CN105226839A - 磁耦合谐振式无线电能传输系统及其双侧自调谐方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁耦合谐振式无线电能传输系统及其双侧自调谐方法，该系统包括至少由高频电源、第一端口、发射侧谐振电容、发射线圈依次电连接组成的发射回路和至少由接收线圈、接收侧谐振电容、第二端口、负载依次电连接组成的接收回路，所述发射线圈与接收线圈之间通过磁场耦合相连接，在所述发射回路中第一端口的后端和发射侧谐振电容的前端之间增加一个阻抗调节网络。本发明通过在发射回路中增加一个阻抗调节网络来实现发射回路自动调谐；在接收回路中无需增加额外的阻抗调节网络，仅通过调节发射端电源工作频率来间接实现接收回路自动调谐，大大降低了接收端电路的复杂性、能量损耗与控制难度。

Description

磁耦合谐振式无线电能传输系统及其双侧自调谐方法

技术领域

本发明属于无线电能传输领域，具体涉及一种磁耦合谐振式无线电能传输系统及其双侧自调谐方法。

背景技术

无线电能传输方法允许不使用导线而传输电能，在电气化交通、移动终端设备、机器人、物联网、医学等领域具有广阔的应用前景。总的来说，无线电能传输方法可分为辐射式和非辐射式两类。辐射式无线电能传输方法通过发射电磁波而传输能量，可实现远距离传输，但能量传输效率较低，此外大功率的电磁能量辐射到环境中也会危害人的健康，因此辐射式无线电能传输方法的应用场合受限；非辐射式无线电能传输方法包含感应耦合式、磁耦合谐振式、电场耦合式几种。其中，磁耦合谐振式无线电能传输方法具有中短距离、高效率、安全性好等优势，近年来成为研究热点，该方法已在电动汽车、移动电子设备、植入式医学器件等领域得到一定的应用。

采用磁耦合谐振式无线电能传输方法的系统必须在谐振时才能获得最高传输效率，在工程实际中，导致系统失谐振/阻抗失匹配的因素有许多：如在对手机进行无线充电时，人为地改变了手机与充电器之间的相对位置；在对电动车进行无线充电时，由于充电器与安装在汽车地盘上的接收装置未严格对准；再如工作环境的温度变化导致充电器与接收装置的电磁谐振频率发生漂移等。诸如以上原因都可能导致系统失谐振。相关研究表明系统一旦偏离谐振状态，其能量传输效率将急剧降低，当系统完全失谐时，其传输效率几乎为零，在大功率的应用场合下，系统失谐振/阻抗失匹配还会导致电路变得极不稳定，由于正向传输功率受阻，反射功率很大，可能造成设备损坏。为此，实现系统发射、接收回路双侧自动调谐十分重要。

在许多无线电能传输的应用场合下，由于终端设备体积、重量等限制，难以在接收回路中增加额外的电路进行自动调谐；如接收回路不能实现自动调谐，又会降低整个系统的无线电能传输效率。因此，如何实现系统发射回路、接收回路双侧自动调谐，又尽可能简化接收装置的电路结构，是本领域迫切需要解决的关键技术之一。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题而提供一种磁耦合谐振式无线电能传输系统及其双侧自调谐方法，使系统能自适应传输距离、电路寄生参数、负载阻抗等参数值的变化，将发射回路与接收回路同时调整为谐振状态，获得最高无线电能传输效率。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

本发明提供的磁耦合谐振式无线电能传输系统的双侧自调谐方法，该系统包括至少由高频电源、第一端口、发射侧谐振电容、发射线圈依次电连接组成的发射回路和至少由接收线圈、接收侧谐振电容、第二端口、负载依次电连接组成的接收回路，所述发射线圈与接收线圈之间通过磁场耦合相连接，在所述发射回路中第一端口的后端和发射侧谐振电容的前端之间增加一个阻抗调节网络，然后按以下步骤进行：

步骤1.先调谐接收回路：调整电源工作频率ω，直到接收回路的阻抗满足Im(Z_out+Z_L)＝0，Z_out、Z_L分别为第二端口处的输出阻抗和负载阻抗，此时接收回路呈现纯阻性，将此时的电源工作频率记为ω₀；

