CN107508387B - 磁共振电能传输***正向并联协调控制方法 - Google Patents

磁共振电能传输***正向并联协调控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了磁共振电能传输***正向并联协调控制方法，主要解决了无线电能传输***近距离能量传输时，由于频率***的影响而导致***传输效率低下的问题，并且能够保持***在远距离能量传输时的传输效率。设计了一种双层绕制的发射线圈，即在原有单层单向绕制发射线圈的内部空间以相同方向绕制具有一定匝数内部线圈，使外部线圈和内部线圈头头相连，尾尾相连组成双正向并联结构。内部线圈和外部线圈之间由一个开关相连接，使得双正向并联谐振线圈和单正向谐振线圈之间自由切换。近距离能量传输时，闭合开关，双正向并联线圈作为发射线圈，抑制频率***；远距离能量传输时，断开开关，单正向线圈作为发射线圈，保障传输效率。

Description

磁共振电能传输***正向并联协调控制方法
技术领域
本发明涉及磁共振电能传输***正向并联协调控制方法。
背景技术
磁耦合谐振式无线电能传输(wireless power transfer via magneticresonant coupling,WPT/MRC)技术是利用2个或多个具有相同谐振频率的电磁***，当其处于谐振状态时，彼此间发生强烈的能量交换，从而通过非辐射近场实现能量高效率传输的一种技术。
根据耦合强度的大小及***的工作模式，无线电能传输***的工作区域可以分为三种：强耦合、临界耦合、弱耦合区域。
研究发现当无线电能传输***处于强耦合区域时，***的传输效率在谐振频率两侧取得最大值，即出现了频率***现象；随着距离的增加，频率***现象逐渐消失，当达到临界耦合时，***的传输效率在谐振频率处取得最大值；随着传输距离的进一步增大，耦合系数减小，处于弱耦合区域，***的传输效率会急剧下降，但***的传输效率仍在谐振频率处达到最大，即是频率***只出现在近距离传输时。
目前，为了抑制频率***，可以采用阻抗匹配、频率跟踪、改变线圈结构等方法。阻抗匹配技术是通过在发射端引入线圈进行磁感应耦合馈电，通过机械地改变该耦合线圈与谐振线圈间的相对位置来调节***阻抗匹配。该技术操作复杂，不变应用。频率跟踪技术是在WPT/MRC***中附加高频电流检测器、差分放大器、相位补偿器、锁相线圈等一系列复杂的电路来实现对发射回路谐振频率的跟踪控制，进而抑制频率***。但是，这些附加的电路会使***变得复杂，也会消耗额外的能量。此外，还可以通过改变线圈的结构的方式抑制频率***。比如在谐振线圈上引入反向线圈，抵消过强的耦合，可以很好的抑制频率***，但是该技术在较远距离处的耦合强度也被减小，降低了***在远距离传输时的效率。因此需要一种比较好的方法来抑制频率***，同时保障***远距离传输的效率。
发明内容
本发明是为了实现在***中不附加额外复杂电路、消耗多余能量的同时，能够有效抑制WPT/MRC中出现的频率***，并且能够保障***在远距离时的传输效率，从而提供一种高效正向并联无线供电***设计方法。
磁共振电能传输***正向并联协调控制方法，它由以下步骤实现；
步骤一、WPT/MRC***发射端为双正向并联线圈，即双正向并联线圈作为发射线圈；接收端为单向线圈，即单向线圈作为接收线圈；双正向并联线圈由两个绕线方向相同，半径不同的线圈“头头相连，尾尾相连”并联组成；半径小的线圈嵌在半径大的线圈内部，内部线圈和外部线圈之间由一个开关相连接；接收线圈为单向线圈，绕线方向和两个正向并联线圈一致；所有线圈均为圆形螺旋线圈；将发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈同轴放置，并设定接收端单向线圈的半径为rR，匝数为nR，设定发射端组成双正向并联线圈的两个线圈半径分别为rT 1和rT 2，其中rT 1＞rT 2；
步骤二、线圈自感公式为：
式中，μ0为真空磁导率(4π×10-7H/m)，r为线圈半径，n为线圈匝数，a为导线半径。
两单匝圆线圈之间的互感公式为：
式中，r1，r2分别是两单匝圆线圈的半径，d为两单匝圆线圈间的距离，K(k)和E(k)分别是第一类和第二类椭圆积分。
求出发射端两个正向线圈的自感分别为：
式中，rT 1和rT 2分别是两个正向线圈的半径，nT 1和nT 2分别为两个正向线圈的匝数，a为导线的半径。
