CN202565039U - 多发单收式的无线能量传输装置 - Google Patents

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刘硕
陈林辉
凌昕彤
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周永春
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Abstract

本实用新型提供了一种多发单收式的无线能量传输装置，该装置包括至少两个发射装置和一个接收装置；其中每个发射装置包括高频功率源和发射线圈Lt，还包括发射阻抗匹配网络，该发射阻抗匹配网络的一侧与高频功率源两端相连接，另一侧与发射线圈Lt两端相连接；发射线圈Lt包括高频寄生电阻Rpt；接收装置包括接收线圈Lr和负载RL,还包括接收阻抗匹配网络，该接收阻抗匹配网络的一侧与接收线圈Lr两端相连接，另一侧与负载RL相连接；其中接收线圈Lr包括高频寄生电阻Rpr。本实用新型可以显著延长无线能量传输距离，使得远距离无线能量传输成为可能。

Description

多发单收式的无线能量传输装置
技术领域
本实用新型涉及一种多发单收式的无线能量传输装置，尤其涉及一种多个发射机对单个接收机进行高效率无线能量传输的装置，可应用在小功率、中功率及大功率无线充电中，以实现在相同距离下，比传统的单发单收式的无线充电具有更高效率和更高功率的充电特性，同时减轻了单个发射机的负荷，降低了大功率无线充电装置的设计难度。
背景技术
无线充电是近几年非常热门的研究方向，从早期的感应式的能够无线充电的电动牙刷及电动剃须刀到后来的能够为手机充电的Powermat（ “无线充电板”）无线充电套装，再到后来的Palm pre（胖梨智能无线充电手机）无线充电手机，如今市面上已经有不少品牌的无线充电器，无论从充电功率、充电效率或者使用便捷性方面都有了不小的提高， 2010年9月1日，全球首个推动无线充电技术的标准化组织——无线充电联盟在北京宣布将Qi（无线充电联盟）无线充电国际标准率先引入中国，目前也与各大公司联合推出了符合Qi标准的各类型的手机无线充电器，但是这些产品的有效无线充电距离都不远（在1cm以内），即都要求待充电设备与发射装置即充电板紧贴。大功率的无线充电装置由于对发射装置的功率放大模块有较高的功率及效率要求，目前仍然在研究当中。我们所发明的多发单收式无线能量传输装置能够解决大功率无线充电中单个发射机负荷过大的问题，通过多个发射机同时向接收机提供无线能量来降低单个发射机的设计难度，在提高了总输出功率的情况下能进一步大幅度提高传输效率。同时由于本实用新型能够保持相同传输效率的情况下延长传输距离，也同样适用于小功率及中功率无线充电应用。
发明内容
技术问题：本实用新型的目的是提供一种多发单收式的无线能量传输装置，该装置能够解决大功率无线充电中单个发射机负荷过大的问题，通过多个发射机同时向接收机提供无线能量来降低单个发射机的设计难度，在提高了总输出功率的情况下能进一步大幅度提高传输效率。同时由于本实用新型能够保持相同传输效率的情况下延长传输距离，也同样适用于小功率及中功率无线充电应用。
技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种多发单收式的无线能量传输装置，该装置包括至少两个发射装置和一个接收装置；
其中每个发射装置包括高频功率源和发射线圈Lt，还包括发射阻抗匹配网络，该发射阻抗匹配网络的一侧与高频功率源两端相连接，另一侧与发射线圈Lt两端相连接；发射线圈Lt包括高频寄生电阻Rpt；
接收装置包括接收线圈Lr和负载RL,还包括接收阻抗匹配网络，该接收阻抗匹配网络的一侧与接收线圈Lr两端相连接，另一侧与负载RL相连接；其中接收线圈Lr包括高频寄生电阻Rpr；
所述的发射装置用于将高频功率源产生的高频振荡功率信号以近场电磁波的形式发射出去；
所述的接收装置用于接收发射装置中发射线圈发出的高频振荡功率信号，然后经过整流滤波后传递给负载RL。
优选的，所述发射装置为3个，分别为第一发射装置、第二发射装置和第三发射装置；每个发射装置的发射线圈为第一发射线圈Lt1、第二发射线圈Lt2和第三发射线圈Lt3；第一发射线圈Lt1、第二发射线圈Lt2和第三发射线圈Lt3；
第一发射线圈Lt1、第二发射线圈Lt2和第三发射线圈Lt3与接收线圈之间的耦合系数分别为kt1r、kt2r及ktn3，所述能量传输装置工作在谐振频率ω。
有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
在相同的距离下，相比传统单发单收式的无线能量传输方式，本实用新型可以显著提高无线能量传输效率，同时提高传输功率，降低了单个发射机的发射功率，为大功率无线能量传输提供了可行性；
在相同的传输效率下，相比单发单收式的无线能量传输方式，本实用新型可以显著延长无线能量传输距离，使得远距离无线能量传输成为可能。
附图说明
图1为本实用新型装置的***框图；
图2为本实用新型中两个发射机一个接受机情况下的电路图；
图3为本实用新型的网络传输效率随发射机数量变化而变化的曲线图；
图 4为本实用新型提供的一种串并联式的阻抗匹配网络的多发单收式的无线能量传输电路图；
图5为本实用新型的两发单收和单发单收的仿真及理论对比图；
图6为本实用新型的两发单收和单发单收的实验及理论对比图；
图7为本实用新型的两发单收的考虑发射机之间耦合的效率以及输入阻抗随耦
合系数kt1t2变化的曲线图；
图8为本实用新型的两发单收的考虑发射机之间耦合的效率以及输入阻抗随耦
合系数kt1t2变化的曲线图（已通过减小发射端阻抗匹配网络中等效电容解决输入阻抗匹配的问题）。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步说明。
参见图1，本实用新型提供的多发单收式的无线能量传输装置，该装置包括至少两个发射装置和一个接收装置；
其中每个发射装置包括高频功率源和发射线圈Lt，还包括发射阻抗匹配网络，该发射阻抗匹配网络的一侧与高频功率源两端相连接，另一侧与发射线圈Lt两端相连接；发射线圈Lt包括高频寄生电阻Rpt；
接收装置包括接收线圈Lr和负载RL,还包括接收阻抗匹配网络，该接收阻抗匹配网络的一侧与接收线圈Lr两端相连接，另一侧与负载RL相连接；其中接收线圈Lr包括高频寄生电阻Rpr；
所述的发射装置用于将高频功率源产生的高频振荡功率信号以近场电磁波的形式发射出去；
所述的接收装置用于接收发射装置中发射线圈发出的高频振荡功率信号，然后经过整流滤波后传递给负载RL。
所述发射装置为3个，分别为第一发射装置、第二发射装置和第三发射装置；每个发射装置的发射线圈为第一发射线圈Lt1、第二发射线圈Lt2和第三发射线圈Lt3；第一发射线圈Lt1、第二发射线圈Lt2和第三发射线圈Lt3；
第一发射线圈Lt1、第二发射线圈Lt2和第三发射线圈Lt3与接收线圈之间的耦合系数分别为kt1r、kt2r及ktn3，所述能量传输装置工作在谐振频率ω。
