CN109638980B - 一种用于高频无线输电***的阻抗匹配调节的方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高频无线输电***的阻抗匹配调节的方法及***，属于无线电能传输技术领域。包括：绕制馈电线圈和高频传输线圈，使补偿电容与高频传输线圈并联，补偿电容与馈电线圈串联；测试馈电线圈和高频传输线圈的电磁参数；准确测试无线输电距离下的发射线圈和接收线圈的互感系数k23；固定发射线圈和接收线圈之间间距，调节负载线圈与接收线圈之间的耦合系数k34；固定负载线圈与接收线圈的最优距离，利用阻抗分析仪测试高频无线输电***工作频率时激励线圈的等效输入内阻，调节激励线圈与发射线圈之间的互感系数k12，使等效输入内阻与高频电源的内阻匹配。本发明无需额外阻抗匹配器，即可实现传输效率与功率的双重优化。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，具体涉及一种用于高频无线输电***的阻抗匹配调节的方法及***。
背景技术
由于馈电线圈与传输线圈之间的强电磁耦合，高频四线圈无线输电***能有效较小电源端***以及线圈参数改变引起的干扰，在中距离无线供电以及小功率高频电子设备无线充电等领域具备广阔的应用前景。传统的高频四线圈无线输电***与高频交流电源连接时，需要额外的阻抗匹配器。当传输距离改变时，需通过调节阻抗匹配器进行电源端的阻抗匹配，保证功率的稳定输出，故***较为复杂。因此，高频四线圈无线输电***的传输优化以及***电源端的阻抗匹配的同时优化，显得十分必要。
发明内容
本发明针对高频四线圈无线输电***额传输效率与功率的要求，本发明提出了一种用于高频无线输电***的阻抗匹配调节的方法，具体包括：
绕制馈电线圈和高频传输线圈，使补偿电容与高频传输线圈并联，补偿电容与馈电线圈串联；
所述馈电线圈包括激励线圈和负载线圈，所述高频传输线圈包括发射线圈和接收线圈；
测试馈电线圈和高频传输线圈的电磁参数；
准确测试无线输电距离下的发射线圈和接收线圈的互感系数k23；
固定发射线圈和接收线圈之间间距，调节负载线圈与接收线圈之间的耦合系数k34；
固定负载线圈与接收线圈的最优距离，利用阻抗分析仪测试高频无线输电***工作频率时激励线圈的等效输入内阻，调节激励线圈与发射线圈之间的互感系数k12，使等效输入内阻与高频电源的内阻匹配。
可选的，电磁参数包括激励线圈的自感L1和激励线圈的内阻R1、负载线圈的自感L4、负载线圈的内阻R4、发射线圈的自谐振频率f02、接收线圈的自谐振频率f03、高频无线输电***工作频率f0、发射线圈的自感L2、发射线圈的内阻R2、接收线圈的自感L3、接收线圈的内阻R3和高频传输线圈的自谐振频率，所述高频传输线圈的谐振频率为高频传输线圈工作频率f0时，高频传输线圈并联的补偿电容满足
j＝2和3，所述高频无线输电***的工作频率f0小于的发射线圈的自谐振频率f02和接收线圈的自谐振频率f03时，馈电线圈串联的补偿电容满足
i＝1和4。
可选的，补偿电容使激励线圈、负载线圈、发射线圈和接收线圈保持相同的自谐振频率。
可选的，激励线圈连接高频电源，激励线圈与发射线圈临近放置，负载线圈连接负载后与接收线圈临近放置；发射线圈与接收线圈距离固定之后，利两馈电线圈与传输线圈之间的耦合强度可调。
可选的，谐振电容包括高频薄膜电容、陶瓷电容和瓷片电容。