发射端两个正向线圈和接收端单向线圈之间的互感分别为：
根据电路理论求出发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感为：
式中，nT 1和nT 2分别是发射端两个正向线圈的匝数，nR是接收端单向线圈匝数，rT 1和rT 2分别是发射端两个正向线圈的半径，rR则是接收端单向线圈半径，D为发射端两个正向线圈与接收端单向线圈中心点之间的距离；LT 1和LT 2分别是发射端两个正向线圈的自感；M12是发射端两个正向线圈之间的互感；M1(D)和M2(D)分别是发射端两个正向线圈和接收线圈之间的互感。
步骤三、通过求M(D)关于D的微分，得出公式：
根据双正向并联线圈和单向线圈的结构，在确定发射端两个正向线圈的半径后，可以求出两个正向线圈的匝数比。
步骤四、对两正向线圈的匝数进行调整，根据公式：
确定发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈之间互感随距离变化曲线的平坦程度，v越小则表示互感随距离变化曲线越平坦；综合考虑后，得出两个正向线圈优化匝数分别为nT 1和nT 2。
式中，D0为发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈之间的初始距离，D1为两线圈间互感取最大值是两线圈间的距离。
步骤五、分别求出双正向并联线圈作为发射线圈的WPT/MRC***传输系数：
和单正向线圈作为发射线圈的WPT/MRC***传输系数：
其中ω为角频率，M(D)为双正向并联线圈作为发射线圈时，收发线圈间的互感；M′(D)为单正向线圈作为发射线圈时，收发线圈间的互感，RS和RL分别为源阻抗和负载阻抗。
步骤六、令：
S21＝S21′
根据收发线圈间互感M(D)/M′(D)与距离D之间的关系，求出两式相等时，收发线圈间的距离Dm。
步骤七、当传输距离小于Dm时，双正向并联线圈作为发射线圈的WPT/MRC***的传输效率高于单个正向线圈作为发射线圈的WPT/MRC***传输效率；当传输距离大于Dm时，双正向并联线圈作为发射线圈的WPT/MRC***的传输效率低于单个正向线圈作为发射线圈的WPT/MRC***传输效率。
步骤八、当传输距离小于Dm时，使用双正向并联线圈作为WPT/MRC***的发射线圈，用来抑制频率***，实现***的高效率传输；当传输距离大于Dm时，把半径较小的正向线圈进行断路，使用半径较大的正向线圈作为WPT/MRC***的发射线圈，保持***高效率传输。
步骤九、利用两个可调电容，分别将收发线圈调谐在所用工作频率，完成磁共振电能传输***正向并联协调控制方法。
接收端单向线圈的半径rR和匝数nR的设定标准根据实际充电目标确定；组成发射端双正向并联线圈的两个正向线圈的半径rT 1和rT 2的设定标准根据信号源确定。
组成发射端双正反向并联线圈的两个正向线圈匝数nT 1和nT 2的设定方法是根据发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感随传输距离变化曲线的平坦程度确定。
磁共振电能传输***正向并联协调控制方法，它包括发射线圈(由两个正向线圈组成的双正向并联线圈)、接收线圈(单向线圈)、可调电容C1和可调电容C2；所述线圈均为螺旋圆形线圈。
信号发生器的信号输出端与功率放大器的信号输入端连接；所述功率放大器的正向输出端子与可调电容C1的一端连接；所述可调电容C1的另一端分别与两正向线圈的一端连接；所述两正向线圈“头头相连，尾尾相连”；所述半径较大的正向线圈的另一端与功率放大器的负向输出端子连接；所述半径较小的正向线圈的另一端与开关g的一端连接；所述开关g的另一端与功率放大器的负向输出端子连接；
所述发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈相对同轴放置，且两线圈中心点之间的距离为D，D为正数，所述接收端单向线圈的一端与负载的正向输入端子连接；所述接收端单向线圈的另一端与可调电容C2的一端连接，所述可调电容C2的另一端与负载的负向端子连接。
本发明获得的有益效果：双正向并联线圈在近距离能量传输时作为WPT/MRC***的发射线圈能有效抑制WPT/MRC频率***现象的产生；单正向线圈在远距离能量传输时作为WPT/MRC***的发射线圈能够保证***高效率传输。
附图说明
