用於感應耦合無線電能傳輸效率優化的負載阻抗匹配方法
2023-07-02 08:51:01 2
用於感應耦合無線電能傳輸效率優化的負載阻抗匹配方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於感應耦合無線電能傳輸效率優化的負載阻抗匹配方法。本發明在感應耦合無線電能傳輸系統中，在接收線圈後串聯一個電容C2，再並聯一個電容C3形成新的副邊阻抗變換電路。通過設計兩個電容的值可以使得負載電阻值等於達到最大傳輸效率時所需的最優負載電阻值。本發明所採用的技術方案，具有更小的損耗、更容易在集成電路中實現等優點。
【專利說明】用於感應耦合無線電能傳輸效率優化的負載阻抗匹配方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於無線電能傳輸領域，具體涉及感應耦合無線電能傳輸過程中負載阻抗匹配方法，可以優化傳輸效率。
【背景技術】
[0002]在許多場合，電子器件的供電採用有線供電或電池供電不方便甚至不可能。如在智能樓宇中的無線傳感器大量植入材料、牆體中，當電池耗盡，無法更換電電池；在野外農業中用於檢測農作物生長的無線傳感器，更換電池要花費大量人力物力；在植入式醫療中植入體內的醫療器件，更換電池可能給人體帶來痛苦和風險等。無線供電是解決此問題的途徑之一。
[0003]感應耦合無線電能傳輸方式是電能發送端和接收端距離較近時通常採用的方法，它通過兩個耦合線圈之間的電磁感應傳遞電能，其基本原理如圖1所示，主要包括發送交流電壓源，原邊阻抗變換電路，發送線圈，接收線圈，副邊阻抗變換電路，整流電路，濾波電路和電阻負載。原邊阻抗變換電路和副邊阻抗變換電路分別設計成與發送線圈和接收線圈諧振的形式，是當前提高傳輸效率、發送交流信號源輸出功率因數的常用方法。原邊阻抗變換電路通常是為提高發送交流信號源輸出功率因數而設計，圖1中採用串聯諧振可以實現接近於I的功率因數。但是，副邊阻抗變換電路採用簡單的串聯或並聯諧振方式通常不能達到最優的傳輸效率。原因是，它們分別有一個能達到最優傳輸效率的負載電阻值，但這個最優負載電阻值與實際負載電阻值並不相等。
[0004]事實上，可以根據發送線圈和接收線圈的參數，求出傳輸效率最大時接收線圈所接的最優負載阻抗值及所對應的最大傳輸效率分別為；-14(1+(?%)tl 5Z^2-JiZ2和n 必/[1+(1+^?%)° 5]，其中仏和Q2分別為原邊和副邊線圈的品質因數泌為兩個線圈之間耦合係數，乙為接收線圈的電感值，《為系統工作頻率。因此，可以根據得到的最優負載阻抗值設計副邊阻抗變換電路達到最大傳輸效率。
【發明內容】
[0005]為解決傳統串聯或並聯諧振無線電能傳輸方式中負載電阻並非效率最高時的最優電阻，以致於不能達到最大效率的問題，本發明採用一種新的副邊阻抗變換電路來達到最高電能傳輸效率。
[0006]本發明所採用的技術方案是:在感應耦合無線電能傳輸系統中，在接收線圈後串聯一個電容G，再並聯一個電容G形成新的副邊阻抗變換電路。通過設計兩個電容的值可以使得負載電阻值等於達到最大傳輸效率時所需的最優負載電阻值。電容C2的取值為IQJCO %L2 ^k2QlQ2)。_5 -1/ ? 2TPl2]。_5，G 的取值為 QH [ OJ 2RhL2Q2 - oj 3C2L2Rl2 ^k2QlQ2)。_5]，其中，慫為從整流電路往負載方向看進去的等效電阻值，Z1為發送線圈電感值，其它參數如前所述說明。
[0007]本發明具有如下優點:(I)相比於傳統的串並聯諧振形式的副邊阻抗變換電路，本發明所採用的技術方案可以將負載阻抗變換為最優負載阻抗，達到最大傳輸效率。
