基于不同谐振频率辅助线圈的无线能量传输方法技术

本发明专利技术公开了一种基于不同谐振频率辅助线圈的无线能量传输方法，首先构建无线传输系统，所述系统包括高频信号发生器、发射线圈、接收线圈、辅助线圈和负载；其次通过可变电容调谐发射线圈和接收线圈，使两者具有相同的谐振频率，而辅助线圈具有不同的自谐振频率，高频信号发生器产生高频谐振信号，使得发射线圈和接收线圈产生共振；最后根据传输距离，调节辅助线圈与发射线圈以及辅助线圈与接收线圈的间距，使功率传输效率能够随着传输距离的变化始终稳定在60％以上；本发明专利技术的优点为：设计结构简单，易于实现；能够缓解频率分裂的现象，实现高效率的能量传输；当传输距离发生变化时，功率传输效率始终保持较高水平，应用范围广，适应性强。

Wireless energy transmission method based on auxiliary coil with different resonance frequency

The invention discloses a wireless power transmission method based on different resonant frequencies of the auxiliary coil, first build the wireless transmission system, the system includes a high frequency signal generator, transmitting coil and receiving coil, auxiliary coil and load; followed by variable capacitance tuning transmitting and receiving coils, and make them have the same resonant frequency, and the auxiliary since the coil has a different resonant frequency, high frequency signal generator generates high frequency resonance signal, the transmitting and receiving coils to produce resonance; according to the transmission distance, adjust the auxiliary coil and the transmitting coil and the auxiliary coil and the receiving coil spacing, the power transmission efficiency can change with the transmission distance has stabilized at more than 60%; the invention has the advantages of the design has the advantages of simple structure, easy to realize; can alleviate the frequency splitting phenomenon. High efficiency energy transmission, when the transmission distance changes, the power transmission efficiency has always maintained a high level, a wide range of applications, adaptability.