图1是WPT/MRC***结构示意图；
图2是WPT/MRC***的等效电路图；
图3是发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈结构示意图；
图4是单正向线圈作为发射线圈的无线电能传输***传输效率随频率、收发线圈间距离变化的仿真示意图；
图5是双正向并联线圈作为发射线圈的无线电能传输***传输效率随频率、收发线圈间距离变化的仿真示意图；
图6是单正向/双正向并联线圈作为发射线圈的无线电能传输***传输效率在谐振频率处随收发线圈距离变化的仿真示意图；
图7是近距离时双正向并联线圈作为发射线圈，远距离时单正向线圈作为发射线圈的无线电能传输***传输效率随收发线圈间距离变化的仿真示意图；
具体实施方式
以下结合附图，对高效正向并联无线供电***设计方法进行说明。
图1是WPT/MRC***结构示意图。
如图1所示，WPT/MRC***包括发信号发生器、功率放大器、发射线圈(由两个正向线圈组成的双正向并联线圈)、接收线圈(单向线圈)、可调电容C1和可调电容C2和负载。
图2是WPT/MRC***的等效电路图。
如图2所示，发射端两个正向线圈电感分别为Lt 1和Lt 2，接收端单向线圈电感为Lr；两个正向线圈之间的互感为M12；两个正向线圈与接收端单向线圈之间的互感分别为M1(D)和M2(D)；等效之后，发射端双正向并联线圈的电感为Lt，发射端和接收端线圈之间的互感为M(D)。
图3是发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈结构示意图。
如图3所示，发射端为双正向并联线圈，接收端为单向线圈。双正向并联线圈由两个正向线圈组成，两个正向线圈的绕线方向相同，“头头相连，尾尾相连”组成双正向并联线圈，内部线圈和外部线圈之间由一个开关相连接；接收端单向线圈的绕线方向和两个正向线圈的绕线方向相同，所述线圈均为圆形螺旋线圈。
线圈自感公式为：
式中，μ0为真空磁导率(4π×10-7H/m)，r为线圈半径，n为线圈匝数，a为导线半径。
两单匝圆线圈之间的互感公式为：
式中，r1，r2分别是两单匝圆线圈的半径，d为两单匝圆线圈间的距离，K(k)和E(k)分别是第一类和第二类椭圆积分。
求出发射端两个正向线圈的自感分别为：
式中，rT 1和rT 2分别是两个正向线圈的半径，nT 1和nT 2分别为两个正向线圈的匝数，a为导线的半径。
发射端两个正向线圈和接收端单向线圈之间的互感分别为：
根据图2和电路理论求出发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感为：
式中，nT 1和nT 2分别是发射端两个正向线圈的匝数，nR是接收端单向线圈匝数，rT 1和rT 2分别是发射端两个正向线圈的半径，rR则是接收端单向线圈半径，D为发射端两个正向线圈与接收端单向线圈中心点之间的距离；LT 1和LT 2分别是发射端两个正向线圈的自感；M12是发射端两个正向线圈之间的互感；M1(D)和M2(D)分别是发射端两个正向线圈和接收线圈之间的互感。
通过对式(5)的微分得出式(6)：
其中：
根据双正向并联线圈和单向线圈的结构，在确定发射端两个正向线圈的半径后，可以求出两个正向线圈的匝数比。
对两个正向线圈的匝数进行调整，根据公式：
确定发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈之间互感随距离变化曲线的平坦程度，v越小则表示互感随距离变化曲线越平坦；综合考虑后，得出两个正向线圈优化匝数分别为nT 1和nT 2。
式中，D0为发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈之间的初始距离，D1为两线圈间互感取最大值是两线圈间的距离。
分别求出双正向并联线圈作为发射线圈的WPT/MRC***传输系数：
和单正向线圈作为发射线圈的WPT/MRC***传输系数：
其中ω为角频率，M(D)为双正向并联线圈作为发射线圈时，收发线圈间的互感；M′(D)为单正向线圈作为发射线圈时，收发线圈间的互感，RS和RL分别为源阻抗和负载阻抗。
令：
S21＝S21′ (10)
根据收发线圈间互感M(D)/M′(D)与距离D之间的关系，求出两式相等时，收发线圈间的距离Dm。
