CN112600317A - 一种高效率的谐振式无线电能传输方法及系统 - Google Patents

一种高效率的谐振式无线电能传输方法及系统 Download PDF

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CN112600317A CN202011513808.1A CN202011513808A CN112600317A CN 112600317 A CN112600317 A CN 112600317A CN 202011513808 A CN202011513808 A CN 202011513808A CN 112600317 A CN112600317 A CN 112600317A
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Abstract

本公开提供了一种高效率的谐振式无线电能传输方法，包括：S1，搭建测试电路，测量并记录寄生电阻为RL1的电感线圈L1与寄生电阻为RL2的电感线圈L2在不同耦合间距下对应的互感系数M的大小；S2，搭建无线电能传输电路，该无线电能传输电路包括交变信号源、发射电路、接收电路及负载电阻R，负载电阻R阻值根据S1中不同耦合间距下对应的互感系数M的大小设置；S3，测试负载电阻R上对应的电压VR，并计算不同耦合间距下对应的整个电路的最大传输效率η。本公开还提供了一种高效率的谐振式无线电能传输系统。

Description

一种高效率的谐振式无线电能传输方法及系统
技术领域
本公开涉及电学领域，具体涉及一种高效率的谐振式无线电能传输方法及系统。
背景技术
谐振式无线电能传输技术能够在较远的距离下实现较高的传输效率，在电动汽车、便携式电子设备的非接触式无线充电方面具有较好的应用前景。
谐振式无线电能传输技术面临的问题是如何在较大的传输距离下实现高的传输效率。谐振式无线电能传输电路通常由交变信号源、发射电路、接收电路、负载电阻和阻抗匹配电路组成。发射电路和接收电路均为谐振电路且理想情况下具有相同的谐振频率，二者之间通过互感耦合。交变信号源产生交变信号，交变信号的频率与发射电路和接收电路的谐振频率相同。此外，通过调整和优化阻抗匹配电路的参数，进一步使整个谐振式无线电能传输电路的传输效率达到最大。而阻抗匹配电路的引入及其调整和优化步骤增加了整个电路的复杂程度和调整难度。
发明内容
本公开的主要目的在于提供一种高效率的谐振式无线电能传输方法及系统，其具体是一种无需额外的阻抗匹配电路的谐振式无线电能传输方法，旨在解决现有技术中谐振式无线电能传输电路需要阻抗匹配电路并需对其进行调整和优化导致的电路结构复杂、调整难度高的技术问题。
本公开的第一方面提供了一种高效率的谐振式无线电能传输方法，包括：S1，搭建测试电路，测量并记录寄生电阻为RL1的电感线圈L1与寄生电阻为RL2的电感线圈L2在不同耦合间距下对应的互感系数M的大小，其中，该测量电路包括串联连接的交变信号源、电感线圈L1及采样电阻Rref，电感线圈L2与电感线圈L1构成耦合互感，电感线圈L2设置为开路状态；S2，搭建无线电能传输电路，无线电能传输电路包括交变信号源、发射电路、接收电路及负载电阻R，其中，该交变信号源与发射电路串联，接收电路与负载电阻R串联，发射电路由寄生电阻为RC1的电容C1及寄生电阻为RL1的电感线圈L1串联构成，接收电路由寄生电阻为RC2的电容C2及寄生电阻为RL2的电感线圈L2串联构成，其中，所述电感线圈L2与所述电感线圈L1构成耦合互感，负载电阻R阻值根据S1中不同耦合间距下对应的互感系数M的大小设置；S3，测试负载电阻R上对应的电压VR，并计算不同耦合间距下对应的整个电路的最大传输效率η，其中，该传输效率η为负载电阻R的功率与交变信号源的输出功率之比。
可选地，S1中不同耦合间距下对应的互感系数M的大小满足以下关系：
Figure BDA0002843889240000021
