CN103105526B - 信号波形对谐振感应无线能量传输效率影响的验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种信号波形对谐振感应无线能量传输效率影响的验证方法，针对一个中距离的无线能量传输***，本发明采用磁耦合谐振感应方式进行能量传递，在经过理论计算后可以寻找到一个合适的能量传输谐振点，并用实验进行验证，发现偏差不大，在无线能量传输过程中，在发送端的输入信号的波形变化会影响整个***的传输效率。

Description

信号波形对谐振感应无线能量传输效率影响的验证方法

技术领域

本发明涉及无线电能量传输技术领域，尤其是涉及一种信号波形对谐振感应无线能量传输效率影响的验证方法。

背景技术

磁耦合谐振式无线能量传输技术是国内外学术界和工业界开始探索的一个新领域，集电磁场、电力电子、高频电子、电磁感应、耦合理论等多学科交叉的基础研究与应用研究，属于世界上电能输送领域的前沿课题。谐振式能量传输技术，是利用两个具有相同的特定谐振频率的电磁***，在相距一定的距离时，由于电磁耦合产生谐振，进行能量传递。一般来说，两个有一定距离的电磁***，相互之间是弱耦合，但若两个***的固有谐振频率相同，则会产生强磁谐振，如果一方不断为***提供能量，而另一方消耗能量，则实现了能量的传输。

磁耦合谐振式无线能量传输技术与感应式无线能量传输技术不同之处在于该技术融合了共振技术，不仅提高了能量的传输距离，而且提高了能量的传输效率。另外，该技术不像微波对人体产生危害，由于人体作为非磁性物体，暴露在强磁场环境中不会有任何影响，再则，该技术实现能量传输的基本原理是共振，只有谐振频率相同的谐振体才有可能受到影响，所以不必担心其对人体及周围物体产生危害。

所谓无线电能传输(WirelessPowerTransmission,WPT)是借助于电磁场或电磁波进行能量传递的一种技术。随着科技的发展和生活水平的提高，手机、笔记本等移动的电器越来越多地走进了居民日常生活，而这些设备的有线充电给人们造成了诸多不便，在石油和采矿等工业生产领域，由于特殊的现场作业条件难以依靠架设电线的传统方式供电。在电力输送方面，山头的基站、孤立的岛屿等特殊的地段，传统的输电方式也很难满足其供电需求。因此，发展无线电能量传输技术的重要性日益突显出来。

目前,根据无线能量传输原理，可将无线能量传输方式分为三类：电磁波无线能量传输技术、感应式无线能量传输技术、磁耦合谐振式无线能量传输技术。

电磁波无线能量传输技术直接利用了电磁波能量可以通过天线发送和接收的原理，该技术可以实现极高功率的无线传输，但是在能量传输过程中，发送器必须对准接收器，能量传输受方向限制，并且不能绕过或穿过障碍物，微波在空气中的损耗也大，效率低，对人体和其他生物都有严重伤害，所以该技术一般应用于特殊场合，如低轨道军用卫星。

感应式无线能量传输技术主要利用电磁感应原理，采用松耦合变压器或者可分离变压器方式实现能量无线传输。由于该技术的传输距离太近并不能把人民从电线的束缚中解放出来，给人们生活带来方便，所以为小功率移动设备如手机等无线充电到目前并不普及。

发明内容

为解决现有技术的问题，本发明提出了一种信号波形对谐振感应无线能量传输效率影响的验证方法。

本发明的技术方案为一种信号波形对谐振感应无线能量传输效率影响的验证方法，对一个无线能量传输***，采用以下公式求取能量传输谐振点ω_r，

${\mathrm{\&omega;}}_r={\mathrm{\&omega;}}_n\sqrt{1-{2\mathrm{\&xi;}}^2},0<\mathrm{\&xi;}<1$