可选的，高频传输线圈是方平面螺旋、圆平面螺旋、立体螺旋方形或立体螺旋圆形线圈，由利兹线、铜管或铝管绕制。
可选的，馈电线圈为1-2圈的自感远小于高频传输线圈的线圈，为平面方形、平面圆形线圈、立体螺旋方形和圆形线圈，由利兹线、铜管或铝管绕制，尺寸一般小于或接近高频传输线圈。
可选的，高频电源为满足阻抗匹配的高频功率放大器。
可选的，补偿电容使激励线圈、负载线圈、发射线圈和接收线圈的自谐振频率均调节为f0后，确定对应的角频率ω0，
当激励线圈的内阻R1和负载线圈的内阻R4远远小于电源的输入电阻及负载电阻时，负载在负载线圈的电阻占比η4，计算公式如下：
令负载线圈在接收线圈的映射电阻为R43，计算公式如下：。
负载线圈在接收线圈的映射电阻在接收线圈内的电阻占比η3，计算公式如下：
且接收线圈到发射线圈的映射电阻R32，计算公式如下：
接收线圈在发射线圈的映射电阻在发射线圈内的电阻占比η2，计算公式如下：
确定激励线圈内的电阻占比η1＝1；
因此，无线输电***的内的电阻占比η，计算公式如下：
当k23保持不变，将η对R43求解偏导，。令
则负载线圈到接收线圈的最优映射电阻R43,计算公式如下：
对应于最高效率的负载线圈与接收线圈的最佳耦合系数，计算公式如下：
激励线圈、负载线圈、发射线圈和接收线圈自谐振时，，发射线圈到激励线圈的映射电阻为
令高频电源的输入电阻为R0，Rf＝R0，激励线圈与发射线圈的耦合系数为
本发明还提供一种用于高频无线输电***的阻抗匹配调节的***，本发明***包括：
绕制模块，绕制馈电线圈和高频传输线圈，使补偿电容与高频传输线圈并联，补偿电容与馈电线圈串联；
所述馈电线圈包括激励线圈和负载线圈，所述高频传输线圈包括发射线圈和接收线圈；
测试模块，测试馈电线圈和高频传输线圈的电磁参数；
获取系数模块，准确测试无线输电距离下的发射线圈和接收线圈的互感系数k23；
调节系数模块，固定发射线圈和接收线圈之间间距，调节负载线圈与接收线圈之间的耦合系数k34；
调节模块，固定负载线圈与接收线圈的最优距离，利用阻抗分析仪测试高频无线输电***工作频率时激励线圈的等效输入内阻，调节激励线圈与发射线圈之间的互感系数k12，使等效输入内阻与高频电源的内阻匹配。
本发明基于四线圈无线输电***的传输特性，利用馈电线圈与传输线圈的耦合强度的调节，实现最高的能量传输以及高频电源的阻抗匹配，无需额外阻抗匹配器，即可实现传输效率与功率的双重优化。
附图说明
图1是本发明一种用于高频无线输电***的阻抗匹配调节的方法流程图；
图2是本发明一种用于高频无线输电***的阻抗匹配调节的方法可阻抗匹配调节的高效四线圈无线输电***示意图；
图3是本发明一种用于高频无线输电***的阻抗匹配调节的方法调谐后的四线圈无线输电***电路图；
图4是本发明一种用于高频无线输电***的阻抗匹配调节的方法传输效率η与传输线圈耦合系数k23以及接收线圈和负载线圈之间耦合系数k34的关系图；
图5是本发明一种用于高频无线输电***的阻抗匹配调节的方法无线输电***电源端的映射电阻Rf与激励线圈和发射线圈之间耦合系数k12以及接收线圈和负载线圈之间耦合系数k34的关系图；
图6是本发明一种用于高频无线输电***的阻抗匹配调节的***结构图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
本发明提供一种用于高频无线输电***的阻抗匹配调节的方法，如图1所示，包括：
