接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统论文和设计-李云辉

全文摘要

本实用新型提供了一种接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统，系统的接收端包括接收端电路、接收端非共振线圈和接收端共振线圈；系统还包括：用于获取系统的接收端和发射端之间的距离的控制模块；在控制模块的控制下根据距离以一定规律调节接收端非共振线圈的匝数的切换模块，切换模块与控制模块通信连接。本实用新型通过切换线圈改变了接收端非共振线圈的匝数，实现了接收端非共振线圈和接收端共振线圈的磁通量控制，实现了大范围内稳定、高效的能量传输效率；本实用新型可使用单一频率进行工作；本实用新型通过改变接收端非共振线圈的匝数可保证工作频率始终不劈裂。

主设计要求

1.一种接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统，所述系统的接收端包括接收端电路、接收端非共振线圈和接收端共振线圈，所述接收端非共振线圈电连接于所述接收端电路，所述接收端共振线圈耦合于所述接收端非共振线圈，其特征在于，所述接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统还包括：用于获取所述系统的接收端和发射端之间的距离的控制模块；在所述控制模块的控制下根据所述距离以一定规律调节所述接收端非共振线圈的匝数的切换模块，所述切换模块与所述控制模块通信连接。

设计方案

1.一种接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统，所述系统的接收端包括接收端电路、接收端非共振线圈和接收端共振线圈，所述接收端非共振线圈电连接于所述接收端电路，所述接收端共振线圈耦合于所述接收端非共振线圈，其特征在于，所述接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统还包括：

用于获取所述系统的接收端和发射端之间的距离的控制模块；

在所述控制模块的控制下根据所述距离以一定规律调节所述接收端非共振线圈的匝数的切换模块，所述切换模块与所述控制模块通信连接。

2.如权利要求1所述的接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统，其特征在于：所述发射端包括发射端共振线圈、发射端非共振线圈和发射端电路，所述发射端共振线圈共振耦合于所述接收端共振线圈，所述发射端非共振线圈耦合于所述发射端共振线圈，所述发射端电路电连接于所述发射端非共振线圈；

所述接收端共振线圈磁场耦合于所述接收端非共振线圈；

所述发射端共振线圈磁场耦合于所述发射端非共振线圈。

3.如权利要求2所述的接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统，其特征在于：所述距离为所述接收端共振线圈和所述发射端共振线圈之间的距离。

4.如权利要求1所述的接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统，其特征在于：所述控制模块电连接于所述接收端非共振线圈。

5.如权利要求1所述的接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统，其特征在于：所述接收端非共振线圈包括匝数不同的多个子线圈；

所述切换模块的第一端电连接于所述接收端电路，所述切换模块的第二端可切换地电连接于一所述子线圈，所述切换模块的控制端电连接于所述控制模块。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及无线电能传输领域，具体涉及一种接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统。

背景技术

在无线电能传输系统的发展中经历了几个阶段，最初的方案直接通过线圈产生交变电磁场耦合感应式，虽然目前该方案(Qi标准)是已实现量产，但其缺点也十分突出，一方面是传输距离非常近(不超过10mm)，另一方面该方法的能量传输效率不高(低于50％)，由此导致充电范围小的问题。随后由麻省理工学院Marin教授提出的磁共振方案可以有效提升能量的传输距离，但其缺点也非常明显，只存在一个最佳的工作距离，其他距离下传输效率会大大下降。基于磁共振传输方案，工程上的解决方法是通过追踪最佳的工作频率，该方法不仅电路设计困难，并且无法扩大充电范围。特别的，在一些特定场景下，限制了发射端电路及线圈系统的改进空间(小型化便携供电设备)而仅仅只能通过优化接收端来实现效率和可移动性的提升。此外，现有技术中很难避免在相对较近距离下由于近场相互作用导致的频率劈裂问题。

因此，有必要提供一种方案，解决现有无线电能传输系统中存在的传输距离短、传输效率低、充电范围小、工作频率不稳定的问题。

实用新型内容

为了解决现有无线电能传输系统中存在的传输距离短、传输效率低、充电范围小的问题，本实用新型提供了一种接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统。

本实用新型提供的接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统，所述系统的接收端包括接收端电路、接收端非共振线圈和接收端共振线圈，所述接收端非共振线圈电连接于所述接收端电路，所述接收端共振线圈耦合于所述接收端非共振线圈，所述接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统还包括：

