CN206834851U - 一种无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种无线电能传输系统，涉及无线电能传输技术领域。该系统包括高频驱动电源、驱动线圈组、发射线圈、接收线圈和负载线圈组，驱动线圈组包括非同轴结构且在同一平面的n个并联的驱动线圈，负载线圈组与驱动线圈组完全对称，高频驱动电源与驱动线圈组串联成驱动电路回路，负载线圈组的两端与需用电的负载连接成负载电路回路；发射线圈和接收线圈依次独立且同轴设于驱动线圈组和负载线圈组之间，发射线圈与接收线圈完全对称，驱动线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈均包括电感线圈和串联补偿电容。本实用新型采用对称式的四线圈无线电能传输系统并且驱动线圈组为采用非同轴结构，实现无线电能传输装置的轻便性，有效降低系统损耗。

Description

一种无线电能传输系统

技术领域

本实用新型涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种无线电能传输系统。

背景技术

近些年，由于传统有线输电系统接触线易产生火花、导体易消损问题的突出，无线电能传输技术的研究越来越受到人们的重视，该技术的应用范围也从小型移动设备向工业领域不断扩宽。2007年麻省理工科学家在无线电能传输技术上实现了新的突破，发现磁耦合谐振式技术能够有效地提高无线电能传输距离和传输功率，并在实验中成功点亮了2米外的一盏功率为60瓦的灯泡。自此，磁耦合谐振式技术成为了国内外学者在中远距离无线电能传输中研究的重点技术。

由于两线圈的磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输效率对距离较为敏感，国内外研究者通常采用增加中继线圈的方式来进一步扩宽传输范围，提高传输效率，常见的主要有三线圈和四线圈结构。但是不论哪种结构，当传输距离发生变化时，线圈之间耦合也会发生变化，使系统出现频率分裂现象，而频率分裂现象的出现会使系统的传输效率急剧下降。

实用新型内容

针对现有技术的缺陷，本实用新型提供一种无线电能传输系统，采用对称式的四线圈无线电能传输系统并且驱动线圈组为采用非同轴结构，实现无线电能传输装置的轻便性，有效降低系统损耗。

一种无线电能传输系统，为非同轴四线圈磁耦合谐振式系统，包括高频驱动电源、驱动线圈组、发射线圈、接收线圈和负载线圈组；所述高频驱动电源与驱动线圈组串联构成驱动电路回路；所述负载线圈组的两端与需用电的负载连接构成负载电路回路；所述发射线圈和接收线圈依次独立且同轴设置于驱动线圈组和负载线圈组之间，发射线圈与接收线圈完全对称；驱动线圈组包括n个并联的驱动线圈，负载线圈组包括n个并联的负载线圈，负载线圈组驱与动线圈组完全对称；所述驱动线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈均包括电感线圈和串联补偿电容，所述驱动线圈组和负载线圈组中电感线圈的一端连接于一点，另一端分别串联相应的串联补偿电容；高频驱动电源与驱动线圈组之间、负载线圈组与需用电的负载之间均通过选择开关连接，保证驱动线圈组中的驱动线圈根据传输距离选择性接通，负载线圈相对称接通；n个驱动线圈为非同轴结构且在同一平面；n个负载线圈为非同轴结构且在同一平面，n的具体取值根据最大传输距离进行配置确定。

由上述技术方案可知，本实用新型的有益效果在于：本实用新型提供的一种无线电能传输系统，无线电能传输系统的驱动线圈组采用非同轴结构，n个驱动线圈都在同一平面，可以使无线电能传输系统的发射端体积大大缩小，实现无线电能传输装置的轻便性，并能有效避免驱动电源与驱动线圈之间过长的连接线，有效降低系统损耗，并为实现基于距离自适应的驱动线圈配置提供基础，从而保证系统始终以最大效率进行无线电能传输，大大提高了系统效率。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的无线电能传输系统结构拓扑图；

图2为图1的等效电路图；

图3为本实用新型实施例提供的无线电能传输系统传输效率与传输距离的关系曲线图。

图中：1、高频驱动电源；2、驱动线圈组；3、发射线圈；4、接收线圈；5、负载线圈组；6、负载；7、驱动电路；8、发射电路；9、接收电路；10、负载电路；11、选择开关。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

