CN206712555U

CN206712555U - 无线电能传输***

Info

Publication number: CN206712555U
Application number: CN201720574710.4U
Authority: CN
Inventors: 潘涛; 翟志颖; 张骐
Original assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB; China Shenhua Energy Co Ltd; Shenhua Information Technology Co Ltd
Current assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB; China Shenhua Energy Co Ltd; Shenhua Information Technology Co Ltd
Priority date: 2017-05-22
Filing date: 2017-05-22
Publication date: 2017-12-05
Anticipated expiration: 2027-05-22

Abstract

本实用新型实施例提供一种无线电能传输***，属于无线电能传输领域。该无线电能传输***包括高频信号发生器，用于输出高频信号；电能无线传输模块；功率放大器，输入端连接至高频信号发生器且输出端连接至电能无线传输模块，用于将高频信号放大并输出至电能无线传输模块；电能无线传输模块包含发射线圈；耦合至发射线圈的第一中继线圈，设置在发射线圈的外侧且与发射线圈同轴同平面；接收线圈，用于连接负载设备；以及第二中继线圈，与接收线圈同轴设置，且耦合至接收线圈和第一中级线圈以中继传输电能。通过设置双线圈以双中继传输电能，能够有效提高磁耦合无线电传输***内线圈之间的耦合系数，由此提高无线电能传输的效率。

Description

无线电能传输***

技术领域

本实用新型属于无线电能传输技术领域，尤其涉及一种无线电能传输***。

背景技术

无线电能传输概念的提出最早要追溯到1889年，著名的电气工程师尼古拉·特斯拉研究并发展了交流电技术，首次提出和实用新型了无线输电方法，在美国建设实验室进行开发及研究，为后来无线电能传输技术的发展奠定了理论及实践基础。此后，麻省理工学院(MIT)的物理教授Marin Soljacic和他的研究团队在2006年11月的AIP工业物理论坛上首次提出了磁耦合谐振式无线输电技术，并利用此技术于2007年6月成功点亮了2.13m处的一个60W的灯泡，且能量传输效率达到40％，突破了一直以来制约无线输电技术发展的瓶颈，再次将无线电能传输的研究推向了一个新的阶段并掀起了人们对无线输电技术研究的新热潮。2012年基于谐振式无线输电技术的无线充能联盟A4WP成立，并于2013年制定了Rezence无线充电标准。近年来，随着无线电能传输技术的发展，其应用也越来越多地走进我们的生活。

磁耦合谐振式无线电能传输(magnetically-coupled resonant wireless powertransmission，MCR-WPT)——麻省理工学院的Marin Soljacic教授及其小组成员提出的全新方案，其基本原理是将发射线圈与接收线圈调成一个谐振***，当发射线圈的振荡频率与接收线圈的固有频率相同时发生谐振，使得能量在两个谐振线圈间振荡交换，从而完成能量的传递，而其他非谐振物体则不会受到影响。磁耦合谐振式无线电能传输技术弥补了近场传输的距离短板，延长了无线电能传输的距离，有较高的传输效率，同时对人体的伤害大大减少，此方式传输效率高、距离远、功率大，是未来无线输电技术研究的重要发展方向。

传输效率是磁耦合谐振无线电能传输***的重要指标，本申请的发明人在实践本实用新型的过程中发现磁耦合谐振无线电能传输至少存在以下缺陷：无线电能传输***的发射线圈与接收线圈的对称与否以及其尺寸大小会严重影响传输效率；另外，谐振线圈伴随高频交流电所产生的集肤效应也会对传输效率有较大影响。在实际的无线电能传输***中，常常出现无线电能传输距离较远且接收端尺寸较小的情况，例如对手机、传感器探头等小物件供电，很难保证无线电能传输***的发射端与接收端尺寸相同，此时尤其会导致无线电能传输效率较低的问题。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的是提供一种无线电能传输***，该无线电能传输***至少能够解决无线电能传输***中发射线圈与接收线圈尺寸不同或不对称、传输距离较远、及线圈的集肤效应所导致的无线电能传输效率较低的问题。

为了实现上述目的，本实用新型实施例提供一种无线电能传输***，包括：高频信号发生器，用于输出高频信号；电能无线传输模块；功率放大器，输入端连接至所述高频信号发生器且输出端连接至所述电能无线传输模块，用于将所述高频信号放大并输出至所述电能无线传输模块；其中，所述电能无线传输模块包含发射线圈；耦合至所述发射线圈的第一中继线圈，设置在所述发射线圈的外侧且与所述发射线圈同轴同平面；接收线圈，用于连接负载设备；以及第二中继线圈，与所述接收线圈同轴设置，且耦合至所述接收线圈和所述第一中级线圈以中继传输电能。