用于获取所述系统的接收端和发射端之间的距离的控制模块；

在所述控制模块的控制下根据所述距离以一定规律调节所述接收端非共振线圈的匝数的切换模块，所述切换模块与所述控制模块通信连接。

本实用新型通过改变接收端非共振线圈的匝数，实现了接收端非共振线圈和接收端共振线圈的磁通量控制，实现了大范围内稳定、高效的能量传输效率。

本实用新型接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统的进一步改进在于，所述发射端包括发射端共振线圈、发射端非共振线圈和发射端电路，所述发射端共振线圈共振耦合于所述接收端共振线圈，所述发射端非共振线圈耦合于所述发射端共振线圈，所述发射端电路电连接于所述发射端非共振线圈；

所述接收端共振线圈磁场耦合于所述接收端非共振线圈；

所述发射端共振线圈磁场耦合于所述发射端非共振线圈。

本实用新型接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统的更进一步改进在于，所述距离为所述接收端共振线圈和所述发射端共振线圈之间的距离。

本实用新型接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统的进一步改进在于，所述控制模块电连接于所述接收端非共振线圈。

本实用新型接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统的进一步改进在于，所述接收端非共振线圈包括匝数不同的多个子线圈；

附图说明

图1为本实用新型实施例的接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统的能量传输关系示意图。

图2为本实用新型实施例的接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统的主要结构示意图。

图3a为接收端位于空间区域Ⅰ并且第一子线圈耦合于接收端共振线圈时的系统结构示意图。

图3b为第一子线圈耦合于接收端共振线圈时能量传输效率与距离的关系曲线示意图。

图4a为接收端位于空间区域Ⅱ并且第二子线圈耦合于接收端共振线圈时的系统结构示意图。

图4b为第二子线圈耦合于接收端共振线圈时能量传输效率与距离的关系曲线示意图。

图5a为接收端位于空间区域Ⅲ并且第三子线圈耦合于接收端共振线圈时的系统结构示意图。

图5b为第三子线圈耦合于接收端共振线圈时能量传输效率与距离的关系曲线示意图。

图6为本实用新型实施例的接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统的能量传输效率与距离的关系曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统作进一步说明。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。

结合图1和图2所示，本实用新型接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统，系统的接收端包括接收端电路70、接收端非共振线圈60和接收端共振线圈50，接收端非共振线圈60电连接于接收端电路70，接收端共振线圈50耦合于接收端非共振线圈60，接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统还包括：

用于获取系统的接收端和发射端之间的距离的控制模块(图中未显示)；

在控制模块的控制下根据距离以一定规律调节接收端非共振线圈60的匝数的切换模块(图中未显示)，切换模块与控制模块通信连接。

本实用新型中，通过改变耦合于接收端共振线圈50的接收端非共振线圈60的匝数，改变了接收端非共振线圈60与接收端共振线圈50之间的磁通量，改变了接收端非共振线圈60与接收端共振线圈50的通道耦合速率，进而优化提升了发射端共振线圈40和接收端共振线圈50之间的能量传输效率。

具体地，当发射端和接收端之间的距离改变时，以一定规律将接收端非共振线圈60匝数调整至适应于当前距离，以使能量传输效率保持相对稳定并始终保持在相对较高的范围内，解决了现有技术中存在的传输距离短、传输效率低、充电范围小的技术问题。

本实施例中，控制模块根据相关电路参数计算距离；控制模块还电连接于切换模块，用于控制切换模块；切换模块电连接于接收端电路70和接收端非共振线圈60之间。在其他实施例中，获取距离的方式还可通过距离传感器；调节接收端非共振线圈60匝数的方式也可为通过滑动开关来改变线圈匝数；切换模块与控制模块之间的通信连接方式可为导线连接方式，也可为无线通讯连接方式。

进一步地，规律为接收端非共振线圈60的匝数和距离之间的关系呈负相关。

本实用新型中，当距离增大时，通过减小接收端非共振线圈60的匝数以保持电能传输效率的稳定；当距离减小时，通过增大接收端非共振线圈60的匝数以保持电能传输效率的稳定。

进一步地，控制模块控制切换模块调节接收端非共振线圈60的匝数，以使系统的共振模式锁定在接收端共振线圈50的本征频率。

基于对宇称-时间(parity-time,PT)对称的非厄米物理系统的原理，调节接收端非共振线圈60的匝数可以避免共振频率因近场耦合导致的劈裂效应，将系统的共振模式始终锁定在两个共振线圈的本征频率，从而实现能量传输效率最大化。