一种无线电能传输系统，为非同轴四线圈磁耦合谐振式系统，包括高频驱动电源1、驱动线圈组2、发射线圈3、接收线圈4和负载线圈组5。高频驱动电源1与驱动线圈组2串联构成驱动电路回路，负载线圈组5的两端与需用电的负载6连接构成负载电路回路；发射线圈3和接收线圈4依次独立且同轴设置于驱动线圈组2和负载线圈组5之间，发射线圈3与接收线圈4完全对称。驱动线圈组2包括n个并联的驱动线圈，负载线圈组5包括n个并联的负载线圈，负载线圈组5与驱动线圈组2完全对称；驱动线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈均包括电感线圈和相应的串联补偿电容，驱动线圈组2和负载线圈组5中电感线圈的一端连接于一点，另一端分别串联相应的串联补偿电容；高频驱动电源1与驱动线圈组2之间、负载线圈组5与需用电的负载6之间均通过选择开关11连接，保证驱动线圈组2中的驱动线圈根据传输距离更替接通，负载线圈相对称接通；n个驱动线圈为非同轴结构且在同一平面；n个负载线圈为非同轴结构且在同一平面，n的具体取值根据最大传输距离进行配置确定，本实施例中，最大传输距离(即由于实际条件限定的发射线圈与接收线圈所在平面之间的最大距离)为0.5m，驱动线圈的个数n＝4，该系统的结构拓扑图如图1所示。

如图2所示为上述无线电能传输系统的等效电路图(n＝4)，包括驱动电路7、发射电路8、接收电路9和负载电路10。驱动电路7包括高频驱动电源V_S及其内阻R_S和4组并联的CRL电路，其中L_di(i＝1，2，3，4)为驱动线圈的电感，R_di(i＝1，2，3，4)为驱动线圈的寄生电阻，C_di(i＝1，2，3，4)为驱动线圈的串联补偿电容。发射电路8包括一组串联的CRL电路，其中L_t为发射线圈的电感，R_t为发射线圈的寄生电阻，C_t为发射线圈的串联补偿电容。接收电路9包括一组串联的CRL电路，其中L_r为接收线圈的电感，R_r为接收线圈的寄生电阻，C_r为接收线圈的串联补偿电容。负载电路10包括负载电阻R_L和4组并联的CRL电路，其中L_li(i＝1，2，3，4)为负载线圈的电感，R_li(i＝1，2，3，4)为负载线圈的寄生电阻，C_li(i＝1，2，3，4)为负载线圈的串联补偿电容。

基于上述的非同轴四线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统，为了实现系统距离自适应最大效率无线电能传输，解决当传输距离发生变化时无线电能传输系统的传输效率急剧下降的难题，一种基于距离自适应的驱动线圈配置方法如下：先计算出系统的无线电能传输效率表达式，并得出系统最大效率传输时耦合系数应满足的条件，通过将该条件转化为与驱动线圈半径有关的隐式函数，求得驱动线圈的最佳半径，进而确定驱动线圈的电感和串联补偿电容，完成一个驱动线圈的配置；然后等量递增改变发射线圈与接收线圈之间的传输距离，仍以上述方法配置一个新的驱动线圈；再改变发射线圈与接收线圈之间的传输距离，再以上述方法再配置一个新的驱动线圈；如此循环，直到配置完n个驱动线圈，完成驱动线圈组2的全部配置。其中，发射线圈与接收线圈之间的传输距离等量递增改变时的递增量即相邻两个传输距离之间的距离差为其中D为最大传输距离，即由于实际条件限定的发射线圈与接收线圈所在平面之间的最大距离，配置中变化的各传输距离为d_i＝i.Δd，i＝1，2，…，n。本实施例中，根据最大传输距离0.5m，传输距离递增量为0.1m，变化四次传输距离，从而配置4个驱动线圈。具体实施中，发射线圈与接收线圈之间的传输距离的改变也可以是等量递减改变，其配置结果与等量递增改变的配置结果是一样的，也可以根据实际的最大传输距离与实际条件，人为设定配置中传输距离改变的规则。负载线圈与驱动线圈参数完全一致，且负载线圈跟随驱动线圈变化。驱动线圈配置的具体方法的如下。

