用于感應(yīng)耦合無線電能傳輸效率優(yōu)化的負(fù)載阻抗匹配方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于感應(yīng)耦合無線電能傳輸效率優(yōu)化的負(fù)載阻抗匹配方法。本發(fā)明在感應(yīng)耦合無線電能傳輸系統(tǒng)中，在接收線圈后串聯(lián)一個電容C2，再并聯(lián)一個電容C3形成新的副邊阻抗變換電路。通過設(shè)計兩個電容的值可以使得負(fù)載電阻值等于達(dá)到最大傳輸效率時所需的最優(yōu)負(fù)載電阻值。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案，具有更小的損耗、更容易在集成電路中實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】用于感應(yīng)耦合無線電能傳輸效率優(yōu)化的負(fù)載阻抗匹配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線電能傳輸領(lǐng)域，具體涉及感應(yīng)耦合無線電能傳輸過程中負(fù)載阻抗匹配方法，可以優(yōu)化傳輸效率。
【背景技術(shù)】
[0002]在許多場合，電子器件的供電采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、墻體中，當(dāng)電池耗盡，無法更換電電池；在野外農(nóng)業(yè)中用于檢測農(nóng)作物生長的無線傳感器，更換電池要花費(fèi)大量人力物力；在植入式醫(yī)療中植入體內(nèi)的醫(yī)療器件，更換電池可能給人體帶來痛苦和風(fēng)險等。無線供電是解決此問題的途徑之一。
[0003]感應(yīng)耦合無線電能傳輸方式是電能發(fā)送端和接收端距離較近時通常采用的方法，它通過兩個耦合線圈之間的電磁感應(yīng)傳遞電能，其基本原理如圖1所示，主要包括發(fā)送交流電壓源，原邊阻抗變換電路，發(fā)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(fù)載。原邊阻抗變換電路和副邊阻抗變換電路分別設(shè)計成與發(fā)送線圈和接收線圈諧振的形式，是當(dāng)前提高傳輸效率、發(fā)送交流信號源輸出功率因數(shù)的常用方法。原邊阻抗變換電路通常是為提高發(fā)送交流信號源輸出功率因數(shù)而設(shè)計，圖1中采用串聯(lián)諧振可以實(shí)現(xiàn)接近于I的功率因數(shù)。但是，副邊阻抗變換電路采用簡單的串聯(lián)或并聯(lián)諧振方式通常不能達(dá)到最優(yōu)的傳輸效率。原因是，它們分別有一個能達(dá)到最優(yōu)傳輸效率的負(fù)載電阻值，但這個最優(yōu)負(fù)載電阻值與實(shí)際負(fù)載電阻值并不相等。
[0004]事實(shí)上，可以根據(jù)發(fā)送線圈和接收線圈的參數(shù)，求出傳輸效率最大時接收線圈所接的最優(yōu)負(fù)載阻抗值及所對應(yīng)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(zhì)因數(shù)泌為兩個線圈之間耦合系數(shù)，乙為接收線圈的電感值，《為系統(tǒng)工作頻率。因此，可以根據(jù)得到的最優(yōu)負(fù)載阻抗值設(shè)計副邊阻抗變換電路達(dá)到最大傳輸效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決傳統(tǒng)串聯(lián)或并聯(lián)諧振無線電能傳輸方式中負(fù)載電阻并非效率最高時的最優(yōu)電阻，以致于不能達(dá)到最大效率的問題，本發(fā)明采用一種新的副邊阻抗變換電路來達(dá)到最高電能傳輸效率。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:在感應(yīng)耦合無線電能傳輸系統(tǒng)中，在接收線圈后串聯(lián)一個電容G，再并聯(lián)一個電容G形成新的副邊阻抗變換電路。通過設(shè)計兩個電容的值可以使得負(fù)載電阻值等于達(dá)到最大傳輸效率時所需的最優(yōu)負(fù)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(fù)載方向看進(jìn)去的等效電阻值，Z1為發(fā)送線圈電感值，其它參數(shù)如前所述說明。