其中，f0为交变信号源产生正弦信号的谐振频率，VL2为电感线圈L2两端的感应电动势幅值，VRef为采样电阻两端的电压幅值。
可选地，S3中不同耦合间距下对应的整个电路的最大传输效率η满足以下关系：
Figure BDA0002843889240000022
其中，L1≈L2≈L，C1≈C2≈C，RL1+RC1≈RL2+RC2≈RLC，RLC为发射电路中及接收电路中的电容与电感线圈的电阻之和，R0为交变信号源的内阻。
可选地，S3中负载电阻R与互感系数M满足以下关系：
Figure BDA0002843889240000023
可选地，S2中不同距离下的电感线圈L1与电感线圈L2始终保持同轴。
可选地，S1中该采样电阻Rref为交直流电阻箱。
可选地，S1中交变信号源为泰克AFG1062波形/函数发生器，其内阻R0为50Ω。
可选地，S1中电容C1及电容C2为AM/FM收音机270pF双联薄膜可变电容器，寄生电阻RC为0.6Ω，C为532pF。
可选地，S1中电感线圈L1与电感线圈L2为自制空心电感线圈，导线线径为0.5mm，电感线圈内径约为132.2mm，共64圈。
本公开的第二方面提供了一种高效率的谐振式无线电能传输系统，包括：交变信号源，用于产生信号源；发射电路，与交变信号源串联，其中，该发射电路由寄生电阻为RC1的电容C1及寄生电阻为RL1的电感线圈L1串联构成；接收电路，其由寄生电阻为RC2的电容C2及寄生电阻为RL2的电感线圈L2串联构成，其中，所述电感线圈L2与所述电感线圈L1构成耦合互感；负载电阻，与接收电路串联；其中，负载电阻根据电感线圈L1与电感线圈L2在不同耦合间距下对应的互感系数M的大小设置。
本公开提供了一种高效率的谐振式无线电能传输方法及系统，其无需额外的设置阻抗匹配电路，实现了高效的远距离谐振式无线电能传输，有效降低了电路结构的复杂性及调整难度高的问题。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了根据本公开一实施例的高效率的谐振式无线电能传输方法的流程图；
图2示意性示出了根据本公开一实施例的测试电路示意图；
图3示意性示出了根据本公开一实施例的高效率的谐振式无线电能传输电路示意图；
图4示意性示出了根据本公开一实施例的高效率的谐振式无线电能传输系统的框图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
图1示意性示出了根据本公开一实施例的高效率的谐振式无线电能传输方法的流程图。
如图1所示，该方法包括：S1～S3步骤。
S1，搭建测试电路，测量并记录寄生电阻为RL1的电感线圈L1与寄生电阻为RL2的电感线圈L2在不同耦合间距下对应的互感系数M的大小，其中，该测量电路包括串联连接的交变信号源、电感线圈L1及采样电阻Rref，电感线圈L2与电感线圈L1构成耦合互感，电感线圈L2设置为开路状态，如图2所示。
根据本公开的实施例，交变信号源输出频率为f0正弦信号，其内阻为R0，电动势为
Figure BDA0002843889240000041
V0为电动势幅值，ω＝2πf为角频率，f为交变信号源输出信号的频率，
Figure BDA0002843889240000042
为初相位。采样电阻Rref用于测试流过电感线圈L1的电流i，忽略两个电感线圈的寄生电阻RL。设两个电感线圈之间的互感系数为M，则电感线圈L1中的交变电流i在电感线圈L2上产生的感应电动势为v＝-Mdi/dt。电感线圈L2两端的感应电动势幅值VL2与采样电阻Rref上的电压幅值VRef之间的关系为：
Figure BDA0002843889240000051
通过示波器测试VL2与VRef，可通过公式1计算得到两个电感线圈之间的互感系数M为：
Figure BDA0002843889240000052
采用交变信号源产生频率为谐振频率f0的正弦电压，测试并计算两个电感线圈的在不同耦合间距s下的互感系数M，本实施例中s取值为分别为2cm、3cm、…、9cm、10cm，其中，两个电感线圈在不同耦合距离s下尽量保持同轴，即保证两个电感线圈的性能参数基本一致，且两个电感线圈不同位置的相对距离均相等。
