基于單圈圓形pcb線圈的wpt最優(yōu)電容選擇裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于單圈圓形PCB線圈的WPT最優(yōu)電容選擇裝置，包括諧振式無(wú)線電能傳輸電路和諧振式無(wú)線電能接收電路；諧振式無(wú)線電能傳輸電路包括驅(qū)動(dòng)電源VS,驅(qū)動(dòng)電源損耗RS,發(fā)送線圈外加電容C1，發(fā)送線圈寄生電容C3，發(fā)送線圈損耗電阻R1及第一自感L1；諧振式無(wú)線電能接收電路包括負(fù)載RL,接收線圈外加電容C2，接收線圈寄生電容C4,接收線圈損耗電阻R2及第二自感L2；本實(shí)用新型能夠快速得到最優(yōu)效率對(duì)應(yīng)的頻率和對(duì)應(yīng)的電容值，從而完成設(shè)計(jì)。
【專利說(shuō)明】
基于單圈圓形PCB線圈的WPT最優(yōu)電容選擇裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型屬于無(wú)線電能傳輸領(lǐng)域，具體涉及一種基于單圈圓形PCB線圈的WPT最 優(yōu)電容選擇裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在許多場(chǎng)合，電子器件的供電采用有線供電或電池供電不方便甚至不可能。如在 智能樓宇中的無(wú)線傳感器大量植入材料、墻體中，當(dāng)電池耗盡，無(wú)法更換電電池;在野外農(nóng) 業(yè)中用于檢測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)的無(wú)線傳感器，更換電池要花費(fèi)大量人力物力;在植入式醫(yī)療中 植入體內(nèi)的醫(yī)療器件，更換電池可能給人體帶來(lái)痛苦和風(fēng)險(xiǎn)等。無(wú)線供電是解決此問(wèn)題的 途徑之一。
[0003] 諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，將電能發(fā)送端和接收端的線圈串聯(lián)或并聯(lián)上電容使其 各自形成諧振，且諧振頻率設(shè)置成相同。圖1是一個(gè)典型的例子，在發(fā)送端和接收端都采用 串聯(lián)諧振形式的二線圈諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，包括:發(fā)送端的驅(qū)動(dòng)電路，發(fā)送線圈U， 與發(fā)送線圈形成諧振所需的串聯(lián)電容&，接收線圈L 2,與接收線圈形成諧振所需的串聯(lián)電容 C2,以及整流電路和負(fù)載等。其基本工作原理是:驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生一定功率的交流電，其頻率 與發(fā)送端、接收端的諧振頻率相同，此交流電經(jīng)發(fā)送線圈與接收線圈之間的電磁耦合傳遞 到接收端，并經(jīng)整流電路轉(zhuǎn)成直流電，給負(fù)載供電或儲(chǔ)能。相比于非諧振式無(wú)線電能傳輸系 統(tǒng)，諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)在中等距離下具有更大的傳輸效率。
[0004] 在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)中，發(fā)送和接收線圈間的距離、線圈的尺寸通常由具體的應(yīng)用場(chǎng)景 決定，為達(dá)到最大的傳輸效率，如何對(duì)線圈的形狀、尺寸、諧振電容大小、以及由此決定的工 作頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本實(shí)用新型針對(duì)針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于單圈圓形PCB線圈的WPT最 優(yōu)電容選擇裝置。
[0006] 本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是：諧振式無(wú)線電能傳輸過(guò)程中，在去除驅(qū)動(dòng)電路 自生、整流電路自生的能量損耗后，電能傳輸效率由線圈間的耦合系數(shù)、線圈上的損耗決 定。通常，電容的品質(zhì)因數(shù)很高，其損耗可以忽略。
[0007] 基于單圈圓形PCB線圈的WPT最優(yōu)電容選擇裝置，包括諧振式無(wú)線電能傳輸電路和 諧振式無(wú)線電能接收電路；
[0008] 諧振式無(wú)線電能傳輸電路包括驅(qū)動(dòng)電源Vs，驅(qū)動(dòng)電源損耗RS，發(fā)送線圈外加電容 &，發(fā)送線圈寄生電容C 3,發(fā)送線圈損耗電阻辦及第一自感L1;