可选的，所述第二中继线圈还被设置成与所述第一中继线圈同轴但不同平面。

可选的，所述发射线圈、第一中继线圈、第二中继线圈和接收线圈均由中空镀银铜线构成；其中，该中空镀银铜导线包括：中空铜导线层；银层，套设在所述中空铜导线层外侧。

可选的，所述中空镀银铜导线还包括套设在所述银层外侧的绝缘层。

可选的，所述接收线圈与所述第二中继线圈的线圈尺寸相同，以及所述第二中继线圈所在平面与所述接收线圈所在平面之间的距离小于所述第二中继线圈所在平面与所述第一中继线圈所在平面之间的距离。

可选的，所述发射线圈、第一中继线圈、第二中继线圈和接收线圈具有相同匝数和匝间距。

可选的，该无线电能传输***还包括与所述第二中继线圈相连接的调谐电容。

可选的，该无线电能传输***还包括：负载匹配电容，其第一端串联至所述接收线圈，且其第二端用于连接交流负载设备。

可选的，该无线电能传输***还包括：整流电路，其第一端连接至所述接收线圈，且其第二端用于连接直流负载设备；其中，所述整流电路选自以下一者或多者：半波整流电路、全波整流电路和桥式整流电路。

可选的，该无线电能传输***还包括：阻抗匹配网络，连接在所述高频信号发生器和所述发射线圈之间。

通过上述技术方案，提供一种允许传输距离中远以及允许发射线圈尺寸有较大差距的双中继无线电能传输***，并且通过设置双线圈以双中继传输无线电能，能够有效提高磁耦合无线电传输***内线圈之间的耦合系数，并有效改善发射线圈和接收线圈在无线电能传输过程中所导致的集肤效应，实现对源极电流的放大作用减少传输损耗，由此提高无线电能传输的效率。

本实用新型实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型实施例，但并不构成对本实用新型实施例的限制。在附图中：

图1是本实用新型实施例无线电能传输***的结构示意图；

图2是本实用新型实施例无线电能传输***中发射线圈与第一中继线圈线圈的位置示意图；

图3是本实用新型实施例无线电能传输***中第二中继线圈与接收线圈的位置示意图；

图4是本实用新型实施例无线电能传输***的中空镀银铜线的结构示意图；

图5是本实用新型实施例无线电能传输***的等效电路图；

图6是本实用新型实施例无线电能传输***中各个线圈的位置示意图；

图7是本实用新型实施例无线电能传输***的传输效率仿真图。

附图标记说明

11 高频信号发生器 12 功率放大器

13 发射线圈 21 第一中继线圈

22 第二中继线圈 31 接收线圈

32 负载设备 41 中空气芯

42 铜层 43 银层

44 绝缘层

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型实施例，并不用于限制本实用新型实施例。应该强调的是，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于方便描述不同的部件，而不能理解为指示或暗示顺序关系、相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

本技术领域技术人员可以理解，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”及“包含”是指存在上述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

如图1-3示出的是本实用新型一实施例的无线电能传输***，具体包括：高频信号发生器11、功率放大器12和电能无线传输模块；该电能无线传输模块包括发射线圈13、第一中继线圈21、第二中继线圈22和接收线圈31；该功率放大器12连接在高频信号发生器11和发射线圈13之间；第一中继线圈21设置在发射线圈13外侧，两者耦合，且发射线圈13与第一中继线圈21同轴同平面；第二中继线圈22与第一中继线圈21耦合；接收线圈31与第二中继线圈22耦合且同轴设置，且接收线圈31还用于与负载设备32连接。其中接收线圈31与第二中继线圈22距离极近或相邻，由此与发射线圈同轴同平面设置第一中继线圈21及与接收线圈距离极近的第二中继线圈22还可节省无线输电***所占空间。

具体地，高频信号发生器11用于发出高频振荡信号；功率放大器12用于对高频信号发生器11发出的高频振荡信号进行放大；发射线圈13的一侧可以通过功率放大器12与高频信号发生器11连接，发射线圈13的另一侧与第一中继线圈21耦合。第一中继线圈21的径向尺寸稍大于发射线圈13，设置在发射线圈13外内侧，且与发射线圈13同轴同平面设置。第二接收线圈22的径向尺寸比发射线圈13小得多，接收第一中继线圈21的电磁波并将其传输给接收线圈31。接收线圈31与第二中继线圈22同轴放置且尺寸相同，接收第二中继线圈22的高频振荡信号，并为负载设备32提供电能。

