CN118300284B - 三维全向无线电能传输的空腔谐振式无线电能传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维全向无线电能传输的空腔谐振式无线电能传输系统，包括两个发射线圈、接收线圈、谐振腔，所述两个发射线圈、接收线圈均设置于谐振腔内；所述谐振腔的壁衔接处由电容器连接，分别在谐振腔X和Y方向形成两路互相解耦的串联LC谐振回路；两个发射线圈分别用于激励谐振腔两个方向上的磁场，并通过调节两个发射线圈之间的电压相位来控制谐振腔的腔内两个方向上的磁场幅值以及相位，最终获得所需类型的磁场。本发明不仅能够提升腔内磁场均匀度，而且实现了360°无死角的无线电能传输。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，具体地，涉及一种用于实现三维全向无线电能传输的空腔谐振式无线电能传输系统。
背景技术
传统的无线电能传输方式是直接通过两个耦合线圈或者电极板进行电能的无线传输，其可以实现大功率无线电能传输。但这类系统的缺点也十分明显，那就是传输距离有限，当传输距离接近线圈自身直径大小时，系统传输效率将会急剧下降，并且采用电极板方式的无线充电系统的由于通过耦合电场进行能量传输，导致生物安全性低下。
早期的空腔谐振式无线电能传输技术是通过发射器激发谐振腔内的本征模式磁场，这种方式可以在腔内形成稳定的磁场分布，并且可以通过接收线圈在腔内绝大部分位置获得较高的传输效率（>50%），缺点是系统的工作频率较高（>100MHz），并且腔内存在较强电场，系统的生物安全性低。2017年，迪士尼研究人员M.J.Chabalko等在谐振腔体中加入电容器，构建出了准静态谐振腔无线电能传输系统，降低系统工作频率的同时也限制住了系统内的电场，大大提高了系统的生物安全性，但系统内的磁场均匀度较差，于是他们后期采用两种磁场模式叠加的方式来提升谐振腔内的磁场均匀度，该方法的缺陷在于两种模式为了避免各自磁场相互干扰，需要设置两种模式的频率不相同，这无疑直接影响到整个系统的传输效率。同时以上所有的空腔谐振式无线电能传输系统中的磁场均为脉振磁场，即磁场方向单一，这将导致接收器只能在特定方向上获得较为稳定的电能，一旦接收器的方向发生变化，系统整体的传输特性将会随之降低。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种三维全向无线电能传输的空腔谐振式无线电能传输系统，旨在解决无线充电系统中接收器位置或角度发生变化时系统传输特性尤其接收功率发生急剧变化的问题。本发明采用两个发射线圈分别激励谐振腔两个方向上的磁场，并通过调节两个发射线圈之间的电压相位来控制腔内两个方向上的磁场幅值以及相位，最终获得所需类型的磁场。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种三维全向无线电能传输的空腔谐振式无线电能传输系统，包括两个发射线圈、接收线圈、谐振腔，所述两个发射线圈、接收线圈均设置于谐振腔内。所述谐振腔的壁衔接处由电容器连接，分别在谐振腔X和Y方向形成两路互相解耦的串联LC谐振回路。两个发射线圈分别用于激励谐振腔两个方向上的磁场，并通过调节两个发射线圈之间的电压相位来控制谐振腔的腔内两个方向上的磁场幅值以及相位，最终获得所需类型的磁场。
优选的：向两个发射线圈中通入相位相差90度的同频交流电来分别激励出谐振腔X和Y方向上的磁场，并合成得到旋转磁场。
优选的：通过观测接收电压值或输入阻抗值来调节两个发射线圈两端的激励电压幅值从而使得腔内两个方向上的磁场强度模值相同。
优选的：发射线圈以及接收线圈均为单根金属导线或利兹线绕制，并且通过串联电容器将谐振频率配置为谐振腔的谐振频率f0。
优选的：对于X或Y方向，根据谐振腔在特定工作模式下电流的流向将谐振腔与腔壁上的电容器构建为串联LC等效电路模型，此时考虑腔壁的电阻值，将发射线圈与谐振腔等效为双线圈互感模型，发射线圈端的输入阻抗为：
；
其中，表示输入阻抗，表示发射线圈的电阻，表示谐振腔的电阻，表示系
统工作角频率，表示发射线圈与谐振腔之间的互感，表示谐振腔的等效电感，表示
谐振腔的谐振电容，表示虚部，表示发射线圈的电感，表示发射线圈的谐振电容。
优选的：发射线圈端的输入阻抗的实部为：
；
其中，表示输入阻抗。
优选的：当系统频率等于谐振腔的特征频率时，输入阻抗实部峰值对应的频率看作谐振腔的谐振频率f0。
优选的：两个发射线圈放置于靠近腔壁处并垂直于腔壁。
优选的：所述发射线圈位于靠近谐振腔中心的70%的空间中。