具体地，非厄米物理系统中本征值的实部表示了系统模式的频率，而本征值有虚部则表示系统模式存在损耗，如果本征值为纯实数则表示系统模式效率可达最大。当系统工作频率与系统本征值频率实部(即系统的共振模式)相同时，能量传输效率最大。在现有的电能传输系统中，系统共振模式会随着距离的改变而改变，系统共振模式也会随着接收端非共振线圈60的匝数的改变而改变。而本实用新型实施例中，通过调整接收端非共振线圈60的匝数，抵消距离对系统共振模式的影响(特别是模式劈裂)，使系统共振模式实部保持不变(保持在接收端共振线圈50的本征频率附近)，并且成功消除了共振模式本征值的虚部，从而实现并保持单一频率下能量传输效率最大化。

接收端共振线圈50的本征频率与发射端共振线圈40的本征频率相同。本领域技术人员可以通过常规技术中的电路设计、程序编程，得到符合要求(使系统的共振模式锁定在共振线圈的本征频率)的接收端非共振线圈匝数。

针对频率劈裂影响效率的问题，传统的解决方法是要求接收端和发射端的阻抗完全相同，并且要找到劈裂的频率(共振模式)作为系统工作频率。本实用新型通过调节接收端非共振线圈60的方式，保证系统在每一个空间区域下，均在本征模式附近工作，即能量传输效率最大化。本实用新型通过调节接收端的非共振线圈即可保证工作频率稳定在一个单一频率，避免了追踪频率并切换工作频率的复杂电路拓扑，不需要发射接收端同时调整满足最佳供电效率，可以锁定共振线圈的本征模式，提升系统稳定性。本实用新型使工作频率免劈裂，即保证在线圈共振频率工作，解决了现有技术中存在的工作频率不稳定的技术问题。

进一步地，发射端包括发射端共振线圈40、发射端非共振线圈30和发射端电路20，发射端共振线圈40共振耦合于接收端共振线圈50，发射端非共振线圈30耦合于发射端共振线圈40，发射端电路20电连接于发射端非共振线圈30。

图1为接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统的整体框图，DC输入端10向发射端电路20输入电能，输入电能通过发射端电路20变为一个高频交流信号并进入到发射端非共振线圈30，再由发射端非共振线圈30耦合进入发射端共振线圈40，随后发射端共振线圈40和接收端共振线圈50进行共振耦合并将电能无线传输给接收端共振线圈50，在由接收端非共振线圈60将电能从接收端共振线圈50耦合提出，最终经过接收端的接收端电路70(如滤波稳压电路)供负载设备80使用。发射端电路20的两端分别电连接于发射端非共振线圈30的两端，接收端电路70的两端分别电连接于接收端非共振线圈60的两端。

更进一步地，接收端共振线圈50和发射端共振线圈40均为独立的闭合回路。

本实施例中，接收端共振线圈50和发射端共振线圈40仅仅由绕制的线圈和数个低损耗电容并联而成。

更进一步地，接收端共振线圈50磁场耦合于接收端非共振线圈60；发射端共振线圈40磁场耦合于发射端非共振线圈30。

本实施例中，接收端共振线圈50形成自闭合回路，仅仅使用低损耗的NPO电容并且采取合适的线圈设计，接收端非共振线圈60和接收端共振线圈50之间通过磁场耦合，有效地提升了接收端共振线圈50的Q值；同理，发射端共振线圈40形成自闭合回路，仅仅使用低损耗的NPO电容并采取合适的线圈设计，发射端非共振线圈30和发射端共振线圈40之间通过磁场耦合，有效地提升了发射端共振线圈40的Q值；这样设计的无线电能传输系统可以最大化能量传输距离。

更进一步地，控制模块电连接于接收端非共振线圈60。

本实施例中，控制模块电连接于接收端非共振线圈60，根据接收端非共振线圈60中的相关电路参数计算距离。距离为接收端共振线圈50和发射端共振线圈40之间的距离。

更进一步地，控制模块包括：用于检测接收端电路70的输出电流电压参数的检测单元(图中未显示)，检测单元电连接于接收端电路70；处理输出电流电压参数并根据输出电流电压参数计算距离的计算单元(图中未显示)，计算单元电连接于检测单元；根据距离控制切换模块的控制单元(图中未显示)，控制单元电连接于计算单元和切换模块。