本实施例中，发射线圈13、第一中继线圈21、第二中继线圈22及接收线圈31可以为具有相同匝数及匝间距的多扎线圈。发射线圈13、第一中继线圈21、第二中继线圈22和接收线圈31可以具有相同的谐振频率。当发射线圈13和接收线圈31不同轴时，由于发射线圈13与第一中继线圈21、第一中继线圈21与第二中继线圈22、第二中继线圈22与接收线圈31间也会存在较强的互感系数，无线电能传输***仍能以较高的效率进行电能传输，也就是发射线圈和接收线圈之间的无线电能传输方式可以是非对称位置的方式的无线电能传输方式。当然作为优选实施方式，当发射线圈13和接收线圈31同轴时，也就是第一中继线圈21和第二中继线圈22同轴而不同平面时，无线电能传输***的无线电能传输效率会大于在不同轴的情况下的无线输电效率。并且，发射线圈13、第一中继线圈21、第二中继线圈22和接收线圈31都由中空镀银铜线构成，用以提高发射线圈13、第一中继线圈21、第二中继线圈22和接收线圈31在高频下的品质因数，进而使电能传输效率提高。

在本实施例提供的无线电能传输***中，通过设置与发射线圈13同轴同平面的第一中继线圈21，大大增加了发射线圈13与第一中继线圈21之间的互感系数，实现了对源极电流的放大作用，提高了电能的传输效率。同时，通过设置与接收线圈31同轴且距离极近的第二中继线圈22，增强两者的耦合系数，减少传输损耗，提高传输效率。中空镀银铜线的运用也提高了线圈在高频环境下的品质因数，进一步提升***的传输效率。此外，与发射线圈13同轴同平面设置第一中继线圈21及与接收线圈31距离极近的第二中继线圈22还可节省***所占空间。

无线电能传输***可以等效为RLC电路(更具体地将在下文展开描述)，其中电阻为耗能元件，电感及电容为储能元件。无线电能传输***谐振输电时，该RLC在电路处于谐振状态下，谐振电路与外界无功率的交换。在一个周期T内，可以证明电阻所耗散的能量与电容与电感所储存的能量分别为：

W_R＝I²RT，W_R与W_S之比反映了谐振电路储能的效率。因此，谐振电路的品质因数：

即Q值为谐振电路中储存的能量与每个周期中消耗的能量之比的2π倍。Q值越高，则意味着相对于储存的能量来说，耗散的能量越少，电路的储能效率就越高，***的电能传输效率也就越高。

在RLC电路中，电路的复数阻抗Z＝R+jωL+(-j/ωC)＝R+j(ωL-1/ωC)，其中虚部成为电抗X，ω为外加信号的角频率。当X＝0时，电路处于谐振状态，容抗等于感抗，所以电容和电感上两端的电压有效值必然相等，而U_C＝I×1/ωC＝U/ωCR＝QU，U_L＝ωLI＝ωL×U/R＝QU，可知品质因数Q＝1/ωCR＝ωL/R，其中R为线圈的总损耗电阻，由直流电阻、高频电阻介质损耗等组成，其值越小则品质因数越高，***的传输效率就越高。

鉴于线圈的品质因数也对无线电能传输***的电能传输效率有较大影响，在一种优选实施方式中，电能无线传输模块的发射线圈13、第一中继线圈21、第二中继线圈22和接收线圈31可以都由中空镀银铜线构成。如图4所示中空镀银铜线包括：中空铜导线，该中空铜导线最内侧为中空气芯41，中空气芯41由铜层42裹覆。中空镀银铜线的运用等也通过线圈品质因数的提高，使电能传输***的传输效率提升；此外，在铜层42外侧依次套设有银层43和绝缘层44以减少能量在导线内的损耗并提高能量传输效率。

更具体地，本实施例的中空镀银铜线中，铜导线部分也就是铜层42是中空的而不是实心结构，也就是在铜层42内加入空气层即中空气芯41，以有效减少高频交流环境下的集肤效应的影响，减少电能传输过程中在线圈内的损耗，同时铜层42外套设银层43，减小线圈阻抗，能够很大程度减少能量损耗，两者的共同作用，能很大程度提高线圈的品质因数，提升***的传输效率。作为进一步的公开和优化，银层43在提高线圈电导率的同时，可以增强其耐高温及耐腐蚀性，厚度可以为0.2毫米；绝缘层44可以由PVC(Polyvinyl chloride，聚氯乙烯)材料制成，对中空镀银铜线的内部有保护作用。需要说明的是，关于对中空镀银铜线的多层结构的说明，旨在说明该中空镀银铜线结构在无线电能传输***中的应用及因结构或物理特性所带来的技术效果，而并不旨在说明该中空镀银铜线的材料的创新，因该中空镀银铜线的材料可以是如上所阐述的现有技术中已有的材料。

