一种磁共振无线能量传输系统及其线圈位置的优化方法
【专利摘要】本发明主要是解决基于磁共振的无线能量传输系统线圈放置位置的问题，提供了一种磁共振无线能量传输系统及其线圈位置的最优化设计方法。如果要求磁共振无线能量传输系统的传输效率最高，则：驱动线圈和发射线圈之间的距离为线圈半径的一半，发射线圈和接收线圈之间的距离为线圈半径的两倍，接收线圈和负载线圈之间的距离为线圈半径的一半。本发明适用于需要传输距离较远并且传输效率较高的无线供电系统。通过驱动线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈位置的最优化设置，能在保证一定传输效率的前提下最大化磁共振无线能量传输系统的传输距离。
【专利说明】一种磁共振无线能量传输系统及其线圈位置的优化方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及能量传输【技术领域】，尤其是涉及一种磁共振无线能量传输系统及其线圈位置的优化方法。
【背景技术】
[0002]无线技术，包括无线信号传输和无线能量传输，其发展正如火如荼，并且日益深入到我们生活的方方面面，不断影响和改变我们的日常生活。随着云计算和物联网的兴起，计算和环境感知智能设备将遍布世界，我们居住的地球将成为“智慧地球”。为了实现这一设想，需要一系列关键技术，无线能量传输就是其中一种关键技术。无线能量传输技术将使终端摆脱电源线的束缚，具有极大的灵活性、广泛的适应性。这项技术将可以应用到智能通讯、智能电网、智能交通、智能家居和健康医疗等领域，实现物流监控、生产制造加工控制、门禁控制、宠物管理、商品防伪、电子档案(生物技术护照)、健康监护、实时位置服务、军事监视与跟踪、环境监测等多种用途。
[0003]基于磁共振的无线能量传输是一种中距离无线能量传输的新型技术，具有很多突出优点，因而具有极大的应用前景。其一，传输效率高很高，可以达到70%以上；其二，传输距离相对较远；其三，对负载端的方位没有特殊要求；其四，能够穿越障碍。其五，使用磁场来传输能量，不会被周围的电介质影响，因此具有更好的性能。基于磁共振的无线能量传输系统是今后能量传输的发展趋势，也是关键技术之一。
[0004]基于磁共振的无线能量传输系统的经典结构由四个线圈组成，四个线圈的位置对系统的性能影响很大。但是，现在的基于磁共振的无线能量传输系统四个线圈多采用均匀间距布置，这种方式导致系统的传输距离有限，因此，线圈位置的最优化设计方法是基于磁共振的无线能量传输系统的关键性技术之一。
【发明内容】
[0005]本发明主要是解决基于磁共振的无线能量传输系统线圈放置位置的问题，提供了一种磁共振无线能量传输系统及其线圈位置最优化设计方法。
[0006]本发明的技术方案为:
[0007]—种磁共振的无线能量传输系统，包括一个驱动模块，一个磁共振无线能量传输模块和一个负载模块；驱动模块的输出信号连接到磁共振无线能量传输模块的输入端，产生需要无线传输的能量信号；磁共振无线能量传输模块的输出信号连接到负载模块的输入端；负载模块的输入端连接到磁共振无线能量传输模块的输出端，对能量信号进行稳压整流等处理，供负载使用；
[0008]磁共振无线能量传输模块由驱动子模块、发射子模块、接收子模块和负载子模块组成；驱动子模块包括驱动线圈和调谐电容，驱动线圈和调谐电容并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处；发射子模块包括发射线圈和调谐电容，发射线圈和调谐电容并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处，驱动线圈的输出信号经自由空间传播到发射线圈；接收子模块包括接收线圈和调谐电容，接收线圈和调谐电容并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处，发射线圈的输出信号经自由空间传播到接收线圈；负载子模块包括负载线圈和调谐电容，负载线圈和调谐电容并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处；接收线圈的输出信号经自由空间传播到负载线圈，负载线圈的输出信号连接到负载模块的输入端；