[0007]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):(I)相比于傳統(tǒng)的串并聯(lián)諧振形式的副邊阻抗變換電路，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案可以將負(fù)載阻抗變換為最優(yōu)負(fù)載阻抗，達(dá)到最大傳輸效率。
[0008](2)相比于現(xiàn)有的其他形式副邊阻抗變換電路，如在接收線圈后串聯(lián)一個電容，再并聯(lián)一個電感的阻抗變換電路，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案，具有更小的損耗、更容易在集成電路中實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)殡娙莸钠焚|(zhì)因數(shù)通常大于電感的品質(zhì)因數(shù)，尤其是在集成電路實(shí)現(xiàn)時，高品質(zhì)因數(shù)的電感實(shí)現(xiàn)非常困難。
【專利附圖】

【附圖說明】[0009]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)框圖。
[0010]圖中:1.能量發(fā)送裝置，2.能量接收裝置，1-1.發(fā)送交流電壓源，1-2.原邊阻抗變換電路(電容G)，1-3.發(fā)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(fù)載。
【具體實(shí)施方式】
[0011]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0012]實(shí)施例1:如圖1所示，本發(fā)明包括能量發(fā)送裝置I和能量接收裝置2。
[0013]能量發(fā)送裝置I包括，發(fā)送交流電壓源1-1，發(fā)送線圈1-3及其所接電容1-2形成串聯(lián)諧振，其諧振頻率等于交流電壓源輸出信號頻率《，^ = (IA1C1)a5O發(fā)送交流電壓源1-1采用常規(guī)E類放大器實(shí)現(xiàn)。所述能量發(fā)射線圈1-3是在PCB板上制作的平面螺旋線圈。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(fù)載2-5。能量接收線圈2-1是在PCB板上制作的平面螺旋線圈，整流電路2-4采用橋式整流。整流電路2-4和LC濾波電路及負(fù)載2-5可以等效成一個交流電阻K與實(shí)際負(fù)載電阻/?lMd之間的關(guān)系為<=U2/8)7?lMd。根據(jù)最優(yōu)阻抗的理論分析結(jié)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(fā)明與傳統(tǒng)的串聯(lián)和并聯(lián)諧振方式進(jìn)行傳輸效率的比較。在系統(tǒng)工作頻率為13.56MHz條件下，發(fā)送線圈1-3的電感值&=101111，品質(zhì)因素0=71，接收線圈2_1的電感值Z2=2ii H，品質(zhì)因素込=60.8，負(fù)載電阻值/?lMd=300Q，此時，采用本發(fā)明的設(shè)計方案，可選擇電容G=82.35pF, ^=217.47pF，能達(dá)到的傳輸效率為90.35%。采用傳統(tǒng)的并聯(lián)諧振方式，副邊阻抗變換電路的并聯(lián)電容值為68.95pF，得到的傳輸效率為79% ;或采用傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振方式，副邊阻抗變換電路的串聯(lián)電容值為68.95pF，得到的傳輸效率為78%?？梢姡捎帽景l(fā)明的設(shè)計方案可以有效地提高傳輸效率。
【權(quán)利要求】
1.用于感應(yīng)耦合無線電能傳輸效率優(yōu)化的負(fù)載阻抗匹配方法，其特征在于:在感應(yīng)耦合無線電能傳輸系統(tǒng)中，在接收線圈后串聯(lián)一個電容G，再并聯(lián)一個電容G形成新的副邊阻抗變換電路；通過設(shè)計兩個電容的值可以使得負(fù)載電阻值等于達(dá)到最大傳輸效率時所需的最優(yōu)負(fù)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(zhì)因數(shù)泌為兩個線圈之間耦合系數(shù)，Z2為接收線圈的電感值，oj為系統(tǒng)工作頻率，慫為從整流電路往負(fù)載方向看進(jìn)去的等效電阻值，Z1為發(fā)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(yōu)先權(quán)日:2013年11月19日
【發(fā)明者】程瑜華, 舒亞明 申請人:杭州電子科技大學(xué)