步骤2.再调谐发射回路：使电源工作频率恒为ω₀，调整所述阻抗调节网络的阻抗参数值，直到发射回路的阻抗满足Im(Z_in+Z_S)＝0，且Re(Z_in)＝Re(Z_S)，Z_in、Z_S分别为第一端口处的输入阻抗和电源内阻，此时发射回路呈现纯阻性，且电源输出功率最大；

步骤3.重复步骤1、步骤2，直到检测得到的发射回路的阻抗满足|Im(Z_in+Z_S)|<a，|Re(Z_in)-Re(Z_S)|<b，接收回路的阻抗满足|Im(Z_in+Z_S)|<c，a、b、c为设定的阈值。

本发明提供的磁耦合谐振式无线电能传输系统，包括至少由高频电源、第一端口、发射侧谐振电容、发射线圈依次电连接组成的发射回路和至少由接收线圈、接收侧谐振电容、第二端口、负载依次电连接组成的接收回路，所述发射线圈与接收线圈之间通过磁场耦合相连接；所述发射回路中设有定向耦合器检测模块、第一控制模块、程控电压源、第一通信模块、以及由可变电容C₁、可变电容C₂、可变电感L₁组成的π型阻抗调节网络，所述定向耦合器检测模块串联在发射回路中第一端口处，所述定向耦合器检测模块、程控电压源、第一通信模块分别与第一控制模块电连接，所述可变电容C₁、可变电容C₂、可变电感L₁分别与程控电压源电连接；所述接收回路中设有电流检测模块、电压检测模块、鉴相电路、第二控制模块与第二通信模块，所述电流检测模块串联在接收回路中第二端口处，所述电压检测模块并联在接收回路中第二端口处，所述电流检测模块、电压检测模块分别与鉴相电路电连接，所述鉴相电路、第二通信模块分别与第二控制模块电连接。

所述定向耦合器检测模块用于检测发射回路中第一端口处的反射系数并输入到第一控制模块中；所述第一通信模块用于得到接收回路中第二端口处的电流、电压相位差信息并输入第一控制模块中；所述第一控制模块用于处理检测到反射系数、相位差信息并控制高频电源的输出频率和程控电源的输出电压，使得第一端口处反射系数为0，第二端口处电流电压相位差为0；所述程控电压源用于调整可变电容C₁、可变电容C₂、可变电感L₁的值，从而调节发射回路中第一端口处的输入阻抗；所述电流检测模块、电压检测模块分别用于检测接收回路中第二端口处的电流、电压并送入到鉴相电路中；所述鉴相电路用于得到上述电流、电压信号的相位差并送入到第二控制模块中；所述第二控制模块用于处理检测到的相位差信息并利用第二通信模块向第一通信模块发送数据。

有益效果：

本发明通过在发射回路中增加一个阻抗调节网络来实现发射回路的自动调谐；在接收回路中无需增加额外的阻抗调节网络，仅通过调节发射端电源工作频率来间接实现接收回路自动调谐，大大降低了接收端电路的硬件复杂性、能量损耗与控制难度。