优选的：所述接收线圈放置于谐振腔的腔内的中心处。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
1、本发明提出的一种三维全向无线电能传输的空腔谐振式无线电能传输系统，能够在保证不破坏腔内原有空间的基础上有效解决传统PI或PD谐振腔模式中磁场不均匀问题。
2、本发明中，由于谐振腔内两个不同方向上交变磁场的频率一致，接受线圈仅需要满足此一个谐振频率即可，不需要设计多个不同频率的谐振电路，大大简化了接收器设计，精简了接收电路。
3、本发明提出的一种三维全向无线电能传输的空腔谐振式无线电能传输系统，在系统的大部分空间中存在幅值波动较小的旋转磁场，相较于现有此类系统中的脉振磁场，本发明中的旋转磁场具有很强的角度抗偏移特性，可以极大程度上克服接收线圈由于角度发生变化所引起的电能接收功率的波动。
附图说明
图1是本发明提供的用于实现三维全向无线电能传输的空腔谐振式无线电能传输系统的结构示意图；
图2是本发明中发射线圈置于谐振腔内时输入阻抗的实部、虚部随电压频率变化的曲线图；
图3是本发明中谐振腔内Z=0.5h平面处，磁感应强度B与腔内空间位置变化关系图；
图4是本发明中谐振腔内Z=0.5h平面处，一个周期中的磁感应强度幅值以及磁场方向变化示意图；
图5是本发明中传输效率关于接收线圈位置和角度变化的示意图，其中浅色部分为传统PI模式的效率变化，深色部分为本发明的效率变化。
图中，1为电容器，2为发射线圈，3为接收线圈，H为腔体高度，W为四周金属腔壁宽度，L为腔体最大宽度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1是本实施例一种三维全向无线电能传输的空腔谐振式无线电能传输系统，包括两个发射线圈、接收线圈、谐振腔，所述两个发射线圈、接收线圈均设置于谐振腔内。所述谐振腔的壁衔接处由电容器连接，分别在谐振腔X和Y方向形成两路互相解耦的串联LC谐振回路。在另一实施例中，谐振腔壁主体由金属铝制，上下腔壁之间嵌入电容器，谐振腔的X和Y两个方向可以看成两个独立的电流回路，腔壁上加入的电容与这两个方向上的等效回路构成串联LC谐振回路。在另一实施例中，谐振腔为八棱柱体，侧面开口宽度与侧面腔壁宽度比例为1:1。在另一实施例中，两个发射线圈放置于靠近腔壁处并垂直于腔壁，使得两个发射线圈的法线方向相互垂直，以获得与谐振腔之间更大的互感系数。在另一实施例中，发射线圈为螺旋方形平面线圈，接收线圈为螺旋方形平面线圈。接收线圈可以位于谐振腔内任意位置，图1中接收线圈放置于腔内的中心处，此处可以获得最佳角度抗偏移特性。在另一实施例中，当发射线圈位于腔中心70%左右的区域内时，系统的传输特性非常优异。在靠近谐振腔中心的70%的空间中任意改变接收线圈的位置以及水平方向角，可以接收到较为稳定的电能。
在本实施例中，H=400mm，W=325mm，L=630mm。
在另一实施例中，谐振腔由铝制金属壳体与电容器构成，在铝制金属壳体间嵌入特定容值的电容器，可以实现工作频率的调节。
；
其中，L2是谐振腔等效电感值，C2是壳体之间嵌入的电容器容值，f0是系统工作频率。
两个发射线圈分别用于激励谐振腔两个方向上的磁场，并通过调节两个发射线圈之间的电压相位来控制谐振腔的腔内两个方向上的磁场幅值以及相位，腔内两个方向的磁场的幅值和相位完全跟随加在各自方向上发射线圈两端的激励电压的幅值和相位，首先固定两个发射线圈的激励电压相位差为90度，接下来，测量腔内两个方向的磁场幅值是否一致，若不同，则通过调节发射线圈激励电压幅值来使得两个方向上的磁场幅值相同。
向两个发射线圈中通入相位相差90度的同频交流电来分别激励出谐振腔X和Y方向上的磁场，并合成得到旋转磁场。
通过观测接收电压值或发射阻抗值来调节两个发射线圈的激励电压幅值从而使得腔内两个方向上的磁场强度模值相同。
发射线圈以及接收线圈均为单根金属导线或利兹线绕制，并且通过串联电容器将谐振频率配置为谐振腔的谐振频率f0。
将接收线圈谐振频率调节为谐振腔的谐振频率f0。
对于X或Y方向，根据谐振腔在特定工作模式下电流的流向将谐振腔与腔壁上的电容器构建为串联LC等效电路模型，此时考虑腔壁的电阻值，可以将发射线圈与谐振腔等效为双线圈互感模型，发射线圈端的输入阻抗为：
；
其中，表示输入阻抗，表示发射线圈的电阻，表示谐振腔的电阻，表示系
统工作角频率，表示发射线圈与谐振腔之间的互感，表示谐振腔的等效电感，表示
谐振腔的谐振电容，表示虚部，表示发射线圈的电感，表示发射线圈的谐振电容。
发射线圈端的输入阻抗的实部为：
；
其中，表示输入阻抗的实部。
可见，由于本发明谐振腔本身的电阻R2极小（约为0.001Ω），当系统频率等于谐振
