CN110601378A - 一种三线圈无线供电系统的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三线圈无线供电系统的优化设计方法，搭建含有中继线圈的三线圈无线供电系统的等效模型；建立发射线圈、中继线圈以及接收线圈回路的基尔霍夫电压方程，确定电流与线圈间互感、线圈内阻的关系；根据盘式螺旋线圈互感、内阻与中继线圈参数的关系，确定电流随与中继线圈参数的关系；结合功率不变、效率提高以及中继线圈尺寸限制，选择中继线圈参数，完成三线圈无线供电系统的优化设计。本发明通过对中继线圈参数的设计，使得发射线圈和中继线圈的电流减小，从而降低了线圈的线径和重量，同时保证了功率不变、效率提高，克服了无线充电时发射线圈电流过大的缺点。

Description

一种三线圈无线供电系统的优化设计方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术，特别涉及一种三线圈无线供电系统的优化设计方法。

背景技术

导线直接接触是电能传输的主要方式，但是这种方式不可避免的会产生传输损耗。同时线路老化、尖端放电也易导致电火花，大大降低设备供电的安全性。无线充电技术可以解决传统充电所面临的上述安全问题，已经引起研究者的高度重视。但是当发射线圈和接收线圈大小不匹配或者距离较远时，两线圈的互感较小，传输同样的功率需要发射线圈产生更大电流，这对前端驱动电源要求较高，实施起来有难度。在发射线圈和接收线圈之间加入中继线圈，可以增强三线圈之间的耦合，减小发射线圈电流。由于发射线圈的电流与中继线圈的参数有关，因此有必要对中继线圈参数进行优化设计，使发射线圈电流尽可能地减小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三线圈无线供电系统的优化设计方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种三线圈无线供电系统的优化设计方法，包括如下步骤：

步骤1、搭建含有中继线圈的三线圈无线供电系统的等效模型；

步骤2、建立发射线圈、中继线圈以及接收线圈回路的基尔霍夫电压方程，确定电流与线圈间互感、线圈内阻的关系；

步骤3、根据盘式螺旋线圈互感、内阻与中继线圈参数的关系，确定电流随与中继线圈参数的关系；

步骤4、结合功率不变、效率提高以及中继线圈尺寸限制，选择中继线圈参数，完成三线圈无线供电系统的优化设计。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明通过对中继线圈参数的设计，使得发射线圈和中继线圈的电流减小，从而降低了线圈的线径和重量，同时保证了功率不变、效率提高，克服了无线充电时发射线圈电流过大的缺点。

附图说明

图1是本发明三线圈无线供电系统的优化设计方法的流程图。

图2是本发明三线圈无线电能传输系统的结构图。

图3是本发明三线圈无线电能传输系统的等效电路图。

图4是两线圈结构与三线圈结构时发射线圈电流与发射线圈和接收线圈互感的关系图。

图5是本发明发射线圈、中继线圈的电流与中继线圈匝数、内径和匝间距的关系图。

图6是本发明实施例中发射线圈、中继线圈的输出电流波形和接收线圈的输出电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施案例，进一步说明本发明方案。

本发明针对盘式螺旋结构的无线供电系统，在接收线圈与发射线圈之间放置一个中继线圈，通过设计中继线圈参数，使得接收线圈电流(功率)保持不变的情况下发射线圈电流减小，以降低发射线圈的线径和重量，提高供电效率。

图2给出了一种含有中继线圈的三线圈无线电能传输系统的结构示例，当没有中继线圈时，对两线圈系统列写KVL回路方程，有：

根据式(1)，可以解得发射线圈和接收线圈的电流，如式(2)所示：

式中，表示发射线圈的输入电压，ω表示系统工作角频率，M₁₃表示发射线圈和接收线圈之间的互感，Z₁和Z₃分别表示发射回路和接收回路的等效阻抗，和分别表示发射线圈和接收线圈的电流。

根据发射线圈电流I₁与发射线圈和接收线圈之间的互感M₁₃的关系式，可以得到两线圈时发射线圈的电流随发射线圈与接收线圈之间的互感变化的对应关系，如图4虚线所示。可以看出，在两线圈情况下，当发射线圈与接收线圈之间的互感M₁₃较小时，发射线圈电流I₁会很大。

在接收线圈与发射线圈之间加入中继线圈，对应的三线圈无线电能传输系统等效电路图如图3所示。对发射线圈、中继线圈和接收线圈回路分别列写KVL方程，如式(3)所示：

根据式(3)，可以解得发射线圈、中继线圈和接收线圈的电流，如式(4)所示：

当三线圈均满足谐振条件时，Z₁、Z₂和Z₃满足如下关系：

式中，表示发射线圈的输入电压，ω表示系统工作角频率，M₁₂、M₂₃和M₁₃分别表示发射线圈和中继线圈、中继线圈和接收线圈、发射线圈和接收线圈之间的互感，和分别表示发射线圈、中继线圈和接收线圈的电流，Z₁、Z₂和Z₃分别表示发射回路、中继回路和接收回路的等效阻抗，R₁、R₂和R₃分别表示发射线圈、中继线圈和接收线圈的等效内阻，L₁、L₂和L₃分别表示发射线圈、中继线圈和接收线圈的电感，C₁、C₂和C₃分别表示发射线圈、中继线圈和接收线圈的串联谐振电容，r_s表示电源的内阻，R_L表示负载。