首先我们不考虑发射机之间的耦合：
这里先讨论两个发射机，一个接收机的情况，如图2所示：
根据基尔霍夫电压定律，首先对左边两个发射机和右边的接收机列KCL方程：
Figure 2012201939386100002DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE004
Figure DEST_PATH_IMAGE006
其中V1和V2分别是发射机1和发射机2的高频功率源发出的正弦波的电压幅度值，I1、I2和I3分别是发射机1、发射机2和接收机的环路电流，Ceqt1和Ceqt2分别是发射机的阻抗匹配网络运用戴维南等效定理等效后的等效电容，Ceqr和Reqr分别是接收机的阻抗匹配网络运用戴维南等效定理等效后的等效电容和等效电阻，Mt1r和Mt2r分别是发射机1和发射机2与接收机之间的互感。
在谐振状态时
Figure DEST_PATH_IMAGE008
Figure DEST_PATH_IMAGE012
考虑两个发射机相同且与接收机距离相等的情况：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
Figure DEST_PATH_IMAGE016
Figure DEST_PATH_IMAGE018
Figure DEST_PATH_IMAGE020
Figure DEST_PATH_IMAGE022
我们得到
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
Figure DEST_PATH_IMAGE024
可以解出接收机耦合到到发射机的等效电阻R1和R2分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE026
接下来我们求解***的效率,定义Pin高频功率源输出的功率，P1和P2分别为接收机耦合到发射机的等效电阻R1和R2上获得的功率，Pr为负载RL（既经过阻抗匹配网络变换后的等效电阻Reqr）上获得的功率，η为***总的传输效率。
Figure DEST_PATH_IMAGE028
Figure DEST_PATH_IMAGE030
Figure DEST_PATH_IMAGE032
当发射线圈和接收线圈的参数（即Lt1、Lr、Rpt1和Rpr）、线圈之间的耦合系数kt1r以及***的功率频率ω给定以后，即可以看出，***总效率η只含有Reqr一个变量，为了求η得最大值，我们将表达式η对Reqr求导，得出当
Figure DEST_PATH_IMAGE034
η有最大值
Figure DEST_PATH_IMAGE036
其中Qeq2是2个发射机的等效Q值。
Figure DEST_PATH_IMAGE038
以此类推对于n个相同的发射线圈,当
Figure DEST_PATH_IMAGE040
η有最大值
Figure DEST_PATH_IMAGE042
其中Qeqn是n个发射机的等效Q值。
Figure DEST_PATH_IMAGE044
可以看出随着发射机数量的增多，n个发射机的等效Q值Qeqn呈
Figure DEST_PATH_IMAGE048
倍增长，***最大总传输效率随着Qeqn增大而增大。因此发射机数量越多，***总效率越高。为了更加明显的展示这个效果，我们采用Matlab来仿真1到10个发射机的情况，发射装置和接收装置的具体参数如表1所示。
表1
f κ Lt Rpt Lr Rpr
4MHz 0.008 5μH 0.4 ohms 30μH 2.3 ohms
通过图3可以看出，当只有1个发射机的时候效率只有46.7%，而当有两个发射机的时候效率达到58%,10个发射机的时候效率达到78%，效率的提升很可观。
为了在实际中能够让高频功率源正常工作，需要采用合适的阻抗匹配网络，这里我们提供一种串并联式的阻抗匹配网络，如图4所示。
为了验证本实用新型对效率的提升，通过ADS(Advance Design System)软件进行仿真验证。为了和实际实验的方法一致，结果图使用效率随Reqr变化的形式呈现。两次仿真电路都采用如图2所示的串联谐振电路，参数具体如表2所示，仿真结果和理论对比值如图5所示。
表2
结果可以看到，ADS仿真和理论计算结果吻合得很好，说明理论计算结果是正确的。可以也看到双发单收模型的效率比单发单收模型的效率高大约10%。通过软件仿真，对本实用新型的理论推导做了一定的检验，验证了双发单收模型的效率高于单发单收模型的效率。
下面通过实验来验证双发单收和单发单收的情况，其中两次实验中的电路都采用如图2所示的串联谐振电路，参数具体如表3所示，实验测量值和理论对比值如图6所示。
表3
在误差允许范围内，实际实验结果可以看出双发单收电路的效率高于单发单收电路的效率。但是由于实际电路无法做到要求完全的对称，以及实验误差的存在，实际实验的效率曲线和理论曲线没有完全吻合，但是实验值基本在理论值附近波动，说明实验精度较高。此实验电路是为测试两种结构的效率差异而设计，因而电路此时效率较低。这是为了反映差异而刻意减小Qeqn的结果。
现在考虑更为一般的情况，即考虑发射机之间的耦合：
这里先讨论两个发射机，一个接收机的情况，如图2所示：
整个电路的传输效率可以写成
两个发射装置从高频功率源看进去的输入阻抗Z in 为
Figure DEST_PATH_IMAGE056
此时假设两个发射线圈之间的耦合kt1t2由小变大（范围），其余电路参数如表4所示，我们通过Matlab编写的程序来观看此时传输效率和输入阻抗的变化情况，如图7所示。
表4
Lt1=Lt2=Ltr 4uH Reqr 8.886
Ceqt1=Ceqt2=Ceqr 253pF f 5MHz
Rpt1=Rpt2=Rpr 0.3 ohms kt1r=kt2r 0.05
可以发现传输效率不随发射线圈之间的耦合kt1t2变化，只是输入阻抗Z in 的虚部会随着kt1t2的增大而变大，而实部始终是8.886 ohms，***传输效率也始终保持在93.47%不变，但由于Zin随着kt1t2的增大，存在较大的虚部，在实际中会使得高频功率源不能正常输出功率。
为了解决这个问题，我们尝试将发射装置的阻抗匹配网络的中的等效电容减少一些。这里我们将Ceq1和Ceq2减小为203pF，依然通过Matlab编写程序来观看此时传输效率和输入阻抗的变化情况。如图8所示。可以看出，当kt1t2等于0.246的时候，输入阻抗Zin的虚部恰好为零，高频功率源可以正常输出功率，***的传输效率也和之前不考虑发射机之间耦合时的一样。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式，本实用新型的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本实用新型所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (2)

