基于不同諧振頻率輔助線圈的無線能量傳輸方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于不同諧振頻率輔助線圈的無線能量傳輸方法，首先構(gòu)建無線傳輸系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括高頻信號(hào)發(fā)生器、發(fā)射線圈、接收線圈、輔助線圈和負(fù)載；其次通過可變電容調(diào)諧發(fā)射線圈和接收線圈，使兩者具有相同的諧振頻率，而輔助線圈具有不同的自諧振頻率，高頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生高頻諧振信號(hào)，使得發(fā)射線圈和接收線圈產(chǎn)生共振；最后根據(jù)傳輸距離，調(diào)節(jié)輔助線圈與發(fā)射線圈以及輔助線圈與接收線圈的間距，使功率傳輸效率能夠隨著傳輸距離的變化始終穩(wěn)定在60％以上；本發(fā)明專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為：設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)；能夠緩解頻率分裂的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)高效率的能量傳輸；當(dāng)傳輸距離發(fā)生變化時(shí)，功率傳輸效率始終保持較高水平，應(yīng)用范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)。

Wireless energy transmission method based on auxiliary coil with different resonance frequency

The invention discloses a wireless power transmission method based on different resonant frequencies of the auxiliary coil, first build the wireless transmission system, the system includes a high frequency signal generator, transmitting coil and receiving coil, auxiliary coil and load; followed by variable capacitance tuning transmitting and receiving coils, and make them have the same resonant frequency, and the auxiliary since the coil has a different resonant frequency, high frequency signal generator generates high frequency resonance signal, the transmitting and receiving coils to produce resonance; according to the transmission distance, adjust the auxiliary coil and the transmitting coil and the auxiliary coil and the receiving coil spacing, the power transmission efficiency can change with the transmission distance has stabilized at more than 60%; the invention has the advantages of the design has the advantages of simple structure, easy to realize; can alleviate the frequency splitting phenomenon. High efficiency energy transmission, when the transmission distance changes, the power transmission efficiency has always maintained a high level, a wide range of applications, adaptability.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
