基于單圈圓形銅線線圈的無線電能傳輸最優電容選擇裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于單圈圓形銅線線圈的無線電能傳輸最優電容選擇裝置，該裝置包括諧振式無線電能傳輸電路和諧振式無線電能接收電路；諧振式無線電能傳輸電路包括驅動電源VS,驅動電源損耗RS,發送線圈外加電容C1，發送線圈寄生電容C3，發送線圈損耗電阻R1及第一自感L1；諧振式無線電能接收電路包括負載RL,接收線圈外加電容C2，接收線圈寄生電容C4,接收線圈損耗電阻R2及第二自感L2；針對發送和接收線圈為一圈圓形線圈的無線電能傳輸系統，基于線圈間互感、線圈自感、線圈電阻的解析模型，給出了效率的顯示表達式。
【專利說明】
基于單圈圓形銅線線圈的無線電能傳輸最優電容選擇裝置
技術領域
[0001] 本實用新型屬于無線電能傳輸領域，具體設及一種基于單圈圓形銅線線圈的無線 電能傳輸最優電容選擇裝置。
【背景技術】
[0002] 在許多場合，電子器件的供電采用有線供電或電池供電不方便甚至不可能。如在 智能樓宇中的無線傳感器大量植入材料、墻體中，當電池耗盡，無法更換電電池;在野外農 業中用于檢測農作物生長的無線傳感器，更換電池要花費大量人力物力;在植入式醫療中 植入體內的醫療器件，更換電池可能給人體帶來痛苦和風險等。無線供電是解決此問題的 途徑之一。
[0003] 諧振式無線電能傳輸系統，將電能發送端和接收端的線圈串聯或并聯上電容使其 各自形成諧振，且諧振頻率設置成相同。圖1是一個典型的例子，在發送端和接收端都采用 串聯諧振形式的二線圈諧振式無線電能傳輸系統，包括:發送端的驅動電路，發送線圈 與發送線圈形成諧振所需的串聯電容Ci，接收線圈L2,與接收線圈形成諧振所需的串聯電容 C2，W及整流電路和負載等。其基本工作原理是:驅動電路產生一定功率的交流電，其頻率 與發送端、接收端的諧振頻率相同，此交流電經發送線圈與接收線圈之間的電磁禪合傳遞 到接收端，并經整流電路轉成直流電，給負載供電或儲能。相比于非諧振式無線電能傳輸系 統，諧振式無線電能傳輸系統在中等距離下具有更大的傳輸效率。
[0004] 在現有的設計中，發送和接收線圈間的距離、線圈的尺寸通常由具體的應用場景 決定，為達到最大的傳輸效率，如何對線圈的形狀、尺寸、諧振電容大小、W及由此決定的工 作頻率進行設計是需要解決的關鍵問題。
【發明內容】
[0005] 本實用新型針對現有技術的不足，提出了一種基于單圈圓形銅線線圈的無線電能 傳輸最優電容選擇裝置。
[0006] 本實用新型所采用的技術方案是：諧振式無線電能傳輸過程中，在去除驅動電路 自生、整流電路自生的能量損耗后，電能傳輸效率由線圈間的禪合系數、線圈上的損耗決 定。通常，電容的品質因數很高，其損耗可W忽略。
[0007] 基于單圈圓形銅線線圈的無線電能傳輸最優電容選擇裝置，包括諧振式無線電能 傳輸電路和諧振式無線電能接收電路；
[000引諧振式無線電能傳輸電路包括驅動電源Vs,驅動電源損耗Rs，發送線圈外加電容 Ci，發送線圈寄生電容C3,發送線圈損耗電阻Ri及第一自感
[0009]驅動電源Vs的一端與驅動電源損耗Rs的一端連接，驅動電源損耗Rs的另一端與發 送線圈外加電容Cl的一端連接，發送線圈外加電容Cl的另一端與發送線圈損耗電阻Ri的一 端、發送線圈寄生電容C3的一端連接，發送線圈損耗電阻Ri的另一端與第一自感^的一端連 接，第一自感^的另一端與發送線圈寄生電容C3的另一端、驅動電源Vs的另一端連接；
[0010] 諧振式無線電能接收電路包括負載化，接收線圈外加電容C2,接收線圈寄生電容 C4，接收線圈損耗電阻化及第二自感L2 ;