1. 一种多发单收式的无线能量传输装置，其特征在于：该装置包括至少两个发射装置和一个接收装置；
其中每个发射装置包括高频功率源和发射线圈Lt，还包括发射阻抗匹配网络，该发射阻抗匹配网络的一侧与高频功率源两端相连接，另一侧与发射线圈Lt两端相连接；发射线圈Lt包括高频寄生电阻Rpt；
接收装置包括接收线圈Lr和负载RL,还包括接收阻抗匹配网络，该接收阻抗匹配网络的一侧与接收线圈Lr两端相连接，另一侧与负载RL相连接；其中接收线圈Lr包括高频寄生电阻Rpr；
所述的发射装置用于将高频功率源产生的高频振荡功率信号以近场电磁波的形式发射出去；
所述的接收装置用于接收发射装置中发射线圈发出的高频振荡功率信号，然后经过整流滤波后传递给负载RL。
2. 根据权利要求1所述的多发单收式的无线能量传输装置，其特征在于：所述发射装置为3个，分别为第一发射装置、第二发射装置和第三发射装置；每个发射装置的发射线圈为第一发射线圈Lt1、第二发射线圈Lt2和第三发射线圈Lt3；第一发射线圈Lt1、第二发射线圈Lt2和第三发射线圈Lt3；
第一发射线圈Lt1、第二发射线圈Lt2和第三发射线圈Lt3与接收线圈之间的耦合系数分别为kt1r、kt2r及ktn3，所述能量传输装置工作在谐振频率ω。
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