步骤1：设定无线电能传输系统的基本参数，并初始化循环变量i＝1；设定高频驱动源的角频率为ω₀，系统驱动线圈、发射线圈、接收线圈及负载线圈均满足在此频率下发生谐振；系统中所有线圈使用绕线相同，且绕线半径为a；系统发射线圈与接收线圈完全对称，驱动线圈组与负载系线圈组完全对称，因此发射线圈的电感、电阻、品质因数和串联补偿电容与接收线圈的电感、电阻、品质因数和串联补偿电容分别相同，即L_t＝L_r、R_t＝R_r、Q_t＝Q_r、C_t＝C_r，驱动线圈的电感、串联补偿电容、电阻、品质因数与负载系线圈的电感、串联补偿电容、电阻、品质因数分别相同，即L_di＝L_li、R_di＝R_li、C_di＝C_li、Q_di＝Q_li，i＝1，2，3，4。发射线圈与接收线圈电感参数在设计时人为设定，驱动线圈和负载线圈的电感参数在设计过程中通过计算所得，本实施例中，角频率ω₀＝2π*13.56MHz，绕线半径a＝2.5mm，发射线圈与接收线圈电感L_t＝L_r＝15.56uH。

根据谐振频率公式确定发射线圈的串联补偿电容为接收线圈的串联补偿电容为根据寄生电阻计算公式其中σ和l分别表示铜线电导率和线圈总长(抻直之后的长度)，确定发射线圈的寄生电阻为接收线圈的寄生电阻为根据品质因数计算公式确定发射线圈的品质因数为接收线圈的品质因数为

步骤2：当传输距离为d_i(发射线圈3与接收线圈4之间的距离)时，确定无线电能传输系统的传输效率η，表达式如式(1)所示；

其中，k_dit、k_tr分别表示驱动线圈与发射线圈之间的耦合系数、发射线圈与接收线圈之间的耦合系数。本实施例中，首先设定传输距离为d₁＝0.1m。

步骤3：对传输效率表达式(1)进行求偏导确定使传输效率最大时无线电能传输系统应满足的条件为式(2)；

只有当耦合系数k_dit、k_tr和品质因数Q_di、Q_t满足上式关系时，系统无线电能传输的效率才是最大的。

步骤4：通过互感计算公式计算出发射线圈与接收线圈之间的互感M_tr，互感计算公式如式(3)所示。

其中，μ₀为真空磁导率，数值为4π×10^-7；r_t是发射线圈的半径，r_r是接收线圈的半径；d为发射线圈与接收线圈横向偏移(中心轴之间)的距离；k²＝4αV((1+αV)²+β²)^-1，其中d_i为发射线圈与接收线圈所在平面之间的距离，也即发射线圈与接收线圈之间的传输距离；Ψ(k)＝(1-k²/2)K(k)-E(k)，K(k)和E(k)分别是第一类椭圆积分和第二类椭圆积分，φ和θ是积分符号，计算结果里不会出现。本实施例中，计算得到发射线圈与接收线圈之间的互感为M_tr＝1.2450μH。

步骤5：根据步骤1中发射线圈电感L_t、接收线圈电感L_r和步骤4中计算出的发射线圈与接收线圈之间的互感M_tr，确定发射线圈与接收线圈之间的耦合系数k_tr，计算公式如式(4)所示。

本实施例中，计算发射线圈与接收线圈之间的耦合系数为k_tr＝0.1281。

步骤6：设定驱动线圈的半径为r_di，在距离不变、发射线圈确定的情况下，根据互感的计算公式(5)和耦合系数的计算公式(6)确定驱动线圈与发射线圈之间的耦合系数k_dit与驱动线圈半径r_di的隐函数关系。

其中，r_t是发射线圈的半径；d′为驱动线圈与发射线圈横向偏移(中心轴之间)的距离；k′²＝4α′V′((1+α′V′)²+β′²)^-1，其中α′＝r_tr_di ^-1，β′＝cr_di ^-1，V′(1+d′²r_t ^-2-2d′r_t ^-1cosφ)^1/2，c为驱动线圈和发射线圈所在平面之间的距离，为了减小发射端体积，c取一个较小值，本实施例中c＝0.025m。

步骤7：驱动线圈的电感L_di与r_di有如下关系，

L_di＝μ₀r_di[ln(8r_di/a)-1.75] (7)

则驱动线圈的品质因数Q_di＝ω₀L_di/R_di也是驱动线圈半径r_di的函数；根据传输效率最大时无线电能传输系统满足的条件式(2)，确定唯一的驱动线圈的半径。本实施例中，当传输距离为d₁＝0.1m时，确定的驱动线圈半径为r_d1＝0.095m。