式中N为耦合的线圈匝数，ω₀为谐振频率，μ₀为真空磁导率，C为线路电容；

然后将发送线圈的各种发生信号波形的信号频率均设在能量传输谐振点ω_r上，设各种发生信号波形的幅值相同；

对每种发生信号波形采用实验电路进行验证，包括使用示波器检测在能量传输谐振点ω_r上接收线圈的输出电压，记录输出电压有效值，并计算出接收线圈的消耗功率，求取接收线圈的消耗功率与发送线圈的发送功率比值得到传输效率，根据传输效率得到验证结果。

而且，所述发送线圈的发送功率的获取方式为，先采取固定信号发生器输出电压，不接发送线圈使用示波器测量此时的电压有效值，再接入发送线圈并使用示波器测量发送线圈两端的电压有效值，利用两个电压有效值的压降除以内阻计算出发送线圈电流，然后得到发送线圈的发送功率。

而且，发送线圈的发生信号波形包括方波、三角波和正弦波。

而且，所述实验电路包括发送回路、接收回路和示波器，

发送回路包括串联的信号发生器、发送线圈及发送电容，信号发生器与示波器相连；接收回路包括串联的接收线圈、接收电容及负载，负载两端并联灯泡，接收线圈与接收电容串联后连接示波器。

针对一个中距离的无线能量传输***，本发明采用磁耦合谐振感应方式进行能量传递，在经过理论计算后可以寻找到一个合适的能量传输谐振点，并用实验进行验证，发现偏差不大，在无线能量传输过程中，在发送端的输入信号的波形变化会影响整个***的传输效率。本文针对谐振感应式无线能量传输***，提出了选择方波、正弦波及三角波三种典型的波形作为发送线圈的输入信号进行实验，得出结论是不同波形输入信号对无线能量传输效率影响是不同的。其中方波作为发生信号时传输效率最大，三角波的传输效率最小。

附图说明

图1是本发明实施例的线圈简易示意图。

图2是本发明实施例的输入波形信号图，其中图2a为方波波形图，图2b为三角波波形图，图2c为正弦波波形图。

图3是本发明实施例的无线能量传输简单示意图。

图4是本发明实施例的3种波形信号无线能量传输输出电压对比图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

在磁耦合谐振式无线能量传输***中，传输效率控制是一个关键技术问题，在优化发送线圈线径，绕圈直径，线圈材质等的同时，还需要考虑到发送线圈输入驱动信号的类型问题。本发明所研究的对象主要为中等距离范围（一般指1m至10m左右）的谐振感应无线能量传输，影响谐振感应无线能量传输的变量有很多，实施例对发生信号波形对能量传输的影响进行了分析，并进行实验验证。

基本理论分析：

在图1中，其中K12表示线圈间的耦合参数，发送端的等效电路包括串联的信号发生器电源AC、发送线圈内阻、发送线圈电感和发送线圈电容，接收端的等效电路包括串联的接收线圈内阻、接收线圈电感和接收线圈电容，发送线圈内阻和接受线圈内阻相等即R，发送线圈电感和接收线圈电感相等即L，发送线圈电容和接收线圈电容相等即C。设t表示时间，s表示复变量，T₁、T₂为时间常数，本发明可以分析得到接收端数学模型如下：

$T_1{T}_2\frac{d^2{u}_0\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}+T_2\frac{{\mathrm{du}}_0\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+u_0\left(t\right)=u_i\left(t\right)---\left(1\right)$

$\mathrm{LC}\frac{d^2{u}_0\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}+\mathrm{RC}\frac{{\mathrm{du}}_0\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+u_0\left(t\right)=u_i\left(t\right)---\left(2\right)$

$\begin{array}{cc}{\mathrm{LCs}}^2{u}_0\left(s\right)+\mathrm{RCsu}\left(s\right)+u_0\left(s\right)=u_i\left(s\right)& \left(3\right)\\ \frac{u_0\left(s\right)}{u_i\left(s\right)}=\frac{1}{{\mathrm{LCs}}^2+\mathrm{RCs}+1}& \left(4\right)\end{array}$

$\begin{array}{c}=\frac{\frac{1}{\mathrm{LC}}}{s^2+\frac{\mathrm{RC}}{\mathrm{LC}}s+\frac{1}{\mathrm{LC}}}\\ =\frac{{{\mathrm{\&omega;}}_n}^2}{s^2+{2\mathrm{\&xi;\&omega;}}_{n}s+{{\mathrm{\&omega;}}_n}^2}\end{array}---\left(5\right)$