[0009] 驅(qū)動(dòng)電源Vs的一端與驅(qū)動(dòng)電源損耗RS的一端連接，驅(qū)動(dòng)電源損耗RS的另一端與發(fā) 送線圈外加電容心的一端連接，發(fā)送線圈外加電容G的另一端與發(fā)送線圈損耗電阻心的一 端、發(fā)送線圈寄生電容C 3的一端連接，發(fā)送線圈損耗電阻Ri的另一端與第一自感。的一端連 接，第一自感。的另一端與發(fā)送線圈寄生電容C 3的另一端、驅(qū)動(dòng)電源Vs的另一端連接；
[0010] 諧振式無(wú)線電能接收電路包括負(fù)載Rl，接收線圈外加電容C2,接收線圈寄生電容 C4，接收線圈損耗電阻R2及第二自感L2;
[0011] 接收線圈損耗電阻R2的一端與接收線圈外加電容C2的一端、接收線圈寄生電容C4 的一端連接，接收線圈損耗電阻r 2的另一端與第二自感L2的一端連接，第二自感1^的另一端 與接收線圈寄生電容C4的一端、負(fù)載Rl的一端連接，接收線圈外加電容&的另一端與負(fù)載Rl 的另一端連接。
[0012] 所述的發(fā)送線圈和接收線圈為單圈圓形PCB線圈，其截面為矩形。
[0013] 所述的選擇最優(yōu)電容值的方法包括以下步驟：
[0014] 1)發(fā)送線圈寄生電容C3和接收線圈寄生電容C4通過(guò)仿真線圈在發(fā)送線圈外加電容 Ci和接收線圈外加電容C2時(shí)形成的串聯(lián)諧振頻率ω :和自諧振頻率ω 2得到。串聯(lián)諧振頻率 ω i和自諧振頻率ω 2的表達(dá)式分別為：
[0017] 因此，求得寄生電容C3為：
[0019]同理，求得接收線圈的寄生電容C4為：
[0021] 2)發(fā)送線圈及接收線圈的損耗電阻為：
[0026]其中1是線圈長(zhǎng)度，w是線圈橫截面寬度，t是線圈橫截面高度，〇是電導(dǎo)率，μ是磁導(dǎo) 率，Κ( + )表示開(kāi)爾文函數(shù)。
[0027] 3)發(fā)送線圈的自感為：
[0029]接收線圈的自感為：
[0032]其中a為發(fā)射線圈半徑，b為接收線圈半徑，w、t分別是線圈橫截面寬度和高度。 [0033] 4)發(fā)送線圈與接收線圈間互感為：
[0035] 其中
，a、b為發(fā)射線圈和接收線圈半徑，z為兩線圈間間距。
[0036] 5)諧振無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路計(jì)算系統(tǒng)電能傳輸效率為：
[0038]其中，ω =2Jif為工作角頻率，Z2為接收線圈阻抗，j表示虛部，其值為
[0040]由于系統(tǒng)工作在諧振條件下，此時(shí)諧振頻率為
[0042]而寄生電容是固定的，可見(jiàn)，效率與外加電容相關(guān)，由于損耗電阻心、1?2隨頻率增大 而增大，因此效率并不是外加電容的單調(diào)函數(shù)，因而在諧振式工作條件下，存在最優(yōu)的諧振 電容值。將上述電阻、電感、互感表達(dá)式及寄生電容值代入效率表達(dá)式中，可得效率的解析 解表達(dá)式。將其用Matlab等數(shù)學(xué)工具軟件，能夠快速找到最優(yōu)外加電容值，因而能夠得到最 優(yōu)的工作頻率。
[0043]本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0044] 針對(duì)發(fā)送和接收線圈為PCB印制電路板實(shí)現(xiàn)的一圈圓形線圈的無(wú)線電能傳輸系 統(tǒng)，基于線圈間互感、線圈自感、線圈電阻的解析模型，給出了效率的顯示表達(dá)式。基于此效 率的顯示表達(dá)式，能夠快速得到最優(yōu)效率對(duì)應(yīng)的頻率和對(duì)應(yīng)的電容值，從而完成設(shè)計(jì)。
【附圖說(shuō)明】

[0045] 圖1為諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)采用串聯(lián)電容形成諧振時(shí)的結(jié)構(gòu)原理圖。包括:發(fā) 送端的驅(qū)動(dòng)電路，發(fā)送線圈U，與發(fā)送線圈形成諧振所需的串聯(lián)電容&，接收線圈L 2,與接收 線圈形成諧振所需的串聯(lián)電容C2，寄生電容C3、C4以及整流電路和負(fù)載。
[0046] 圖2為圖1的等效電路。圖中Vs為等效交流電壓源，Rs為交流電壓源的輸出電阻，心 為發(fā)送線圈的損耗電阻，R2為接收線圈的損耗電阻，Rl為等效負(fù)載，U為發(fā)送線圈自感，&為 發(fā)送端串聯(lián)諧振電容，L2為接收線圈自感，C2為接收端串聯(lián)諧振電容，C3、C4為寄生電容。
[0047] 圖3為實(shí)施例1中損耗電阻隨頻率變化的計(jì)算值。
[0048] 圖4為實(shí)施例1中外加電容時(shí)Zn參數(shù)的有限元電磁仿真軟件仿真結(jié)果。
[0049]圖5為實(shí)施例1中得到的效率在插入不同諧振電容時(shí)的結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0050] 以下結(jié)合附圖1、附圖2和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0051] 基于單圈圓形PCB線圈的WPT最優(yōu)電容選擇裝置，包括諧振式無(wú)線電能傳輸電路和 諧振式無(wú)線電能接收電路；
