CN113364143A - 一种基于磁性材料屏蔽特性的无线充电方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磁性材料屏蔽特性的无线充电方法及装置，本发明将磁性材料的屏蔽特性与谐振式无线充电相结合，通过实验测试及理论研究发现调整频率下时线圈出现了***频率现象，影响线圈的传输效率，并计算消除了***频率现象时的负载电阻，由此提高了无线充电的传输效率；并且分析了在高输输出电流下加入磁性材料输出功率变小的原因，并仿真得到效率最大值对应的互感系数，并且得出相应的与磁性材料的距离，使得传输效率最大化，提高无线充电装置的性能；本发明还提供了一种无线充电装置，通过设置自动测量距离模块，用户根据该距离放置充电装置与被充电设备，以此提高充电效率，缩短充电时间。

Description

一种基于磁性材料屏蔽特性的无线充电方法及装置
技术领域
本发明属于无线充电技术领域，具体涉及一种基于磁性材料屏蔽特性的无线充电方法及装置。
背景技术
目前，便携式电子产品主要通过特定的有线充电器充电，使用大量充电端口，造成材料资源浪费。无线充电技术在今后的电子市场中有着广阔的应用前景。感应耦合式发射线圈和接收线圈是分离的，会产生很大的漏感。而利用谐振式无线电能传输，将磁场作为电能无线传输的介质，通过发射线圈与接收线圈之间的共振，接收线圈的固有频率与发射频率一致，发生强电磁耦合，建立电能传输通道，实现无线电能传输。与电磁感应式耦合不同，谐振式无线电能传输可以将传输距离提高到几米，能够保证一定的传输距离和效率。而当在两线圈端分别加入铁氧体时，可以提高线圈之间的耦合系数，进而提高传输效率。
但如何进一步提高传输效率，是本领域技术人员不断追求的目标。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于磁性材料屏蔽特性的无线充电方法及装置，可以提高无线充电时的传输效率。
一种基于磁性材料屏蔽特性的无线充电方法，原边线圈通过电磁感应向副边线圈充电，其中，原边线圈中串联的电容、电阻和电感分别对应的设为电容C1,电阻R1和自感系数L1，副边线圈中电容、电阻和自感系数分别对应的设为电容C2电阻R2和自感系数L2，副边线圈中串联的负载电阻设为电阻RL；充电时，计算并设置电阻RL的值，使得原边线圈和副边线圈之间只有一个谐振频率，其中，计算方法为：
令原边线圈与副边线圈的电感、电容和电阻均相同，即L1＝L2＝L,R1＝R2＝R，C1＝C2＝C；则
Figure BDA0003092822620000021
Figure BDA0003092822620000022
其中，ω1和ω2分别表示原边线圈和副边线圈之间的另外两个***谐振频率，M为互感系数；当互感系数M、自感系数L、电容C和电阻R为设定值时，令ω1＝ω2＝ω0；其中，ω0表示谐振频率，
Figure BDA0003092822620000023
求解公式(1)计算出电阻值RL，将副边线圈负载电阻调整到RL，再进行无线充电。
进一步的，在原边线圈和副边线圈附近加入磁性材料以提高自感系数后，通过遍历互感系数M、自感系数L以及原边线圈的输入频率f，得到一组互感系数M、自感系数L以及原边线圈的输入频率f值，使得原边线圈和副边线圈之间的传输效率最大。
较佳的，所述磁性材料为铁氧体。
较佳的，采用matlab遍历互感系数M、自感系数L以及原边线圈的输入频率f。
进一步的，得到使传输效率最大的一组互感系数M、自感系数L以及原边线圈的输入频率f值后，计算此时的最大传输效率；测出磁性材料与原边线圈和副边线圈距离d不同时的互感系数M，拟合出距离d对互感系数M的函数关系；在该函数关系中找到传输效率最大时的互感系数值时对应的磁性材料与线圈的距离，由此得出传输效率最大处磁性材料的位置；充电时，将磁性材料放置到该位置。
一种实现基于磁性材料屏蔽特性的无线充电方法的装置，在被充电装置中设置测距模块；所述测距模块中存储有距离d对互感系数M的函数关系；同时，还用于测量磁性材料与充电装置之间的距离，并根据当前充电装置与被充电装置之间的互感系数M的值，得到磁性材料与充电装置之间所需的距离，提供给用户。
较佳的，所述被充电装置为移动通讯设备。
较佳的，所述移动通讯设备为手机。
本发明具有如下有益效果：
本发明将磁性材料的屏蔽特性与谐振式无线充电相结合，通过实验测试及理论研究发现调整频率下时线圈出现了***频率现象，影响线圈的传输效率，并计算消除了***频率现象时的负载电阻，由此提高了无线充电的传输效率；
并且分析了在高输输出电流下加入磁性材料输出功率变小的原因，并仿真得到效率最大值对应的互感系数，并且得出相应的与磁性材料的距离，使得传输效率最大化，提高无线充电装置的性能。
本发明还提供了一种无线充电装置，通过设置自动测量距离模块，用户根据该距离放置充电装置与被充电设备，以此提高充电效率，缩短充电时间。
附图说明