[0011] 接收線圈損耗電阻R2的一端與接收線圈外加電容C2的一端、接收線圈寄生電容C4 的一端連接，接收線圈損耗電阻R2的另一端與第二自感L2的一端連接，第二自感L2的另一端 與接收線圈寄生電容C4的一端、負載化的一端連接，接收線圈外加電容C2的另一端與負載化 的另一端連接。
[0012] 所述的發送線圈和接收線圈為單圈圓形銅線線圈，其截面為圓形。
[0013] 所述的選擇最優電容值的方法包括W下步驟：
[0014] 1)發送線圈寄生電容C3和接收線圈寄生電容C4通過仿真線圈在發送線圈外加電容 Cl和接收線圈外加電容C2時形成的串聯諧振頻率ω 1和自諧振頻率ω 2得到。串聯諧振頻率 ω謝自諧振頻率ω 2的表達式分別為：
[0026] 其中a為發送線圈半徑，b為接收線圈半徑，r為線圈橫截面半徑，0是電導率，μ〇是 磁導率。
[0027] 3)發送線圈自感為：
[0031] 其中a為發送線圈半徑，b為接收線圈半徑，r為線圈橫截面半徑，μ〇是磁導率。
[0032] 4)發送線圈和接收線圈間互感為：
[0033]
[0034] 其中
'a、b為發射線圈和接收線圈半徑，Ζ為兩線圈間間距。
[0035] 5)諧振無線電能傳輸系統的等效電路計算系統電能傳輸效率為：
[0036]
[0037] 其中，ω =化f為工作角頻率，Z2為接收線圈阻抗，j表示虛部，其值為 [00；3 引
[0039] 由于系統工作在諧振條件下，此時諧振頻率為
[0040]
[0041] 而寄生電容是固定的，可見，效率與外加電容相關，由于損耗電阻Ri、化隨頻率增大 而增大，因此效率并不是外加電容的單調函數，因而在諧振式工作條件下，存在最優的諧振 電容值。將上述電阻、電感、互感表達式及寄生電容值代入效率表達式中，可得效率的解析 解表達式。將其用Matlab等數學工具軟件，能夠快速找到最優外加電容值，因而能夠得到最 優的工作頻率。
[0042] 本實用新型具有如下優點：本實用新型結構簡單，針對發送和接收線圈為一圈圓 形線圈的無線電能傳輸系統，基于線圈間互感、線圈自感、線圈電阻的解析模型，給出了效 率的顯示表達式。基于此效率的顯示表達式，能夠快速得到最優效率對應的頻率和對應的 電容值，從而完成設計。
【附圖說明】
[0043] 圖1為諧振式無線電能傳輸系統采用串聯電容形成諧振時的結構原理圖。包括:發 送端的驅動電路，發送線圈b，與發送線圈形成諧振所需的串聯電容Ci，接收線圈L2,與接收 線圈形成諧振所需的串聯電容C2,寄生電容C3、C4W及整流電路和負載。
[0044] 圖2為圖1的等效電路。圖中Vs為等效交流電壓源，Rs為交流電壓源的輸出電阻，Ri 為發送線圈的損耗電阻，R2為接收線圈的損耗電阻，化為等效負載，Li為發送線圈自感，Cl為 發送端串聯諧振電容，L2為接收線圈自感，C2為接收端串聯諧振電容，C3、C4為寄生電容。
[0045] 圖3為實施例1中損耗電阻隨頻率變化的計算值。
[0046] 圖4為實施例1中外加電容時幻1參數的有限元電磁仿真軟件仿真結果。
[0047] 圖5為實施例1中得到的效率在插入不同諧振電容時的結果。
【具體實施方式】
[0048] W下結合附圖1、附圖2和實施例對本實用新型作進一步說明。
[0049] 基于單圈圓形銅線線圈的無線電能傳輸最優電容選擇裝置，包括諧振式無線電能 傳輸電路和諧振式無線電能接收電路；
[0050] 諧振式無線電能傳輸電路包括驅動電源Vs,驅動電源損耗Rs，發送線圈外加電容 Cl，發送線圈寄生電容C3,發送線圈損耗電阻化及第一自感