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

附图说明

图1是本发明系统的电路图。

图2是磁耦合谐振式无线电能传输系统原理图。

图3是无线电能传输系统的二端口网络模型图。

图4是无线电能传输系统双侧调谐方法原理图。

图5是π型阻抗调节网络图。

图6是耦合系数k变化时Z_in和的Z_out仿真结果图。

图7是耦合系数k变化时系统传输效率η的仿真结果图。

图8是接收侧谐振电容C_D变化时系统传输效率η的仿真结果图。

图9是负载阻抗变化Z_L时系统传输效率η的仿真结果图。

具体实施方式

本发明提供的磁耦合谐振式无线电能传输系统，如图1所示，包括由高频电源、端口1、发射侧谐振电容、发射线圈依次电连接组成的发射回路和由接收线圈、接收侧谐振电容、端口2、负载依次电连接组成的接收回路，所述发射线圈与接收线圈之间通过磁场耦合相连接；所述发射回路中设有定向耦合器检测模块、控制模块1、程控电压源、通信模块1、以及由可变电容C₁、可变电容C₂、可变电感L₁组成的π型阻抗调节网络，所述定向耦合器检测模块串联在发射回路中端口1处，所述定向耦合器检测模块、程控电压源、通信模块1分别与控制模块1电连接，所述可变电容C₁、可变电容C₂、可变电感L₁分别与程控电压源电连接；所述接收回路中设有电流检测模块、电压检测模块、鉴相电路、控制模块2与通信模块2，所述电流检测模块串联在接收回路中端口2处，所述电压检测模块并联在接收回路中端口2处，所述电流检测模块、电压检测模块分别与鉴相电路电连接，所述鉴相电路、通信模块2分别与控制模块2电连接。

所述定向耦合器检测模块用于检测发射回路中端口1处的反射系数并输入到控制模块1中；所述通信模块1用于得到接收回路中端口2处的电流、电压相位差信息并输入控制模块1中；所述控制模块1用于处理检测到反射系数、相位差信息并控制高频电源的输出频率和程控电源的输出电压，使得端口1处反射系数为0，端口2处电流电压相位差为0；所述程控电压源用于调整可变电容C₁、可变电容C₂、可变电感L₁的值，从而调节发射回路中端口1处的输入阻抗；所述电流检测模块、电压检测模块分别用于检测接收回路中端口2处的电流、电压并送入到鉴相电路中；所述鉴相电路用于得到上述电流、电压信号的相位差并送入到控制模块2中；所述控制模块2用于处理检测到的相位差信息并利用通信模块2向通信模块2发送数据。

本发明提供的磁耦合谐振式无线电能传输系统的双侧自调谐方法，采用上述系统，按以下步骤进行：

步骤1.先调谐接收回路：调整电源工作频率ω，直到检测到的接收回路端口2处的电流、电压相位差为0，接收回路的阻抗满足Im(Z_out+Z_L)＝0(Z_out、Z_L分别为端口2处的输出阻抗和负载阻抗，Im(*)表示取虚部)，此时接收回路发生谐振，将此时的电源工作频率记为ω₀。

步骤2.再调谐发射回路：使电源工作频率恒为ω₀，调整所述π型阻抗调节网络中C₁、C₂、L₁的值，直到检测到的端口1处的反射系数为0，发射回路的阻抗满足Im(Z_in+Z_S)＝0，且Re(Z_in)＝Re(Z_S)(Z_in、Z_S分别为端口1处的输入阻抗和电源内阻，Im(*)表示取虚部，Re(*)表示取实部)，此时发射回路发生谐振，且电源输出功率最大；

步骤3.重复步骤1、步骤2，直到检测得到的发射回路的阻抗满足|Im(Z_in+Z_S)|<a，|Re(Z_in)-Re(Z_S)|<b，接收回路的阻抗满足|Im(Z_in+Z_S)|<c，a、b、c为设定的阈值。

本发明的原理：

一个典型的磁耦合谐振式无线电能传输系统等效电路如图2所示，包括高频电源、发射线圈、发射侧谐振电容、接收线圈、接收侧谐振电容以及负载几个部分。发射回路与接收回路具有相同的电磁谐振频率，二者之间通过磁场耦合发生共振，从而使能量高效地从发射侧向接收侧传输，线圈间距即为无线传输距离。

上述无线电能传输系统可等效为图3所示的二端口网络模型，其中C_S、C_D分别为发射、接收线圈谐振电容，L_S、L_D分别为发射、接收线圈等效电感，R_S、R_D分别为发射、接收线圈等效电阻，Z_S为电源内阻，Z_L为负载阻抗，M为两线圈之间的互感。U_S为电源开路电压。U₁、I₁分别为端口1-1'处的输入电压与电流，U₂、I₂分别为端口2-2'处的输入电压与电流。

由图3中的连接关系，根据基尔霍夫定律可得：

$\left[\begin{array}{c}{U}_1\\ I_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_2\\ I_2\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，A＝(R_S+jωL_S+1/jωC_S)/jωM,C＝1/jωM,D＝-(R_D+jωL_D+1/jωC_D)/jωM

