磁耦合谐振式无线电能传输系统及其双侧自调谐方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线电能传输领域，具体涉及一种磁耦合谐振式无线电能传输系统及 其双侧自调谐方法。
【背景技术】
[0002] 无线电能传输方法允许不使用导线而传输电能，在电气化交通、移动终端设备、机 器人、物联网、医学等领域具有广阔的应用前景。总的来说，无线电能传输方法可分为辐射 式和非辐射式两类。辐射式无线电能传输方法通过发射电磁波而传输能量，可实现远距离 传输，但能量传输效率较低，此外大功率的电磁能量辐射到环境中也会危害人的健康，因此 辐射式无线电能传输方法的应用场合受限；非辐射式无线电能传输方法包含感应耦合式、 磁耦合谐振式、电场耦合式几种。其中，磁耦合谐振式无线电能传输方法具有中短距离、高 效率、安全性好等优势，近年来成为研究热点，该方法已在电动汽车、移动电子设备、植入式 医学器件等领域得到一定的应用。
[0003] 采用磁耦合谐振式无线电能传输方法的系统必须在谐振时才能获得最高传输效 率，在工程实际中，导致系统失谐振/阻抗失匹配的因素有许多：如在对手机进行无线充电 时，人为地改变了手机与充电器之间的相对位置；在对电动车进行无线充电时，由于充电器 与安装在汽车地盘上的接收装置未严格对准；再如工作环境的温度变化导致充电器与接收 装置的电磁谐振频率发生漂移等。诸如以上原因都可能导致系统失谐振。相关研究表明系 统一旦偏离谐振状态，其能量传输效率将急剧降低，当系统完全失谐时，其传输效率几乎为 零，在大功率的应用场合下，系统失谐振/阻抗失匹配还会导致电路变得极不稳定，由于正 向传输功率受阻，反射功率很大，可能造成设备损坏。为此，实现系统发射、接收回路双侧自 动调谐十分重要。
[0004] 在许多无线电能传输的应用场合下，由于终端设备体积、重量等限制，难以在接收 回路中增加额外的电路进行自动调谐；如接收回路不能实现自动调谐，又会降低整个系统 的无线电能传输效率。因此，如何实现系统发射回路、接收回路双侧自动调谐，又尽可能简 化接收装置的电路结构，是本领域迫切需要解决的关键技术之一。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了解决上述技术问题而提供一种磁耦合谐振式无线电能传输 系统及其双侧自调谐方法，使系统能自适应传输距离、电路寄生参数、负载阻抗等参数值的 变化，将发射回路与接收回路同时调整为谐振状态，获得最高无线电能传输效率。
[0006] 本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
[0007] 本发明提供的磁耦合谐振式无线电能传输系统的双侧自调谐方法，该系统包括至 少由高频电源、第一端口、发射侧谐振电容、发射线圈依次电连接组成的发射回路和至少由 接收线圈、接收侧谐振电容、第二端口、负载依次电连接组成的接收回路，所述发射线圈与 接收线圈之间通过磁场耦合相连接，在所述发射回路中第一端口的后端和发射侧谐振电容 的前端之间增加一个阻抗调节网络，然后按以下步骤进行：
[0008] 步骤1.先调谐接收回路：调整电源工作频率ω，直到接收回路的阻抗满足 InKZ^+Zj = 0, 分别为第二端口处的输出阻抗和负载阻抗，此时接收回路呈现纯阻 性，将此时的电源工作频率记为ω。；
[0009] 步骤2.再调谐发射回路：使电源工作频率恒为ω。，调整所述阻抗调节网络的阻 抗参数值，直到发射回路的阻抗满足Im(Zin+Zs) = 0,且Re(Zin) = Re(Zs)，Ζιη、&分别为第 一端口处的输入阻抗和电源内阻，此时发射回路呈现纯阻性，且电源输出功率最大；
[0010] 步骤3.重复步骤1、步骤2,直到检测得到的发射回路的阻抗满足|lm(Zin+Z s) |〈a， Re(Zin)-Re(Zs) |〈b，接收回路的阻抗满足|lm(Zin+Zs) |〈c，a、b、c为设定的阈值。
[0011] 本发明提供的磁耦合谐振式无线电能传输系统，包括至少由高频电源、第一端口、 发射侧谐振电容、发射线圈依次电连接组成的发射回路和至少由接收线圈、接收侧谐振电 容、第二端口、负载依次电连接组成的接收回路，所述发射线圈与接收线圈之间通过磁场耦 合相连接；所述发射回路中设有定向耦合器检测模块、第一控制模块、程控电压源、第一通 信模块、以及由可变电容C1、可变电容C2、可变电感L1组成的π型阻抗调节网络，所述定向 耦合器检测模块串联在发射回路中第一端口处，所述定向耦合器检测模块、程控电压源、第 一通信模块分别与第一控制模块电连接，所述可变电容C1、可变电容C2、可变电感L1分别与 程控电压源电连接；所述接收回路中设有电流检测模块、电压检测模块、鉴相电路、第二控 制模块与第二通信模块，所述电流检测模块串联在接收回路中第二端口处，所述电压检测 模块并联在接收回路中第二端口处，所述电流检测模块、电压检测模块分别与鉴相电路电 连接，所述鉴相电路、第二通信模块分别与第二控制模块电连接。