【技术实现步骤摘要】
基于不同谐振频率辅助线圈的无线能量传输方法
本专利技术涉及无线电能传输，尤其涉及一种通过增加不同谐振频率的辅助线圈的高效率无线能量传输方法。
技术介绍
无线能量传输(WirelessPowerTransmission,WPT)是一项在通信、工业、医疗、消费电子等领域有着巨大应用前景的实用技术。WPT技术可以无线传输能量，使便携式、可穿戴式设备真正摆脱电源线的限制；可以远程传输能量，解决无线传感网络中自主型节点、自主型机器人、RFID标签的供电问题；还可以穿过障碍物传输能量，使医学植入式设备的续航得以保障。WPT技术主要分为：感应式WPT，共振式WPT，和辐射式WPT。三种技术各有优缺点：感应式WPT技术在距离极近时可以获得较大的传输效率，但是传输效率随着距离的增大迅速下降；辐射式WPT可以利用定向辐射获得较大的传输距离，但是其传输效率较低，并存在射频污染的可能。共振式WPT则是利用各自独立的自谐振线圈之间的临界耦合，将感应式WPT的传输距离提高到数倍于线圈尺寸，在牺牲部分传输效率的情况下，获得比较可观的传输功率。然而，传统的共振式WPT的传输距离仍然受到线圈尺寸的限制，无法实现中远距离(传输距离数十倍于线圈尺寸)的能量传输。近年来，为了实现中远距离的WPT，研究者开始尝试使用多个中继线圈以拓展共振式无线能量传输的传输距离。这种包含一个发射线圈、多个中继线圈、一个或多个接收线圈的无线能量传输方式被称为“中继式无线能量传输(WirelessPowerTransferwithRelayResonators)”。这种多个耦合谐振环的结构最早由E.Shamonina等人在2002年提出，主要用于传感网络的通信，该结构是将多个环形谐振器排成一条直线或曲线，利用谐振器之间的磁耦合使电磁波得以远距离传播，因而被称为“磁感应波导(MIW,Magneto-inductivewaveguide)”。近年来，这种磁感应波导结构被用于无线能量传输，也被称为“中继式WPT”、“多米诺谐振式无线能量传输(WirelessPowerDomino-ResonatorSystem)”或“阵列式无线输能(WPTSystemwithArrayofResonators)”等。这种传统的“中继式WPT”系统设计要求所有线圈(包括发射线圈，中继线圈和接收线圈)调谐在相同的谐振频率下实现共振传输能量。当中继线圈数量增加时，不可避免地会出现频率分裂的现象。这种频率分裂的现象会使得系统在谐振频率处效率很低。为了解决这一问题，国内外许多研究者也提出了频率跟踪和阻抗匹配的方法，但是实施起来比较复杂。因此，我们提出了一种新型的系统结构，能够缓解频率分裂的现象，高效率的传输系统能量。
技术实现思路
专利技术目的：针对磁耦合共振无线电能传输系统随着传输距离的增大，耦合系数的减小而导致系统传输效率急剧下降的问题，本专利技术的目的是提供一种通过增加不同谐振频率辅助线圈以缓解频率分裂、实现高效率电能传输的无线电能传输方法。技术方案：本专利技术所述的基于不同谐振频率辅助线圈的无线能量传输方法，包括如下步骤：(A)构建无线传输系统，所述系统包括高频信号发生器、发射线圈、接收线圈、辅助线圈和负载，其中，高频信号发生器与发射线圈相连，接收线圈和负载相连，辅助线圈放置在负载附近的某个位置；所述发射线圈和接收线圈具有相同的结构和电参数；且发射线圈、接收线圈和辅助线圈中任意两者之间的距离可调；(B)发射线圈，接收线圈和辅助线圈利用高频下的等效电阻、自身电感和可变电容分别组成各自的谐振电路，并通过可变电容调谐电路产生特定的谐振频率；其中，发射线圈和接收线圈具有相同的谐振频率f1，辅助线圈的自谐振频率为f2，且f2≠f1；(C)高频信号发生器产生高频谐振信号，其频率与发射线圈、接收线圈的谐振频率相同，使得发射线圈和接收线圈产生共振；(D)根据发射线圈与接收线圈之间的传输距离，调节辅助线圈在两者之间的位置，使功率传输效率能够随着传输距离的变化始终稳定在60％以上。所述发射线圈、接收线圈和辅助线圈均由铜线绕制而成，且位置上满足轴线平行。所述辅助线圈可为一个或者多个，当发射线圈与接收线圈的间距很远或者相对位置比较复杂时，一个辅助线圈可能并不能实现效率更优，这时候就需要增加辅助线圈的个数或者调节辅助线圈的谐振频率来实现效率优化。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：设计结构简单，易于实现；基于新型的系统结构，能够缓解频率分裂的现象，实现高效率的能量传输；当传输距离发生变化时，功率传输效率始终保持较高水平，应用范围广，适应性强。