一种提升无线充电传输距离和传输效率的方法与流程

本发明涉及无线传能技术领域，特别是涉及一种提升无线充电传输距离和传输效率的方法。

背景技术：

无线能量传输就是将能量通过无线的方式传输。近些年来该项技术越来越受到人们的广泛关注，也被媒体称为“八种改变未来世界的革命性技术”。它的诞生不仅给人们的生产生活带来日新月异的变化，更是人类科技进步的重要里程碑。磁耦合谐振技术有着不可比拟的优势和极其广泛的应用前景，具有很高的研究价值和应用价值。

早在1890年，由著名电气工程师尼古拉.特斯拉提出无线传能技术，因此称之为无线电能传输之父。特斯拉构想的无线电能传输方法是把地球作为一个内导体，把地球电离层作为一个外导体，然后通过放大发射机以径向电磁波振荡模式，在地球和电离层之间建立起大约8hz的低频共振，利用环绕地球表面的电磁波来传输能量。最终因为财力不足，特斯拉的构想没能实现。之后，古博、施瓦固等人从理论上推算了出了只有空间波束导波可达到近100％的传输效率，并在发射波束导波系统上得到验证。20世纪20年代中期，日本的物理学家h.yagi和s.uda发明了能用于无线电能传输的定向天线，又被称之为八木-宇田天线。20世纪60年代初期雷声公司的布朗通过大量的无线电能传输研究工作，奠定了无线电能传输的实验基础，使得这一概念变成了现实。2007年，美国麻省物理学家的马林.索尔贝希克等人通过努力在无线电能传输方面取得了新进展，他们是用两米外的一个电源，将一盏60瓦的灯泡“隔空”点亮了。2008年12月17日成立了无线充电联盟，2010年8月31日，无线充电联盟在首都北京正式将qi无线充电技术引入中国。近年，有几家公司已经生产出无线充电的手机、平板、电动摩托、电动汽车等。

无线供电技术(wpt-wirelesspowertechnology)是近几年发展起来的一种供电技术，它和传统供电方式有很大的区别，这种供电技术可以透过所有非金属物质来传递电力。在无线能量传输方式中，磁耦合谐振式无线供电技术这一种新型的供电方式既可以使无线供电的距离提升至米级的范畴，突破了无线能量传输距离这个问题，而且还能分离开用电设备和供电设备之间的物理连接，所以在提高用电设备的美观及实用性的同时，还能改善用电设备的安全性。规范化的无线充电器能为各种便携式电子产品(如手机、计算机、平板电脑等)同时充电,这样不但能节约资源、降低产品的成本，而且有利于环保。但是传统的无线传能技术没能得到高精度的传输效率。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种提升无线充电传输距离和传输效率的方法，能够提高传输距离和传输效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种提升无线充电传输距离和传输效率的方法，包括以下步骤：

(1)利用电磁感应充电原理，得到电磁耦合谐振无线供电方式的等效电路模型；

(2)根据得到的等效电路模型计算线圈的传输效率；

(3)对耦合磁场进行有限元分析，根据不同的激励信号和线圈参数对单线圈发射磁场强度的影响，得出增强磁场强度的线圈参数；

(4)结合传输效率选择能够增强磁场强度的线圈参数的线圈作为无线充电系统的发射线圈和接收线圈。

所述步骤(2)中根据基尔霍夫定律计算线圈的传输效率。

所述步骤(3)中得出增强磁场强度的线圈参数包括激励电压幅度、线圈半径和匝数。

所述步骤(4)中选择圆柱螺旋型线圈作为无线充电系统的发射线圈和接收线圈。

所述圆柱螺旋型线圈采用pcb线圈。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明可以最大限度的降低功率损耗，无线充电系统受系统内部功率损耗的影响，功率损耗会导致能量的流失，并且产生热量限制的转化传输效率，因此尽可能大的降低功率损耗可以提高能量的传输效率。本发明采用的圆柱螺旋型线圈，相比其他结构的线圈，圆柱螺旋型线圈能得到更大的互感，互感越强耦合系数越大，对无线供电系统的传输就越会有利。本发明在qi标准中通过串联谐振电容对谐振漏电感进行补偿，可以有效解决低耦合度问题。

附图说明

图1是本发明中等效电路模型图；

图2是本发明中选用的线圈示意图；

图3是线圈边缘损耗图；

图4是线圈平视损耗图；

图5是线圈俯视损耗图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种提升无线充电传输距离和传输效率的方法，该方法基于电磁耦合谐振无线供电系统，系统分为发射侧和接受侧两部分，向微小型无线充电设备充电器(发射器)输入直流电，通过有源晶振逆变转换为高频交流电供于发射线圈，发射线圈周围产生的高频磁场，嵌入微小型无线充电设备中的接收线圈(接受侧)感应到此变化的磁场，即会产生感应电动势，通过整流滤波使它成为直流电，供给微小型无线充电设备电池，即完成充电过。为了解决传统无线充电的传输距离短和传输效率不高等问题，本发明包括以下步骤：

(1)利用电磁感应充电原理，得到电磁耦合谐振无线供电方式的等效电路模型。，得到的等效电路模型如图1所示。

(2)根据得到的等效电路模型，利用基尔霍夫定律计算线圈的传输效率。

具体为，利用基尔霍夫定律可以写出回路方程：

其中，ip为发射侧的电流、rp为发射侧的电阻、lp为发射侧的电感、cp为发射侧的电容、m为线圈的互感系数、up为发射侧的电压、rs为接收侧的电阻、is为接收侧的电流、rl为负载电阻、ls为接收侧的电感、cs为接收侧的电容。

由得is、ip：

定义接收侧回路反映到发射侧中的等效电阻代入式(3)、(4)得:

线圈传输效率为接收侧负载上得到的功率和发射侧输入功率之比，即

计算得：

可以得到，传输效率与m，ω，rs，rp，rl有关，其中互感系数m又与线圈轴向间距l，线圈径向位错s，接收线圈直径dr，发射线圈直径dτ，线圈匝数n密切相关。

(3)对耦合磁场进行有限元分析，根据不同的激励信号和线圈参数对单线圈发射磁场强度的影响，得出增大激励电压幅度、线圈半径、匝数可以增强磁场强度的结论。

(4)结合传输效率选择能够增强磁场强度的线圈参数的线圈作为无线充电系统的发射线圈和接收线圈。通过步骤(1)-步骤(3)可知，线圈是无线供电系统中电磁场发射的重要组成部分，它的参数能对电能无线传输性能具有重要的影响，通过实验分析，本发明选用圆柱螺旋型线圈作为发射线圈和/或接收线圈，圆柱螺旋型线圈的结构如图2所示。由于系统耦合系数k和品质因数q之积决定了功率损耗优值系(fom)。系统耦合系数和品质因数对系统其看等效的制约作用，较低的品质因素通过较大的耦合实现线性补偿。较小的耦合度通过较大的品质因数实现线性补偿。品质因数q仅仅与线圈的形状和大小以及使用的材料有关。本发明采用pcb线圈来提供特定的品质因数，从而保证较小的耦合度。值得一提的是，还可以通过串联谐振电容对谐振漏电感进行补偿的方式来有效解决低耦合度问题。

为了验证本发明，可运用maxwell软件进行无线充电电路仿真，对无线充电电路建模并计算出集肤效应深度和欧姆损耗，图3-图5分别表示线圈边缘损耗、平视损耗和俯视损耗。