可阻抗匹配调节的高效四线圈无线输电***，如图2所示，绕制馈电线圈和高频传输线圈，使补偿电容与高频传输线圈并联，补偿电容与馈电线圈串联，补偿电容使激励线圈、负载线圈、发射线圈和接收线圈保持相同的自谐振频率，谐振电容包括高频薄膜电容、陶瓷电容和瓷片电容。
馈电线圈包括激励线圈和负载线圈，高频传输线圈包括发射线圈和接收线圈；激励线圈连接高频电源，激励线圈与发射线圈临近放置，负载线圈连接负载后与接收线圈临近放置；发射线圈与接收线圈距离固定之后，利两馈电线圈与传输线圈之间的耦合强度可调。高频频传输线圈是方平面螺旋、圆平面螺旋、立体螺旋方形或立体螺旋圆形线圈，由利兹线、铜管或铝管绕制。馈电线圈为1-2圈的自感远小于高频传输线圈的线圈，为平面方形、平面圆形线圈、立体螺旋方形和圆形线圈，由利兹线、铜管或铝管绕制，尺寸一般小于或接近高频传输线圈。高频电源为满足阻抗匹配的高频功率放大器。
测试馈电线圈和高频传输线圈的电磁参数，其中，如图3所示，电磁参数包括激励线圈的自感L1和激励线圈的内阻R1、负载线圈的自感L4、负载线圈的内阻R4、发射线圈的自谐振频率f02、接收线圈的自谐振频率f03、高频无线输电***工作频率f0、发射线圈的自感L2、发射线圈的内阻R2、接收线圈的自感L3、接收线圈的内阻R3和高频传输线圈的自谐振频率，所述高频传输线圈的谐振频率为高频传输线圈工作频率f0时，高频传输线圈并联的补偿电容满足
j＝2和3，所述高频无线输电***的工作频率f0小于的发射线圈的自谐振频率f02和接收线圈的自谐振频率f03时，馈电线圈串联的补偿电容满足
i＝1和4。
准确测试无线输电距离下的发射线圈和接收线圈的互感系数k23；
固定发射线圈和接收线圈之间间距，调节负载线圈与接收线圈之间的耦合系数k34；
固定负载线圈与接收线圈的最优距离，利用阻抗分析仪测试高频无线输电***工作频率时激励线圈的等效输入内阻，调节激励线圈与发射线圈之间的互感系数k12，使等效输入内阻与高频电源的内阻匹配。
其中，补偿电容使激励线圈、负载线圈、发射线圈和接收线圈的自谐振频率均调节为f0后，确定对应的角频率ω0，
当激励线圈的内阻R1和负载线圈的内阻R4远远小于电源的输入电阻及负载电阻时，负载在负载线圈的电阻占比η4，计算公式如下：
令负载线圈在接收线圈的映射电阻为R43，计算公式如下：。
负载线圈在接收线圈的映射电阻在接收线圈内的电阻占比η3，计算公式如下：
且接收线圈到发射线圈的映射电阻R32，计算公式如下：
接收线圈在发射线圈的映射电阻在发射线圈内的电阻占比η2，计算公式如下：
确定激励线圈内的电阻占比η1＝1；
因此，无线输电***的内的电阻占比η，计算公式如下：
如图4所示，当k23保持不变，将η对R43求解偏导，令
则负载线圈到接收线圈的最优映射电阻R43,计算公式如下：
对应于最高效率的负载线圈与接收线圈的最佳耦合系数，计算公式如下：
如图5所示，激励线圈、负载线圈、发射线圈和接收线圈自谐振时，发射线圈到激励线圈的映射电阻为：
令高频电源的输入电阻为R0，Rf＝R0，激励线圈与发射线圈的耦合系数为
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明：
实施例1
(1)利用线径4mm的紫铜线，绕制两个半价为20cm的单圈圆形馈电线圈，其中一个为激励线圈，另一个为负载线圈和绕制两个圈数为8、半径为20cm，线间距为1cm的高频圆形传输线圈，其中一个为发射线圈，另一个为接收线圈。