基于不同諧振頻率輔助線圈的無線能量傳輸方法
本專利技術(shù)涉及無線電能傳輸，尤其涉及一種通過增加不同諧振頻率的輔助線圈的高效率無線能量傳輸方法。
技術(shù)介紹
無線能量傳輸(WirelessPowerTransmission,WPT)是一項(xiàng)在通信、工業(yè)、醫(yī)療、消費(fèi)電子等領(lǐng)域有著巨大應(yīng)用前景的實(shí)用技術(shù)。WPT技術(shù)可以無線傳輸能量，使便攜式、可穿戴式設(shè)備真正擺脫電源線的限制；可以遠(yuǎn)程傳輸能量，解決無線傳感網(wǎng)絡(luò)中自主型節(jié)點(diǎn)、自主型機(jī)器人、RFID標(biāo)簽的供電問題；還可以穿過障礙物傳輸能量，使醫(yī)學(xué)植入式設(shè)備的續(xù)航得以保障。WPT技術(shù)主要分為：感應(yīng)式WPT，共振式WPT，和輻射式WPT。三種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)：感應(yīng)式WPT技術(shù)在距離極近時(shí)可以獲得較大的傳輸效率，但是傳輸效率隨著距離的增大迅速下降；輻射式WPT可以利用定向輻射獲得較大的傳輸距離，但是其傳輸效率較低，并存在射頻污染的可能。共振式WPT則是利用各自獨(dú)立的自諧振線圈之間的臨界耦合，將感應(yīng)式WPT的傳輸距離提高到數(shù)倍于線圈尺寸，在犧牲部分傳輸效率的情況下，獲得比較可觀的傳輸功率。然而，傳統(tǒng)的共振式WPT的傳輸距離仍然受到線圈尺寸的限制，無法實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)距離(傳輸距離數(shù)十倍于線圈尺寸)的能量傳輸。近年來，為了實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)距離的WPT，研究者開始嘗試使用多個(gè)中繼線圈以拓展共振式無線能量傳輸?shù)膫鬏斁嚯x。這種包含一個(gè)發(fā)射線圈、多個(gè)中繼線圈、一個(gè)或多個(gè)接收線圈的無線能量傳輸方式被稱為“中繼式無線能量傳輸(WirelessPowerTransferwithRelayResonators)”。這種多個(gè)耦合諧振環(huán)的結(jié)構(gòu)最早由E.Shamonina等人在2002年提出，主要用于傳感網(wǎng)絡(luò)的通信，該結(jié)構(gòu)是將多個(gè)環(huán)形諧振器排成一條直線或曲線，利用諧振器之間的磁耦合使電磁波得以遠(yuǎn)距離傳播，因而被稱為“磁感應(yīng)波導(dǎo)(MIW,Magneto-inductivewaveguide)”。近年來，這種磁感應(yīng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被用于無線能量傳輸，也被稱為“中繼式WPT”、“多米諾諧振式無線能量傳輸(WirelessPowerDomino-ResonatorSystem)”或“陣列式無線輸能(WPTSystemwithArrayofResonators)”等。這種傳統(tǒng)的“中繼式WPT”系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求所有線圈(包括發(fā)射線圈，中繼線圈和接收線圈)調(diào)諧在相同的諧振頻率下實(shí)現(xiàn)共振傳輸能量。當(dāng)中繼線圈數(shù)量增加時(shí)，不可避免地會(huì)出現(xiàn)頻率分裂的現(xiàn)象。這種頻率分裂的現(xiàn)象會(huì)使得系統(tǒng)在諧振頻率處效率很低。為了解決這一問題，國內(nèi)外許多研究者也提出了頻率跟蹤和阻抗匹配的方法，但是實(shí)施起來比較復(fù)雜。因此，我們提出了一種新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠緩解頻率分裂的現(xiàn)象，高效率的傳輸系統(tǒng)能量。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
