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CN103414254A - 一种磁耦合共振无线能量传输系统功率匹配设计方法 - Google Patents

一种磁耦合共振无线能量传输系统功率匹配设计方法 Download PDF

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CN103414254A CN2013102198898A CN201310219889A CN103414254A CN 103414254 A CN103414254 A CN 103414254A CN 2013102198898 A CN2013102198898 A CN 2013102198898A CN 201310219889 A CN201310219889 A CN 201310219889A CN 103414254 A CN103414254 A CN 103414254A
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Abstract

本发明公开了一种磁耦合共振无线能量传输系统优化设计的功率匹配方法，包括以下步骤：一、建立磁耦合共振无线能量传输系统的等效二端口网络模型；二、利用功率波方法分析该二端口网络模型的特性；三、定义磁耦合共振无线能量传输系统的功率传输效率，从而得到系统的功率匹配条件，为工程优化设计提供指导方法。本发明的优点：一是物理意义明确；二是计算过程简单、易于实现；三是实现了系统无线能量传输效率最大时负载上获取的功率也最大。

Description

一种磁耦合共振无线能量传输系统功率匹配设计方法
技术领域
本发明属于无线能量传输技术领域，具体涉及一种磁耦合共振无线能量传输系统优化设计的功率匹配方法。 
背景技术
无线能量传输技术可以在无需线缆的情况下为负载提供电能，在无线网络、机器人、移动终端设备、智能交通、医学等领域具有迫切应用需求。电能如何实现高效传输是无线能量传输技术的核心问题之一。目前常用的方法是建立在电磁感应原理基础上的，即设置相互接近的发射和接收两个线圈，当发射线圈中流过的电流发生变化时，通过接收线圈磁通量也会发生变化，由于电磁感应而在接收线圈中产生感应电动势，实现电能的无线传输。该无线传输方式原理简单、易于实现，但其传输效率与传输距离紧密相关，距离越大，传输效率会急剧下降，故只能工作在几厘米范围内，大大限制了其应用范围。 
近年来，一种基于磁耦合共振的中距离无线能量传输技术得到了国内外的高度关注，它也由两个线圈组成，但每个线圈本身是一个谐振系统，其中发射线圈与电源相连，它并不向外辐射电磁波，而是在它的周围形成了一个非辐射磁场，将电能转换成磁场能；接收线圈与发射线圈产生磁共振时，两个线圈之间会形成一个非辐射磁场通道，从而通过磁场能到电能的转换实现中距离的无线电能传输。相对于电磁感应方式来说，该方法最大的优点是明显提高了无线能量传输效率和距离。但是，磁共振是该方法的一个前提条件，一旦失共振，它的传输效率和距离就会急剧下降。目前，工程中如何设计满足磁共振条件的无线能量传输系统还缺乏相应的方法。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁耦合共振无线能量传输系统优化设计的功率匹配方法，使得该系统处于磁共振状态。 
本发明方法，主要包括下列步骤： 
一、建立磁耦合共振无线能量传输系统的等效二端口网络功率波模型：
在包括高频电源、发射线圈、接收线圈、第一、第二调谐电容、负载的磁耦合共振无线能量传输系统中，将高频电源通过串联第一谐振电容连接到发射线圈两端，接收线圈通过串联第二谐振电容连接到负载两端，从而建立所述系统的等效二端口网络功率波模型，其中发射线圈、接收线圈、第一、第二调谐电容构成二端口网络，第一端口的两个端点位于高频电源的两端，第二端口的两个端点位于负载的两端；
二、在等效二端口网络功率波模型中，将二端口网络及负载作为等效负载，将电源及二端口网络作为等效电源，定义等效负载的反射系数为 
Figure 447193DEST_PATH_IMAGE001
，等效电源的反射系数为，其中
Figure 30938DEST_PATH_IMAGE003
分别表示第一端口处的入射和反射功率波，
Figure 717134DEST_PATH_IMAGE004
分别表示第二端口处的入射和反射功率波，
Figure 517600DEST_PATH_IMAGE005
为等效电源的原功率波；
三、定义磁耦合共振无线能量传输系统的功率传输效率，从而得到系统的功率匹配条件：
1）利用功率波表示方法，将高频电源的输出功率定义为
Figure 631050DEST_PATH_IMAGE006
               （1）
式中，高频电源的反射系数为
Figure 25122DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 249430DEST_PATH_IMAGE008
为高频电源的输出阻抗，为特性阻抗。
Figure 421709DEST_PATH_IMAGE010
分别是的相位，
Figure 658972DEST_PATH_IMAGE012
是高频电源的原功率波；由于高频电源原功率波
Figure 840555DEST_PATH_IMAGE012
与反射系数
Figure 889282DEST_PATH_IMAGE013
是固定的，因此高频电源的输出功率由
Figure 789105DEST_PATH_IMAGE014
决定，当满足条件
Figure 824057DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 860146DEST_PATH_IMAGE016
时，
Figure 79775DEST_PATH_IMAGE017
的值最大，即当满足第一端口功率匹配条件