作为进一步的公开和优化，发射线圈13与第一电容串联；和/或，第一中继线圈21与第二电容串联；和/或，第二中继线圈22与第三电容串联；和/或，接收线圈31与第四电容串联。第一电容、第二电容、第三电容和第四电容分别对发射线圈13、第一中继线圈21、第二中继线圈22和接收线圈31起调谐作用，使发射线圈13、第一中继线圈21、第二中继线圈22和接收线圈31具有相同的谐振频率。

在本实施例***一方面的应用中，当负载设备32为直流负载设备时，进一步地，接收线圈31与直流负载设备之间连接有整流电路，整流电路用于将接收线圈31的交流电能转换为直流电能；整流电路可以包括：半波整流、全波整流和桥式整流。当负载设备32为交流负载设备时，接收线圈31可以串联匹配电容，并直接与交流负载设备连接，匹配电容用于稳定振荡频率，防止接收线圈31的输出信号被干扰。

作为进一步的公开和优化，为了实现最大功率传输，高频信号发生器11与发射线圈13之间还连接有阻抗匹配网络。该阻抗匹配网络可以为无源网络，具体包括串联的电感和第四电容。或者，阻抗匹配网络为有源网络，具体包括源极跟随器、射极跟随器和缓冲器；源极跟随器包括有源器件和无源器件。

下面将结合图5-7对本实用新型实施例的无线电能传输***的等效电路模型及工作原理进行分析：

发射端及接收端均采用串联结构，其中R₁、R₂、R₃、R₄与L₁、L₂、L₃、L₄分别为发射线圈、第一中继线圈、第二中继线圈和接收线圈的损耗电阻及电感，R_S和R_L分别为电源等效内阻及负载电阻；M₁₂为发射线圈13与第一中继线圈21间互感系数，k₁₂为其二者之间的耦合系数；M₂₃为第一中继线圈21和第二中继线圈22的互感系数，k₂₃为其二者之间的耦合系数；M₃₄为第二中继线圈22与接收线圈31的互感系数，k₃₄为其二者之间的耦合系数；C₁、C₂、C₃和C₄分别为发射线圈13、第一中继线圈21、第二中继线圈22和接收线圈31的调谐电容；U_S为高频电压源；

首先，对无线电能传输***的等效电路进行分析，根据基尔霍夫定律，可以得到以下方程：

Z₁₁i₁+jωM₁₂i₂＝U_S

Z₂₂i₂+jωM₁₂i₁+jωM₂₃i₃＝0

Z₃₃i₃+jωM₂₃i₂+jωM₃₄i₄＝0

Z₄₄i₄+jωM₃₄i₃＝0

其中i₁、i₂、i₃和i₄分别为发射线圈13、第一中继线圈21、第二中继线圈22和接收线圈31的电流，U_S是高频信号发生器的输出电压，Z₁₁、Z₂₂、Z₃₃和Z₄₄分别表示发射端回路、第一中继回路、第二中继回路和接收端回路的回路阻抗，其值分别为：

当***工作在谐振状态时，有：

然后。求得发射线圈13、第一中继线圈21、第二中继线圈22和接收线圈31的电流分别为：

此***的输出功率为将关于接收线圈31的电流的上式带入，则***的输出功率为：

同理，***的输入功率为p_in＝U_Si₁，结合关于发射线圈13的电流的上式得到***的输入功率为：

传输效率可表示为***输出功率与输入功率的比值，即：

由***传输效率公式可知，***的传输效率与***内电能传输模块的发射线圈13、第一中继线圈21、第二中继线圈22及接收线圈31间的互感系数以及各线圈的阻抗有很大关系。

发射线圈13所在平面与接收线圈31所在平面的垂直距离为D，发射线圈13所在平面与第一中继线圈21所在平面的垂直距离为d₁，接收线圈31所在平面与第二中继线圈22所在平面的垂直距离为d₂，则第一中继线圈21与第二中继线圈22间距离为D-d₁-d₂，***线圈间的互感系数如下：

上式中，u₀为真空磁导率，其值为u₀＝4π×10^-7H/m，N₁、N₂、N₃和N₄分别为发射线圈13、第一中继线圈21、第二中继线圈22和接收线圈31的匝数，O₁、O₂、O₃和O₄代表相应的导线回路，dl₁、dl₂、dl₃和dl₄分别为发射线圈13、第一中继线圈21、第二中继线圈22和接收线圈31上的一个微元。

