基于单圈圆形pcb线圈的wpt最优电容选择装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于单圈圆形PCB线圈的WPT最优电容选择装置，包括谐振式无线电能传输电路和谐振式无线电能接收电路；谐振式无线电能传输电路包括驱动电源VS,驱动电源损耗RS,发送线圈外加电容C1，发送线圈寄生电容C3，发送线圈损耗电阻R1及第一自感L1；谐振式无线电能接收电路包括负载RL,接收线圈外加电容C2，接收线圈寄生电容C4,接收线圈损耗电阻R2及第二自感L2；本实用新型能够快速得到最优效率对应的频率和对应的电容值，从而完成设计。
【专利说明】
基于单圈圆形PCB线圈的WPT最优电容选择装置
技术领域
[0001] 本实用新型属于无线电能传输领域，具体涉及一种基于单圈圆形PCB线圈的WPT最 优电容选择装置。
【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] 谐振式无线电能传输系统，将电能发送端和接收端的线圈串联或并联上电容使其 各自形成谐振，且谐振频率设置成相同。图1是一个典型的例子，在发送端和接收端都采用 串联谐振形式的二线圈谐振式无线电能传输系统，包括:发送端的驱动电路，发送线圈U， 与发送线圈形成谐振所需的串联电容&，接收线圈L 2,与接收线圈形成谐振所需的串联电容 C2,以及整流电路和负载等。其基本工作原理是:驱动电路产生一定功率的交流电，其频率 与发送端、接收端的谐振频率相同，此交流电经发送线圈与接收线圈之间的电磁耦合传递 到接收端，并经整流电路转成直流电，给负载供电或储能。相比于非谐振式无线电能传输系 统，谐振式无线电能传输系统在中等距离下具有更大的传输效率。
[0004] 在现有的设计中，发送和接收线圈间的距离、线圈的尺寸通常由具体的应用场景 决定，为达到最大的传输效率，如何对线圈的形状、尺寸、谐振电容大小、以及由此决定的工 作频率进行设计是需要解决的关键问题。
【发明内容】
[0005] 本实用新型针对针对现有技术的不足，提出了一种基于单圈圆形PCB线圈的WPT最 优电容选择装置。
[0006] 本实用新型所采用的技术方案是：谐振式无线电能传输过程中，在去除驱动电路 自生、整流电路自生的能量损耗后，电能传输效率由线圈间的耦合系数、线圈上的损耗决 定。通常，电容的品质因数很高，其损耗可以忽略。
[0007] 基于单圈圆形PCB线圈的WPT最优电容选择装置，包括谐振式无线电能传输电路和 谐振式无线电能接收电路；
[0008] 谐振式无线电能传输电路包括驱动电源Vs，驱动电源损耗RS，发送线圈外加电容 &，发送线圈寄生电容C 3,发送线圈损耗电阻办及第一自感L1;
[0009] 驱动电源Vs的一端与驱动电源损耗RS的一端连接，驱动电源损耗RS的另一端与发 送线圈外加电容心的一端连接，发送线圈外加电容G的另一端与发送线圈损耗电阻心的一 端、发送线圈寄生电容C 3的一端连接，发送线圈损耗电阻Ri的另一端与第一自感。的一端连 接，第一自感。的另一端与发送线圈寄生电容C 3的另一端、驱动电源Vs的另一端连接；
[0010] 谐振式无线电能接收电路包括负载Rl，接收线圈外加电容C2,接收线圈寄生电容 C4，接收线圈损耗电阻R2及第二自感L2;
[0011] 接收线圈损耗电阻R2的一端与接收线圈外加电容C2的一端、接收线圈寄生电容C4 的一端连接，接收线圈损耗电阻r 2的另一端与第二自感L2的一端连接，第二自感1^的另一端 与接收线圈寄生电容C4的一端、负载Rl的一端连接，接收线圈外加电容&的另一端与负载Rl 的另一端连接。
