一种高效率无线充电电源及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种高效率无线充电电源，包括由漆包铜线绕制而成的源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈四个10匝的螺旋线圈，本发明专利技术还公开了高效率无线充电电源的设计方法，包括以下步骤：（1）确定源线圈和负载线圈的半径，发射线圈和接收线圈的半径；（2）确定漆包铜线的横截面半径；（3）确定线圈的匝间距；（4）计算源线圈和负载线圈的谐振频率，发射线圈和接收线圈的谐振频率；（5）通过计算出的线圈的谐振频率，确定源线圈和负载线圈的补偿电容，发射线圈和接收线圈的补偿电容；（6）计算电源的最优频率。本发明专利技术充分利用线圈间交叉耦合传输能量的作用，从而大大提高能量的传输效率与传输距离，实现无线电源的高效率、远距离充电。

【技术实现步骤摘要】
一种高效率无线充电电源及其设计方法
本专利技术涉及无线充电
，具体涉及一种高效率无线充电电源及其设计方法。
技术介绍
电能的无线传输与无线通信技术一样，摆脱了有形介质的束缚，借助空间无形软介质(如电场、磁场、微波等)实现电能由电源端传输至用电设备，该技术是集电磁场、电力电子、高频电子、电磁感应和耦合模理论等多学科交叉的基础研究与应用研究，是能源传输和接入的一次革命性进步，该技术解决了传统的导线直接接触供电的缺陷，是一种有效、安全、便捷的电能传输方式。但是传统的无线充电电源存在充电效率低、充电时距离有限的缺陷，所以本专利技术提出了高效率、远距离的无线充电电源及设计方法。起初无线充电电源多采用两线圈的磁耦合谐振式无线能量传输方式，但是两线圈无线能量传输方式，发射端与接收端的互感较小，存在一个临界传输距离，当发射端与接收端之间的距离超过临界距离时，传输效率会迅速下降。为了提高无线能量的传输效率与传输距离，有研究提出了四线圈的无线能量传输方式，传统的四线圈无线能量传输方式一般令四个线圈的谐振频率相同，谐振频率的设置一般有两种，一种是让四个线圈的谐振频率等于电源的频率，另一种通常是把四个线圈的谐振频率设置在发射线圈或者接收线圈的最优谐振频率处，因此源线圈与负载线圈谐振频率不是自身线圈的最优谐振频率，所以无论电源频率如何设置，源线圈与负载线圈都无法达到最优工作状态，进而源线圈不能尽可能多的把发射端的能量传输到接收端，由于源线圈向接收端传输能量过少，通常不考虑线圈间的交叉耦合作用，源线圈只是起到把电源能量传输给发射线圈的作用，因此这种充电方式具有充电效率低的缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高效率无线充电电源及其设计方法，充分利用线圈间交叉耦合传输能量的作用，从而大大提高能量的传输效率与传输距离，实现无线电源的高效率、远距离充电。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种高效率无线充电电源，包括交流电源、输入调压滤波模块、发射端、接收端和输出整流调压滤波模块，输出整流调压滤波模块连接负载，其特征在于：所述发射端包括源线圈和发射线圈，源线圈连接输入调压滤波模块，源线圈的直径小于发射线圈的直径，且源线圈和发射线圈同轴共面设置，所述接收端包括接收线圈和负载线圈，负载线圈的直径小于接收线圈的直径，且接收线圈和负载线圈同轴共面设置，负载线圈连接负载，所述发射端和接收端相互平行，且圆心在同一轴线上，发射端和接收端的四个线圈均连接有补偿电容，其中，源线圈与负载线圈的补偿电容相等，发射线圈与接收线圈的补偿电容相等，通过补偿电容，使每个线圈的谐振频率均为每个线圈所在回路品质因数最大时对应的频率；所述交流电源为系统供电，输入调压滤波模块将交流电源输出的交流电处理后发送至源线圈，源线圈通过感应耦合的作用将能量传送给发射线圈，源线圈和发射线圈一同作为发射端将能量传送给接收线圈与负载线圈，接收端接收的能量经过输出整流调压滤波模块，将交流电转化为直流电，最后供应给负载。