其中 ${2\mathrm{\&xi;\&omega;}}_n=\frac{R}{L},$ $\mathrm{\&xi;}=\frac{R\sqrt{C}}{2\sqrt{L}},$ ${\mathrm{\&omega;}}_n=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}}$

其中，u₀(t)表示输出电压，u_i(t)表示输入电压。

对该传递函数的幅频特性进行分析，本发明求其极大值所在的点(谐振点)即可得到谐振耦合式无线能量传输***中的谐振频率，即能量传输谐振点ω_r：

${\mathrm{\&omega;}}_r={\mathrm{\&omega;}}_n\sqrt{1-{2\mathrm{\&xi;}}^2},0<\mathrm{\&xi;}<1.$

其中ω_n为无阻尼振荡频率，ξ为***阻尼比，当ξ=0时，ω_r=ω_n即副方（接收端）电阻为0时：谐振频率=无阻态自激振荡频率，副边的电阻越小越好。

发生信号类型：

在各种交流信号中，常用的波形主要有三种，方波，正弦波和三角波，在本发明中只选取此三种典型的波形作为无线能量传输初级电路的发生信号，信号频率均设在谐振点上，为2.174MHz。波形图见附图中图2输入波形信号图，其中图2a为方波波形图，图2b为三角波波形图，图2c为正弦波波形图，横坐标为T/ms，时间单位ms，纵坐标为Vin/v，输入电压单位V。

在无线能量传输中，其过程其实是一种能量的转换，由于发生信号的能量会直接影响到发送端的能量输出，本发明有必要对三种典型的波形能量进行简单的分析，而功率是信号能量的一种表现形式，用功率度量信号的能量，信号平均功率P＝W/T，其中W为信号的能量；T为信号某一周期。

在本研究内容中本发明的信号发生器其阻值是固定的，P＝U²/R，R为电阻，那么功率的度量就可以由信号的电压U来决定，在此本发明选取信号的电压有效值进行分析来代替对发生信号的能量分析。

在三种典型的波形中本发明知道三种波形的频率均相同，在电压最大值相等的情况下，本发明来比较其有效值，假设电压最大值为Vm，周期为T。

对于方波有 $\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Fr}}=\sqrt{\frac{{\&Integral;}_0^{T/2}{\mathrm{Vm}}^2\mathrm{dt}}{T/2}},0<t<\frac{T}{2}\\ V_{\mathrm{Fr}}=\sqrt{\frac{{\&Integral;}_{T/2}^T{(-\mathrm{Vm})}^2\mathrm{dt}}{T/2}},\frac{T}{2}<t<T\end{array}\right.---\left(6\right)$

对于三角波有 $\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Sr}}=\sqrt{\frac{{\&Integral;}_{-T/4}^{T/4}{(4\&times;\mathrm{Vm}\&times;t/T)}^2\mathrm{dt}}{T/2}},\frac{-T}{4}<t<\frac{T}{4}\\ V_{\mathrm{Sr}}=\sqrt{\frac{{\&Integral;}_{T/4}^{3T/4}{(-4\&times;\mathrm{Vm}\&times;(t-\frac{T}{2})/T)}^1\mathrm{dt}}{T/2}},\frac{T}{4}<t<\frac{3T}{4}\end{array}\right.---\left(7\right)$

对于正弦波有 $V_{\mathrm{Zr}}=\sqrt{\frac{{\&Integral;}_0^T{(\mathrm{Vm}\&times;\sin \mathrm{\&omega;t})}^1\mathrm{dt}}{T}},0<t<T---\left(8\right)$

其中V_Fr为方波的电压有效值；V_Sr为三角波的电压有效值，V_Zr为正弦波的电压有效值。

计算可得V_Fr=Vm， $V_{\mathrm{Sr}}=\mathrm{Vm}/\sqrt{3},$ $V_{\mathrm{Zr}}=\mathrm{Vm}/\sqrt{2},$ ω为正弦波的角频率。