当传输距离小于Dm时，双正向并联线圈作为发射线圈的WPT/MRC***的传输效率高于单个正向线圈作为发射线圈的WPT/MRC***传输效率，此时，使用双正向并联线圈作为WPT/MRC***的发射线圈，用来抑制频率***，实现***的高效率传输；当传输距离大于Dm时，双正向并联线圈作为发射线圈的WPT/MRC***的传输效率低于单个正向线圈作为发射线圈的WPT/MRC***传输效率，此时，使发射端其中一个正向线圈断开，使用半径较大的正向线圈作为WPT/MRC***的发射线圈，保持***高效率传输。
根据磁耦合谐振式无线能量传输***的传输特性可以用传输系数S21来表示，传输效率用η来表示。
η＝|S21|2×100％ (12)
当***工作于线圈谐振频率时，传输系数S21可以简化为(10)式：
由公式(10)可以看出，传输系数S21是关于互感和频率的函数，所以在固定工作频率下得到较好的效率变化曲线，可以通过改变收发线圈的参数来实现。因此，对于线圈的优化设计是非常重要的。
图4是单个正向线圈作为发射线圈的无线电能传输***传输效率随频率、收发线圈间距离变化的仿真示意图。
如图4所示，单独使用单个正向线圈作为发射线圈，WPT/MRC***在近距离传输时出现明显的频率***现象，***在谐振频率出得传输效率明显降低。
图5是双正向并联线圈作为发射线圈的无线电能传输***传输效率随频率、收发线圈间距离变化的仿真示意图。
如图5所示，使用由两个正向线圈“头头相连，尾尾相连”组成的双正向并联线圈作为发射线圈，WPT/MRC***传输效率总是在谐振频率处最高，没有发生频率***现象。
通过对比图4和图5可以得出双正向并联线圈作为发射线圈的无线电能传输***可以很好的抑制频率***现在的发生。
图6是单正向/双正向并联线圈作为发射线圈的无线电能传输***传输效率在谐振频率处随收发线圈距离变化的仿真示意图。
如图6所示，单独使用单个正向线圈作为发射线圈，WPT/MRC***在近距离传输时***的传输效率明显低于双正向并联线圈作为发射线圈的无线电能传输***传输效率；远距离时传输效率则高于双正向并联线圈作为发射线圈的无线电能传输***传输效率。
图7是近距离时双正向并联线圈作为发射线圈，远距离时单正向线圈作为发射线圈的无线电能传输***传输效率随收发线圈间距离变化的仿真示意图。
如图7所示，使用单正向和双正向并联两种发射线圈在传输距离不同时进行切换，可以充分保证WPT/MRC***的高效率传输。
总结上面高效正向并联无线供电***设计方法，可以总结成如下设计步骤：
1、根据充电目标确定接收端单向线圈大小，根据电源确定发射端两个正向线圈的大小；
2、求出发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感，即求出(5)，通过对(5)的微分得出(6)，求出两个正向线圈之间的匝数比，对两个正向线圈的匝数进行调整，根据双正向并联线圈和单向线圈之间互感随距离变化曲线的平坦程度选取合适的匝数；根据(10)求出双正向线圈和单正向线圈分别作为发射线圈的切换点；
3、然后利用可调电容，将收发线圈调谐在所用工作频率
发明效果：通过理论计算可知，近距离时，WPT/MRC***使用双正向并联线圈作为发射线圈可以有效抑制频率***现象的发生，并且可以使***在近距离内高效率地进行能量传输；远距离时，切换单正向线圈作为发射线圈的可以保证***具有较高的传输效率。

Claims (4)

1.磁共振电能传输***正向并联协调控制方法，其特征是：它由以下步骤实现：
步骤一、WPT/MRC***发射端为双正向并联线圈，即双正向并联线圈作为发射线圈；接收端为单向线圈，即单向线圈作为接收线圈；双正向并联线圈由两个绕线方向相同，半径不同的线圈头头相连，尾尾相连并联组成；半径小的线圈嵌在半径大的线圈内部，内部线圈和外部线圈之间由一个开关相连接；接收线圈为单向线圈，绕线方向和双正向并联线圈一致；所有线圈均为圆形螺旋线圈；将发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈同轴放置，并设定接收端单向线圈的半径为rR，匝数为nR，设定发射端组成双正向并联线圈的两个线圈半径分别为rT 1和rT 2，其中rT 1＞rT 2；
步骤二、线圈自感公式为：
式中，μ0为真空磁导率(4π×10-7H/m)，r为线圈半径，n为线圈匝数，a为导线半径；
两单匝圆线圈之间的互感公式为：
式中，r1，r2分别是两单匝圆线圈的半径，d为两单匝圆线圈间的距离，K(k)和E(k)分别是第一类和第二类椭圆积分；