图1为无线充电的串—串补偿结构实验电路图；
图2(a)为有***频率时输出功率随频率变化图，图2(b)为有***频率时传输效率随频率变化图；
图3(a)为消除***时频率输出功率随频率变化图，图3(b)消除***频率效率随频率变化图；
图4为多种因素对抗示意图；
图5(a)为互感系数，频率与输出功率的关系图，图5(b)为互感系数与输出功率的关系图；
图6为磁性材料离线圈距离与互感系数的关系图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
将磁场作为电能无线传输的介质，通过发射线圈与接收线圈之间的共振，接收线圈的固有频率与发射频率一致，发生强电磁耦合，建立电能传输通道，实现无线电能传输。其共振频率成为谐振频率。两线圈间的谐振频率大小为：
Figure BDA0003092822620000031
在谐振频率下，阻抗达到最小，输出功率达到最大。电路采取串-串结构，如图1所示，左侧发射线圈为原边线圈，接收线圈为副边线圈。利用基尔霍夫电压定律计算得出理论值的功率和传输效率的公式，利用理论值和测量实际值进行比较。
Figure BDA0003092822620000041
Figure BDA0003092822620000042
其中：
ZP＝RS+R1+jwL1+1/jwC1； (4)
ZS＝RL+R2+jwL2+1/jwC2； (5)
其中ω为输入频率，C1，C2为发射线圈和接收线圈线圈所用的电容大小，M为互感系数，Uin为输入电压大小，RL为副边的负载电阻，IS为输出电流大小。
通过实验测试发现，在大多数情况下，固定电压、电阻、电容、电感的数据后，调整输入频率，发现有两到三个谐振峰，谐振峰越多，其在谐振频率下的输出功率会降低。为了探究这种现象，本发明进行如下的理论计算，发现并消除了频率***现象，如图2(a)，(b)所示。
根据互感理论及变压器原理，副边阻抗等效至原边线圈后阻抗变化为：
Figure BDA0003092822620000043
所以***的等效总阻抗为：
Figure BDA0003092822620000044
其中：Zp为原边线圈总阻抗，Roc为副边线圈等效到原边线圈的阻抗。
本发明选取的电路其原边线圈与副边线圈的电感、电容和电阻均相同。即L1＝L2＝L，R1＝R2＝R，C1＝C2＝C。
当Zin＝0时输出功率最大，此时有三个谐振频率产生：
Figure BDA0003092822620000045
Figure BDA0003092822620000046
其中w1，w2为两个***频率值，w0为谐振频率值。
此时通过固定互感系数M，自感系数L，电容C和电阻R参数，并令ω1＝ω2＝ω0，可求出不发生频率***的负载电阻值，消除了***频率，消除***频率后如图3(a)，3(b)所示。
本实施例中，为了消除频率***，调整负载电阻的阻值后，消除了***频率。但此时加入磁性材料却发现传输效率没有增加，传输效率与输出功率却不断降低。
通过实验测试和理论研究，发现影响因素归结为如下：1.涡流导致输出功率减小；2.加入铁氧体导致自感系数变大谐振频率变小，曲线左移；3.互感系数增加导致输出功率增大。
如图4所示，虚线为不加入磁性材料时线圈的功率随频率的变化曲线，f0对应原有的谐振频率。加入铁氧体磁性材料之后，由于磁性材料增大了原有线圈的自感系数，因此谐振频率降低，加入铁氧体之后的曲线左移(移动后为实线)，在f0时对应的功率值下降。又由于加入铁氧体之后互感系数增加导致输出功率增大，曲线上移，因此在线圈的谐振频率下又会增大输出功率。最后由于涡流的作用又使线圈下移。因此移动曲线后f0所对应的输出功率存在不确定性，由多种因素互相对抗的结果。
画出输出功率随互感系数和工作频率的变化图，如图5(a)所示，可知在互感系数越大的情况下存在***频率现象。如图5(b)所示，输出功率随着互感系数的变大呈现先变大后变小的趋势。因此利用MATLAB遍历互感系数M、原边线圈的输入频率f，自感系数L，得到传输效率的最大值。
利用MATLAB遍历自感系数L，互感系数M，频率f，得出使得效率最大的各个值，以及相应的最大传输效率值。并且测出铁氧体距离不同时线圈的互感系数，拟合出磁性材料离线圈距离对互感系数的函数，在函数关系中找到传输效率最大时的互感系数值对应的铁氧体与线圈的距离，得出传输效率最大处磁性材料的位置。实验结果如图6所示。
基于上述结论，本发明提出一种使传输效率最大化的磁性材料移动装置：在被充电装置中设置测距模块；所述测距模块中存储有距离d对互感系数M的函数关系；同时，还用于测量磁性材料与充电装置之间的距离，并根据当前充电装置与被充电装置之间的互感系数M的值，得到磁性材料与充电装置之间所需的距离，提供给用户。