S2，搭建无线电能传输电路，无线电能传输电路包括交变信号源、发射电路、接收电路及负载电阻R，其中，交变信号源与发射电路串联，接收电路与负载电阻R串联，发射电路由寄生电阻为RC1的电容C1及寄生电阻为RL1的电感线圈L1串联构成，其中，所述电感线圈L2与所述电感线圈L1构成耦合互感，接收电路由寄生电阻为RC2的电容C2及寄生电阻为RL2的电感线圈L2串联构成，负载电阻R阻值根据S1中不同耦合间距下对应的互感系数M的大小设置。
根据本公开的实施例，该无线电能传输电路中的交变信号源、电感线圈L1及电感线圈L2与测试电路中采用的交变信号源、电感线圈L1及电感线圈L2相同，即无线电能传输电路中两个电感线圈的互感系数与测试电路中两个电感线圈的互感系数相等。其中，该无线电能传输电路满足以下关系：
Figure BDA0002843889240000053
Figure BDA0002843889240000054
其中，该无线电能传输电路中发射电路及接收电路在谐振时两个电容相等或尽量接近，两个电感相等或尽量接近，即L1≈L2≈L，C1≈C2≈C，RL1+RC1≈RL2+RC2≈RLC，RLC为发射电路中及接收电路中的电容与电感线圈的电阻之和，则公式3和公式4化简后可得：
Figure BDA0002843889240000061
Figure BDA0002843889240000062
其中，i1为流经发射电路中的电流，i2为流经接收电路中的电流，由公式5和公式6可得流经负载电阻R上的电流i2为：
Figure BDA0002843889240000063
其中，负载电阻R上接收的瞬时功率为
Figure BDA0002843889240000064
S3，测试负载电阻R上对应的电压VR，并计算不同耦合间距下对应的整个电路的最大传输效率η，其中，传输效率η为负载电阻R的功率与交变信号源的最大输出功率之比。
根据本公开的实施例，将无线电能传输电路中传输效率η定义为负载电阻R上接收到的功率与交变信号源的输出功率之比，其中，对于电动势为v0、内阻为R0的正弦交变信号源，当交变信号源的负载为纯电阻R′，且其阻值R′＝R0时，交变信号源的输出功率最大。此时，电阻R′上的分压为v0/2、瞬时功率为v0 2/4R，则图3所示的该无线电能传输电路的传输效率η为：
Figure BDA0002843889240000065
将公式7结合公式8可得η为：
Figure BDA0002843889240000066
则由公式9可知，当无线电能传输电路中元器件参数L、C、RLC、M、R0已知时，其传输效率与角频率ω或频率f＝ω/2π以及负载电阻R有关。由公式9推导传输效率η达到最大时频率f和负载电阻R需满足的解析表达式比较复杂。本公开的实施例中，为简便起见假设无线电能传输电路在其谐振频率f0处传输效率η近似最大：
Figure BDA0002843889240000071
将公式10带入公式9可得：
Figure BDA0002843889240000072
由
Figure BDA0002843889240000077
可得到传输效率η最大时负载电阻R应满足的条件为：
Figure BDA0002843889240000073
则该无线电能传输电路传输效率η近似达到最大且满足以下关系：
Figure BDA0002843889240000074
因此，由公式12与公式13可知，在电容、电感无损耗(RL＝0、RC＝0)的理想情况下，RLC＝0，此时有Rload＝(2πf0M)2/R0且η＝1。即在无线电能传输电路无损耗的理想情况下，传输效率η可达到100％，与互感M无关。在无线电能传输电路有损耗的情况下，即RLC≠0，传输效率η与R0、RLC、f0、M有关。将电路交变信号源的频率设置为f0、负载电阻R阻值设置为公式12计算得到的数值时，该无线电能传输电路的传输效率η可近似达到最大。