本实用新型实施例所提供的***中，由于发射线圈13与第一中继线圈21同轴同平面，所以当d₁趋近于0时，发射线圈13与第一中继线圈21间互感M₁₂比普通有中继线圈的输电***同等情况下大幅增强；且接收线圈31与第二中继线圈22间距离极近，所以d₂数值也很小，则接收线圈31与第二中继线圈22间互感M₃₄也较强。

例如：发射线圈13半径为30cm，同轴同平面的第一中继线圈21半径为35cm,第二中继线圈22半径为5cm，与第二中继线圈22同轴的接收线圈31半径为5cm,接收线圈31较发射线圈13的水平侧移距离为10cm。发射线圈13、第一中继线圈21、第二中继线圈22及接收线圈31的匝间距都为0.5cm，匝数为10匝，均采用上述中空镀银铜线，且发射线圈13与第二中继线圈22的垂直距离为1m，第二中继线圈22与接收线圈31的距离为5cm,激励源频率设定为f₀＝11.6MHz，使串联谐振电路的线圈谐振发生在11.6MHz附近。如图7所示，在谐振频率点附近，本实施例的非对称双中继无线电能传输***的传输效率达到接近于1的最高值，很大程度上提高了小尺寸接收端在较发射端有水平侧移情况下的无线电能传输***的传输效率。

本实用新型实施例***尤其适用于无线输电的发射端和接收端的非对称结构、也就是接收线圈31相对于发射线圈13有较大尺寸差距且出现水平偏移的应用场景，以及当接收线圈31和发射线圈的距离较远的场景。尤其是设置了与接收线圈31同轴且距离极近放置的第二中继线圈22，在不过多提高***所占空间的前提下又增强了***的线圈互感系数，进而显著提高***的无线电能传输效率。

以上结合附图详细描述了本实用新型例的可选实施方式，但是，本实用新型实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型实施例的技术构思范围内，可以对本实用新型实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本实用新型实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型实施例的思想，其同样应当视为本实用新型实施例所公开的内容。

Claims

1.一种无线电能传输***，其特征在于，包括：

高频信号发生器，用于输出高频信号；

电能无线传输模块；

功率放大器，输入端连接至所述高频信号发生器且输出端连接至所述电能无线传输模块，用于将所述高频信号放大并输出至所述电能无线传输模块；

其中，所述电能无线传输模块包含

发射线圈；

耦合至所述发射线圈的第一中继线圈，设置在所述发射线圈的外侧且与所述发射线圈同轴同平面；

接收线圈，用于连接负载设备；以及

第二中继线圈，与所述接收线圈同轴设置，且耦合至所述接收线圈和所述第一中继线圈以中继传输电能。

2.根据权利要求1所述的无线电能传输***，其特征在于，所述第二中继线圈还被设置成与所述第一中继线圈同轴但不同平面。

3.根据权利要求1所述的无线电能传输***，其特征在于：

所述发射线圈、第一中继线圈、第二中继线圈和接收线圈均由中空镀银铜线构成；

其中，该中空镀银铜导线包括：

中空铜导线层；

银层，套设在所述中空铜导线层外侧。

4.根据权利要求3所述的无线电能传输***，其特征在于，所述中空镀银铜导线还包括套设在所述银层外侧的绝缘层。

5.根据权利要求2所述的无线电能传输***，其特征在于，所述接收线圈与所述第二中继线圈的线圈尺寸相同，以及

所述第二中继线圈所在平面与所述接收线圈所在平面之间的距离小于所述第二中继线圈所在平面与所述第一中继线圈所在平面之间的距离。

6.根据权利要求1所述的无线电能传输***，其特征在于，所述发射线圈、第一中继线圈、第二中继线圈和接收线圈具有相同匝数和匝间距。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的无线电能传输***，其特征在于，还包括与所述第二中继线圈相连接的调谐电容。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的无线电能传输***，其特征在于，还包括：

负载匹配电容，其第一端串联至所述接收线圈，且其第二端用于连接交流负载设备。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的无线电能传输***，其特征在于，还包括：

整流电路，其第一端连接至所述接收线圈，且其第二端用于连接直流负载设备；

其中，所述整流电路选自以下一者或多者：半波整流电路、全波整流电路和桥式整流电路。

10.根据权利要求1-6中任一项所述的无线电能传输***，其特征在于，还包括：

阻抗匹配网络，连接在所述高频信号发生器和所述发射线圈之间。