B＝-(R_S+jωL_S+1/jωC_S)(R_D+jωL_D+1/jωC_D)/jωM+jωM

二端口网络端口1-1'处的输入阻抗Z_in与端口2-2'处的输出阻抗Z_out为

$Z_{in}=\frac{U_1}{I_1}=\frac{{\mathrm{AZ}}_L-B}{{\mathrm{CZ}}_L-D}---\left(2\right)$

$Z_{out}=\frac{U_2}{I_2}=-\frac{{\mathrm{DZ}}_S+B}{{\mathrm{CZ}}_S+A}---\left(3\right)$

电源的输出功率表示为

$P_S=\left|{I_1}^2{Z}_{in}\right|=\left|{\left(\frac{U_S}{Z_S+Z_{in}}\right)}^2{Z}_{in}\right|---\left(4\right)$

由式(4)可知，当端口1-1'处的输入阻抗匹配条件Z_in＝Z_S ^*时，电源输出的功率最大，此时

$P_{Smax}=\frac{{U_S}^2}{4Z_S}{|}_{Z_{in}=X_S*}---\left(5\right)$

负载吸收的功率表示为

$P_L=\left|{I_2}^2{Z}_L\right|=\left|\frac{{U_S}^2{Z}_L}{{(B+{\mathrm{DZ}}_S-{\mathrm{AZ}}_L-{\mathrm{CZ}}_S{Z}_L)}^2}\right|---\left(6\right)$

将负载吸收的功率与电源输出功率之比定义为传输效率，可得

$\mathrm{\&eta;}=\frac{P_L}{P_S}=\left|\frac{{(Z_S+Z_{in})}^2{Z}_L}{{(B+{\mathrm{DZ}}_S-{\mathrm{AZ}}_L-{\mathrm{CZ}}_S{Z}_L)}^2{Z}_{in}}\right|---\left(7\right)$

在工程应用中，通常希望最大化无线电能传输系统的传输效率，为此，需要使系统的发射回路、接收回路工作在谐振状态，即满足条件Im(Z_in+Z_S)＝0且Im(Z_out+Z_L)＝0，此时发射与接收回路均呈现纯阻性。然而在实际情况中，传输距离变化、负载阻抗变化、线圈未对准、电路寄生参数变化等因素都会改变回路阻抗，使得Im(Z_in+Z_S)≠0，Im(Z_out+Z_L)≠0，此时系统的传输效率将大大降低，需要重新调谐系统。

为了解决以上问题，本发明采用图4所示的方法对无线电能传输系统进行调谐：由于电路阻抗与发射侧电源工作频率紧密相关，在接收回路中，通过调整发射侧的电源频率ω来使其满足谐振条件Im(Z_out+Z_L)＝0；在发射回路中加入阻抗调节网络，以调整端口1出的输入阻抗Z_in，使得Im(Z_in+Z_S)＝0，在此基础上，进一步满足阻抗匹配条件Re(Z_in)＝Re(Z_S)，使电源输出的功率最大。发射回路中的π型阻抗调节网络由可变电容阵列、电感组成，如图5所示。

为了实现自动调谐，在系统电路中加入了检测、控制、驱动单元，构成了如图1所示的本发明双侧自调谐无线电能传输系统电路。

本发明方法与传统的无线电能传输系统自调谐方法比较。

传统的自调谐方法包括：

频率跟踪方法。使电源输出频率时刻与线圈的谐振频率保持一致，该方法一定程度解决了线圈易失谐的问题，然而当发射线圈与接收线圈谐振频率变化不一致时，该方法无法不再适用；

阻抗映射方法。采用四线圈结构，通过调节源线圈与发射线圈之间的相对位置调整发射回路的映射阻抗，调节接收线圈与负载线圈的相对位置调整接收回路的映射阻抗，该方法能实现双侧调谐，然而需要增加源线圈和负载线圈，大大增加了系统的结构复杂性；

双侧加入阻抗调节网络的方法。该方法在发射电路、接收电路中各加入一个由储能元件组成的阻抗调节网络、驱动电路等，分别用来调谐发射回路与接收电路，该方法虽然能实现双侧调谐，然而在接收回路中增加了额外的阻抗调节网络，必然消耗更多的能量并增大控制难度。且在许多情况下，由于终端设备体积、重量等限制，不允许在接收回路中增加额外的元器件。