根据本公开的实施例，电容使用AM/FM收音机270pF双联薄膜可变电容器，最大电容值实测值为C≈532pF，寄生电阻为RC≈0.6Ω。电感线圈L1与电感线圈L2使用自制空心电感线圈，导线线径为约0.5mm，两个电感线圈的内径约为132.2mm，共64圈，自感L实测值为L≈1.52mH，寄生电阻为RL≈69.6Ω，RLC＝RC+RL＝70.2Ω。交变信号源使用泰克AFG1062任意波形/函数发生器，内阻为R0＝50Ω、电动势为
Figure BDA0002843889240000075
其中V0设置为10V，频率f设置为电感电容(LC)串联谐振电路的谐振频率
Figure BDA0002843889240000076
使用交直流电阻箱作为负载电阻R。
其中，通过公式2多次测试不同耦合距离s下的互感系数M，使用交直流电阻箱作为采样电阻，阻值设置为390Ω。用示波器测试VL2和VRef，计算得到不同耦合距离s下两个电感线圈之间的互感系数M及该距离下对应的最大传输效率η结果如下表所示。
s(cm) V<sub>Ref</sub>(V) V<sub>L2</sub>(V) M(mH) R(Ω) V<sub>R</sub>(V) η
2 4.35 7.62 0.614 3953 53.05 39.4％
3 4.41 6.03 0.480 2436 41.02 38.2％
4 4.45 4.77 0.376 1524 32.54 38.3％
5 4.48 3.92 0.307 1039 26.13 36.2％
6 4.5 3.09 0.241 667 20.75 35.4％
7 4.5 2.52 0.196 467 16.85 33.2％
8 4.51 2.11 0.164 347 13.78 29.7％
9 4.52 1.74 0.135 258 11.24 26.4％
10 4.52 1.46 0.113 202 9.14 22.1％
由上表可知，随着耦合间距s的增大，两个电感线圈之间的互感系数变小，该耦合间距对应的最大传输效率也降低。其中，在耦合距离s为2cm时，互感系数M大小为0.614，其对应的负载电阻R大小为3953Ω，可得到的在耦合间距2cm下该无线电能传输电路的最大传输效率η可达到为39.4％；同理，在耦合间距s为10cm时，互感系数M大小为0.113，其对应的负载电阻R大小为202Ω，可得到的在较大耦合距离10cm下该无线电能传输电路的最大传输效率η可达到为22.1％。
图4示意性示出了根据本公开一实施例的高效率的谐振式无线电能传输系统的框图。
如图4所示，该高效率的谐振式无线电能传输系统400包括：交变信号源410、发射电路420、接收电路430及负载电阻440，该系统可以用于实现参考图1所描述的高效率的谐振式无线电能传输方法。
根据本公开的实施例，交变信号源410用于产生信号源。发射电路420与交变信号源410串联，其中，发射电路420由寄生电阻为RC1的电容C1及寄生电阻为RL1的电感线圈L1串联构成。接收电路430由寄生电阻为RC2的电容C2及寄生电阻为RL2的电感线圈L2串联构成，其中，所述电感线圈L2与所述电感线圈L1构成耦合互感。负载电阻440与接收电路430串联；其中，负载电阻440根据电感线圈L1与电感线圈L2在不同耦合间距下对应的互感系数M的大小设置。
根据本公开的实施例，该无线电能传输电路中各元器件的设置如上述内容所示，此处不再表述。需说明的是，该无线电能传输电路中各元器件并不仅限于本公开提供的参数大小，其并不构成对本公开适用范围的限制，在实际应用过程中各元器件大小根据实际需求设定，例如电感线圈L1与电感线圈L2的导线线径、内径及圈数根据实际需求而设定，其参数不同实现的不同耦合距离下的最大传输效率η也不同，本公开旨在无需额外的阻抗匹配电路的情况下提供一种高效率的谐振式无线电能传输方法。
本公开提供了一种高效率的谐振式无线电能传输方法及系统，其无需额外的设置阻抗匹配电路，实现了高效的远距离谐振式无线电能传输，有效降低了电路结构的复杂性及调整难度高的问题，该方法在不增加电路结构复杂度的情况下提高了非接触式无线充电的传输性能。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (10)