腔的特征频率时，即时，输入阻抗的实部将会急剧增大，因此，输入阻抗实部
峰值对应的频率看作谐振腔的谐振频率f0。
调节谐振腔X和Y方向上的电容器，可以将这两个方向上等效LC回路的谐振频率调节一致。
所述的系统工作频率可达MHz以上，使传输效率更高。
所述的系统效率与收发线圈和腔体的品质因数Q相关，采用多股利兹线圈和高电导率金属腔体可以获得更高的传输效率，亦可以增大收发线圈的匝数或增大收发线圈与腔体尺寸的比例大小来提高系统的传输效率。
本发明通过控制两个发射线圈的角度位置以及两个线圈上激励电压的相位可以实现三维全方向无线电能传输。
图2是本发明中发射线圈置于谐振腔内时输入阻抗的实部和虚部随电压频率变化的曲线图。将谐振腔等效为串联LC回路，根据双线圈等效电路模型可见，当等效为串联LC回路的谐振腔自身阻值低于自身电感在工作频率下产生的电抗值约2个数量级，发射线圈两端的反射阻抗实部最高点对应的频率即为谐振腔的谐振频率，即图2中的反射阻抗峰值对应的频率为该工作模式下的谐振腔腔体的谐振频率f0。
当调谐后的两个发射线圈通入相位相差90°、频率为f0的交流电时，系统内部可以激发出如图3所示的磁场分布，此图为谐振腔内Z=0.5h平面处的磁感应强度B。图3中，谐振腔开口位置处磁感应强度起伏较大，而谐振腔内部的磁场分布非常均匀，尤其在距离腔壁较远的中心处也存在相对较强的磁感应强度。
如图4是本发明中谐振腔内一个周期中的磁感应强度幅值以及磁场方向的变化示意图，当两个发射线圈中的电压与各自方向上的输入阻抗匹配之后，谐振腔中心处将呈现出正圆形旋转磁场，即位于此处接收线圈在任意水平方向（XY方向）上接收到的电压水平基本保持一致，系统的传输效率、输出功率保持相对稳定。
图5是本发明中传输效率关于接收线圈角度变化的示意图，此图是接收线圈位于腔体中A、B、C、D四处并发生水平360°角度偏移过程中的系统传输效率变化雷达图（A、B、C、D位于Z=0.5h平面），在A点处，接收线圈变化所引起的系统传输效率波动低于10%，该波动主要来自于实验误差。
本发明所提出的双激励方式可以在很大程度上提升腔内磁场均匀度的同时，实现360°无死角的无线电能传输。在接收线圈位置抗偏移、角度抗偏移特性方面，相较于现有空腔谐振式无线电能传输系统具有很大优势，在智能家居等场景中具有很大应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种三维全向无线电能传输的空腔谐振式无线电能传输系统，其特征在于：包括两个发射线圈、接收线圈、谐振腔，所述两个发射线圈、接收线圈均设置于谐振腔内；所述谐振腔的壁衔接处由电容器连接，分别在谐振腔X和Y方向形成两路互相解耦的串联LC谐振回路；两个发射线圈分别用于激励谐振腔两个方向上的磁场，并通过调节两个发射线圈之间的电压相位来控制谐振腔的腔内两个方向上的磁场幅值以及相位，最终获得所需类型的磁场；
向两个发射线圈中通入相位相差90度的同频交流电来分别激励出谐振腔X和Y方向上的磁场，并合成得到旋转磁场
通过观测接收电压值或输入阻抗值来调节两个发射线圈两端的激励电压幅值从而使得腔内两个方向上的磁场强度模值相同；
发射线圈以及接收线圈均为单根金属导线或利兹线绕制，并且通过串联电容器将谐振频率配置为谐振腔的谐振频率f0；
对于X或Y方向，根据谐振腔电流的流向将谐振腔与腔壁上的电容器构建为串联LC等效电路模型，此时考虑腔壁的电阻值，将发射线圈与谐振腔等效为双线圈互感模型，发射线圈端的输入阻抗为：
；
其中，表示输入阻抗，表示发射线圈的电阻，表示谐振腔的电阻，表示系统工作角频率，表示发射线圈与谐振腔之间的互感，表示谐振腔的等效电感，表示谐振腔的谐振电容，表示虚部，表示发射线圈的电感，表示发射线圈的谐振电容；
发射线圈端的输入阻抗的实部为：
其中，表示输入阻抗的实部。
2.根据权利要求1所述三维全向无线电能传输的空腔谐振式无线电能传输系统，其特征在于：当系统频率等于谐振腔的特征频率时，输入阻抗实部峰值对应的频率看作谐振腔的谐振频率f0。
3.根据权利要求2所述三维全向无线电能传输的空腔谐振式无线电能传输系统，其特征在于：两个发射线圈放置于靠近腔壁处并垂直于腔壁。
4.根据权利要求3所述三维全向无线电能传输的空腔谐振式无线电能传输系统，其特征在于：所述发射线圈位于靠近谐振腔中心70%的空间中。
5.根据权利要求4所述三维全向无线电能传输的空腔谐振式无线电能传输系统，其特征在于：所述接收线圈放置于谐振腔的腔内的中心处。
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