不同距离下，耦合发射端共振线圈40和接收端共振线圈50的耦合强度不同。本实施例利用上述特点，通过监控、分析接收端电路70的输出电流电压参数获得距离，输出电流电压是指接收端电路70输出至负载设备80的电流电压，即输出电压电流参数为负载上的电压电流，属于DC。

具体地，通过在负载设备80设置电压探头和电流探头(霍尔元件或电阻分压)，把探测电压值(Uin)和电流值(Iin)降压后输入给接收端蓝牙模块(内含MCU)；发射端DC输入端10同样设置电压探头和电流探头，探测电压值(Uout)和电流值(Iout)降压后输入给发射端蓝牙模块(内含MCU)；发射端蓝牙模块再将数据传给接收端蓝牙模块；接收端蓝牙模块的MCU即可计算能量传输效率η＝(U_{out<\/sub>I_{out<\/sub>)\/(U_{in<\/sub>I_{in<\/sub>)；通过切换不同接收端非共振线圈60，最后选择能量传输最高的接收端非共振线圈60工作。}}}}

本实用新型不以此为限，只要能够获取发射端共振线圈40和接收端共振线圈50之间的距离即可。

进一步地，接收端非共振线圈60包括匝数不同的多个子线圈；切换模块的第一端电连接于接收端电路70，切换模块的第二端可切换地电连接于一子线圈，切换模块的控制端电连接于控制模块。

本实施例中，切换模块的第一端电连接于接收端电路70，切换模块的第二端电连接于接收端非共振线圈60中的一子线圈，即接收端电路70通过切换模块的通或断实现与子线圈之间的连接或断开；切换模块的控制端电连接于控制模块并受控制模块控制；控制模块选定与当下距离相对应的子线圈并控制切换模块的第二端电连接于该选定的子线圈，实现该子线圈和接收端电路70之间的电连接，使该子线圈耦合于接收端共振线圈50。当距离改变时，控制模块选择另一子线圈并控制切换模块的第二端切换连接，保证接收端电路70电连接于与当前距离相对应的子线圈，保证接收端共振线圈50耦合于与当前距离相对应的子线圈。本实施例中，多个子线圈的直径相同，材质等其他影响因素亦不变。本实用新型的技术手段不限于此，只要能够保证接收端共振线圈50耦合于与当前距离相对应的子线圈(接收端电路70电连接于与当前距离相对应的子线圈)即可。

更进一步地，控制模块为单片机模块，切换模块包括可控型开关。

本实施例中，切换模块包括可控型的开关器件；通过微控制单元(MCU)检测、处理输出电流电压参数并获取距离；再利用MCU控制驱动开关器件。在其他实施例中，在信号开关(弱电)的线路中，可使用5V的电子开关；在MOS开关(强电)的线路中，可使用继电器，开关切换不同线圈可能需要同时对MOS栅极驱动信号和MOS管输入电压同时开关确保线路完全切换。

进一步地，规律为接收端非共振线圈60的匝数和距离之间的关系呈负相关。

此外，使用本实用新型进行双共振式无线电能传输的方法，包括步骤：

步骤一：提供一接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统，系统的接收端包括接收端电路、接收端非共振线圈和接收端共振线圈，接收端非共振线圈电连接于接收端电路，接收端共振线圈耦合于接收端非共振线圈；

步骤二：获取系统的接收端和发射端之间的距离；

步骤三：根据距离以一定规律调节接收端非共振线圈的匝数，规律为接收端非共振线圈60的匝数和距离之间的关系呈负相关。

本实施例中，接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统还包括控制模块和切换模块，由控制模块执行步骤二，步骤三中由控制模块控制切换模块调节线圈匝数。