本方法与传统自调谐方法比较的优势在于：无需在接收电路中增加额外的元器件，仅通过调节发射侧电源的工作频率来间接实现接收回路自动调谐，大大简化了接收侧的电路结构，使接收电路易于集成，同时也降低了能量损耗与控制难度。

本发明效果通过以下对比仿真实验加以说明。

实验中磁耦合谐振式无线能量传输系统的有关参数如表1所示。

表1磁耦合谐振式无线能量传输系统参数

参数类型	参数值	参数类型	参数值
				发射线圈电感量LS	11.5uH	接收线圈电感量LD	14.6uH
发射线圈电阻RS	522.3mΩ	接收线圈电阻RD	563.2mΩ
				发射侧谐振电容CS	350pF	接收侧谐振电容CD	277pF
电源内阻ZS	50Ω	耦合系数k	0.2
				负载阻抗ZL	50Ω	电源频率	2.5MHz

将A、B、C、D参数带入公式(2)、(3)可得系统发射回路中端口1处的输入阻抗Z_in、接收回路中端口2处的输出阻抗Z_out分别为：

$Z_{in}=\frac{(R_S+{\mathrm{j\&omega;L}}_S+1/{\mathrm{j\&omega;C}}_S)(Z_L+R_D+{\mathrm{j\&omega;L}}_D+1/{\mathrm{j\&omega;C}}_D)+{\left(\mathrm{\&omega;}M\right)}^2}{Z_L+R_D+{\mathrm{j\&omega;L}}_D+1/{\mathrm{j\&omega;C}}_D}---\left(8\right)$

$Z_{out}=\frac{(Z_S+R_S+{\mathrm{j\&omega;L}}_S+1/{\mathrm{j\&omega;C}}_S)(R_D+{\mathrm{j\&omega;L}}_D+1/{\mathrm{j\&omega;C}}_D)+{\left(\mathrm{\&omega;}M\right)}^2}{Z_S+R_S+{\mathrm{j\&omega;L}}_S+1/{\mathrm{j\&omega;C}}_S}---\left(9\right)$

其中M为线圈互感，耦合系数k与M的关系为：

$k=\frac{M}{\sqrt{L_S{L}_D}}---\left(10\right)$

(1)耦合系数变化的情况

设置耦合系数k变化范围为0.1-0.8，根据公式(8)、(9)、(10)可得端口1处的输入阻抗Z_in、端口2处的输出阻抗Z_out的数值仿真结果如图6所示。可见，在耦合系数k＝0.22时，满足谐振条件Im(Z_in+Z_S)≈0，Re(Z_in)≈Re(Z_S)＝50Ω，Im(Z_out+Z_L)≈0。当耦合系数k偏离0.22时，不再满足以上谐振条件。

利用本发明提出方法实现无线电能传输系统双侧自调谐，按以下步骤进行：

步骤1.先调谐接收回路：由式(9)可知，接收回路中端口2处的输出阻抗Z_out与电源工作频率ω有关。调整电源工作频率ω，直到接收回路的阻抗满足Im(Z_out+Z_L)＝0(Im(*)表示取虚部)，将此时的电源工作频率记为ω₀。

步骤2.再调谐发射回路：使电源工作频率恒为ω₀，加入所述π型阻抗调节网络后，发射回路中端口1处的输入阻抗Z_in与阻抗调节网络中C₁、C₂、L₁有关。调整C₁、C₂、L₁的值，直到发射回路的阻抗满足Im(Z_in+Z_S)＝0，且Re(Z_in)＝Re(Z_S)(Re(*)表示取实部)。

步骤3.重复步骤1、步骤2，直到检测得到的发射回路的阻抗满足|Im(Z_in+Z_S)|<a，|Re(Z_in)-Re(Z_S)|<b，接收回路的阻抗满足|Im(Z_in+Z_S)|<c(a、b、c为设定的阈值)。