优选的，所述源线圈和负载线圈的半径相等，发射线圈与接收线圈的半径相等。优选的，所述源线圈和负载线圈的半径均为r1＝5cm，发射线圈与接收线圈的半径均为r2＝10cm。优选的，所述源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈均采用由漆皮铜线绕制而成的螺旋线圈，四个螺旋线圈的匝数和匝间距均相等。优选的，四个线圈的匝数均为N＝10，匝间距为d＝3mm，漆皮铜线的横截面半径为rc＝1.1mm。高效率无线充电电源的设计方法，依次包括以下步骤：(1)设定源线圈和负载线圈的半径r1，发射线圈与接收线圈的半径r2，四个线圈的匝数N，漆包铜线的横截面半径rc，以及螺旋线圈的匝间距d；(2)计算源线圈与负载线圈的最优谐振频率f1和发射线圈与接收线圈的最优谐振频率f2；①线圈的品质因数公式如下：其中，其中，Rohm表示热电阻，Rrad表示辐射电阻，fr表示线圈谐振频率，L表示线圈自感，c表示光速，μ0表示真空磁导率，ρ表示电阻率，N为线圈匝数，r表示线圈半径，rc表示线圈横截面半径，下标ohm、rad、r及c均为区分作用，并非变量；②将公式(2)代入公式(1)，可得：由公式(3)可知，当线圈结构确定之后，品质因数Q仅与线圈的谐振频率fr有关，即Q＝α·fr，α为定值；③对品质因数Q与线圈的谐振频率fr的关系式求导数，可得：从而得出品质因数最大时对应的线圈谐振频率为：将每个线圈的参数分别带入公式(5)，即可求得源线圈与负载线圈的最优谐振频率f1，及发射线圈与接收线圈的最优谐振频率f2，其中，下标m＝1,2；(3)计算源线圈和负载线圈的补偿电容C1，及发射线圈和接收线圈的补偿电容C2；由公式(2)可求得源线圈与负载线圈的电感L1，及发射线圈与接收线圈的电感L2，根据电容与频率之间的关系式将步骤(2)计算得到的线圈最优谐振频率fm代入公式(6)，即可得到源线圈和负载线圈的补偿电容C1，及发射线圈和接收线圈的补偿电容C2；(4)计算电源最优频率f0；根据发射端和接收端的等效电路图，可得每个回路的KVL方程如下：其中，Z11＝RS+R1+j(ωL1-1/ωC1)，表示源线圈的回路阻抗，Z22＝R2+j(ωL2-1/ωC2)，表示发射线圈的回路阻抗，Z33＝R3+j(ωL2-1/ωC2)，表示接收线圈的回路阻抗，Z44＝RL+R4+j(ωL1-1/ωC1)，表示负载线圈的回路阻抗，Mij(i≠j，i，j＝1,2,3,4)为线圈间互感，Ii(i＝1,2,3,4)为回路中电流，Rs为电源内阻，R1、R2、R3和R4分别为源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈的内阻，RL为负载电阻，L1表示源线圈的电感及负载线圈的电感，L2表示发射线圈的电感及接收线圈的电感，C1表示源线圈的补偿电容及负载线圈的补偿电容，C2表示发射线圈的补偿电容及接收线圈的补偿电容，ω＝2πf，f为电源频率；通过计算可得电流间关系：当电源内阻Rs与负载电阻RL相等时，电源效率η与正向传输系数S21之间的关系如下：η＝|S21|2(11)正向传输系数S21与电源频率f之间的关系如下：式中，Rs与RL分别为电源内阻、负载电阻，其余各个参数定义与公式(7)相同；利用MATLAB对正向传输系数S21与电源频率f之间的关系式(12)求导，并令即可求得一组与极大值和极小值对应的频率点，将求得的所有频率点代入公式(12)，通过比较可得到正向传输系数S21的最大值，最大值对应的频率点f即为电源的最优频率f0。本专利技术利用电源最优频率作为激励频率，考虑线圈间的交叉耦合作用，将发射端与接收端的四个线圈谐振频率设置在各个线圈所在回路品质因数最大对应的频率处，使源线圈与发射线圈最大限度的把能量由发射端传输到接收端，充分利用了线圈间交叉耦合传输能量的作用，大大提高了能量的传输效率和传输距离，实现了无线电源的高效率、远距离充电。