Figure 201315DEST_PATH_IMAGE018
时，高频电源输出功率最大，其最大值为
Figure 39958DEST_PATH_IMAGE019
                           （2）
2）、利用功率波表示方法，将负载上获取的功率定义为
Figure 291073DEST_PATH_IMAGE020
                             （3）
式中，负载的反射系数为
Figure 88127DEST_PATH_IMAGE021
，为负载阻抗，
Figure 73718DEST_PATH_IMAGE009
为特性阻抗。
同理，当满足第二端口功率匹配条件
Figure 677875DEST_PATH_IMAGE023
时，负载上获取的功率最大，其最大值为 
Figure 645831DEST_PATH_IMAGE024
                           （4）
3）、将磁耦合共振无线能量传输系统的功率传输效率
Figure 210804DEST_PATH_IMAGE025
定义为负载获取功率
Figure 984725DEST_PATH_IMAGE026
与高频电源最大输出功率的比值，即
Figure 847825DEST_PATH_IMAGE028
            （5）
式中
Figure 165674DEST_PATH_IMAGE029
为磁耦合共振无线能量传输系统等效二端口网络功率波模型的散射参数，
Figure 149810DEST_PATH_IMAGE030
表示第二端口连接特性阻抗时第一端口的反射系数，表示第二端口连接
Figure 810839DEST_PATH_IMAGE031
时从第一端口到第二端口的传输系数。 
4）当第一端口与第二端口同时满足功率匹配条件，即且时，系统的功率传输效率最大，此时负载上获得的功率也最大。 
本发明方法的特点是通过建立磁耦合共振无线能量传输系统的等效二端口网络模型，利用功率波分析方法分析该二端口网络模型的特性，定义无线能量传输系统的功率传输效率，从而得到系统的功率匹配条件，为工程优化设计提供指导方法。本发明的优点：一是物理意义明确；二是计算过程简单、易于实现；三是实现了系统无线能量传输效率最大时负载上获取的功率也最大。 
下面结合附图详细说明本发明。 
附图说明
图1是磁耦合共振无线能量传输系统的结构示意图。 
图2是磁耦合共振无线能量传输系统的等效二端口网络模型。 
图3是磁耦合共振无线能量传输系统的二端口网络功率波模型。 
图4是磁耦合共振无线能量传输系统二端口网络功率波模型的等效分解示意图。 
图5是磁耦合共振无线能量传输系统满足功率匹配与失匹配时的功率传输效率对比图。 
具体实施方式
如图1所示，一个磁耦合共振无线能量传输系统通常由高频电源1、发射线圈2、接收线圈3、第一、第二调谐电容CS、CD、负载4等几部分组成，将发射电源1通过串联第一谐振电容CS连接到发射线圈2两端，接收线圈3通过串联第二谐振电容CD连接到负载两端，从而建立所述系统的等效模型。 
（
Figure 805023DEST_PATH_IMAGE036
）图1所示的系统可以等效为如图2所示的二端口网络模型，其中发射线圈2、接收线圈3、第一、第二调谐电容CS、CD构成二端口网络，发射端的两个端点（高频电源的两端）Ⅰ—Ⅰ’构成第一端口，接收端的两个端点（负载的两端）Ⅱ—Ⅱ＇构成第二端口。图2中
Figure 396542DEST_PATH_IMAGE037
为高频电源的开路电压，
Figure 949883DEST_PATH_IMAGE008
为高频电源的输出阻抗，
Figure 601444DEST_PATH_IMAGE038
、分别为发射线圈、接收线圈的调谐电容，
Figure 912340DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure DEST_PATH_IMAGE041
分别为发射线圈、接收线圈的等效电感，
Figure 402489DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure DEST_PATH_IMAGE043
分别为发射线圈、接收线圈等效电阻，为负载阻抗，
Figure 508165DEST_PATH_IMAGE044
为两线圈之间的互感，
Figure DEST_PATH_IMAGE045
、
Figure 368674DEST_PATH_IMAGE046
分别为第一端口Ⅰ—Ⅰ＇处的电压与电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE047
、
Figure 629891DEST_PATH_IMAGE048
分别为第二端口Ⅱ—Ⅱ＇处的电压与电流。 
（
Figure DEST_PATH_IMAGE049
）图2所示的二端口网络模型可以表示为图3所示的二端口网络功率波模型，其中，二端口网络对应图2中的发射线圈2、接收线圈3、第一调谐电容CS与第二调谐电容CD，
Figure 767611DEST_PATH_IMAGE050
表示高频电源的原功率波，
Figure DEST_PATH_IMAGE051
表示高频电源的输出功率波，
Figure 354450DEST_PATH_IMAGE052
表示高频电源接收到的功率波，
Figure 108780DEST_PATH_IMAGE003
分别表示第一端口Ⅰ—Ⅰ＇处的入射和反射功率波，
Figure 580212DEST_PATH_IMAGE004
分别表示第二端口Ⅱ—Ⅱ＇处的入射和反射功率波，
Figure DEST_PATH_IMAGE053
表示负载的入射功率波，
Figure 676168DEST_PATH_IMAGE054
表示负载的反射功率波。 
（
Figure DEST_PATH_IMAGE055
）分别将二端口网络及负载作为等效负载、将高频电源及二端口网络作为等效电源，则图3所示的二端口网络功率波模型可转化为图4所示的分解模型，定义等效负载的反射系数为