从结果可以看出方波信号的能量是最大的，信号送给发送线圈所得到的谐振能量也将最大化。

本发明提供的实验电路包括发送回路、接收回路和示波器，发送回路包括串联的信号发生器、发送线圈及发送电容，信号发生器与示波器相连；接收回路包括串联的接收线圈、接收电容及负载，负载两端并联灯泡，接收线圈与接收电容串联后连接示波器。为便于实施参考起见，提供实施例的详细方案：

在本发明中选用多股的漆包线进行线圈的制作，匝数为10圈，每圈的半径15cm，自制的两个线圈之间的垂直距离为80cm，其中电容选用的是陶瓷电容容量较小，选用15pF电容。在上述材料能够确保实验正常进行的情况下本发明不作更改，更改的变量为波形的类型输入。选择的信号发生器型号为EE1642B1，其内阻为50欧，示波器选用双通道RIFOL的DS1022C，实际电路结构在图3无线能量传输简单示意图中V_S表示信号发生器内部的电源电压，V_i反映发送线圈两端的电压，V_o反映接收线圈两端的电压。如图3所示，发送端的信号发生器与示波器相连，通过电压源V_S给发送回路供电来为整个***提供工作功率和能量，相当于输入信号，但在效率计算中输入信号的功率Pi为电压源功率减去信号发生器内阻R_s消耗掉的功率，同时串联发送线圈及电容；示波器测得发送电压V_i。接收回路中接收线圈与接收电容串联后连接示波器，示波器测量输出电压V_o，整个接收回路由接收线圈、接收电容及负载R_o串联而成，为方便观察负载R_o两端并联灯泡。

在实验电路中要分明变量和不变量，在实验中对三种不同波形，其峰值都是相同的，首先对一个无线能量传输***，采用以下公式求取能量传输谐振点ω_r，

${\mathrm{\&omega;}}_r={\mathrm{\&omega;}}_n\sqrt{1-{2\mathrm{\&xi;}}^2},0<\mathrm{\&xi;}<1$

式中N为耦合的线圈匝数，ω₀为谐振频率，μ₀为真空磁导率，C为线路电容。

使用示波器检测在谐振频率ω_r上接收线圈的输出电压，记录输出电压有效值，并计算出接收线圈的消耗功率。实验需要将发送线圈的发送功率计算出来，由于设备原因可能无法直接测量线圈电流，可先采取固定信号发生器输出电压，不接发送线圈使用示波器测量此时的电压有效值，再接入发送线圈并使用示波器测量发送线圈两端的有效值，由于已知信号发生器内阻可利用两有效值压降除以内阻计算出发送线圈电流，即可以得到发送线圈的发送功率，然后用接收功率（即接收线圈的消耗功率）比发送功率可得传输效率。

实施例对每种发生信号波形采用实验电路进行验证，包括使用示波器检测在谐振频率ωr上接收线圈的输出电压，记录输出电压有效值，并计算出接收线圈的消耗功率，求取接收线圈的消耗功率与发送线圈的发送功率比值得到传输效率，根据传输效率得到验证结果。对不同波形，提供传输效率不同验证如下：

对图3中的电路进行分析，本发明可以求出传输效率ρ＝Po/Pi，Po表示接收线圈的功率，Pi表示发送线圈的功率，在接收端本发明可以得到

$\mathrm{Pi}=\frac{V_s-V_o}{R_s}\&times;V_i,\mathrm{Po}=\frac{{\mathrm{Vo}}^2}{R_0}---\left(9\right)$

由于电容值较小未考虑其影响，其中电压均为电压有效值。

经过实验测量，并对实验数据进行记录分析，本发明可以得到电压波形图，其中有在各波形Vp-p相同情况下的不同输出，三种波形对应的输出电压原始数据可参见下表：

表1三种波形对应的输出电压原始数据表(单位均为：V)

