一种感应耦合无线电能传输电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种感应耦合无线电能传输电路。本实用新型的感应耦合无线电能传输系统中，在接收线圈后串联一个电容C2，再并联一个电容C3形成新的副边阻抗变换电路。通过设计两个电容的值可以使得负载电阻值等于达到最大传输效率时所需的最优负载电阻值。本实用新型所采用的技术方案，具有更小的损耗、更容易在集成电路中实现等优点。
【专利说明】一种感应耦合无线电能传输电路
【技术领域】
[0001]本实用新型属于无线电能传输领域，具体涉及一种感应耦合无线电能传输电路。【背景技术】
[0002]在许多场合，电子器件的供电采用有线供电或电池供电不方便甚至不可能。如在智能楼宇中的无线传感器大量植入材料、墙体中，当电池耗尽，无法更换电电池；在野外农业中用于检测农作物生长的无线传感器，更换电池要花费大量人力物力；在植入式医疗中植入体内的医疗器件，更换电池可能给人体带来痛苦和风险等。无线供电是解决此问题的途径之一。[0003]感应耦合无线电能传输方式是电能发送端和接收端距离较近时通常采用的方法，它通过两个耦合线圈之间的电磁感应传递电能，其基本原理如图1所示，主要包括发送交流电压源，原边阻抗变换电路，发送线圈，接收线圈，副边阻抗变换电路，整流电路，滤波电路和电阻负载。原边阻抗变换电路和副边阻抗变换电路分别设计成与发送线圈和接收线圈谐振的形式，是当前提高传输效率、发送交流信号源输出功率因数的常用方法。原边阻抗变换电路通常是为提高发送交流信号源输出功率因数而设计，图1中采用串联谐振可以实现接近于I的功率因数。但是，副边阻抗变换电路采用简单的串联或并联谐振方式通常不能达到最优的传输效率。原因是，它们分别有一个能达到最优传输效率的负载电阻值，但这个最优负载电阻值与实际负载电阻值并不相等。
[0004]事实上，可以根据发送线圈和接收线圈的参数，求出传输效率最大时接收线圈所接的最优负载阻抗值及所对应的最大传输效率分别为忍°pt=w2 (1+(?%)° 5/% JiZ2和n 必/[1+(1+^?%)° 5]，其中仏和Q2分别为原边和副边线圈的品质因数泌为两个线圈之间耦合系数，乙为接收线圈的电感值，《为系统工作频率。因此，可以根据得到的最优负载阻抗值设计副边阻抗变换电路达到最大传输效率。
【发明内容】
[0005]为解决传统串联或并联谐振无线电能传输方式中负载电阻并非效率最高时的最优电阻，以致于不能达到最大效率的问题，本实用新型采用一种新的副边阻抗变换电路来达到最高电能传输效率。
[0006]本实用新型所采用的技术方案是:本实用新型包括发送交流电压源，原边阻抗变换电路，发送线圈，接收线圈，副边阻抗变换电路，整流电路，滤波电路和电阻负载，发送交流电压源一端与原边阻抗变换电路一端连接，原边阻抗变换电路另一端连接与发送线圈一端连接，发送线圈另一端与发送交流电压源另一端连接，其特征在于:接收线圈的一端与第一电容Cr2的一端连接,第一电容Ct2的另一端分别与第二电容Ct3的一端、整流电路的一端、滤波电路的一端、电阻负载的一端连接，第二电容C3的另一端、整流电路的另一端、滤波电路的另一端、电阻负载的另一端与接收线圈的另一端连接；所述的第一电容G和第二电容C3构成副边阻抗变换电路；[0007]所述的第一电容C2 的取值为炚/ ω zRlL2 (^k2QlQ2) °_5 -1/ ω 2TPl2] °_5，
[0008]第二电容C3 的取值为 QH [ ω 2R1L2Q2 - ω 3C2L2Rh2 (^k2Q1Q2)α 5]，
[0009]其中，0和Q2分别为发送线圈和接收线圈线圈的品质因数，k为发送线圈与接收线圈之间耦合系数，乙为接收线圈的电感值，ω为传输电路工作频率，怂为从整流电路往电阻负载方向看进去的等效电阻值，乙为发送线圈电感值。
[0010]本实用新型具有如下优点:
[0011](1)相比于传统的串并联谐振形式的副边阻抗变换电路，本实用新型所采用的技术方案可以将负载阻抗变换为最优负载阻抗，达到最大传输效率。
