本發(fā)明涉及無線傳能技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種提升無線充電傳輸距離和傳輸效率的方法。

背景技術(shù)：

無線能量傳輸就是將能量通過無線的方式傳輸。近些年來該項(xiàng)技術(shù)越來越受到人們的廣泛關(guān)注，也被媒體稱為“八種改變未來世界的革命性技術(shù)”。它的誕生不僅給人們的生產(chǎn)生活帶來日新月異的變化，更是人類科技進(jìn)步的重要里程碑。磁耦合諧振技術(shù)有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)和極其廣泛的應(yīng)用前景，具有很高的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

早在1890年，由著名電氣工程師尼古拉.特斯拉提出無線傳能技術(shù)，因此稱之為無線電能傳輸之父。特斯拉構(gòu)想的無線電能傳輸方法是把地球作為一個(gè)內(nèi)導(dǎo)體，把地球電離層作為一個(gè)外導(dǎo)體，然后通過放大發(fā)射機(jī)以徑向電磁波振蕩模式，在地球和電離層之間建立起大約8hz的低頻共振，利用環(huán)繞地球表面的電磁波來傳輸能量。最終因?yàn)樨?cái)力不足，特斯拉的構(gòu)想沒能實(shí)現(xiàn)。之后，古博、施瓦固等人從理論上推算了出了只有空間波束導(dǎo)波可達(dá)到近100％的傳輸效率，并在發(fā)射波束導(dǎo)波系統(tǒng)上得到驗(yàn)證。20世紀(jì)20年代中期，日本的物理學(xué)家h.yagi和s.uda發(fā)明了能用于無線電能傳輸?shù)亩ㄏ蛱炀€，又被稱之為八木-宇田天線。20世紀(jì)60年代初期雷聲公司的布朗通過大量的無線電能傳輸研究工作，奠定了無線電能傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，使得這一概念變成了現(xiàn)實(shí)。2007年，美國(guó)麻省物理學(xué)家的馬林.索爾貝?？说热送ㄟ^努力在無線電能傳輸方面取得了新進(jìn)展，他們是用兩米外的一個(gè)電源，將一盞60瓦的燈泡“隔空”點(diǎn)亮了。2008年12月17日成立了無線充電聯(lián)盟，2010年8月31日，無線充電聯(lián)盟在首都北京正式將qi無線充電技術(shù)引入中國(guó)。近年，有幾家公司已經(jīng)生產(chǎn)出無線充電的手機(jī)、平板、電動(dòng)摩托、電動(dòng)汽車等。

無線供電技術(shù)(wpt-wirelesspowertechnology)是近幾年發(fā)展起來的一種供電技術(shù)，它和傳統(tǒng)供電方式有很大的區(qū)別，這種供電技術(shù)可以透過所有非金屬物質(zhì)來傳遞電力。在無線能量傳輸方式中，磁耦合諧振式無線供電技術(shù)這一種新型的供電方式既可以使無線供電的距離提升至米級(jí)的范疇，突破了無線能量傳輸距離這個(gè)問題，而且還能分離開用電設(shè)備和供電設(shè)備之間的物理連接，所以在提高用電設(shè)備的美觀及實(shí)用性的同時(shí)，還能改善用電設(shè)備的安全性。規(guī)范化的無線充電器能為各種便攜式電子產(chǎn)品(如手機(jī)、計(jì)算機(jī)、平板電腦等)同時(shí)充電,這樣不但能節(jié)約資源、降低產(chǎn)品的成本，而且有利于環(huán)保。但是傳統(tǒng)的無線傳能技術(shù)沒能得到高精度的傳輸效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種提升無線充電傳輸距離和傳輸效率的方法，能夠提高傳輸距離和傳輸效率。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：提供一種提升無線充電傳輸距離和傳輸效率的方法，包括以下步驟：

(1)利用電磁感應(yīng)充電原理，得到電磁耦合諧振無線供電方式的等效電路模型；

(2)根據(jù)得到的等效電路模型計(jì)算線圈的傳輸效率；

(3)對(duì)耦合磁場(chǎng)進(jìn)行有限元分析，根據(jù)不同的激勵(lì)信號(hào)和線圈參數(shù)對(duì)單線圈發(fā)射磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響，得出增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的線圈參數(shù)；

(4)結(jié)合傳輸效率選擇能夠增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的線圈參數(shù)的線圈作為無線充電系統(tǒng)的發(fā)射線圈和接收線圈。

所述步驟(2)中根據(jù)基爾霍夫定律計(jì)算線圈的傳輸效率。

所述步驟(3)中得出增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的線圈參數(shù)包括激勵(lì)電壓幅度、線圈半徑和匝數(shù)。