从电压波形图中及记录数据中，本发明再利用上述所说的传输效率计算公式可以得到各波形所对应的传输效率依次为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&rho;}}_F=6.2\%,\mathrm{Vsf}=10.128V,\mathrm{Vi}=9.7V,\\ {\mathrm{\&rho;}}_Z=5.5\%,\mathrm{Vsz}=8.290V,\mathrm{Vi}=7.87V,\\ {\mathrm{\&rho;}}_S=4.8\%,\mathrm{Vss}=7.403V,\mathrm{Vi}=7.01V,\end{array}\right|\mathrm{Rs}=50\mathrm{\&Omega;},\mathrm{Ro}=4.7\mathrm{k\&Omega;},\mathrm{Vo}=4.92V\}$

其中Vsf，Vsz，Vss表示方波、正弦波、三角波的电压Vs，即不接发送线圈时信号发生器的输出电压，Vo反映接收线圈的输出电压。由上面的计算结果可以看出在传输效率方面，方波的传输效率最大，正弦波信号次之，其中三角波无线能量传输最小。

波形不同，输入电压不同输出不同验证：

按照图3的电路重复进行实验，本次实验的变量为波形不同，波形的Vp-p不同，观察接收端的输出电压，并将其绘制成直观曲线。由于信号发生器的性能等问题，在高频率状态下表现不佳，输出方波不是理想方波，三角波棱角不明显等现象，三种波形所受影响相同，但并不影响本次实验，实验分析图4，为3种波形信号无线能量传输输出电压对比图。

从上述结果中本发明可以看到方波信号的输出电压始终为最强的输出，三角波信号的输出较弱。

总而言之，本发明意在研究发生信号的波形对无线能量传输效率的影响，在叙述的论述过程中，本发明采用的谐振感应的传输方法进行能量传输，在进行简单的理论分析之后本发明对其进行了实验验证，可以得到结论。在利用谐振感应进行无线能量传输的过程中，其传输效率与发送端的输入发生信号有关，在三种经典的发生信号中，其中方波作为输入信号时，无线能量传输的效率最大，正弦波信号次之，三角波的传输效率最弱。经过对上述问题的验证，本发明可以对无线能量传输***的效率问题进行改进，在输入驱动信号的选择上，本发明可以选择方波作为驱动信号，这样在无线能量***中本发明所获得的传输效率是最大的，减少了不必要的能量损耗，同时也为无限能量传输***的传输距离问题做好基垫。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种信号波形对谐振感应无线能量传输效率影响的验证方法，其特征在于：对一个中距离的无线能量传输***，采用以下公式求取能量传输谐振点ω_r，

${\mathrm{\&omega;}}_r={\mathrm{\&omega;}}_n\sqrt{1-{2\mathrm{\&xi;}}^2},0<\mathrm{\&xi;}<1$

式中ω_n为无阻尼振荡频率，ξ为***阻尼比，当ξ＝0时，ω_r＝ω_n即接收端电阻为0时：谐振频率＝无阻态自激振荡频率，接收端的电阻越小越好；

然后将发送线圈的各种发生信号波形的信号频率均设在能量传输谐振点ω_r上，设各种发生信号波形的幅值相同；

对每种发生信号波形采用实验电路进行验证，包括使用示波器检测在能量传输谐振点ω_r上接收线圈的输出电压，记录输出电压有效值，并计算出接收线圈的消耗功率，求取接收线圈的消耗功率与发送线圈的发送功率比值得到传输效率，根据传输效率得到验证结果；

所述发送线圈的发送功率的获取方式为，先采取固定信号发生器输出电压，不接发送线圈使用示波器测量此时的电压有效值，再接入发送线圈并使用示波器测量发送线圈两端的电压有效值，利用两个电压有效值的压降除以内阻计算出发送线圈电流，然后得到发送线圈的发送功率；

所述实验电路包括发送回路、接收回路和示波器，

发送回路包括串联的信号发生器、发送线圈及发送电容，信号发生器与示波器相连；接收回路包括串联的接收线圈、接收电容及负载，负载两端并联灯泡，接收线圈与接收电容串联后连接示波器。

2.根据权利要求1所述信号波形对谐振感应无线能量传输效率影响的验证方法，其特征在于：发送线圈的发生信号波形包括方波、三角波和正弦波。