[0012](2)相比于现有的其他形式副边阻抗变换电路，如在接收线圈后串联一个电容，再并联一个电感的阻抗变换电路，本实用新型所采用的技术方案，具有更小的损耗、更容易在集成电路中实现等优点。因为电容的品质因数通常大于电感的品质因数，尤其是在集成电路实现时，高品质因数的电感实现非常困难。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型结构框图。
[0014]图中:1.能量发送装置，2.能量接收装置，1-1.发送交流电压源，1-2.原边阻抗变换电路(电容G)，1-3.发送线圈Z1, 2-1.接收线圈Z2, 2-2.副边阻抗变换电路中的电容C；，2-3.副边阻抗变换电路中的电容C2，2-4.整流电路，2-5.LC滤波电路及负载。
【具体实施方式】
[0015]以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
[0016]实施例1:如图1所示，本实用新型包括能量发送装置I和能量接收装置2。
[0017]能量发送装置I包括，发送交流电压源1-1，发送线圈1-3及其所接电容1-2形成串联谐振，其谐振频率等于交流电压源输出信号频率《，^ = (IA1C1)a5O发送交流电压源
1-1采用常规E类放大器实现。所述能量发射线圈1-3是在PCB板上制作的平面螺旋线圈。能量接收装置2包括能量接收线圈2-1及其所接阻抗变换电路电容2-2、电容2-3，整流电路2-4和LC滤波电路及负载2-5。能量接收线圈2-1是在PCB板上制作的平面螺旋线圈，整流电路2-4采用桥式整流。整流电路2-4和LC滤波电路及负载2-5可以等效成一个交流电阻K与实际负载电阻/?lMd之间的关系为<=U2/8)7?lMd。根据最优阻抗的理论分析结果，可以算出电容2-2和电容2-3的取值分别为:
[0018][Q2/ ω ^R1L2 (!+^Q1Q2) ?.5 -1/ ω 2TPl2] 0.5 和
[0019]Q2RJ [ ω 2RhL2Q2 - ω 3C2L2R12 ^k2QlQ2)α 5]。
[0020]可以将本实用新型与传统的串联和并联谐振方式进行传输效率的比较。在系统工作频率为13.56MHz条件下，发送线圈1-3的电感值&=10 μ H，品质因素仏=71，接收线圈
2-1的电感值乙=2μ H，品质因素仏=60.8，负载电阻值/?1μ(1=300Ω，此时，采用本实用新型的设计方案，可选择电容G=82.35pF, ^=217.47pF，能达到的传输效率为90.35%。采用传统的并联谐振方式，副边阻抗变换电路的并联电容值为68.95pF，得到的传输效率为79% ;或采用传统的串联谐振方式，副边阻抗变换电路的串联电容值为68.95pF，得到的传输效率为78%。可见，采用本实用新型的设计方案可以有效地提高传输效率。
【权利要求】
1.一种感应耦合无线电能传输电路，包括发送交流电压源，原边阻抗变换电路，发送线圈，接收线圈，副边阻抗变换电路，整流电路，滤波电路和电阻负载，发送交流电压源一端与原边阻抗变换电路一端连接，原边阻抗变换电路另一端连接与发送线圈一端连接，发送线圈另一端与发送交流电压源另一端连接，其特征在于:接收线圈的一端与第一电容C2的一端连接，第一电容C2的另一端分别与第二电容C3的一端、整流电路的一端、滤波电路的一端、电阻负载的一端连接，第二电容C3的另一端、整流电路的另一端、滤波电路的另一端、电阻负载的另一端与接收线圈的另一端连接；所述的第一电容C2和第二电容G构成副边阻抗变换电路； 所述的第一电容 C2 的取值为[%/ ω Xl2 {l+kXQ,) °.5-1/ω 2TPl2] °_5，
第二电容 G 的取值为 QH [ ω 2RhL2Q2 - ω 3C2L2R^ ^k2QlQ2) °_5]， 其中，Q1和Q2分别为发送线圈和接收线圈线圈的品质因数，k为发送线圈与接收线圈之间耦合系数，乙为接收线圈的电感值，ω为传输电路工作频率，怂为从整流电路往电阻负载方向看进去的等效电阻值，乙为发送线圈电感值。
【文档编号】H02J17/00GK203617792SQ201320730881
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年11月19日 优先权日:2013年11月19日
【发明者】程瑜华, 舒亚明 申请人:杭州电子科技大学