1.一种高效率的谐振式无线电能传输方法，其特征在于，包括：
S1，搭建测试电路，测量并记录寄生电阻为RL1的电感线圈L1与寄生电阻为RL2的电感线圈L2在不同耦合间距下对应的互感系数M的大小，其中，所述测量电路包括串联连接的交变信号源、所述电感线圈L1及采样电阻Rref，所述电感线圈L2与所述电感线圈L1构成耦合互感，所述电感线圈L2设置为开路状态；
S2，搭建无线电能传输电路，所述无线电能传输电路包括交变信号源、发射电路、接收电路及负载电阻R，其中，所述交变信号源与所述发射电路串联，所述接收电路与所述负载电阻R串联，所述发射电路由寄生电阻为RC1的电容C1及寄生电阻为RL1的电感线圈L1串联构成，所述接收电路由寄生电阻为RC2的电容C2及寄生电阻为RL2的电感线圈L2串联构成，其中，所述电感线圈L2与所述电感线圈L1构成耦合互感，所述负载电阻R阻值根据S1中不同耦合间距下对应的所述互感系数M的大小设置；
S3，测试所述负载电阻R上对应的电压VR，并计算不同耦合间距下对应的整个电路的最大传输效率η，其中，所述传输效率η为所述负载电阻R的功率与所述交变信号源的最大输出功率之比。
2.根据权利要求1所述的高效率的谐振式无线电能传输方法，其特征在于，所述S1中不同耦合间距下对应的互感系数M的大小满足以下关系：
Figure FDA0002843889230000011
其中，f0为所述交变信号源产生正弦信号的谐振频率，VL2为所述电感线圈L2两端的感应电动势幅值，VRef为采样电阻两端的电压幅值。
3.根据权利要求1或2所述的高效率的谐振式无线电能传输方法，其特征在于，所述S3中不同耦合间距下对应的整个电路的最大传输效率η满足以下关系：
Figure FDA0002843889230000021
其中，L1≈L2≈L，C1≈C2≈C，RL1+RC1≈RL2+RC2≈RLC，RLC为所述发射电路中及所述接收电路中的电容与电感线圈的电阻之和，R0为所述交变信号源的内阻。
4.根据权利要求3所述的高效率的谐振式无线电能传输方法，其特征在于，所述S3中所述负载电阻R与所述互感系数M满足以下关系：
Figure FDA0002843889230000022
5.根据权利要求1所述的高效率的谐振式无线电能传输方法，其特征在于，所述S2中不同距离下的所述电感线圈L1与所述电感线圈L2始终保持同轴。
6.根据权利要求1所述的高效率的谐振式无线电能传输方法，其特征在于，所述S1中所述采样电阻Rref为交直流电阻箱。
7.根据权利要求1所述的高效率的谐振式无线电能传输方法，其特征在于，所述S1中所述交变信号源为泰克AFG1062波形/函数发生器，其内阻R0为50Ω。
8.根据权利要求1所述的高效率的谐振式无线电能传输方法，其特征在于，所述S1中电容C1及电容C2为AM/FM收音机270pF双联薄膜可变电容器，寄生电阻RC为0.6Ω，C为532pF。
9.根据权利要求1所述的高效率的谐振式无线电能传输方法，其特征在于，所述S1中所述电感线圈L1与所述电感线圈L2为自制空心电感线圈，导线线径为0.5mm，电感线圈内径约为132.2mm，共64圈。
10.一种高效率的谐振式无线电能传输系统，其特征在于，包括：
交变信号源，用于产生信号源；
发射电路，与所述交变信号源串联，其中，所述发射电路由寄生电阻为RC1的电容C1及寄生电阻为RL1的电感线圈L1串联构成；
接收电路，其由寄生电阻为RC2的电容C2及寄生电阻为RL2的电感线圈L2串联构成，其中，所述电感线圈L2与所述电感线圈L1构成耦合互感；
负载电阻，与所述接收电路串联；其中，所述负载电阻根据所述电感线圈L1与所述电感线圈L2在不同耦合间距下对应的互感系数M的大小设置。
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