＝10，轴向距离d＝0.15m，负载为50Ω，利用matlab软件仿真得到了线圈间径向偏移、角度偏移与传输效率之间的关系图，如图4所示。
步骤7：根据步骤6中所得到的径向偏移、角度偏移与磁耦合谐振式无线电能传输系统效率之间的三维关系图，在线圈间存在径向偏移时调整角度偏移优化传输效率，在线圈间存在角度偏移时调整径向偏移优化传输效率。
实施案例1：在本实施案例中磁耦合谐振式无线电能传输系统由信号发生器、功率放大器、直流电源、发射线圈、接收线圈、负载等组成。发射线圈与接收线圈均由线径为2mm的铜线绕制而成，半径为0.1m，匝数为10。信号发生器、功率放大器与直流电源组合成高频电源。负载为RF射频电阻盒，阻值为50Ω，通过增加补偿电容，使本系统的谐振频率为6MHz，在实施过程中线圈间的轴向距离控制在d＝0.15m。
假定线圈间的初始角度偏移分别为30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°，线圈间的初始径向偏移为0.01m，在本实施案例进行优化时线圈间径向偏移的调整范围为0-0.3m，在仿真时将径向偏移平均分为30段，即每段间隔0.01m，则本实施案例在利用本发明优化前的最大效率与利用本发明优化后的最大效率的对比数据如表1所示。
表1
从表1可以看出，在角度偏移为70°时利用本发明所提出的一种优化线圈偏移时的磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的方法优化之后效率由62.47％提高到了77.63％，在角度偏移为80°时利用本发明提出的优化方法优化之后效率由33.00％提高到了74.14％，在角度偏移为90°时利用本发明提出的优化方法优化之后效率由0提高到了70.19％，由表1中的对比可知本发明提出的一种优化线圈偏移时磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的方法能够很好的优化线圈偏移时磁耦合谐振式无线电能传输系统的效率。
以上所述仅为本发明较佳的实施方式，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，所做的等效修饰或变换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种优化线圈偏移时磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的方法，其特征在于，所述线圈偏移分为径向偏移与角度偏移。
2.根据权利要求1所述的一种优化线圈偏移时磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的方法，其特征在于，在磁耦合谐振式无线电能传输系统发射线圈与接收线圈间存在径向偏移时是通过调整线圈间的角度偏移对系统的效率进行的优化。
3.根据权利要求1所述的一种优化线圈偏移时磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的方法，其特征在于，在磁耦合谐振式无线电能传输系统发射线圈与接收线圈间存在角度偏移时是通过调整线圈间的径向偏移对系统的效率进行的优化。
4.根据权利要求1所述的一种优化线圈偏移时磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：
步骤A：画出所述的线圈偏移时磁耦合谐振式无线电能传输系统的等效电路图；
步骤B：根据步骤A中所得到的磁耦合谐振式无线电能传输系统的等效电路图列出磁耦合谐振式无线电能传输系统的基尔霍夫电压方程；
步骤C：根据步骤B中所得到的基尔霍夫电压方程求出磁耦合谐振式无线电能传输系统的效率公式；
步骤D：根据线圈间具有偏移时的空间示意图求出线圈间径向偏移、角度偏移与线圈间互感之间的关系公式；
步骤E：根据步骤C中得到的磁耦合谐振式无线电能传输系统的效率公式与步骤D中得到的径向偏移、角度偏移与线圈间的互感公式求得线圈间径向偏移、角度偏移与磁耦合谐振式无线电能传输系统的效率之间的关系公式；
步骤F：根据步骤E中所得到的线圈间径向偏移、角度偏移与磁耦合谐振式无线电能传输系统的效率之间的关系公式进行仿真，得到径向偏移、角度偏移与磁耦合谐振式无线电能传输系统的效率之间的三维关系图；
步骤G：根据步骤F中所得到的径向偏移、角度偏移与磁耦合谐振式无线电能传输系统的效率之间的三维关系图，在线圈间存在径向偏移时调整角度偏移优化传输效率，在线圈间存在角度偏移时调整径向偏移优化传输效率。
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