[0012] 所述的发送线圈和接收线圈为单圈圆形PCB线圈，其截面为矩形。
[0013] 所述的选择最优电容值的方法包括以下步骤：
[0014] 1)发送线圈寄生电容C3和接收线圈寄生电容C4通过仿真线圈在发送线圈外加电容 Ci和接收线圈外加电容C2时形成的串联谐振频率ω :和自谐振频率ω 2得到。串联谐振频率 ω i和自谐振频率ω 2的表达式分别为：
[0017] 因此，求得寄生电容C3为：
[0019]同理，求得接收线圈的寄生电容C4为：
[0021] 2)发送线圈及接收线圈的损耗电阻为：
[0026]其中1是线圈长度，w是线圈横截面宽度，t是线圈横截面高度，〇是电导率，μ是磁导 率，Κ( + )表示开尔文函数。
[0027] 3)发送线圈的自感为：
[0029]接收线圈的自感为：
[0032]其中a为发射线圈半径，b为接收线圈半径，w、t分别是线圈横截面宽度和高度。 [0033] 4)发送线圈与接收线圈间互感为：
[0035] 其中
，a、b为发射线圈和接收线圈半径，z为两线圈间间距。
[0036] 5)谐振无线电能传输系统的等效电路计算系统电能传输效率为：
[0038]其中，ω =2Jif为工作角频率，Z2为接收线圈阻抗，j表示虚部，其值为
[0040]由于系统工作在谐振条件下，此时谐振频率为
[0042]而寄生电容是固定的，可见，效率与外加电容相关，由于损耗电阻心、1?2随频率增大 而增大，因此效率并不是外加电容的单调函数，因而在谐振式工作条件下，存在最优的谐振 电容值。将上述电阻、电感、互感表达式及寄生电容值代入效率表达式中，可得效率的解析 解表达式。将其用Matlab等数学工具软件，能够快速找到最优外加电容值，因而能够得到最 优的工作频率。
[0043]本实用新型具有如下优点：
[0044] 针对发送和接收线圈为PCB印制电路板实现的一圈圆形线圈的无线电能传输系 统，基于线圈间互感、线圈自感、线圈电阻的解析模型，给出了效率的显示表达式。基于此效 率的显示表达式，能够快速得到最优效率对应的频率和对应的电容值，从而完成设计。
【附图说明】
[0045] 图1为谐振式无线电能传输系统采用串联电容形成谐振时的结构原理图。包括:发 送端的驱动电路，发送线圈U，与发送线圈形成谐振所需的串联电容&，接收线圈L 2,与接收 线圈形成谐振所需的串联电容C2，寄生电容C3、C4以及整流电路和负载。
[0046] 图2为图1的等效电路。图中Vs为等效交流电压源，Rs为交流电压源的输出电阻，心 为发送线圈的损耗电阻，R2为接收线圈的损耗电阻，Rl为等效负载，U为发送线圈自感，&为 发送端串联谐振电容，L2为接收线圈自感，C2为接收端串联谐振电容，C3、C4为寄生电容。
[0047] 图3为实施例1中损耗电阻随频率变化的计算值。
[0048] 图4为实施例1中外加电容时Zn参数的有限元电磁仿真软件仿真结果。
[0049]图5为实施例1中得到的效率在插入不同谐振电容时的结果。
【具体实施方式】
[0050] 以下结合附图1、附图2和实施例对本实用新型作进一步说明。
[0051] 基于单圈圆形PCB线圈的WPT最优电容选择装置，包括谐振式无线电能传输电路和 谐振式无线电能接收电路；
[0052]谐振式无线电能传输电路包括驱动电源Vs，驱动电源损耗Rs，发送线圈外加电容 Ci，发送线圈寄生电容C3,发送线圈损耗电阻Ri及第一自感L1;