将系统最大效率传输应满足的条件转化为一个与驱动线圈半径r_di有关的隐式函数，通过求解出最佳的半径r_di来反向推导驱动线圈的电感，进而得到驱动线圈的串联补偿电容。

步骤8：根据步骤7中确定的驱动线圈半径r_di与式(7)，确定驱动线圈电感L_di；根据谐振频率公式确定驱动线圈串联补偿电容C_di。本实施例中，当传输距离为d₁＝0.1m时，确定的驱动线圈电感为L_d1＝2.245μH，驱动线圈串联补偿电容为C_d1＝61.363pF。系统负载线圈与驱动线圈参数完全一致，此时系统以最大效率进行无线电能传输。

步骤9：判断循环变量i是否等于n，若是，则驱动线圈的配置完成；若否，则i＝i+1，使传输距离等量递增一次，返回步骤2，确定新的驱动线圈半径、电感和串联补偿电容。

本实施例中，传输距离根据等量递增原则由d₁＝0.1m变成d₂＝0.2m时，重复上述步骤2到步骤9，确定新的驱动线圈半径为r_d2＝0.075m、驱动线圈电感L_d2＝1.683μH和驱动线圈串联补偿电容C_d2＝81.853pF，负载线圈跟随驱动线圈变化，使系统仍满足最大效率传输条件。当传输距离再变成d₃＝0.3m时，重复上述步骤2到步骤9，可以确定新的驱动线圈半径为r_d3＝0.06m、驱动线圈电感L_d3＝1.279μH和驱动线圈串联补偿电容C_d3＝107.71pF，负载线圈跟随驱动线圈变化，使系统仍满足最大效率传输条件。当传输距离再变成d₄＝0.4m时，重复上述步骤2到步骤8，可以确定新的驱动线圈半径r_d4＝0.055m，驱动线圈电感L_d4＝1.084μH和驱动线圈串联补偿电容C_d4＝127.08pF，负载线圈跟随驱动线圈变化，使系统仍满足最大效率传输条件。

具体实施中，各个传输距离对应的求解过程(步骤2至步骤8)先后顺序可以不限定，只要将n个驱动线圈相应的尺寸和电感、电容参数都确定了，就完成了配置。

根据求得所有传输距离下的不同线圈半径的传输效率，绘制不同线圈半径下传输距离与效率的拟合曲线图，如图3所示，为本实施例得到的不同线圈半径下传输距离与传输效率的拟合曲线图。当系统进行无线电能传输时，根据实际的传输距离，在n个驱动线圈中选择其半径、电感和串联补偿电容满足最大传输效率条件的驱动线圈导通，使系统始终以最大效率传输的状态进行无线电能传输。本实施例中，当传输距离在0.5m以内变化时，根据曲线图中该传输距离与四个传输效率值的对应关系，选择其中最大的传输效率对应的线圈半径，进而在配置好的4个驱动线圈中通过选择开关选择该半径的驱动线圈导通，此时系统能量传输效率达到最大。因此，当传输距离不断发生改变时，通过比较不同线圈半径下传输距离与效率的大小关系，可以确定在任意传输距离时，通过切换线圈来实现效率最大的传输方式。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型权利要求所限定的范围。

Claims (1)

1.一种无线电能传输系统，其特征在于：该系统为非同轴四线圈磁耦合谐振式系统，包括高频驱动电源(1)、驱动线圈组(2)、发射线圈(3)、接收线圈(4)和负载线圈组(5)；所述高频驱动电源(1)与驱动线圈组(2)串联构成驱动电路回路；所述负载线圈组(5)的两端与需用电的负载(6)连接构成负载电路回路；所述发射线圈(3)和接收线圈(4)依次独立且同轴设置于驱动线圈组(2)和负载线圈组(5)之间，发射线圈(3)与接收线圈(4)完全对称；驱动线圈组(2)包括n个并联的驱动线圈，负载线圈组(5)包括n个并联的负载线圈，负载线圈组(5)与驱动线圈组(2)完全对称；所述驱动线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈均包括电感线圈和串联补偿电容，所述驱动线圈组(2)和负载线圈组(5)中电感线圈的一端连接于一点，另一端分别串联相应的串联补偿电容；高频驱动电源(1)与驱动线圈组(2)之间、负载线圈组(5)与需用电的负载(6)之间均通过选择开关(11)连接；n个驱动线圈为非同轴结构且在同一平面；n个负载线圈为非同轴结构且在同一平面，n的具体取值根据最大传输距离进行配置确定。