CN106410984A - 一种用于中距离磁共振无线传能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于中距离磁共振无线传能系统，包括发射部分和接收部分，所述发射部分包括电磁共振传能发射线圈，所述电磁共振传能发射线圈与交变电源相连，所述交变电源用于产生高频交变电流，所述电磁共振传能发射线圈在高频交变电流的激发下产生交变磁场；所述接收部分包括相互连接的电磁共振传能接收线圈和整流电路，所述电磁共振传能接收线圈用于接收所述电磁共振传能发射线圈产生的交变磁场产生磁谐振积聚能量；所述整流电路将积聚的能量通过整流后供给负载使用；所述电磁共振传能发射线圈和电磁共振传能发射线圈具有相同谐振频率。本发明能够提高传输距离和传输效率。
Description
技术领域
本发明涉及无线传能技术领域，特别是涉及一种用于中距离磁共振无线传能系统。
背景技术
2007年6月，麻省理工大学的Marin Sohjacic和他的研究团队公开做了一个演示，给一个直径60cm的线圈通电，点亮了大约2m之外连接在另一个线圈上的60w灯泡，且将传输效率提高到了90％。这个系统利用了共振原理，当两个物体的振动频率相同时，它们传递能量的强度不会受到周围事物的影响。利用磁共振方法可以在传能器与设备之间的空气中传输电荷，线圈和电容器则在传能器与设备之间形成共振，实现电能高效传输的技术。电量只在以同一频率共振的线圈之间传输。但是，这项技术面临着一些问题，就是如何在提高效率的同时又减小线圈的体积。在2008年8月的，西雅图实验室的Joshua R.Smith领导的研究小组在英特尔开发者论坛上再次向公众展示了这项基于“磁耦合共振”原理的无线供电技术，在展示中成功地点亮了一个1米开外的60w灯泡，而在电源和灯泡之间没有使用任何电线。这项技术允许设备在距离适配器最远可达几米远的地方进行无线传能。
日本富士通公司利用磁铁为一个以上的设备传能并且完全不借助电线。这项技术允许设备在距离传能器最远可达几米远的地方进行无线传能。从理论上说，这一系统对处在传能场的人完全无害，因为电量只在以同一频率共振的线圈之间传输。但对于这种无线传能技术，很多人可能产生担忧。富士通的无线传能技术利用磁共振在传能器与设备之间的空气中传输电荷，线圈和电容器则在传能器与设备之间形成共振。富士通表示这一系统可以在未来得到广泛应用，例如针对电动汽车的传能区以及针对电脑芯片的电量传输。采用这项技术研制的传能系统所需要的传能时间只有当前的一百五十分之一。富士通的传能系统立基于磁共振，电量可以在以同样频率发生共振的线圈之间进行无线传输。富士通的系统与美国Witricity公司研发的技术类似，后者同样利用磁共振传输电量，传输距离可达到几米远。
随着国外对磁共振技术研究的深入，在国内从上世纪90年代初开始便相继有高等院校和科研院所就磁共振技术从不同的研究层面和应用领域展开相关的研究工作，取得了一定的研究成果，为该项技术的后继研究奠定了厚实的基础。香港城市大学学者Xun Liu等人研究适用于便携式消费类电子产品的平板型感应耦合充电平台；哈尔滨工业大学以朱春波教授为首的研发小组面向基于磁共振耦合无线电能传输系统展开仿真和实验；浙江大学学者马皓博士以无线电能传输的绕线结构电路设计，东南大学黄学良教授的研究侧重于磁场共振耦合电能传输技术。
随着科学技术的迅猛发展，有线充电绕线繁琐，而且在高温、高压等恶劣环境下充电非常不安全，所以采用统一标准的无线充电技术显得格外的重要，也将成为未来发展的趋势之一。目前无线充电大部分采用了电磁感应方式，但是采用电磁感应式无线充电技术，它的充电距离非常有限，距离很小时，充电效率可达50％以上，距离增大时，充电效率迅速低至10％以下。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于中距离磁共振无线传能系统，能够提高传输距离和传输效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于中距离磁共振无线传能系统，包括发射部分和接收部分，所述发射部分包括电磁共振传能发射线圈，所述电磁共振传能发射线圈与交变电源相连，所述交变电源用于产生高频交变电流，所述电磁共振传能发射线圈在高频交变电流的激发下产生交变磁场；所述接收部分包括相互连接的电磁共振传能接收线圈和整流电路，所述电磁共振传能接收线圈用于接收所述电磁共振传能发射线圈产生的交变磁场产生磁谐振积聚能量；所述整流电路将积聚的能量通过整流后供给负载使用；所述电磁共振传能发射线圈和电磁共振传能发射线圈具有相同谐振频率。