附图说明图1是本专利技术的无线能量传输系统的结构示意图；图2是本专利技术的无线能量传输系统的等效电路模型图；图3是仅有发射线圈和接收线圈时，无线输能系统传输距离和功率传输效率的关系示意图；图4是当辅助线圈与接收线圈耦合一定时，发射线圈与辅助线圈之间的耦合和传输距离的变化对功率传输效率的影响图；图5是基于不同谐振频率辅助线圈和基于相同谐振频率辅助线圈的传输效率对比图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步说明。如图1所示，基于增加不同谐振频率辅助线圈的无线能量传输系统，包括高频信号发生器1，发射线圈2，接收线圈3，辅助线圈4以及负载5。高频信号发生器1发出高频信号脉冲，将能量信号传送给发射线圈2，接收线圈3通过线圈间的磁耦合共振从发射线圈2处得到高频信号发生器1所发出的高频振荡信号，接收线圈3再将能量供给负载5及负载设备。如图2所示，本专利技术提出的磁耦合共振无线输能系统的等效电路模型共有三个线圈回路，分别为发射回路，接收回路和辅助回路，其中，发射线圈2，接收线圈3和辅助线圈4利用其自身在高频下的等效电阻、自身电感和可变电容组成谐振电路，可变电容的作用是调谐电路产生特定的谐振频率；发射线圈2和接收线圈3具有相同结构及电参数，通过可变电容调谐成具有相同的谐振频率。在此基础上，高频信号发生器1发出与发射线圈2和接收线圈3相同谐振频率的高频谐振信号，使得发射线圈2和接收线圈3产生共振。当发射线圈2和接收线圈3之间的距离发生变化时，分别调节辅助线圈4与发射线圈2以及辅助线圈4与接收线圈3之间的间距，使三者的间距，即三个线圈之间的耦合系数满足一定的关系，使功率传输效率能够随着传输距离的变化始终稳定在60％以上，即可实现在传输距离变化时，功率传输效率保持较高水平。本实施例的无线能量传输系统的工作频率为f＝30MHz，电源和负载的电阻分别为50Ω，发射线圈2，接收线圈3和辅助线圈4的参数如表1所示。表1图2中，VS是外加激励源高频信号发生器1产生信号的电压；Rs是外加激励源高频信号发生器的内阻；用于无线能量发射的线圈谐振回路包括电感LT，可变电容CT，高频下的等效电阻RTP；辅助线圈谐振回路包括电感L1，可变电容C1，高频下的电阻R1P；用于无线接收的线圈谐振回路包括电感L2，可变电容C2，高频下的电阻R2P；RX为负载阻抗。系统电源的交流电压和内阻与发射线圈2谐振回路的电感、电容和寄生电阻均为串联关系；接收线圈3的电感、电容和寄生电阻与负载5均为串联关系。可变电容C的计算公式为：IT是发射线圈2上的电流；IX1是辅助线圈4上的电流；IX2是接收线圈3及流过负载5上的电流；Mt本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于不同谐振频率辅助线圈的无线能量传输方法，其特征在于，包括如下步骤：(A)构建无线传输系统，所述系统包括高频信号发生器(1)、发射线圈(2)、接收线圈(3)、辅助线圈(4)和负载(5)；其中，高频信号发生器(1)与发射线圈(2)相连，接收线圈(3)和负载(5)相连，发射线圈(2)、接收线圈(3)和辅助线圈(4)中任意两者之间的距离可调；所述发射线圈(2)和接收线圈(3)具有相同的结构和电参数；(B)发射线圈(2)，接收线圈(3)和辅助线圈(4)利用高频下的等效电阻、自身电感和可变电容分别组成谐振电路，通过可变电容调谐电路产生特定的谐振频率；其中，发射线圈(2)和接收线圈(3)具有相同的谐振频率f1，辅助线圈的自谐振频率为f2，f2≠f1；(C)高频信号发生器(1)产生频率为f1的高频谐振信号，使得发射线圈(2)和接收线圈(3)产生共振；(D)根据发射线圈(2)与接收线圈(3)之间的距离，调节辅助线圈(4)在两者之间的位置，使功率传输效率能够随着传输距离的变化始终稳定在60％以上。

【技术特征摘要】
1.一种基于不同谐振频率辅助线圈的无线能量传输方法，其特征在于，包括如下步骤：(A)构建无线传输系统，所述系统包括高频信号发生器(1)、发射线圈(2)、接收线圈(3)、辅助线圈(4)和负载(5)；其中，高频信号发生器(1)与发射线圈(2)相连，接收线圈(3)和负载(5)相连，发射线圈(2)、接收线圈(3)和辅助线圈(4)中任意两者之间的距离可调；所述发射线圈(2)和接收线圈(3)具有相同的结构和电参数；(B)发射线圈(2)，接收线圈(3)和辅助线圈(4)利用高频下的等效电阻、自身电感和可变电容分别组成谐振电路，通过可变电容调谐电路产生特定的谐振频率；其中，发射线圈(2)和接收线圈(3)具有相同的谐振频率f1，辅助线圈的自谐振频率为f2，...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐万春，陆振君，李保珠，于正永，葛晋群，张海勇，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32