(2)获取无线输电***的工作频率为f0＝2MHz，激励线圈和负载线圈的自感L1(L2)为1.5uH，内阻R1(R2)为0.1Ω。假设两传输线圈的自感L2(L3)为40uH，内阻R2(R3)为2Ω。令传输线圈的自谐振频率为8MHz，分别将198pF的补偿电容C2(C3)并联于两传输线圈。
(3)设定两传输线圈的距离为1m，假定二者之间的耦合系数k23为0.05；
(4)固定传输线圈之间间距不变，令充电负载RL为20Ω，调节负载线圈与接收线圈的间距，令负载线圈与接收线圈之间的耦合系数k34为0.2316，可实现无线输电***最高的能量传输效率。
(5)固定传输距离以及负载线圈与接收线圈的最优距离不变。假定电源的最优匹配电阻R0为10Ω。利用阻抗分析仪测试工作频率时激励线圈的等效输入内阻，调节激励线圈与发射线圈之间的距离，当激励线圈与发射线圈之间的互感系数k12为0.1633，使得等效输入内阻与高频电源的内阻匹配。
实施例2
(1)利用线径5mm的紫铜线，绕制两个半价为30cm的单圈方形馈电线圈，并绕制两个圈数为10、半径为30cm，线间距为1cm的高频方形传输线圈。
(2)假定无线输电***的工作频率为f0＝1MHz。馈电线圈的自感L1(L2)为2.5uH，内阻R1(R2)为0.2Ω。假设两传输线圈的自感L2(L3)为60uH，内阻R2(R3)为4Ω。令传输线圈的自谐振频率为6MHz，分别将410pF的补偿电容C2(C3)并联于两传输线圈。
(3)设定两传输线圈的距离为1.5m，假定二者之间的耦合系数k23为0.01；
(4)固定传输线圈之间间距不变，令充电负载RL为30Ω，调节负载线圈与接收线圈的间距，令负载线圈与接收线圈之间的耦合系数k34为0.1674，可实现无线输电***最高的能量传输效率。
(5)固定传输距离以及负载线圈与接收线圈的最优距离不变。假定电源的最优匹配电阻R0为20Ω。利用阻抗分析仪测试工作频率时激励线圈的等效输入内阻，调节激励线圈与发射线圈之间的距离，当激励线圈与发射线圈之间的互感系数k12为0.1362，使得等效输入内阻与高频电源的内阻匹配。
实施例3
(1)利用线径5mm的紫铜线，绕制两个半价为25cm的单圈圆形馈电线圈，并绕制两个圈数为8、半径为25cm，线间距为0.8cm的高频圆形传输线圈。
(2)假定无线输电***的工作频率为f0＝3MHz。馈电线圈的自感L1(L2)为2uH，内阻R1(R2)为0.15Ω。假设两传输线圈的自感L2(L3)为50uH，内阻R2(R3)为3.2Ω。令传输线圈的自谐振频率为9.2MHz，分别将410pF的补偿电容C2(C3)并联于两传输线圈。
(3)设定两传输线圈的距离为1.2m，假定二者之间的耦合系数k23为0.02；
(4)固定传输线圈之间间距不变，令充电负载RL为5Ω，调节负载线圈与接收线圈的间距，令负载线圈与接收线圈之间的耦合系数k34为0.0526，可实现无线输电***最高的能量传输效率。
(5)固定传输距离以及负载线圈与接收线圈的最优距离不变。假定电源的最优匹配电阻R0为50Ω。利用阻抗分析仪测试工作频率时激励线圈的等效输入内阻，调节激励线圈与发射线圈之间的距离，当激励线圈与发射线圈之间的互感系数k12为0.1640，使得等效输入内阻与高频电源的内阻匹配。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明一种用于高频无线输电***的阻抗匹配调节的***200，如图6所示，***200包括：