Figure 433909DEST_PATH_IMAGE001
、等效电源的反射系数为
Figure 675534DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure 685079DEST_PATH_IMAGE003
分别表示第一端口Ⅰ—Ⅰ＇处的入射和反射功率波，
Figure 62970DEST_PATH_IMAGE004
分别表示第二端口Ⅱ—Ⅱ＇处的入射和反射功率波，
Figure 257191DEST_PATH_IMAGE005
为等效电源的原功率波。 
利用功率波表示方法，高频电源的输出功率定义为 
Figure 189375DEST_PATH_IMAGE006
              （1）
式中，高频电源的反射系数为，为高频电源的输出阻抗，
Figure 131289DEST_PATH_IMAGE009
为特性阻抗。
Figure 550769DEST_PATH_IMAGE010
分别是
Figure 433275DEST_PATH_IMAGE011
的相位，
Figure 880699DEST_PATH_IMAGE012
是高频电源的原功率波；由于高频电源原功率波
Figure 823247DEST_PATH_IMAGE012
与反射系数
Figure 730023DEST_PATH_IMAGE013
是固定的，因此高频电源的输出功率由
Figure 416219DEST_PATH_IMAGE014
决定，当满足条件、
Figure 798976DEST_PATH_IMAGE016
时，
Figure 724207DEST_PATH_IMAGE017
的值最大，即当满足第一端口功率匹配条件
Figure 541990DEST_PATH_IMAGE018
时，高频电源输出的功率最大，其最大值为
Figure 869066DEST_PATH_IMAGE019
                       （2）
利用功率波表示方法，将负载上获取的功率定义为
                          （3）
式中，负载的反射系数为
Figure 769206DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 390681DEST_PATH_IMAGE022
为负载阻抗，
Figure 41105DEST_PATH_IMAGE009
为特性阻抗。
同理，当满足第二端口功率匹配条件时，负载上获取的功率最大，其最大值为 
Figure 222611DEST_PATH_IMAGE024
                             （4）
（
Figure 851038DEST_PATH_IMAGE056
）将磁耦合共振无线能量传输系统的功率传输效率
Figure 621548DEST_PATH_IMAGE025
定义为负载获取功率
Figure 841177DEST_PATH_IMAGE026
与高频电源最大输出功率
Figure 431558DEST_PATH_IMAGE027
的比值，即
Figure 958617DEST_PATH_IMAGE028
            （5）
式中
Figure 114792DEST_PATH_IMAGE029
为磁耦合共振无线能量传输系统二端口网络模型的散射参数，
Figure 380688DEST_PATH_IMAGE030
表示第二端口连接特性阻抗
Figure 989524DEST_PATH_IMAGE031
时第一端口的反射系数，
Figure 490912DEST_PATH_IMAGE032
表示第二端口连接
Figure 501594DEST_PATH_IMAGE031
时从第一端口到第二端口的传输系数。 
Figure 938391DEST_PATH_IMAGE025
反映了负载对高频电源所能提供的最大功率的利用率，当第一端口Ⅰ—Ⅰ＇与第二端口Ⅱ—Ⅱ＇同时满足功率匹配条件，即
Figure 34523DEST_PATH_IMAGE033
且
Figure 339603DEST_PATH_IMAGE034
时，系统的功率传输效率
Figure 673632DEST_PATH_IMAGE035
最大，此时负载上获得的功率也最大。 
本发明效果可通过以下对比实验加以说明。 
实验中磁耦合共振无线能量传输系统的有关参数如表1所示，负载电阻分别选取50Ω和280Ω两种情况用于比较。 
表1 磁耦合共振无线能量传输系统参数 
Figure 2013102198898100002DEST_PATH_IMAGE001
当
Figure DEST_PATH_IMAGE059
时，高频电源的反射系数
Figure 458234DEST_PATH_IMAGE060
，负载的反射系数
Figure DEST_PATH_IMAGE061
，此时有
Figure 534381DEST_PATH_IMAGE062
，而在系统共振频率2MHz处有
Figure DEST_PATH_IMAGE063
，故满足，即第一端口Ⅰ—Ⅰ＇达到功率匹配；同理，在系统共振频率2MHz处满足，即第二端口Ⅱ—Ⅱ＇达到功率匹配，从而整个系统满足功率匹配条件，得到系统功率传输效率如图5（a）所示。当时，高频电源的反射系数
Figure 290351DEST_PATH_IMAGE060
，负载的反射系数
Figure DEST_PATH_IMAGE067
，此时在系统共振频率2MHz处，
Figure 812599DEST_PATH_IMAGE068
，故
Figure DEST_PATH_IMAGE069
，即第一端口Ⅰ—Ⅰ＇没有实现功率匹配，从而整个系统不满足功率匹配条件，得到系统功率传输效率如图5（b）所示。
比较图5的两个结果可以看出：在系统共振频率2MHz处，当系统满足功率匹配条件时，其功率传输效率接近于100%。而当失去匹配时，其功率传输效率仅有50%。 