[0008](2)相比於現有的其他形式副邊阻抗變換電路，如在接收線圈後串聯一個電容，再並聯一個電感的阻抗變換電路，本發明所採用的技術方案，具有更小的損耗、更容易在集成電路中實現等優點。因為電容的品質因數通常大於電感的品質因數，尤其是在集成電路實現時，高品質因數的電感實現非常困難。
【專利附圖】
【附圖說明】[0009]圖1為本發明結構框圖。
[0010]圖中:1.能量發送裝置，2.能量接收裝置，1-1.發送交流電壓源，1-2.原邊阻抗變換電路(電容G)，1-3.發送線圈Z1, 2-1.接收線圈Z2, 2-2.副邊阻抗變換電路中的電容C；，2-3.副邊阻抗變換電路中的電容C2，2-4.整流電路，2-5.LC濾波電路及負載。
【具體實施方式】
[0011]以下結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0012]實施例1:如圖1所示，本發明包括能量發送裝置I和能量接收裝置2。
[0013]能量發送裝置I包括，發送交流電壓源1-1，發送線圈1-3及其所接電容1-2形成串聯諧振，其諧振頻率等於交流電壓源輸出信號頻率《，^ = (IA1C1)a5O發送交流電壓源1-1採用常規E類放大器實現。所述能量發射線圈1-3是在PCB板上製作的平面螺旋線圈。能量接收裝置2包括能量接收線圈2-1及其所接阻抗變換電路電容2-2、電容2-3，整流電路2-4和LC濾波電路及負載2-5。能量接收線圈2-1是在PCB板上製作的平面螺旋線圈，整流電路2-4採用橋式整流。整流電路2-4和LC濾波電路及負載2-5可以等效成一個交流電阻K與實際負載電阻/?lMd之間的關係為<=U2/8)7?lMd。根據最優阻抗的理論分析結果，可以算出電容2-2和電容2-3的取值分別為:
IQJ (o 3TPlZ2 (!+Jc2Q1Q2) ?.5 -1/ ? 2ZPl2] ?.5 和
Q2RJ [? 2RlL2Q2 - oj 3C2L2Rl2 ^k2QlQ2) ?.5]。
[0014]可以將本發明與傳統的串聯和並聯諧振方式進行傳輸效率的比較。在系統工作頻率為13.56MHz條件下，發送線圈1-3的電感值&=101111，品質因素0=71，接收線圈2_1的電感值Z2=2ii H，品質因素込=60.8，負載電阻值/?lMd=300Q，此時，採用本發明的設計方案，可選擇電容G=82.35pF, ^=217.47pF，能達到的傳輸效率為90.35%。採用傳統的並聯諧振方式，副邊阻抗變換電路的並聯電容值為68.95pF，得到的傳輸效率為79% ;或採用傳統的串聯諧振方式，副邊阻抗變換電路的串聯電容值為68.95pF，得到的傳輸效率為78%。可見，採用本發明的設計方案可以有效地提高傳輸效率。
【權利要求】
1.用於感應耦合無線電能傳輸效率優化的負載阻抗匹配方法，其特徵在於:在感應耦合無線電能傳輸系統中，在接收線圈後串聯一個電容G，再並聯一個電容G形成新的副邊阻抗變換電路；通過設計兩個電容的值可以使得負載電阻值等於達到最大傳輸效率時所需的最優負載電阻值；
電容 C2 的取值為 IQJ (O Xl2 ^k2QlQ2) °_5 -1/ ? 2ZPl2] °_5，
電容 Q 的取值為 QH [ oj 2RhL2Q2 - oj 3C2Lj^ ^k2QlQ2) °_5]， 其中，0和Q2分別為原邊和副邊線圈的品質因數泌為兩個線圈之間耦合係數，Z2為接收線圈的電感值，oj為系統工作頻率，慫為從整流電路往負載方向看進去的等效電阻值，Z1為發送線圈電感值。
【文檔編號】H02J17/00GK103683529SQ201310580060
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月19日 優先權日:2013年11月19日
【發明者】程瑜華, 舒亞明 申請人:杭州電子科技大學