绕制模块201，绕制馈电线圈和高频传输线圈，使补偿电容与高频传输线圈并联，补偿电容与馈电线圈串联；
所述馈电线圈包括激励线圈和负载线圈，所述高频传输线圈包括发射线圈和接收线圈；
测试模块202，测试馈电线圈和高频传输线圈的电磁参数；
获取系数模块203，准确测试无线输电距离下的发射线圈和接收线圈的互感系数k23；
调节系数模块204，固定发射线圈和接收线圈之间间距，调节负载线圈与接收线圈之间的耦合系数k34；
调节模块205，固定负载线圈与接收线圈的最优距离，利用阻抗分析仪测试高频无线输电***工作频率时激励线圈的等效输入内阻，调节激励线圈与发射线圈之间的互感系数k12，使等效输入内阻与高频电源的内阻匹配。
本发明基于四线圈无线输电***的传输特性，利用馈电线圈与传输线圈的耦合强度的调节，实现最高的能量传输以及高频电源的阻抗匹配，无需额外阻抗匹配器，即可实现传输效率与功率的双重优化。
Claims (8)
1.一种用于高频无线输电***的阻抗匹配调节的方法，所述方法包括：
绕制馈电线圈和高频传输线圈，使补偿电容一与高频传输线圈并联，补偿电容二与馈电线圈串联；
所述馈电线圈包括激励线圈和负载线圈，所述高频传输线圈包括发射线圈和接收线圈；
所述补偿电容使激励线圈、负载线圈、发射线圈和接收线圈保持相同的自谐振频率；
所述补偿电容使激励线圈、负载线圈、发射线圈和接收线圈的自谐振频率均调节为f0后，确定对应的角频率ω0，
当激励线圈的内阻R1和负载线圈的内阻R4远远小于电源的输入电阻及负载电阻时，负载在负载线圈的电阻占比η4，计算公式如下：
RL为负载线圈的电阻；
令负载线圈在接收线圈的映射电阻为R43，计算公式如下：
负载线圈在接收线圈的映射电阻在接收线圈内的电阻占比η3，计算公式如下：
且接收线圈到发射线圈的映射电阻R32，计算公式如下：
接收线圈在发射线圈的映射电阻在发射线圈内的电阻占比η2，计算公式如下：
确定激励线圈内的电阻占比η1＝1；
因此，无线输电***的内的电阻占比η，计算公式如下：
当k23保持不变，将η对R43求解偏导，令
则负载线圈到接收线圈的最优映射电阻R43opt，计算公式如下：
对应于最高效率的负载线圈与接收线圈的最佳耦合系数，计算公式如下：
激励线圈、负载线圈、发射线圈和接收线圈自谐振时，发射线圈到激励线圈的映射电阻为：
令高频电源的输入电阻为R0，Rf＝R0，激励线圈与发射线圈的耦合系数为
其中，L1为激励线圈的自感、L2为发射线圈的自感、L3为接收线圈的自感、L4为负载线圈的自感、R2为发射线圈的内阻及R3为接收线圈的内阻，ω为角频率；
测试馈电线圈和高频传输线圈的电磁参数；
准确测试无线输电距离下的发射线圈和接收线圈的互感系数k23；
固定发射线圈和接收线圈之间间距，调节负载线圈与接收线圈之间的耦合系数k34；
固定负载线圈与接收线圈的最优距离，利用阻抗分析仪测试高频无线输电***工作频率时激励线圈的等效输入内阻，调节激励线圈与发射线圈之间的互感系数k12，使等效输入内阻与高频电源的内阻匹配。
2.根据权利要求1所述的方法，所述的电磁参数包括激励线圈的自感L1和激励线圈的内阻R1、负载线圈的自感L4、负载线圈的内阻R4、发射线圈的自谐振频率f02、接收线圈的自谐振频率f03、高频无线输电***工作频率f0、发射线圈的自感L2、发射线圈的内阻R2、接收线圈的自感L3、接收线圈的内阻R3和高频传输线圈的谐振频率，所述高频传输线圈的谐振频率为高频传输线圈工作频率f0时，高频传输线圈并联的补偿电容满足