与两线圈对比，加入中继线圈后发射线圈的电流几乎不随发射线圈与接收线圈之间的互感M₁₃的变化而变化，如图4实线所示。但是加入中继线圈后发射线圈的电流与发射线圈和中继线圈之间的互感M₁₂、中继线圈和接收线圈之间的互感M₂₃以及中继线圈的内阻R₂的变化关系密切，如果中继线圈参数选取不当的话，不仅不会使发射线圈电流减小，甚至还可能导致发射线圈电流增大、效率降低以及中继线圈电流过大等情况，所以中继线圈参数的优化设计至关重要。

发射线圈与中继线圈之间的互感M₁₂、中继线圈和接收线圈之间的互感M₂₃以及中继线圈的内阻R₂都与中继线圈的参数有关，它们之间的关系如下：

式中，μ₀为真空磁导率，n₁、n₂和n₃分别表示发射线圈、中继线圈和接收线圈的匝数，d₁、d₂和d₃分别表示发射线圈、中继线圈和接收线圈的匝间距，发射线圈外径为r₁′，接收线圈外径为r′₃，中继线圈内径为r₂，D₁₂表示发射线圈和中继线圈之间的距离，D₂₃表示中继线圈和接收线圈之间的距离，K(k)和E(k)分别为第一类和第二类完全椭圆积分；R₂为中继线圈的等效内阻，R_o为中继线圈的等效欧姆电阻，R_a为中继线圈的空间散射电阻，ω为角频率，l为中继线圈的长度，λ为波长，r_avg为中继线圈的平均半径，ρ为导体电阻率，a为导体半径。

由此可以得出发射线圈、中继线圈和接收线圈电流I₁、I₂和I₃与中继线圈匝数n₂、内径r₂和匝间距d₂的关系，可以据此进行中继线圈优化设计。

在进行优化设计时，目标是尽可能地减小发射线圈电流，但在优化过程中需要满足一些约束条件。第一点，中继线圈的尺寸要符合实际，不应过大，一般要大于接收线圈的尺寸，小于发射线圈的尺寸；第二点，中继线圈参数变化后，不仅发射线圈与中继线圈电流会产生变化，接收线圈电流也会产生变化，此时需要调整输入电压以使输出电流恒定，也即是输出功率恒定不变；第三点，优化后的效率应有所提高；第四点，输入电压的调整范围应该在电源的输出电压范围内。这四点约束条件可以表示如下：

式中，r′₂为中继线圈的外径，r₂为中继线圈的内径，n₂为中继线圈的匝数，d₂为中继线圈的匝间距，r′_{2_max}为中继线圈的外径的最大值，I₃为三线圈时接收线圈的电流，I′₃为两线圈时接收线圈的电流，P为三线圈时的功率，P′为两线圈时的功率，η为三线圈时的效率，η′为两线圈时的效率，U_S为三线圈时的输入电压，U_{S_max}为输入电压的最大值，U_{S_min}为输入电压的最小值。逐步增大中继线圈的匝数、内径和匝间距，在约束条件下选择发射线圈电流最小时的中继线圈参数，即为最优参数。

在发射线圈与接收线圈尺寸差异过大，或传输距离较远时，基于本发明设计的中继线圈的三线圈无线供电系统，其发射线圈电流和重量相较于传统两线圈无线供电系统得到了极大的降低。因此本发明可以应用到植入式医疗设备、可穿戴设备以及无线传感网络节点设备无线充电系统，具有很高的实用价值。

实施例

为了验证本发明方案的有效性，取谐振频率f＝200kHz，输入电压U_S＝10V，绕线方式为密绕，匝间距d＝2a，a为导线半径，进行如下仿真实验。

首先要确定发射线圈和接收线圈的参数，如表1所示：

表1线圈参数表

根据发射线圈和接收线圈的参数以及发射线圈、中继线圈和接收线圈电流与中继线圈匝数、内径和匝间距的关系，可以得到在输出功率不变的情况下，发射线圈、中继线圈的电流随中继线圈匝数、内径和匝间距变化的对应关系图，如图5所示。根据发射线圈、中继线圈的电流随中继线圈匝数、内径和匝间距变化的关系以及上述约束条件，选择内径10cm、匝数5匝、匝间距0.23cm的中继线圈。