[0009]驱动线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈的位置采用本发明提出的最优化设置方法。驱动线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈的位置对系统的性能有很大的影响。根据线圈位置不同，基于磁共振的无线能量传输系统将工作于过耦合、强耦合和欠耦合三种状态。当两个线圈的距离过近的时候，系统工作于过耦合状态，此时系统会产生频率分裂现象，并效率很低。当两个线圈的距离过远的时候，系统工作于欠耦合状态，此时系统效率很低。当两个线圈的距离处于适当位置的时候，系统工作于强耦合状态，此时系统的效率最高，无线能量传输距离最远。当系统线圈位置满足以下条件时，系统工作于强耦合状态:
[0010]所述的驱动线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈之间的位置通过优化方法进行优化设置，具体为:驱动线圈和发射线圈之间的距离大于三分之一线圈半径并小于三分之五线圈半径，发射线圈和接收线圈之间的距离大于三分之四线圈半径并小于四倍线圈半径，接收线圈和负载线圈之间的距离大于三分之一线圈半径并小于三分之二线圈半径。
[0011]如果要求磁共振无线能量传输系统的传输效率最高，所述的驱动线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈之间的位置通过优化方法进行设置，具体为:驱动线圈和发射线圈之间的距离为线圈半径的一半，发射线圈和接收线圈之间的距离为线圈半径的两倍，接收线圈和负载线圈之间的距离为线圈半径的一半。
[0012]如果要求磁共振无线能量传输系统在一定传输效率下传输距离最远，则使接收线圈和负载线圈之间的距离处于强耦合区域，然后将驱动线圈和发射线圈之间的距离、发射线圈和接收线圈之间的距离尽量取大，直到达到要求的传输效率，此时的传输距离最远。
[0013]上述系统的线圈位置的优化方法，包括以下步骤，
[0014]步骤1、利用FEKO软件，在软件中设置单位，添加变量；
[0015]步骤2、根据磁共振无线能量传输系统的系统参数绘制系统几何形状，驱动线圈和负载线圈为环形线圈，发射线圈和接收线圈为螺旋线圈；系统参数包括驱动线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈的半径、线径、圈数、螺旋长度、材质、形状、间距；
[0016]步骤3、在驱动线圈上设置激励端口，加上激励源；在负载线圈上设置负载端口，加上负载；
[0017]步骤4、设置求解频率段和扫频间隔；
[0018]步骤5、对模型进行剖分，三角形单元的边长不低于lambda/6，段长度要小于lambda/10,线段半径为 lambda*0.01 ；
[0019]步骤6、进入editfeko子模块，对仿真算法进行选择；
[0020]步骤7、运行仿真并运行postfeko子模块，查看仿真结果，并记录数据；
[0021]步骤8、调整参数，重复步骤1-步骤7 ；
[0022]步骤9、将所有仿真结果绘制在一幅图中进行比较分析，得出能够获得强耦合的线圈位直；
[0023]步骤10、根据优化目的(如效率最高、距离最远)，在强耦合范围内进行细调，得出最优线圈位置。[0024]与现有技术相比，本发明适用于需要传输距离较远并且传输效率较高的无线供电系统。通过驱动线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈位置的最优化设置，能在保证一定传输效率的前提下最大化磁共振无线能量传输系统的传输距离。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是现有技术中磁共振无线能量传输系统的原理框图；
[0026]其中，I一驱动模块，2—磁共振无线能量传输模块，3—负载模块；
[0027]图2是现有技术中磁共振无线能量传输模块的框图；
[0028]图3是现有技术中磁共振无线能量传输模块线圈位置示意图；
[0029]图4是现有技术中两端口 S参数模型图；
[0030]图5 Ca)是本发明中系统效率随dl2和d34变化图(dl2=d34，d23固定)；
[0031]图5 (b)是本发明中系统效率随频率变化图(dl2=d34，d23固定)；
[0032]图6 Ca)是本发明中系统效率随d23变化图(固定dl2和d34)；
[0033]图6 (b)是本发明中系统效率随频率变化图(固定dl2和d34)；
[0034]图7 Ca)是本发明中系统效率随d34变化图(固定dl2和d23)；