專利技術(shù)目的：針對磁耦合共振無線電能傳輸系統(tǒng)隨著傳輸距離的增大，耦合系數(shù)的減小而導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸效率急劇下降的問題，本專利技術(shù)的目的是提供一種通過增加不同諧振頻率輔助線圈以緩解頻率分裂、實(shí)現(xiàn)高效率電能傳輸?shù)臒o線電能傳輸方法。技術(shù)方案：本專利技術(shù)所述的基于不同諧振頻率輔助線圈的無線能量傳輸方法，包括如下步驟：(A)構(gòu)建無線傳輸系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括高頻信號(hào)發(fā)生器、發(fā)射線圈、接收線圈、輔助線圈和負(fù)載，其中，高頻信號(hào)發(fā)生器與發(fā)射線圈相連，接收線圈和負(fù)載相連，輔助線圈放置在負(fù)載附近的某個(gè)位置；所述發(fā)射線圈和接收線圈具有相同的結(jié)構(gòu)和電參數(shù)；且發(fā)射線圈、接收線圈和輔助線圈中任意兩者之間的距離可調(diào)；(B)發(fā)射線圈，接收線圈和輔助線圈利用高頻下的等效電阻、自身電感和可變電容分別組成各自的諧振電路，并通過可變電容調(diào)諧電路產(chǎn)生特定的諧振頻率；其中，發(fā)射線圈和接收線圈具有相同的諧振頻率f1，輔助線圈的自諧振頻率為f2，且f2≠f1；(C)高頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生高頻諧振信號(hào)，其頻率與發(fā)射線圈、接收線圈的諧振頻率相同，使得發(fā)射線圈和接收線圈產(chǎn)生共振；(D)根據(jù)發(fā)射線圈與接收線圈之間的傳輸距離，調(diào)節(jié)輔助線圈在兩者之間的位置，使功率傳輸效率能夠隨著傳輸距離的變化始終穩(wěn)定在60％以上。所述發(fā)射線圈、接收線圈和輔助線圈均由銅線繞制而成，且位置上滿足軸線平行。所述輔助線圈可為一個(gè)或者多個(gè)，當(dāng)發(fā)射線圈與接收線圈的間距很遠(yuǎn)或者相對位置比較復(fù)雜時(shí)，一個(gè)輔助線圈可能并不能實(shí)現(xiàn)效率更優(yōu)，這時(shí)候就需要增加輔助線圈的個(gè)數(shù)或者調(diào)節(jié)輔助線圈的諧振頻率來實(shí)現(xiàn)效率優(yōu)化。有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)；基于新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠緩解頻率分裂的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)高效率的能量傳輸；當(dāng)傳輸距離發(fā)生變化時(shí)，功率傳輸效率始終保持較高水平，應(yīng)用范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)。附圖說明圖1是本專利技術(shù)的無線能量傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本專利技術(shù)的無線能量傳輸系統(tǒng)的等效電路模型圖；圖3是僅有發(fā)射線圈和接收線圈時(shí)，無線輸能系統(tǒng)傳輸距離和功率傳輸效率的關(guān)系示意圖；圖4是當(dāng)輔助線圈與接收線圈耦合一定時(shí)，發(fā)射線圈與輔助線圈之間的耦合和傳輸距離的變化對功率傳輸效率的影響圖；圖5是基于不同諧振頻率輔助線圈和基于相同諧振頻率輔助線圈的傳輸效率對比圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本專利技術(shù)的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。如圖1所示，基于增加不同諧振頻率輔助線圈的無線能量傳輸系統(tǒng)，包括高頻信號(hào)發(fā)生器1，發(fā)射線圈2，接收線圈3，輔助線圈4以及負(fù)載5。高頻信號(hào)發(fā)生器1發(fā)出高頻信號(hào)脈沖，將能量信號(hào)傳送給發(fā)射線圈2，接收線圈3通過線圈間的磁耦合共振從發(fā)射線圈2處得到高頻信號(hào)發(fā)生器1所發(fā)出的高頻振蕩信號(hào)，接收線圈3再將能量供給負(fù)載5及負(fù)載設(shè)備。如圖2所示，本專利技術(shù)提出的磁耦合共振無線輸能系統(tǒng)的等效電路模型共有三個(gè)線圈回路，分別為發(fā)射回路，接收回路和輔助回路，其中，發(fā)射線圈2，接收線圈3和輔助線圈4利用其自身在高頻下的等效電阻、自身電感和可變電容組成諧振電路，可變電容的作用是調(diào)諧電路產(chǎn)生特定的諧振頻率；發(fā)射線圈2和接收線圈3具有相同結(jié)構(gòu)及電參數(shù)，通過可變電容調(diào)諧成具有相同的諧振頻率。在此基礎(chǔ)上，高頻信號(hào)發(fā)生器1發(fā)出與發(fā)射線圈2和接收線圈3相同諧振頻率的高頻諧振信號(hào)，使得發(fā)射線圈2和接收線圈3產(chǎn)生共振。