根据电路理论求出发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感：
式中，nT 1和nT 2分别是发射端两个正向线圈的匝数，nR是接收端单向线圈匝数，rT 1和rT 2分别是发射端两个正向线圈的半径，其中rT 1＞rT 2，rR则是接收端单向线圈半径，D为发射端两个正向线圈与接收端单向线圈中心点之间的距离；LT 1和LT 2分别是发射端两个正向线圈的自感；M12是发射端两个正向线圈之间的互感；M1(D)和M2(D)分别是发射端两个正向线圈和接收线圈之间的互感；
步骤三、通过求M(D)关于D的微分，得出公式：
根据双正向并联线圈和单向线圈的结构，在确定发射端两个正向线圈的半径后，可以求出两个正向线圈的匝数比；
步骤四、对两正向线圈的匝数进行调整，根据公式：
确定发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈之间互感随距离变化曲线的平坦程度，v越小则表示互感随距离变化曲线越平坦；综合考虑后，得出两个正向线圈优化匝数分别为nT 1和nT 2；
式中，D0为发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈之间的初始距离，D1为两线圈间互感取最大值时两线圈间的距离；
步骤五、分别求出双正向并联线圈作为发射线圈的WPT/MRC***传输系数：
和单正向线圈作为发射线圈的WPT/MRC***传输系数：
其中ω为角频率，M(D)为双正向并联线圈作为发射线圈时，收发线圈间的互感；M′(D)为单正向线圈作为发射线圈时，收发线圈间的互感，RS和RL分别为源阻抗和负载阻抗；
步骤六、令：
S21＝S21′
根据收发线圈间互感M(D)/M′(D)与距离D之间的关系，求出两式相等时，收发线圈间的距离Dm；
步骤七、当传输距离小于Dm时，双正向并联线圈作为发射线圈的WPT/MRC***的传输效率高于单个正向线圈作为发射线圈的WPT/MRC***传输效率；当传输距离大于Dm时，双正向并联线圈作为发射线圈的WPT/MRC***的传输效率低于单个正向线圈作为发射线圈的WPT/MRC***传输效率；
步骤八、当传输距离小于Dm时，使用双正向并联线圈作为WPT/MRC***的发射线圈，用来抑制频率***，实现***的高效率传输；当传输距离大于Dm时，把半径较小的正向线圈进行断路，使用半径较大的正向线圈作为WPT/MRC***的发射线圈，保持***高效率传输；
步骤九、利用两个可调电容，分别将收发线圈调谐在所用工作频率，完成磁共振电能传输***正向并联协调控制方法。
2.根据权利要求1所述的磁共振电能传输***正向并联协调控制方法，其特征在于接收端单向线圈的半径rR和匝数nR的设定标准根据实际充电目标确定；组成发射端双正向并联线圈的两正向线圈半径rT 1和rT 2的设定标准根据信号源确定。
3.根据权利要求2所述的磁共振电能传输***正向并联协调控制方法，其特征在于组成发射端双正向并联线圈的两正向线圈匝数nT 1和nT 2的设定方法是根据发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感随传输距离变化曲线的平坦程度确定。
4.根据权利要求1所述的磁共振电能传输***正向并联协调控制方法，其特征是装置包括发射线圈、接收线圈、可调电容C1和可调电容C2；以上所述线圈均为螺旋圆形线圈；
信号发生器的信号输出端与功率放大器的信号输入端连接；所述功率放大器的正向输出端子与可调电容C1的一端连接；所述可调电容C1的另一端分别与两正向线圈的一端连接；所述两正向线圈头头相连，尾尾相连；所述半径较大的正向线圈的另一端与功率放大器的负向输出端子连接；所述半径较小的正向线圈的另一端与开关g的一端连接；所述开关g的另一端与功率放大器的负向输出端子连接；
所述发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈相对同轴放置，且两线圈中心点之间的距离为D，D为正数，所述接收端单向线圈的一端与负载的正向输入端子连接；所述接收端单向线圈的另一端与可调电容C2的一端连接，所述可调电容C2的另一端与负载的负向端子连接。
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