[0035]图7 (b)是本发明中系统效率随频率变化图(固定dl2和d23)；
[0036]图8 (a)是本发明中系统效率随dl2变化图(固定d23和d34);
[0037]图8 (b)是本发明中系统效率随频率变化图(固定d23和d34)。
【具体实施方式】
[0038]以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。
[0039]如图1所示，磁共振无线能量传输系统包括一个驱动模块1，一个磁共振无线能量传输模块2和一个负载模块3 ;驱动模块的输出信号连接到磁共振无线能量传输模块的输入端，产生需要无线传输的能量信号；磁共振无线能量传输模块的输出信号连接到负载模块的输入端；负载模块的输入端连接到磁共振无线能量传输模块的输入端，对能量信号进行稳压整流等处理，供负载使用。
[0040]如图2所示，磁共振无线能量传输模块2包括驱动子模块21、发射子模块22、接收子模块23和负载子模块24组成。驱动子模块21包括驱动线圈Ld和调谐电容Cd ;驱动线圈Ld和调谐电容Cd并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处，工作频率一般为IOMHz左右，也可以采用其他大小的频率。本发明实施例的工作频率采用10MHz。驱动子模块21的输出信号经自由空间传播到发射子模块22 ;发射子模块22包括发射线圈Lt和调谐电容Ct ;发射线圈Lt和调谐电容Ct并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处；发射子模块22的输出信号经自由空间传播到接收子模块23 ;接收子模块23包括接收线圈Lr和调谐电容Cr ;接收线圈Lr和调谐电容Cr并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处；接收子模块23的输出信号经自由空间传播到负载子模块24 ;负载子模块24包括负载线圈LI和调谐电容Cl ;负载线圈LI和调谐电容Cl并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处；负载子模块24的输出信号连接到负载模块3的输入端；
[0041]如图3所不，其中，D是驱动线圈，T是发射线圈，R是接收线圈，L是负载线圈；D是环形线圈，连接到电压源，T和R是螺旋线圈，L是环形线圈，连接到负载；线圈的半径为r，线径为a，螺旋线圈的长度为h;D和T之间的距离为dl2，T和R之间的距离为d23，R和L之间的距离是d34。
[0042]驱动线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈的位置对系统的性能有很大的影响。根据线圈位置不同，基于磁共振的无线能量传输系统将工作于过耦合、强耦合和欠耦合三种状态。当两个线圈的距离过近的时候，系统工作于过耦合状态，此时系统会产生频率分裂现象，并效率很低。当两个线圈的距离过远的时候，系统工作于欠耦合状态，此时系统效率很低。当两个线圈的距离处于适当位置的时候，系统工作于强耦合状态，此时系统的效率最高，无线能量传输距离最远。当系统线圈位置满足以下条件时，系统工作于强耦合状态:驱动线圈和发射线圈之间的距离大于三分之一线圈半径并小于三分之五线圈半径，发射线圈和接收线圈之间的距离大于三分之四线圈半径并小于四倍线圈半径，接收线圈和负载线圈之间的距离大于三分之一线圈半径并小于三分之二线圈半径。
[0043]如果要求磁共振无线能量传输系统的传输效率最高，则驱动线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈之间的距离为:驱动线圈和发射线圈之间的距离约为线圈半径的三分之一，发射线圈和接收线圈之间的距离约为线圈半径的两倍，接收线圈和负载线圈之间的距离约为线圈半径的二分之一。
[0044]如果要求磁共振无线能量传输系统在一定传输效率下传输距离最远，则使接收线圈和负载线圈之间的距离处于强耦合区域，然后将驱动线圈和发射线圈之间的距离、发射线圈和接收线圈之间的距离尽量取大，直到达到要求的传输效率，此时的传输距离最远。
[0045]磁共振无线能量传输系统可以用二端口网络S参数模型描述，如图4所示。发射端被看做端口 1，接收端被看做端口 2。
[0046]根据S参数，系统的传输效率为:
【权利要求】