j＝2和3，所述高频无线输电***的工作频率f0小于的发射线圈的自谐振频率f02和接收线圈的自谐振频率f03时，馈电线圈串联的补偿电容满足
i＝1和4。
3.根据权利要求1所述的方法，所述的激励线圈连接高频电源，激励线圈与发射线圈临近放置，负载线圈连接负载后与接收线圈临近放置；发射线圈与接收线圈距离固定之后，馈电线圈与传输线圈之间的耦合强度可调。
4.根据权利要求1所述的方法，所述的补偿电容包括如下电容中的至少一种，高频薄膜电容、陶瓷电容和瓷片电容。
5.根据权利要求1所述的方法，所述的高频传输线圈是方平面螺旋、圆平面螺旋、立体螺旋方形或立体螺旋圆形线圈中的一种，由利兹线、铜管或铝管绕制。
6.根据权利要求1所述的方法，所述的馈电线圈为1-2圈的自感远小于高频传输线圈的线圈，为平面方形、平面圆形线圈、立体螺旋方形和圆形线圈中的一种，由利兹线、铜管或铝管绕制，尺寸小于或接近高频传输线圈。
7.根据权利要求1所述的方法，所述的高频电源为满足阻抗匹配的高频功率放大器。
8.一种用于高频无线输电***的阻抗匹配调节的***，所述***包括：
绕制模块，绕制馈电线圈和高频传输线圈，使补偿电容一与高频传输线圈并联，补偿电容二与馈电线圈串联；
所述馈电线圈包括激励线圈和负载线圈，所述高频传输线圈包括发射线圈和接收线圈；
所述补偿电容使激励线圈、负载线圈、发射线圈和接收线圈保持相同的自谐振频率；
所述补偿电容使激励线圈、负载线圈、发射线圈和接收线圈的自谐振频率均调节为f0后，确定对应的角频率ω0，
当激励线圈的内阻R1和负载线圈的内阻R4远远小于电源的输入电阻及负载电阻时，负载在负载线圈的电阻占比η4，计算公式如下：
RL为负载线圈的电阻；
令负载线圈在接收线圈的映射电阻为R43，计算公式如下：
负载线圈在接收线圈的映射电阻在接收线圈内的电阻占比η3，计算公式如下：
且接收线圈到发射线圈的映射电阻R32，计算公式如下：
接收线圈在发射线圈的映射电阻在发射线圈内的电阻占比η2，计算公式如下：
确定激励线圈内的电阻占比η1＝1；
因此，无线输电***的内的电阻占比η，计算公式如下：
当k23保持不变，将η对R43求解偏导，令
则负载线圈到接收线圈的最优映射电阻R43opt，计算公式如下：
对应于最高效率的负载线圈与接收线圈的最佳耦合系数，计算公式如下：
激励线圈、负载线圈、发射线圈和接收线圈自谐振时，发射线圈到激励线圈的映射电阻为
令高频电源的输入电阻为R0，Rf＝R0，激励线圈与发射线圈的耦合系数为
其中，L1为激励线圈的自感、L2为发射线圈的自感、L3为接收线圈的自感、L4为负载线圈的自感、R2为发射线圈的内阻及R3为接收线圈的内阻，ω为角频率；
测试模块，测试馈电线圈和高频传输线圈的电磁参数；
获取系数模块，准确测试无线输电距离下的发射线圈和接收线圈的互感系数k23；
调节系数模块，固定发射线圈和接收线圈之间间距，调节负载线圈与接收线圈之间的耦合系数k34；
调节模块，固定负载线圈与接收线圈的最优距离，利用阻抗分析仪测试高频无线输电***工作频率时激励线圈的等效输入内阻，调节激励线圈与发射线圈之间的互感系数k12，使等效输入内阻与高频电源的内阻匹配。
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