根据式(2)和式(4)计算得，两线圈时发射线圈电流I′₁＝1.751A，三线圈时发射线圈电流I₁＝0.234A，两线圈与三线圈时接收线圈电流I′₃＝I₃＝2.758A。

根据表1参数以及设计的中继线圈参数搭建了相应的实验平台，图6为中继线圈电流I₂、发射线圈电流I₁的波形以及负载电阻R_L＝2Ω时负载两端电压U₃的波形。从图中可以看到，加入中继线圈后发射线圈电流仅有0.285A，就可以输出7.13V的电压。实验结果与理论计算的结果比较接近，两者之间的误差是由线圈的绕制和测量误差等因素引起的。从实验结果来看，本发明所设计的中继线圈有效地减小了发射线圈的电流。

此外，在确定三线圈无线发电系统的中继线圈参数后，根据优化系统的发射线圈电流值，选择合适的发射线圈线径，可以有效地减小发射线圈的重量。

Claims (4)

1.一种三线圈无线供电系统的优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、搭建含有中继线圈的三线圈无线供电系统的等效模型；

步骤2、建立发射线圈、中继线圈以及接收线圈回路的基尔霍夫电压方程，确定电流与线圈间互感、线圈内阻的关系；

步骤3、根据盘式螺旋线圈互感、内阻与中继线圈参数的关系，确定电流随与中继线圈参数的关系；

步骤4、结合功率不变、效率提高以及中继线圈尺寸限制，选择中继线圈参数，完成三线圈无线供电系统的优化设计。

2.根据权利要求1所述的三线圈无线供电系统的优化设计方法，其特征在于，步骤2中，根据三线圈无线电能传输系统等效电路，对发射线圈、中继线圈和接收线圈回路分别列写KVL方程，表示为：

解得发射线圈、中继线圈和接收线圈的电流，表示为：

当三线圈均满足谐振条件时，Z₁、Z₂和Z₃满足如下关系：

式中，表示发射线圈的输入电压，ω表示系统工作角频率，M₁₂、M₂₃和M₁₃分别表示发射线圈和中继线圈、中继线圈和接收线圈、发射线圈和接收线圈之间的互感，和分别表示发射线圈、中继线圈和接收线圈的电流，Z₁、Z₂和Z₃分别表示发射回路、中继回路和接收回路的等效阻抗，R₁、R₂和R₃分别表示发射线圈、中继线圈和接收线圈的等效内阻，L₁、L₂和L₃分别表示发射线圈、中继线圈和接收线圈的电感，C₁、C₂和C₃分别表示发射线圈、中继线圈和接收线圈的串联谐振电容，r_s表示电源的内阻，R_L表示负载。

3.根据权利要求1所述的三线圈无线供电系统的优化设计方法，其特征在于，步骤3中，发射线圈与中继线圈之间的互感M₁₂、中继线圈和接收线圈之间的互感M₂₃以及中继线圈的内阻R₂都与中继线圈的参数有关，它们之间的关系如下：

式中，μ₀为真空磁导率，n₁、n₂和n₃分别表示发射线圈、中继线圈和接收线圈的匝数，d₁、d₂和d₃分别表示发射线圈、中继线圈和接收线圈的匝间距，发射线圈外径为r₁′，接收线圈外径为r′₃，中继线圈内径为r₂，D₁₂表示发射线圈和中继线圈之间的距离，D₂₃表示中继线圈和接收线圈之间的距离，K(k)和E(k)分别为第一类和第二类完全椭圆积分；R₂为中继线圈的等效内阻，R_o为中继线圈的等效欧姆电阻，R_a为中继线圈的空间散射电阻，ω为角频率，l为中继线圈的长度，λ为波长，r_avg为中继线圈的平均半径，ρ为导体电阻率，a为导体半径；

综合电流与线圈间互感、线圈内阻的关系，以及盘式螺旋线圈互感、内阻与中继线圈参数的关系，即得发射线圈、中继线圈和接收线圈电流与中继线圈匝数、内径和匝间距的关系。

4.根据权利要求1所述的三线圈无线供电系统的优化设计方法，其特征在于，步骤4中，约束条件表示如下：

式中，r′₂为中继线圈的外径，r₂为中继线圈的内径，n₂为中继线圈的匝数，d₂为中继线圈的匝间距，r′_{2_max}为中继线圈的外径的最大值，I₃为三线圈时接收线圈的电流，I′₃为两线圈时接收线圈的电流，P为三线圈时的功率，P′为两线圈时的功率，η为三线圈时的效率，η′为两线圈时的效率，U_S为三线圈时的输入电压，U_{S_max}为输入电压的最大值，U_{S_min}为输入电压的最小值；

改变中继线圈的匝数、内径和匝间距，在约束条件下选择发射线圈电流最小时的中继线圈参数，即为最优参数。