根据公式(7)得到系统传输效率的数值仿真结果如图7所示，可见系统未进行自动调谐时，在耦合系数k＝2.2时，由于满足谐振条件Im(Z_in+Z_S)≈0，Re(Z_in)≈Re(Z_S)，Im(Z_out+Z_L)≈0，系统的传输效率最高，此时增大或减小耦合系数都会降低系统的传输效率。利用上述方法对系统进行重新调谐后，系统的传输效率有了得到显著提高，耦合系数k在0.1～0.8之间变化时，系统的传输效率保持在91.3％以上。

(2)接收侧谐振电容值变化、负载阻抗变化情况

同理，在接收侧谐振电容值变化、负载阻抗变化时，按上述三个步骤进行调谐，得到的仿真结果如下：

接收侧谐振电容值变化时系统传输效率的仿真结果如图8所示，系统未进行自动调谐时，在接收侧谐振电容C_d＝277pF时系统的传输效率最高，当接收侧谐振电容值偏离277pF时，系统的传输效率迅速降低。利用上述方法对系统进行重新调谐后，系统的传输效率得到显著提高，当接收侧谐振电容在200—400pF之间变化时，系统的传输效率保持在94.7％以上。

负载阻抗值变化时系统传输效率的仿真结果如图9所示，系统未进行自动调谐时，在负载阻抗Z_L＝30Ω欧时系统的传输效率最高，当负载阻抗偏离30Ω时，系统的传输效率降低。利用上述方法对系统进行重新调谐后，系统的传输效率有了得到显著提高，当负载阻抗值在10-100Ω之间变化时，系统的传输效率保持在94.2％以上。

Claims (2)

1.一种磁耦合谐振式无线电能传输系统的双侧自调谐方法，其特征是该系统包括至少由高频电源、第一端口、发射侧谐振电容、发射线圈依次电连接组成的发射回路和至少由接收线圈、接收侧谐振电容、第二端口、负载依次电连接组成的接收回路，所述发射线圈与接收线圈之间通过磁场耦合相连接，在所述发射回路中第一端口的后端和发射侧谐振电容的前端之间增加一个阻抗调节网络，然后按以下步骤进行：

步骤1.先调谐接收回路：调整电源工作频率ω，直到接收回路的阻抗满足Im(Z_out+Z_L)＝0，Z_out、Z_L分别为第二端口处的输出阻抗和负载阻抗，此时接收回路发生谐振，将此时的电源工作频率记为ω₀；

步骤2.再调谐发射回路：使电源工作频率恒为ω₀，调整所述阻抗调节网络的参数值，直到发射回路的阻抗满足Im(Z_in+Z_S)＝0，且Re(Z_in)＝Re(Z_S)，Z_in、Z_S分别为第一端口处的输入阻抗和电源内阻，此时发射回路发生谐振，且电源输出功率最大；

步骤3.重复步骤1、步骤2，直到发射回路的阻抗满足|Im(Z_in+Z_S)|<a，|Re(Z_in)-Re(Z_S)|<b，接收回路的阻抗满足|Im(Z_in+Z_S)|<c，a、b、c为设定的阈值。

2.一种磁耦合谐振式无线电能传输系统，包括至少由高频电源、第一端口、发射侧谐振电容、发射线圈依次电连接组成的发射回路和至少由接收线圈、接收侧谐振电容、第二端口、负载依次电连接组成的接收回路，所述发射线圈与接收线圈之间通过磁场耦合相连接；所述发射回路中设有定向耦合器检测模块、第一控制模块、程控电压源、第一通信模块、以及由可变电容C₁、可变电容C₂、可变电感L₁组成的π型阻抗调节网络，所述定向耦合器检测模块串联在发射回路中第一端口处，所述定向耦合器检测模块、程控电压源、第一通信模块分别与第一控制模块电连接，所述可变电容C₁、可变电容C₂、可变电感L₁分别与程控电压源电连接；所述接收回路中设有电流检测模块、电压检测模块、鉴相电路、第二控制模块与第二通信模块，所述电流检测模块串联在接收回路中第二端口处，所述电压检测模块并联在接收回路中第二端口处，所述电流检测模块、电压检测模块分别与鉴相电路电连接，所述鉴相电路、第二通信模块分别与第二控制模块电连接。