所述电磁共振传能发射线圈和电磁共振传能发射线圈的直径相同，两者之间的圆心距为直径的1～1.5倍。
所述交变电源采用MOSFET全桥产生交变电流。
所述交变电源产生的高频交变电流的频率在80KHz～120KHz。
所述负载为无储能装置的负载。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
本发明采用的磁耦合谐振式无线电能传输的传输距离较大，由于利用了强耦合共振技术，可以实现较高的功率(可达到KW)和效率；系统采用磁场耦合(而非电场，电场会发生危险)和非辐射技术，使其对人体伤害较小。
本发明无严格的方向性，采用适当的设计，甚至可以做到无方向性；良好的穿透性，不受非金属障碍物的影响。
本发明采用无线能量传输技术是指能量从能量发射源传输到接收端负载的一个过程，通过非接触的方式传输能量的一种技术，不是用传统的有线能量传输技术来完成，而是通过无线传输来实现的。对于有线能量传输供电部署困难的场所，无线能量传输技术具有重要的意义。
本发明无线传能技术采用磁耦合谐振式技术，电量可以在以同样频率发生共振的线圈之间进行无线传输，保证在中距离传能时传输效率达到70％以上。
本发明直升飞机模型是一个无储能装置，通过地面的电源线圈以磁耦合谐振式的传能方式使接收线圈直接将电量供应给遥控飞机提供飞行动力。可有效减轻飞机自身重量，减少能量消耗；减少了储能环节，保证可以长时间正常运转；无线传能距离达到10cm以上，传输效率达到70％以上。
附图说明
图1是本发明磁谐振无线充电方式结构示意图；
图2是磁谐振无线电能传能系统等效电路模型图；
图3是直升飞机模型演示系统示意图；
图4是负载与效率函数关系图；
图5是负载与功率函数关系图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种用于中距离磁共振无线传能系统，如图1所示，包括发射部分和接收部分，所述发射部分包括电磁共振传能发射线圈，所述电磁共振传能发射线圈与交变电源相连，所述交变电源用于产生高频交变电流，所述电磁共振传能发射线圈在高频交变电流的激发下产生交变磁场；所述接收部分包括相互连接的电磁共振传能接收线圈和整流电路，所述电磁共振传能接收线圈用于接收所述电磁共振传能发射线圈产生的交变磁场产生磁谐振积聚能量；所述整流电路将积聚的能量通过整流后供给负载使用；所述电磁共振传能发射线圈和电磁共振传能发射线圈具有相同谐振频率。
所述通过磁耦合谐振方式来实现中距离无线传能。目前无线传能主要有四种方式：电磁感应方式、磁耦合谐振方式、电场耦合方式、无线电波方式。电磁感应传能的传输距离太小，在中距离传输的时候效率非常低下；无线电波传能的效率和功率过低，使用的频段非常高；电场耦合传能时电压提升较高而且传输功率较低。磁耦合谐振传能的距离、效率都较高，因此本发明采用磁耦合谐振方式的无线传能的技术。
所述磁耦合谐振式的基本原理是两个具有相同谐振频率的物体之间可以实现高效的能量交换，而非谐振物体之间能量交换却很微弱。磁耦合谐振式无线电能传输系统中能量接收器与发射源采用具有相同谐振频率的感应线圈，发射源由高频交变电流激发感应线圈产生交变磁场，当具有相同谐振频率的接收端感应线圈接收磁场时，在接收线圈上产生磁谐振，在接收装置中不断集聚能量，提供给负载使用，从而实现能量传递。
磁耦合谐振式无线电能传输的传输尺度介于电磁感应方式和无线电波方式之间，因此也称之为中距离(Mid-range)能量传输技术，其距离为几倍的接收设备尺寸(可扩展到几米到几十米，具体参考线圈的尺寸)。
本发明通过磁耦合谐振方式来实现中距离无线传能，利用交流阻抗方法推导出磁谐振无线充电系统的传输效率η和负载功率PL，来验证无线传能技术在中距离时应用的可行性和实用性。
本发明包括发射部分(发射线圈)和接收部分(接收线圈)。采用磁谐振无线电能传能系统等效电路模型，如图2所示。
根据基尔霍夫电压定律(KVL)和线圈互感模型得到以下方程：