所述步驟(4)中選擇圓柱螺旋型線圈作為無線充電系統(tǒng)的發(fā)射線圈和接收線圈。

所述圓柱螺旋型線圈采用pcb線圈。

有益效果

由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果：本發(fā)明可以最大限度的降低功率損耗，無線充電系統(tǒng)受系統(tǒng)內(nèi)部功率損耗的影響，功率損耗會(huì)導(dǎo)致能量的流失，并且產(chǎn)生熱量限制的轉(zhuǎn)化傳輸效率，因此盡可能大的降低功率損耗可以提高能量的傳輸效率。本發(fā)明采用的圓柱螺旋型線圈，相比其他結(jié)構(gòu)的線圈，圓柱螺旋型線圈能得到更大的互感，互感越強(qiáng)耦合系數(shù)越大，對(duì)無線供電系統(tǒng)的傳輸就越會(huì)有利。本發(fā)明在qi標(biāo)準(zhǔn)中通過串聯(lián)諧振電容對(duì)諧振漏電感進(jìn)行補(bǔ)償，可以有效解決低耦合度問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中等效電路模型圖；

圖2是本發(fā)明中選用的線圈示意圖；

圖3是線圈邊緣損耗圖；

圖4是線圈平視損耗圖；

圖5是線圈俯視損耗圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

本發(fā)明的實(shí)施方式涉及一種提升無線充電傳輸距離和傳輸效率的方法，該方法基于電磁耦合諧振無線供電系統(tǒng)，系統(tǒng)分為發(fā)射側(cè)和接受側(cè)兩部分，向微小型無線充電設(shè)備充電器(發(fā)射器)輸入直流電，通過有源晶振逆變轉(zhuǎn)換為高頻交流電供于發(fā)射線圈，發(fā)射線圈周圍產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)，嵌入微小型無線充電設(shè)備中的接收線圈(接受側(cè))感應(yīng)到此變化的磁場(chǎng)，即會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過整流濾波使它成為直流電，供給微小型無線充電設(shè)備電池，即完成充電過。為了解決傳統(tǒng)無線充電的傳輸距離短和傳輸效率不高等問題，本發(fā)明包括以下步驟：

(1)利用電磁感應(yīng)充電原理，得到電磁耦合諧振無線供電方式的等效電路模型。，得到的等效電路模型如圖1所示。

(2)根據(jù)得到的等效電路模型，利用基爾霍夫定律計(jì)算線圈的傳輸效率。

具體為，利用基爾霍夫定律可以寫出回路方程：

其中，ip為發(fā)射側(cè)的電流、rp為發(fā)射側(cè)的電阻、lp為發(fā)射側(cè)的電感、cp為發(fā)射側(cè)的電容、m為線圈的互感系數(shù)、up為發(fā)射側(cè)的電壓、rs為接收側(cè)的電阻、is為接收側(cè)的電流、rl為負(fù)載電阻、ls為接收側(cè)的電感、cs為接收側(cè)的電容。

由得is、ip：

定義接收側(cè)回路反映到發(fā)射側(cè)中的等效電阻代入式(3)、(4)得:

線圈傳輸效率為接收側(cè)負(fù)載上得到的功率和發(fā)射側(cè)輸入功率之比，即

計(jì)算得：

可以得到，傳輸效率與m，ω，rs，rp，rl有關(guān)，其中互感系數(shù)m又與線圈軸向間距l(xiāng)，線圈徑向位錯(cuò)s，接收線圈直徑dr，發(fā)射線圈直徑dτ，線圈匝數(shù)n密切相關(guān)。

(3)對(duì)耦合磁場(chǎng)進(jìn)行有限元分析，根據(jù)不同的激勵(lì)信號(hào)和線圈參數(shù)對(duì)單線圈發(fā)射磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響，得出增大激勵(lì)電壓幅度、線圈半徑、匝數(shù)可以增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的結(jié)論。

(4)結(jié)合傳輸效率選擇能夠增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的線圈參數(shù)的線圈作為無線充電系統(tǒng)的發(fā)射線圈和接收線圈。通過步驟(1)-步驟(3)可知，線圈是無線供電系統(tǒng)中電磁場(chǎng)發(fā)射的重要組成部分，它的參數(shù)能對(duì)電能無線傳輸性能具有重要的影響，通過實(shí)驗(yàn)分析，本發(fā)明選用圓柱螺旋型線圈作為發(fā)射線圈和/或接收線圈，圓柱螺旋型線圈的結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于系統(tǒng)耦合系數(shù)k和品質(zhì)因數(shù)q之積決定了功率損耗優(yōu)值系(fom)。系統(tǒng)耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)對(duì)系統(tǒng)其看等效的制約作用，較低的品質(zhì)因素通過較大的耦合實(shí)現(xiàn)線性補(bǔ)償。較小的耦合度通過較大的品質(zhì)因數(shù)實(shí)現(xiàn)線性補(bǔ)償。品質(zhì)因數(shù)q僅僅與線圈的形狀和大小以及使用的材料有關(guān)。本發(fā)明采用pcb線圈來提供特定的品質(zhì)因數(shù)，從而保證較小的耦合度。值得一提的是，還可以通過串聯(lián)諧振電容對(duì)諧振漏電感進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞絹碛行Ы鉀Q低耦合度問題。

為了驗(yàn)證本發(fā)明，可運(yùn)用maxwell軟件進(jìn)行無線充電電路仿真，對(duì)無線充電電路建模并計(jì)算出集膚效應(yīng)深度和歐姆損耗，圖3-圖5分別表示線圈邊緣損耗、平視損耗和俯視損耗。