进一步地，根据距离以一定规律调节接收端非共振线圈60的匝数的步骤中，通过调节接收端非共振线圈60的匝数，使系统的共振模式锁定在接收端共振线圈50的本征频率。

进一步地，接收端非共振线圈60包括匝数不同的多个子线圈；

步骤S103中，将对应于距离的一子线圈电连接于接收端电路。

进一步地，距离为接收端共振线圈50和发射端共振线圈40之间的距离。

结合图2、图3a至图6所示，本实施例中，接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统包括接收端共振线圈50、接收端非共振线圈60以及发射端共振线圈40，发射端非共振线圈30；接收端非共振线圈60包括第一子线圈61、第二子线圈62和第三子线圈63；接收端电路70电连接于第一子线圈61、第二子线圈62和第三子线圈63中之一；流经接收端非共振线圈60的信号为接收端电路70形成的高频交流信号，工作频率为50kHz-10MHz中某个单一频率；发射端非共振线圈30的输出信号为高频交流信号，通过后端发射端电路20(包括整流电路和滤波电路)后可以使用。第一子线圈61、第二子线圈62和第三子线圈63分别对应空间区域Ⅰ、空间区域Ⅱ和空间区域Ⅲ，第一子线圈61的匝数大于第二子线圈62的匝数，第二子线圈62的匝数大于第三子线圈63的匝数，空间区域Ⅰ至接收端的距离小于空间区域Ⅱ至接收端的距离，空间区域Ⅱ至接收端的距离小于空间区域Ⅲ至接收端的距离。

接收端共振线圈50和发射端共振线圈40具有相同的共振频率ω_{0<\/sub>，即本实用新型中的工作频率，该频率ω_{0<\/sub>通常处于50kHz至10MHz之间，具体取值与接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统的整体尺寸和工作环境相关。}}

具体地，当接收端整体在空间中移动时，接收端通过不断切换接入系统的接收端非共振线圈60，实现单频率高效率且可以自由移动电能传输。例如，当接收端处于较近空间区域Ⅰ时，系统切换至绕线匝数较多的第一子线圈61，如图3a所示，此时系统在本征频率ω_{0<\/sub>处工作效率如图3b所示。可以观察到，第一子线圈61可以提供空间区域Ⅰ内的单频率高效率移动电能传输。}

如果移动接收端至空间区域Ⅱ，原本的第一子线圈61将无法满足需求，此时切换到第二子线圈62，如图4a所示。第二子线圈62的绕制匝数小于第一子线圈61的绕制匝数，系统在第二子线圈62激活时能量传输效率和空间区域的关系如图4b所示。第二子线圈62可以提供空间区域Ⅱ内的单频率高效率移动电能传输。

如果移动接收端至空间区域Ⅲ，原本的第二子线圈62将无法满足需求，此时切换到第三子线圈63，如图5a所示。第三子线圈63的绕制匝数小于第二子线圈62的绕制匝数，系统在第三子线圈63激活时能量传输效率和空间区域的关系如图5b所示。第三子线圈63可以提供空间区域Ⅲ内的单频率高效率移动电能传输。

综上，如图6所示，该方案通过切换接收端的第一子线圈61、第二子线圈62、第三子线圈63与接收端共振线圈50耦合工作，可以实现大范围空间区域(空间区域Ⅰ、空间区域Ⅱ和空间区域Ⅲ)的高效电能传输。额外的，该方案构建的系统实现了单一的工作频率，可以大大简化输出高频交流信号的发射端电路20。该方案在无线电能传输系统工程实现具有重要的意义。以上仅为本实用新型的一实施例，本实用新型的子线圈数量、匝数、可应用的空间区域等均不以上述实施例为限。

现有技术中，随着距离的增大，能量传输效率逐渐减小。本实用新型通过切换线圈改变了接收端非共振线圈60的匝数，实现了接收端非共振线圈60和接收端共振线圈50的磁通量控制，实现了大范围内稳定、高效的能量传输效率；本实用新型可使用单一频率进行工作；本实用新型通过改变接收端非共振线圈60的匝数可保证工作频率始终不劈裂(即保证在线圈共振频率工作)。

本实用新型可以应用于多种角度(一般0°至60°)，可以应用于大小面积比不同的无线充电系统，可以应用到线圈面积比例不等，空间角度不等，相对位置不对位等极端情况下，保证在大范围空间中能量传输效率相对稳定。实际应用时，需要根据不同应用场景来设计线圈匝数。

本实用新型实现了在单一工作频率下的高效率自由移动的无线电能传输，满足了无线电能传输系统需求更大的充电功率和更高的充电效率的要求，满足了自由移动的需求，克服了频率追踪的困难，解决了发射端小型化需求中无法进行发射端电路和线圈优化的问题。

本实用新型通过切换接收端非共振线圈60，从物理机制上改变磁场的分布，可以有效的提升能量的传输效率；可以将系统的工作频率稳定在一个单一频率；可以提供更大的充电范围，满足自由移动的需求。

以上仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型做任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

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