其中，V1为输入电压、I1为发送线圈电流，R1为发射部分等效电阻，L1为发射部分线圈的电感，C1为发射部分的等效电容，M为接收与发送线圈之间的互感，K为耦合系数，I2为接收线圈电流，R2为接收部分等效电阻，L2为接收部分线圈的电感，C2为接收部分的等效电容，RL为负载的电阻，ω为角频率。
图中S-S拓扑结构，阻抗为：
得到发送与接收线圈电流：
因此磁谐振无线充电系统负载功率PL和输入功率PI分别表示为：
其中，为相位角。
磁谐振无线充电系统的传输效率为:
当系统处于谐振状态时：
解出方程得到传输效率如下：
系统传输效率与线圈之间互感、内阻和负载与传输效率有直接关系，而线圈之间互感和负载对传输效率影响较大。如果仅有一个线圈达到谐振或者两个线圈谐振频率不一致，传输效率将显著降低。
将(6)式代入(4)式，得到负载功率如下：
负载功率与源输出电压、线圈之间互感和负载都有直接关系。提高源输出电压，可以直接提高负载功率，调节发送线圈与接收线圈之间的距离和负载显得格外的重要。
对负载功率PL进行求导：
令PL'＝0，可得最佳负载为：
其中，RS代表电源内阻。
对效率η进行求导：
令η'＝0，可得最佳负载为：
其中，Q1、Q2为品质因数，对功率求导得出的最佳负载与对效率求导得出的最佳负载不相等，输入功率PI增加的同时，输入功率损耗也增大，导致传输效率会变低，所以为了得到最大传输效率，选择由效率求导的计算出来的最佳负载，最终得出最佳负载
下面以一个直升飞机模型的模拟演示系统作为实施例来进一步说明本发明。
如图3所示，模拟演示系统主要包括遥控直升飞机模型、电磁共振传能线圈、整流电路、控制电路和无线通信模块等。该演示系统在地板布置电能发送线圈，同时在遥控直升飞机上安装一个电能接收线圈，保证在10cm以上的传输距离并且传输效率在70％以上，接收线圈接收的电能直接供给直升飞机产生驱动力推动直升飞机盘旋。
发送线圈和接收线圈直径大概保持在10cm左右，发送线圈和接收线圈直径之间距离保持在10～15cm。交变电源采用MOSFET全桥产生交变电源供给发送线圈，频率采用100KHz左右频率并且频率可以在一定范围内调整。接收线圈接收到的电能通过整流等直接供给直升飞机模型电机，电机转动带动飞机飞行。所述直升飞机无储能装置通过地面的电源线圈以磁耦合谐振式的传能方式使接收线圈直接将电量供应给遥控飞机提供飞行动力。
利用交流阻抗方法推导出磁谐振无线充电系统的传输效率η和负载功率PL。用MATLAB得到仿真图，由图4和图5可以看出，负载RL大约在3Ω左右时，效率η达到最大，效率η最大可以达到85％。负载RL大约在50Ω左右时，负载功率达到最大，最大负载功率可达到175W。当效率η达到最大时，功率并没有达到最大值，在使效率η不变的情况下，可以通过提高电源电压V来适当提高负载功率。
不难发现，本发明采用的磁耦合谐振式无线电能传输的传输距离较大，由于利用了强耦合共振技术，可以实现较高的功率(可达到KW)和效率。
Claims (5)
1.一种用于中距离磁共振无线传能系统，包括发射部分和接收部分，其特征在于，所述发射部分包括电磁共振传能发射线圈，所述电磁共振传能发射线圈与交变电源相连，所述交变电源用于产生高频交变电流，所述电磁共振传能发射线圈在高频交变电流的激发下产生交变磁场；所述接收部分包括相互连接的电磁共振传能接收线圈和整流电路，所述电磁共振传能接收线圈用于接收所述电磁共振传能发射线圈产生的交变磁场产生磁谐振积聚能量；所述整流电路将积聚的能量通过整流后供给负载使用；所述电磁共振传能发射线圈和电磁共振传能发射线圈具有相同谐振频率。
2.根据权利要求1所述的用于中距离磁共振无线传能系统，其特征在于，所述电磁共振传能发射线圈和电磁共振传能发射线圈的直径相同，两者之间的圆心距为直径的1～1.5倍。
3.根据权利要求1所述的用于中距离磁共振无线传能系统，其特征在于，所述交变电源采用MOSFET全桥产生交变电流。
4.根据权利要求1所述的用于中距离磁共振无线传能系统，其特征在于，所述交变电源产生的高频交变电流的频率在80KHz～120KHz。
5.根据权利要求1所述的用于中距离磁共振无线传能系统，其特征在于，所述负载为无储能装置的负载。
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