被充电装置可以为手机，手机内置模块自动测量距离，再根据磁性材料离线圈距离对互感系数的函数关系，可以确定传输效率最大时磁性材料与手机距离，由此调整磁性材料的位置，在该处传输效率输出功率达到最大。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于磁性材料屏蔽特性的无线充电方法，原边线圈通过电磁感应向副边线圈充电，其中，原边线圈中串联的电容、电阻和电感分别对应的设为电容C1,电阻R1和自感系数L1，副边线圈中电容、电阻和自感系数分别对应的设为电容C2电阻R2和自感系数L2，副边线圈中串联的负载电阻设为电阻RL，其特征在于，充电时，计算并设置电阻RL的值，使得原边线圈和副边线圈之间只有一个谐振频率，其中，计算方法为：
令原边线圈与副边线圈的电感、电容和电阻均相同，即L1＝L2＝L,R1＝R2＝R，C1＝C2＝C；则
Figure FDA0003092822610000011
Figure FDA0003092822610000012
其中，ω1和ω2分别表示原边线圈和副边线圈之间的另外两个***谐振频率，M为互感系数；当互感系数M、自感系数L、电容C和电阻R为设定值时，令ω1＝ω2＝ω0；其中，ω0表示谐振频率，
Figure FDA0003092822610000013
求解公式(1)计算出电阻值RL，将副边线圈负载电阻调整到RL，再进行无线充电。
2.如权利要求1所述的一种基于磁性材料屏蔽特性的无线充电方法，其特征在于，在原边线圈和副边线圈附近加入磁性材料以提高自感系数后，通过遍历互感系数M、自感系数L以及原边线圈的输入频率f，得到一组互感系数M、自感系数L以及原边线圈的输入频率f值，使得原边线圈和副边线圈之间的传输效率最大。
3.如权利要求2所述的一种基于磁性材料屏蔽特性的无线充电方法，其特征在于，所述磁性材料为铁氧体。
4.如权利要求2所述的一种基于磁性材料屏蔽特性的无线充电方法，其特征在于，采用matlab遍历互感系数M、自感系数L以及原边线圈的输入频率f。
5.如权利要求2、3或4所述的一种基于磁性材料屏蔽特性的无线充电方法，其特征在于，得到使传输效率最大的一组互感系数M、自感系数L以及原边线圈的输入频率f值后，计算此时的最大传输效率；测出磁性材料与原边线圈和副边线圈距离d不同时的互感系数M，拟合出距离d对互感系数M的函数关系；在该函数关系中找到传输效率最大时的互感系数值时对应的磁性材料与线圈的距离，由此得出传输效率最大处磁性材料的位置；充电时，将磁性材料放置到该位置。
6.一种实现所述权利要求5基于磁性材料屏蔽特性的无线充电方法的装置，其特征在于，在被充电装置中设置测距模块；所述测距模块中存储有距离d对互感系数M的函数关系；同时，还用于测量磁性材料与充电装置之间的距离，并根据当前充电装置与被充电装置之间的互感系数M的值，得到磁性材料与充电装置之间所需的距离，提供给用户。
7.如权利要求6所述的一种基于磁性材料屏蔽特性的无线充电方法的装置，其特征在于，所述被充电装置为移动通讯设备。
8.如权利要求7所述的一种基于磁性材料屏蔽特性的无线充电方法的装置，其特征在于，所述移动通讯设备为手机。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104135088A (zh) * 2014-08-08 2014-11-05 哈尔滨工业大学 应用于无线电能传输的可抑制频率***的非相同收发线圈对及其制造方法
US20160336810A1 (en) * 2015-05-12 2016-11-17 The Regents Of The University Of Michigan Nonlinear Resonance Circuit For Wireless Power Transmission And Wireless Power Harvesting

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104135088A (zh) * 2014-08-08 2014-11-05 哈尔滨工业大学 应用于无线电能传输的可抑制频率***的非相同收发线圈对及其制造方法
US20160336810A1 (en) * 2015-05-12 2016-11-17 The Regents Of The University Of Michigan Nonlinear Resonance Circuit For Wireless Power Transmission And Wireless Power Harvesting

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
李光 等: "磁谐振式无线电源***的传输性能研究", 《通信管理与技术》 *
邓其军 等: "磁耦合谐振式无线电能传输频率***现象研究综述", 《电器与能效管理技术》 *

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