[0051] 驅動電源Vs的一端與驅動電源損耗Rs的一端連接，驅動電源損耗Rs的另一端與發 送線圈外加電容Cl的一端連接，發送線圈外加電容Cl的另一端與發送線圈損耗電阻Ri的一 端、發送線圈寄生電容C3的一端連接，發送線圈損耗電阻Ri的另一端與第一自感^的一端連 接，第一自感^的另一端與發送線圈寄生電容C3的另一端、驅動電源Vs的另一端連接；
[0052] 諧振式無線電能接收電路包括負載化，接收線圈外加電容C2,接收線圈寄生電容 C4，接收線圈損耗電阻化及第二自感L2 ;
[0053] 接收線圈損耗電阻R2的一端與接收線圈外加電容C2的一端、接收線圈寄生電容C4 的一端連接，接收線圈損耗電阻R2的另一端與第二自感L2的一端連接，第二自感L2的另一端 與接收線圈寄生電容C4的一端、負載化的一端連接，接收線圈外加電容C2的另一端與負載化 的另一端連接。
[0054] 所述的發送線圈和接收線圈為單圈圓形銅線線圈，其截面為圓形。
[0055] 實施例1: 一諧振式無線電能傳輸系統的發送和接收線圈相同，半徑為10cm，圈數 為一圈，用橫截面為1mm的銅線實現。發送線圈和接收線圈平行放置，中屯、軸相同，線圈間間 距為20cm。采用本實用新型所述計算公式，可得自感為62化H，互感為14nH，損耗電阻隨頻率 變化的計算結果如圖3所示。圖4為外加電容60p即寸，HFSS仿真得到的Zii參數，波峰處為自諧 振頻率，由此能夠算得寄生電容為0.92PF。將上述解析計算值，代入效率表達式中，能夠快 速得到效率隨插入不同電容的變化結果，從中能夠找到效率最大時對應的電容。為驗證計 算結果的有效性，將計算結果與HFSS仿真結果進行比較(見圖5)，由計算和仿真結果可得， 在本實例中仿真得到的最優電容值為化F到4pF之間，計算得到的最優電容值也在化F到4pF 之間。在實際應用中，能夠在最優點的附近使用合適可實現的電容值來達到最優的傳輸效 率。
[0056] 可見，本實用新型所述方法能夠快速找到匹配最佳電容。
【主權項】
1.基于單圈圓形銅線線圈的無線電能傳輸最優電容選擇裝置，其特征在于:包括諧振 式無線電能傳輸電路和諧振式無線電能接收電路； 諧振式無線電能傳輸電路包括驅動電源Vs，驅動電源損耗Rs，發送線圈外加電容Ci，發 送線圈寄生電容C3，發送線圈損耗電阻及第一自感U; 驅動電源Vs的一端與驅動電源損耗Rs的一端連接，驅動電源損耗Rs的另一端與發送線 圈外加電容&的一端連接，發送線圈外加電容&的另一端與發送線圈損耗電阻辦的一端、發 送線圈寄生電容C3的一端連接，發送線圈損耗電阻的另一端與第一自感U的一端連接，第 一自感1^的另一端與發送線圈寄生電容C 3的另一端、驅動電源Vs的另一端連接； 諧振式無線電能接收電路包括負載Rl，接收線圈外加電容C2,接收線圈寄生電容C4,接 收線圈損耗電阻R2及第二自感L2; 接收線圈損耗電阻R2的一端與接收線圈外加電容C2的一端、接收線圈寄生電容C4的一 端連接，接收線圈損耗電阻R2的另一端與第二自感L2的一端連接，第二自感L2的另一端與接 收線圈寄生電容C 4的一端、負載Rl的一端連接，接收線圈外加電容&的另一端與負載Rl的另 一端連接； 所述的發送線圈和接收線圈為單圈圓形銅線線圈，其截面為圓形。
【文檔編號】H02J50/12GK205693450SQ201620601312
【公開日】2016年11月16日
【申請日】2016年6月17日 公開號201620601312.2, CN 201620601312, CN 205693450 U, CN 205693450U, CN-U-205693450, CN201620601312, CN201620601312.2, CN205693450 U, CN205693450U
【發明人】楊鵬, 程瑜華, 王高峰
【申請人】杭州電子科技大學