[發明專利]一種多中繼器磁耦合諧振式無線功率傳輸系統的設計方法

有效

• 申請號: 201410352706.4
• 申請日: 2014-07-23
• 公開（公告）號: CN104167828B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發明（設計）人: 羅斌
• 申請（專利權）人: 南昌大學
• 主分類號: H02J50/12
• 分類號: H02J50/12;H02J50/50
• 代理公司: 南昌新天下專利商標代理有限公司36115
• 代理人: 施秀瑾

技術領域

本發明屬于無線能量傳輸系統設計技術領域。

背景技術

作為一種新型的無線能量傳輸技術，磁耦合諧振式無線充電(MCR-WPT)技術能在幾倍于電感項圈口徑的距離以較高的效率傳遞電能，克服了感應式無線充電技術只能在非常近的距離才能應用的弊端。適用于從毫瓦級到千瓦級的各種應用場合。

傳統的磁諧振耦合式無線充電系統有四線圈形式和兩線圈形式兩種。在四線圈形式中，電源通過一個耦合線圈和發射線圈相耦合，負載則通過另一個耦合線圈和接收線圈相耦合；而在四線圈形式中，耦合線圈被取消，電源、負載直接和發射線圈、接收線圈相連接。磁耦合諧振式無線充電技術的傳輸距離是比較短的，其最佳傳輸距離主要取決于負載大小、線圈口徑和工作頻率，但通常不會超過線圈口徑的2～3倍。當傳輸距離大于最佳傳輸距離時，系統的效率隨著距離的增加快速下降。

理論和實踐表明，利用超導技術可以在不降低傳輸效率的前提下明顯提高傳輸距離，但該技術價格高昂、實現復雜。而另一種簡便實用廉價的方法是在發射線圈和接收線圈之間適當地插入一個或多個中繼諧振器(以下簡稱中繼器，由高Q值的空心電感線圈和調諧電容串聯而成)，可以顯著增大無線能量傳輸的有效距離。由于中繼器本身也具有一定的損耗，因此會導致傳輸效率和傳輸功率一定程度地降低，采用高Q值的中繼諧振器可有效緩解這一缺陷。中繼器的應用也有助于人們方便地設置源線圈、負載線圈的幾何大小和空間位置，提高設計靈活性。然而，中繼線圈數目的增多也會大大增加分析和設計的復雜程度。而不恰當地濫用中繼LC諧振器，不但不能提高效率和傳輸功率，反而可能導致相反的效果。

目前，針對磁諧振耦合式無線充電系統，傳統的分析設計方法主要包括耦合模理論、集總參數等效電路理論。從數學的角度看，耦合模理論可等效為在時域上求解N階的偏微分方程組；集總參數等效電路理論可等效為在頻域上求解N階的矩陣方程，這里的N-2表示中繼線圈的數目。當N很大時，無論是求解N階的偏微分方程組還是求解N階的滿秩矩陣方程都是相當復雜的，不易得到有實用價值的解。近年來也有人利用濾波器理論，將MCR-WPT系統等效為濾波器，然后進行分析設計，其優點是簡便、快捷，能直接得到帶寬、傳輸效率等參數的計算公式，為人們設計WPT系統提供詳實的理論依據。但目前該技術主要針對的還是無中繼的傳統四線圈形式或兩線圈形式的MCR-WPT系統。因此有必要針對多中繼MCR-WPT系統，利用濾波器理論開發一套簡單、系統、有效的分析和設計方法。

發明內容

有鑒于此，本發明需要解決的技術問題是針對具有多中繼器的MCR-WPT系統，采用濾波器理論，提供一種方便、快捷、準確的設計方法。該設計方法利用任意數目中繼器MCR-WPT與多節耦合諧振器帶通濾波器之間的相似性，利用成熟的濾波器設計理論獲得包括電感量、互感系數、傳輸效率、傳輸功率和傳輸距離等參量在內的定量分析計算公式。以此為依據，用戶可快速準確地進行長距離多中繼器MCR-WPT系統的設計。

對于圖1所示的多中繼MCR-WPT系統，其電路結構包括發射端TX、多個中繼器、接收端RX。發射端TX由交流電源(工作頻率f₀，電壓幅度值V_S)、發射端空心電感線圈L₁、發射端調諧電容C₁組成，R_S和R₁分別為源內阻和發射端線路損耗電阻。中繼器由空心電感線圈L_i和調諧電容C_i串聯而成，1<i<N，R_i為損耗電阻。接收端RX由空心電感線圈L_N、接收端調諧電容C_N、接收端負載R_L串聯而成，R_N為損耗電阻。k_i,i+1(i＝1,…,N-1)是相鄰電感線圈i和i+1之間的互感系數?？招碾姼芯€圈通常繞制成圓形或矩形，也可是三角形、五邊形、六邊形或其它幾何形狀。

系統工作頻率f₀是交流電源V_S的頻率，也是各LC諧振器(TX、RX和中繼器)的諧振頻率。諧振頻率可以在125KHz、133KHz、225KHz、13.56MHz或其它ISM(工業、科學、醫療)頻段中進行選擇。