[0053] 驱动电源Vs的一端与驱动电源损耗Rs的一端连接，驱动电源损耗Rs的另一端与发 送线圈外加电容心的一端连接，发送线圈外加电容Q的另一端与发送线圈损耗电阻心的一 端、发送线圈寄生电容C3的一端连接，发送线圈损耗电阻心的另一端与第一自感1^的一端连 接，第一自感1^的另一端与发送线圈寄生电容C 3的另一端、驱动电源Vs的另一端连接；
[0054]谐振式无线电能接收电路包括负载Rl，接收线圈外加电容C2,接收线圈寄生电容 C4，接收线圈损耗电阻R2及第二自感L2;
[0055] 接收线圈损耗电阻R2的一端与接收线圈外加电容C2的一端、接收线圈寄生电容C4 的一端连接，接收线圈损耗电阻r 2的另一端与第二自感L2的一端连接，第二自感1^的另一端 与接收线圈寄生电容C4的一端、负载Rl的一端连接，接收线圈外加电容&的另一端与负载Rl 的另一端连接。
[0056] 所述的发送线圈和接收线圈为单圈圆形PCB线圈，其截面为矩形。
[0057]实施例1: 一谐振式无线电能传输系统的发送和接收线圈相同，半径为10cm，圈数 为一圈，用PCB印制实现，导线的宽度为2mm，厚度为0.018mm。发送线圈和接收线圈平行放 置，中心轴相同两线圈间间距10cm。采用本实用新型所述计算公式，计算得到自感为690nH， 互感为49nH，损耗电阻随频率变化的计算结果如图3所示。图4为外加电容60pF时，HFSS仿真 得到的Zn参数，波峰处为自谐振频率，由此算得寄生电容为0.75pF。将上述解析计算值，代 入效率表达式中，能够快速得到效率随插入不同电容的变化结果，从中能够找到效率最大 时对应的电容。为验证计算结果的有效性，将计算结果与HFSS仿真结果进行比较(见图5)， 由计算和仿真结果知，在本实例中仿真得到的最优电容值为2pF到4pF之间，计算得到的最 优电容值也在2pF到4pF之间。在实际应用中，在最优点的附近使用合适能够实现的电容值 来达到最优的传输效率。
[0058] 可见，本实用新型所述方法能够快速找到匹配最佳电容。
【主权项】
1.基于单圈圆形PCB线圈的WPT最优电容选择装置，其特征在于:包括谐振式无线电能 传输电路和谐振式无线电能接收电路； 谐振式无线电能传输电路包括驱动电源Vs，驱动电源损耗Rs，发送线圈外加电容Q，发 送线圈寄生电容C3，发送线圈损耗电阻及第一自感U; 驱动电源Vs的一端与驱动电源损耗Rs的一端连接，驱动电源损耗Rs的另一端与发送线 圈外加电容&的一端连接，发送线圈外加电容&的另一端与发送线圈损耗电阻办的一端、发 送线圈寄生电容C3的一端连接，发送线圈损耗电阻的另一端与第一自感U的一端连接，第 一自感1^的另一端与发送线圈寄生电容C 3的另一端、驱动电源Vs的另一端连接； 谐振式无线电能接收电路包括负载Rl，接收线圈外加电容C2,接收线圈寄生电容C4,接 收线圈损耗电阻R2及第二自感L2; 接收线圈损耗电阻R2的一端与接收线圈外加电容C2的一端、接收线圈寄生电容C4的一 端连接，接收线圈损耗电阻R2的另一端与第二自感L2的一端连接，第二自感L2的另一端与接 收线圈寄生电容C 4的一端、负载Rl的一端连接，接收线圈外加电容&的另一端与负载Rl的另 一端连接； 所述的发送线圈和接收线圈为单圈圆形PCB线圈，其截面为矩形。
【文档编号】H02J50/12GK205725177SQ201620596814
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】杨鹏, 程瑜华, 王高峰
【申请人】杭州电子科技大学