當(dāng)發(fā)射線圈2和接收線圈3之間的距離發(fā)生變化時(shí)，分別調(diào)節(jié)輔助線圈4與發(fā)射線圈2以及輔助線圈4與接收線圈3之間的間距，使三者的間距，即三個(gè)線圈之間的耦合系數(shù)滿足一定的關(guān)系，使功率傳輸效率能夠隨著傳輸距離的變化始終穩(wěn)定在60％以上，即可實(shí)現(xiàn)在傳輸距離變化時(shí)，功率傳輸效率保持較高水平。本實(shí)施例的無線能量傳輸系統(tǒng)的工作頻率為f＝30MHz，電源和負(fù)載的電阻分別為50Ω，發(fā)射線圈2，接收線圈3和輔助線圈4的參數(shù)如表1所示。表1圖2中，VS是外加激勵(lì)源高頻信號(hào)發(fā)生器1產(chǎn)生信號(hào)的電壓；Rs是外加激勵(lì)源高頻信號(hào)發(fā)生器的內(nèi)阻；用于無線能量發(fā)射的線圈諧振回路包括電感LT，可變電容CT，高頻下的等效電阻RTP；輔助線圈諧振回路包括電感L1，可變電容C1，高頻下的電阻R1P；用于無線接收的線圈諧振回路包括電感L2，可變電容C2，高頻下的電阻R2P；RX為負(fù)載阻抗。系統(tǒng)電源的交流電壓和內(nèi)阻與發(fā)射線圈2諧振回路的電感、電容和寄生電阻均為串聯(lián)關(guān)系；接收線圈3的電感、電容和寄生電阻與負(fù)載5均為串聯(lián)關(guān)系。可變電容C的計(jì)算公式為：IT是發(fā)射線圈2上的電流；IX1是輔助線圈4上的電流；IX2是接收線圈3及流過負(fù)載5上的電流；Mt本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于不同諧振頻率輔助線圈的無線能量傳輸方法，其特征在于，包括如下步驟：(A)構(gòu)建無線傳輸系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括高頻信號(hào)發(fā)生器(1)、發(fā)射線圈(2)、接收線圈(3)、輔助線圈(4)和負(fù)載(5)；其中，高頻信號(hào)發(fā)生器(1)與發(fā)射線圈(2)相連，接收線圈(3)和負(fù)載(5)相連，發(fā)射線圈(2)、接收線圈(3)和輔助線圈(4)中任意兩者之間的距離可調(diào)；所述發(fā)射線圈(2)和接收線圈(3)具有相同的結(jié)構(gòu)和電參數(shù)；(B)發(fā)射線圈(2)，接收線圈(3)和輔助線圈(4)利用高頻下的等效電阻、自身電感和可變電容分別組成諧振電路，通過可變電容調(diào)諧電路產(chǎn)生特定的諧振頻率；其中，發(fā)射線圈(2)和接收線圈(3)具有相同的諧振頻率f1，輔助線圈的自諧振頻率為f2，f2≠f1；(C)高頻信號(hào)發(fā)生器(1)產(chǎn)生頻率為f1的高頻諧振信號(hào)，使得發(fā)射線圈(2)和接收線圈(3)產(chǎn)生共振；(D)根據(jù)發(fā)射線圈(2)與接收線圈(3)之間的距離，調(diào)節(jié)輔助線圈(4)在兩者之間的位置，使功率傳輸效率能夠隨著傳輸距離的變化始終穩(wěn)定在60％以上。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于不同諧振頻率輔助線圈的無線能量傳輸方法，其特征在于，包括如下步驟：(A)構(gòu)建無線傳輸系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括高頻信號(hào)發(fā)生器(1)、發(fā)射線圈(2)、接收線圈(3)、輔助線圈(4)和負(fù)載(5)；其中，高頻信號(hào)發(fā)生器(1)與發(fā)射線圈(2)相連，接收線圈(3)和負(fù)載(5)相連，發(fā)射線圈(2)、接收線圈(3)和輔助線圈(4)中任意兩者之間的距離可調(diào)；所述發(fā)射線圈(2)和接收線圈(3)具有相同的結(jié)構(gòu)和電參數(shù)；(B)發(fā)射線圈(2)，接收線圈(3)和輔助線圈(4)利用高頻下的等效電阻、自身電感和可變電容分別組成諧振電路，通過可變電容調(diào)諧電路產(chǎn)生特定的諧振頻率；其中，發(fā)射線圈(2)和接收線圈(3)具有相同的諧振頻率f1，輔助線圈的自諧振頻率為f2，...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：唐萬春，陸振君，李保珠，于正永，葛晉群，張海勇，
申請(專利權(quán))人：南京師范大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇,32