Claims (1)

1.一种磁耦合共振无线能量传输系统优化设计的功率匹配方法，其特征是包括以下步骤：
一、建立磁耦合共振无线能量传输系统的等效二端口网络功率波模型：
在包括高频电源、发射线圈、接收线圈、第一、第二调谐电容、负载的磁耦合共振无线能量传输系统中，将高频电源通过串联第一谐振电容连接到发射线圈两端，接收线圈通过串联第二谐振电容连接到负载两端从而建立所述系统的等效二端口网络功率波模型，其中发射线圈、接收线圈、第一、第二调谐电容构成二端口网络，第一端口的两个端点位于高频电源的两端，第二端口的两个端点位于负载的两端；
二、在所述等效二端口网络功率波模型中，将二端口网络及负载作为等效负载，将电源及二端口网络作为等效电源，定义等效负载的反射系数为                                                ，等效电源的反射系数为，其中
Figure 2013102198898100001DEST_PATH_IMAGE003
分别表示第一端口处的入射和反射功率波，
Figure 511990DEST_PATH_IMAGE004
分别表示第二端口处的入射和反射功率波，
Figure 2013102198898100001DEST_PATH_IMAGE005
为等效电源的原功率波；
三、定义磁耦合共振无线能量传输系统的功率传输效率，从而得到系统的功率匹配条件：
1）利用功率波表示方法，将高频电源的输出功率定义为
                （1）
式中，为高频电源的反射系数为，为高频电源的输出阻抗，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为特性阻抗；
分别是的相位，
Figure 41618DEST_PATH_IMAGE012
是高频电源的原功率波；由于高频电源原功率波
Figure 332922DEST_PATH_IMAGE012
与反射系数
Figure DEST_PATH_IMAGE013
是固定的，因此高频电源的输出功率由
Figure 193430DEST_PATH_IMAGE014
决定，当满足条件
Figure DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 861172DEST_PATH_IMAGE016
时，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
的值最大，即当满足第一端口功率匹配条件
Figure 123526DEST_PATH_IMAGE018
时，高频电源输出功率最大，其最大值为
Figure DEST_PATH_IMAGE019
                           （2）
2）、利用功率波表示方法，将负载上获取的功率定义为
Figure 585732DEST_PATH_IMAGE020
                             （3）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为负载的反射系数，
Figure 903843DEST_PATH_IMAGE022
为负载阻抗，
Figure 640855DEST_PATH_IMAGE009
为特性阻抗；
同理，当满足第二端口功率匹配条件
Figure DEST_PATH_IMAGE023
时，负载上获取的功率最大，其最大值为
                            （4）
3）、将磁耦合共振无线能量传输系统的功率传输效率定义为负载获取功率
Figure 249876DEST_PATH_IMAGE026
与高频电源最大输出功率的比值，即
Figure 960343DEST_PATH_IMAGE028
            （5）
式中
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为等效二端口网络功率波模型的散射参数，
Figure 828942DEST_PATH_IMAGE030
表示第二端口连接特性阻抗
Figure DEST_PATH_IMAGE031
时第一端口的反射系数，
Figure 33265DEST_PATH_IMAGE032
表示第二端口连接
Figure 368432DEST_PATH_IMAGE031
时从第一端口到第二端口的传输系数；
4）当第一端口与第二端口同时满足功率匹配条件，即
Figure DEST_PATH_IMAGE033
且
Figure 159670DEST_PATH_IMAGE034
时，系统的功率传输效率
Figure DEST_PATH_IMAGE035
最大，此时负载上获得的功率也最大。
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