1.一种磁共振无线能量传输系统，包括一个驱动模块，一个磁共振无线能量传输模块和一个负载模块；驱动模块的输出信号连接到磁共振无线能量传输模块的输入端，产生需要无线传输的能量信号；磁共振无线能量传输模块的输出信号连接到负载模块的输入端；负载模块的输入端连接到磁共振无线能量传输模块的输入端，对能量信号进行稳压整流等处理，供负载使用； 磁共振无线能量传输模块由驱动子模块、发射子模块、接收子模块和负载子模块组成；驱动子模块包括驱动线圈和调谐电容，驱动线圈和调谐电容并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处；发射子模块包括发射线圈和调谐电容，发射线圈和调谐电容并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处，驱动线圈的输出信号经自由空间传播到发射线圈；接收子模块包括接收线圈和调谐电容，接收线圈和调谐电容并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处，发射线圈的输出信号经自由空间传播到接收线圈；负载子模块包括负载线圈和调谐电容，负载线圈和调谐电容并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处；接收线圈的输出信号经自由空间传播到负载线圈，负载线圈的输出信号连接到负载模块的输入端； 其特征在于:所述的驱动线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈之间的位置通过优化方法进行优化设置，具体为:驱动线圈和发射线圈之间的距离大于三分之一线圈半径并小于三分之五线圈半径，发射线圈和接收线圈之间的距离大于三分之四线圈半径并小于四倍线圈半径，接收线圈和负载线圈之间的距离大于三分之一线圈半径并小于三分之二线圈半径；此时系统工作于强耦合状态。
2.根据权利要求1所述的一种磁共振无线能量传输系统，其特征在于:所述的驱动线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈之间的位置通过优化方法进行设置，使磁共振无线能量传输系统的传输效率最高，具体为:驱动线圈和发射线圈之间的距离为线圈半径的一半，发射线圈和接收线圈之间的距离为线圈半径的两倍，接收线圈和负载线圈之间的距离为线圈半径的一半。
3.—种磁共振无线能量传输系统，其特征在于:所述的驱动线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈之间的位置通过优化方法进行设置，使磁共振无线能量传输系统在给定传输效率下传输距离最远，具体为:接收线圈和负载线圈之间的距离大于三分之一线圈半径并小于三分之二线圈半径，驱动线圈和发射线圈之间的距离以及发射线圈和接收线圈之间的距离尽量取大，直到达到给定的传输效率，此时的传输距离最远。
4.如权利要求1或2所述系统的线圈位置的优化方法，其特征在于:包括以下步骤， 步骤1、利用FEKO软件，在软件中设置单位，添加变量； 步骤2、根据磁共振无线能 量传输系统的系统参数绘制系统几何形状，驱动线圈和负载线圈为环形线圈，发射线圈和接收线圈为螺旋线圈；系统参数包括驱动线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈的半径、线径、圈数、螺旋长度、材质、形状、间距； 步骤3、在驱动线圈上设置激励端口，加上激励源；在负载线圈上设置 负载端口，加上负载； 步骤4、设置求解频率段和扫频间隔； 步骤5、对模型进行剖分，三角形单元的边长不低于lambda/6，段长度要小于lambda/10,线段半径为 lambda*0.01 ； 步骤6、进入editfeko子模块,对仿真算法进行选择；步骤7、运行仿真并运行postfeko子模块，查看仿真结果，并记录数据；步骤8、调整参数，重复步骤1-步骤7 ；步骤9、将所 有仿真结果绘制在一幅图中进行比较分析，得出能够获得强耦合的线圈位 置；步骤10、根据优化目的，在强耦合范围内进行细调，得出最优线圈位置。
【文档编号】G06F19/00GK103872798SQ201410119722
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月27日 优先权日:2014年3月27日
【发明者】石新智, 祁昶, 王高峰 申请人:武汉大学