[0012] 所述定向耦合器检测模块用于检测发射回路中第一端口处的反射系数并输入到 第一控制模块中；所述第一通信模块用于得到接收回路中第二端口处的电流、电压相位差 信息并输入第一控制模块中；所述第一控制模块用于处理检测到反射系数、相位差信息并 控制高频电源的输出频率和程控电源的输出电压，使得第一端口处反射系数为0,第二端口 处电流电压相位差为0;所述程控电压源用于调整可变电容C1、可变电容C2、可变电感1^的 值，从而调节发射回路中第一端口处的输入阻抗；所述电流检测模块、电压检测模块分别用 于检测接收回路中第二端口处的电流、电压并送入到鉴相电路中；所述鉴相电路用于得到 上述电流、电压信号的相位差并送入到第二控制模块中；所述第二控制模块用于处理检测 到的相位差信息并利用第二通信模块向第一通信模块发送数据。
[0013] 有益效果：
[0014] 本发明通过在发射回路中增加一个阻抗调节网络来实现发射回路的自动调谐；在 接收回路中无需增加额外的阻抗调节网络，仅通过调节发射端电源工作频率来间接实现接 收回路自动调谐，大大降低了接收端电路的硬件复杂性、能量损耗与控制难度。
[0015] 下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
【附图说明】
[0016] 图1是本发明系统的电路图。
[0017] 图2是磁耦合谐振式无线电能传输系统原理图。
[0018] 图3是无线电能传输系统的二端口网络模型图。
[0019] 图4是无线电能传输系统双侧调谐方法原理图。
[0020] 图5是π型阻抗调节网络图。
[0021] 图6是耦合系数k变化时Zin和的Z _仿真结果图。
[0022] 图7是耦合系数k变化时系统传输效率η的仿真结果图。
[0023] 图8是接收侧谐振电容Cd变化时系统传输效率η的仿真结果图。
[0024] 图9是负载阻抗变化4时系统传输效率Tl的仿真结果图。
【具体实施方式】
[0025] 本发明提供的磁耦合谐振式无线电能传输系统，如图1所示，包括由高频电源、端 口 1、发射侧谐振电容、发射线圈依次电连接组成的发射回路和由接收线圈、接收侧谐振电 容、端口 2、负载依次电连接组成的接收回路，所述发射线圈与接收线圈之间通过磁场耦合 相连接；所述发射回路中设有定向耦合器检测模块、控制模块1、程控电压源、通信模块1、 以及由可变电容C1、可变电容C2、可变电感L1组成的π型阻抗调节网络，所述定向耦合器 检测模块串联在发射回路中端口 1处，所述定向耦合器检测模块、程控电压源、通信模块1 分别与控制模块1电连接，所述可变电容C1、可变电容C2、可变电感L1分别与程控电压源电 连接；所述接收回路中设有电流检测模块、电压检测模块、鉴相电路、控制模块2与通信模 块2,所述电流检测模块串联在接收回路中端口 2处，所述电压检测模块并联在接收回路中 端口 2处，所述电流检测模块、电压检测模块分别与鉴相电路电连接，所述鉴相电路、通信 模块2分别与控制模块2电连接。
[0026] 所述定向耦合器检测模块用于检测发射回路中端口 1处的反射系数并输入到控 制模块1中；所述通信模块1用于得到接收回路中端口 2处的电流、电压相位差信息并输入 控制模块1中；所述控制模块1用于处理检测到反射系数、相位差信息并控制高频电源的输 出频率和程控电源的输出电压，使得端口 1处反射系数为〇,端口 2处电流电压相位差为0 ; 所述程控电压源用于调整可变电容C1、可变电容C2、可变电感L1的值，从而调节发射回路中 端口 1处的输入阻抗；所述电流检测模块、电压检测模块分别用于检测接收回路中端口 2处 的电流、电压并送入到鉴相电路中；所述鉴相电路用于得到上述电流、电压信号的相位差并 送入到控制模块2中；所述控制模块2用于处理检测到的相位差信息并利用通信模块2向 通信模块2发送数据。
[0027] 本发明提供的磁耦合谐振式无线电能传输系统的双侧自调谐方法，采用上述系 统，按以下步骤进行：
[0028] 步骤1.先调谐接收回路：调整电源工作频率ω，直到检测到的接收回路端口 2处 的电流、电压相位差为〇，接收回路的阻抗满足Im (Ζ_+ΖJ = 0 (Zciut义分别为端口 2处的输 出阻抗和负载阻抗，Im(*)表示取虚部），此时接收回路发生谐振，将此时的电源工作频率 飞己为〇 0 〇
[0029] 步骤2.再调谐发射回路：使电源工作频率恒为ω。，调整所述π型阻抗调节网络 中Cp C2、L1的值，直到检测到的端口 1处的反射系数为0,发射回路的阻抗满足Im(Ζ in+Zs) =0,且Re(Zin) = Re(Zs) (Zin、Zs分别为端口 1处的输入阻抗和电源内阻，Im(*)表示取虚 部，Re (*)表示取实部），此时发射回路发生谐振，且电源输出功率最大；
[0030] 步骤3.重复步骤1、步骤2,直到检测得到的发射回路的阻抗满足|lm(Zin+Z s) |〈a， Re(Zin)-Re(Zs) |〈b，接收回路的阻抗满足|lm(Zin+Zs) |〈c，a、b、c为设定的阈值。
[0031] 本发明的原理：
[0032] -个典型的磁耦合谐振式无线电能传输系统等效电路如图2所示，包括高频电 源、发射线圈、发射侧谐振电容、接收线圈、接收侧谐振电容以及负载几个部分。发射回路与 接收回路具有相同的电磁谐振频率，二者之间通过磁场耦合发生共振，从而使能量高效地 从发射侧向接收侧传输，线圈间距即为无线传输距离。
[0033] 上述无线电能传输系统可等效为图3所示的二端口网络模型，其中CS、CD分别为发 射、接收线圈谐振电容，Ls、Ld分别为发射、接收线圈等效电感，R s、Rd分别为发射、接收线圈 等效电阻，Zs为电源内阻，ZJ%负载阻抗，M为两线圈之间的互