附图说明图1为本专利技术的原理框图；图2为本专利技术所述发射端和接收端的结构示意图；图3为本专利技术所述发射端和接收端的等效电路图；图4为本专利技术与传统四个线圈谐振频率相同的无线能量传输方式的频率对比图；图5为本专利技术与传统四个线圈谐振频率相同的无线能量传输方式在每个距离处正向传输系数最大值的对比图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效率无线充电电源，包括交流电源、输入调压滤波模块、发射端、接收端和输出整流调压滤波模块，输出整流调压滤波模块连接负载，其特征在于：所述发射端包括源线圈和发射线圈，源线圈连接输入调压滤波模块，源线圈的直径小于发射线圈的直径，且源线圈和发射线圈同轴共面设置，所述接收端包括接收线圈和负载线圈，负载线圈的直径小于接收线圈的直径，且接收线圈和负载线圈同轴共面设置，负载线圈连接负载，所述发射端和接收端相互平行，且圆心在同一轴线上，发射端和接收端的四个线圈均连接有补偿电容，其中，源线圈与负载线圈的补偿电容相等，发射线圈与接收线圈的补偿电容相等，通过补偿电容，使每个线圈的谐振频率均为每个线圈所在回路品质因数最大时对应的频率；所述交流电源为系统供电，输入调压滤波模块将交流电源输出的交流电处理后发送至源线圈，源线圈通过感应耦合的作用将能量传送给发射线圈，源线圈和发射线圈一同作为发射端将能量传送给接收线圈与负载线圈，接收端接收的能量经过输出整流调压滤波模块，将交流电转化为直流电，最后供应给负载。

【技术特征摘要】
1.一种高效率无线充电电源，包括交流电源、输入调压滤波模块、发射端、接收端和输出整流调压滤波模块，输出整流调压滤波模块连接负载，其特征在于：所述发射端包括源线圈和发射线圈，源线圈连接输入调压滤波模块，源线圈的直径小于发射线圈的直径，且源线圈和发射线圈同轴共面设置，所述接收端包括接收线圈和负载线圈，负载线圈的直径小于接收线圈的直径，且接收线圈和负载线圈同轴共面设置，负载线圈连接负载，所述发射端和接收端相互平行，且圆心在同一轴线上，发射端和接收端的四个线圈均连接有补偿电容，其中，源线圈与负载线圈的补偿电容相等，发射线圈与接收线圈的补偿电容相等，通过补偿电容，使每个线圈的谐振频率均为每个线圈所在回路品质因数最大时对应的频率；所述交流电源为系统供电，输入调压滤波模块将交流电源输出的交流电处理后发送至源线圈，源线圈通过感应耦合的作用将能量传送给发射线圈，源线圈和发射线圈一同作为发射端将能量传送给接收线圈与负载线圈，接收端接收的能量经过输出整流调压滤波模块，将交流电转化为直流电，最后供应给负载。2.如权利要求1所述的一种高效率无线充电电源，其特征在于：所述源线圈和负载线圈的半径相等，发射线圈与接收线圈的半径相等。3.如权利要求2所述的一种高效率无线充电电源，其特征在于：所述源线圈和负载线圈的半径均为r1＝5cm，发射线圈与接收线圈的半径均为r2＝10cm。4.如权利要求2所述的一种高效率无线充电电源，其特征在于：所述源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈均采用由漆皮铜线绕制而成的螺旋线圈，四个螺旋线圈的匝数和匝间距均相等。5.如权利要求4所述的一种高效率无线充电电源，其特征在于：四个线圈的匝数均为N＝10，匝间距为d＝3mm，漆皮铜线的横截面半径为rc＝1.1mm。6.权利要求5所述的高效率无线充电电源的设计方法，其特征在于，依次包括以下步骤：(1)设定源线圈和负载线圈的半径r1，发射线圈与接收线圈的半径r2，四个线圈的匝数N，漆包铜线的横截面半径rc，以及螺旋线圈的匝间距d；(2)计算源线圈与负载线圈的最优谐振频率f1和发射线圈与接收线圈的最优谐振频率f2；①线圈的品质因数公式如下：其中，其中，Rohm表示热电阻，Rrad表示辐射电阻，fr表示线圈谐振频率，L表示线圈自感，c表示光速，μ0表示真空磁导率，ρ表示电阻率，N为线圈匝数，r表示线圈半径，rc表示线圈横截面半径，下...

【专利技术属性】
技术研发人员：施艳艳，张一鸣，范悦，王璨，王萌，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：河南,41