[发明专利]高效正向并联无线供电系统设计方法

说明书

本发明公开了高效正向并联无线供电系统设计方法，涉及一种应用于无线电能传输的双正向并联谐振线圈和单正向谐振线圈之间自由切换的制造方法。主要解决了无线电能传输系统近距离能量传输时，由于频率分裂的影响而导致系统传输效率低下的问题，并且能够保持系统在远距离能量传输时的传输效率。设计了一种双层绕制的发射线圈，即在原有单层单向绕制发射线圈的内部空间以相同方向绕制具有一定匝数内部线圈，使外部线圈和内部线圈“头头相连，尾尾相连”组成双正向并联结构。内部线圈和外部线圈之间由一个开关相连接，使得双正向并联谐振线圈和单正向谐振线圈之间自由切换。近距离能量传输时，闭合开关，双正向并联线圈作为发射线圈，抑制频率分裂；远距离能量传输时，断开开关，单正向线圈作为发射线圈，保障传输效率。

技术领域

本发明涉及高效正向并联无线供电系统设计方法。

背景技术

近年来，磁耦合谐振式无线电能传输(wireless power transfer via magneticresonant coupling,WPT/MRC)技术一直处于蓬勃发展之中，但是，此项技术却未能真正地普及到智能设备当中，其中的一大原因就是磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输效率随传输距离改变变化十分剧烈。

研究发现当无线电能传输系统处于非常近的距离时，系统的传输效率在谐振频率两侧取得最大值，即出现了频率分裂现象；随着距离的增加，频率分裂现象逐渐消失，当达到某一距离处时，系统的传输效率在谐振频率处取得最大值；随着传输距离的进一步增大，系统的传输效率会急剧下降，但系统的传输效率仍在谐振频率处达到最大，即是频率分裂只出现在近距离传输时。

综上所述，系统只在收发线圈间距离处于某一固定值时，传输效率达到最大。传输距离小于这一个值时，系统会发生频率分裂，使得系统在谐振频率处的传输效率下降，只是在谐振频率两侧取得最大值。

目前，为了抑制频率分裂，可以采用阻抗匹配、频率跟踪、改变线圈结构等方法。阻抗匹配技术是通过在发射端引入线圈进行磁感应耦合馈电，通过机械地改变该耦合线圈与谐振线圈间的相对位置来调节系统阻抗匹配。该技术操作复杂，不变应用。频率跟踪技术是在WPT/MRC系统中附加高频电流检测器、差分放大器、相位补偿器、锁相线圈等一系列复杂的电路来实现对发射回路谐振频率的跟踪控制，进而抑制频率分裂。但是，这些附加的电路会使系统变得复杂，也会消耗额外的能量。此外，还可以通过改变线圈的结构的方式抑制频率分裂。比如在谐振线圈上引入反向线圈，抵消过强的耦合，可以很好的抑制频率分裂，但是该技术在较远距离处的耦合强度也被减小，降低了系统在远距离传输时的效率。因此需要一种比较好的方法来抑制频率分裂，同时保障系统远距离传输的效率。

发明内容

本发明是为了实现在系统中不附加额外复杂电路、消耗多余能量的同时，能够有效抑制WPT/MRC中出现的频率分裂，并且能够保证系统在远距离时的传输效率，从而提供一种高效正向并联无线供电系统设计方法。

高效正向并联无线供电系统设计方法，它由以下步骤实现；

步骤一、WPT/MRC系统发射端为双正向并联线圈，即双正向并联线圈作为发射线圈；接收端为单向线圈，即单向线圈作为接收线圈；双正向并联线圈由两个绕线方向相同，半径不同的线圈“头头相连，尾尾相连”并联组成；半径小的线圈嵌在半径大的线圈内部；接收线圈为单向线圈，绕线方向和两个正向并联线圈一致；所有线圈均为圆形螺旋线圈；将发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈同轴放置，并设定接收端单向线圈的半径为r_R，匝数为n_R，设定发射端组成双正向并联线圈的两个线圈半径分别为r_T¹和r_T²，其中r_T¹＞r_T²；

步骤二、线圈自感公式为：