[0052]諧振式無(wú)線電能傳輸電路包括驅(qū)動(dòng)電源Vs，驅(qū)動(dòng)電源損耗Rs，發(fā)送線圈外加電容 Ci，發(fā)送線圈寄生電容C3,發(fā)送線圈損耗電阻Ri及第一自感L1;
[0053] 驅(qū)動(dòng)電源Vs的一端與驅(qū)動(dòng)電源損耗Rs的一端連接，驅(qū)動(dòng)電源損耗Rs的另一端與發(fā) 送線圈外加電容心的一端連接，發(fā)送線圈外加電容Q的另一端與發(fā)送線圈損耗電阻心的一 端、發(fā)送線圈寄生電容C3的一端連接，發(fā)送線圈損耗電阻心的另一端與第一自感1^的一端連 接，第一自感1^的另一端與發(fā)送線圈寄生電容C 3的另一端、驅(qū)動(dòng)電源Vs的另一端連接；
[0054]諧振式無(wú)線電能接收電路包括負(fù)載Rl，接收線圈外加電容C2,接收線圈寄生電容 C4，接收線圈損耗電阻R2及第二自感L2;
[0055] 接收線圈損耗電阻R2的一端與接收線圈外加電容C2的一端、接收線圈寄生電容C4 的一端連接，接收線圈損耗電阻r 2的另一端與第二自感L2的一端連接，第二自感1^的另一端 與接收線圈寄生電容C4的一端、負(fù)載Rl的一端連接，接收線圈外加電容&的另一端與負(fù)載Rl 的另一端連接。
[0056] 所述的發(fā)送線圈和接收線圈為單圈圓形PCB線圈，其截面為矩形。
[0057]實(shí)施例1: 一諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)送和接收線圈相同，半徑為10cm，圈數(shù) 為一圈，用PCB印制實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)線的寬度為2mm，厚度為0.018mm。發(fā)送線圈和接收線圈平行放 置，中心軸相同兩線圈間間距10cm。采用本實(shí)用新型所述計(jì)算公式，計(jì)算得到自感為690nH， 互感為49nH，損耗電阻隨頻率變化的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。圖4為外加電容60pF時(shí)，HFSS仿真 得到的Zn參數(shù)，波峰處為自諧振頻率，由此算得寄生電容為0.75pF。將上述解析計(jì)算值，代 入效率表達(dá)式中，能夠快速得到效率隨插入不同電容的變化結(jié)果，從中能夠找到效率最大 時(shí)對(duì)應(yīng)的電容。為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的有效性，將計(jì)算結(jié)果與HFSS仿真結(jié)果進(jìn)行比較(見(jiàn)圖5)， 由計(jì)算和仿真結(jié)果知，在本實(shí)例中仿真得到的最優(yōu)電容值為2pF到4pF之間，計(jì)算得到的最 優(yōu)電容值也在2pF到4pF之間。在實(shí)際應(yīng)用中，在最優(yōu)點(diǎn)的附近使用合適能夠?qū)崿F(xiàn)的電容值 來(lái)達(dá)到最優(yōu)的傳輸效率。
[0058] 可見(jiàn)，本實(shí)用新型所述方法能夠快速找到匹配最佳電容。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于單圈圓形PCB線圈的WPT最優(yōu)電容選擇裝置，其特征在于:包括諧振式無(wú)線電能 傳輸電路和諧振式無(wú)線電能接收電路； 諧振式無(wú)線電能傳輸電路包括驅(qū)動(dòng)電源Vs，驅(qū)動(dòng)電源損耗Rs，發(fā)送線圈外加電容Q，發(fā) 送線圈寄生電容C3，發(fā)送線圈損耗電阻及第一自感U; 驅(qū)動(dòng)電源Vs的一端與驅(qū)動(dòng)電源損耗Rs的一端連接，驅(qū)動(dòng)電源損耗Rs的另一端與發(fā)送線 圈外加電容&的一端連接，發(fā)送線圈外加電容&的另一端與發(fā)送線圈損耗電阻辦的一端、發(fā) 送線圈寄生電容C3的一端連接，發(fā)送線圈損耗電阻的另一端與第一自感U的一端連接，第 一自感1^的另一端與發(fā)送線圈寄生電容C 3的另一端、驅(qū)動(dòng)電源Vs的另一端連接； 諧振式無(wú)線電能接收電路包括負(fù)載Rl，接收線圈外加電容C2,接收線圈寄生電容C4,接 收線圈損耗電阻R2及第二自感L2; 接收線圈損耗電阻R2的一端與接收線圈外加電容C2的一端、接收線圈寄生電容C4的一 端連接，接收線圈損耗電阻R2的另一端與第二自感L2的一端連接，第二自感L2的另一端與接 收線圈寄生電容C 4的一端、負(fù)載Rl的一端連接，接收線圈外加電容&的另一端與負(fù)載Rl的另 一端連接； 所述的發(fā)送線圈和接收線圈為單圈圓形PCB線圈，其截面為矩形。
【文檔編號(hào)】H02J50/12GK205725177SQ201620596814
【公開(kāi)日】2016年11月23日
【申請(qǐng)日】2016年6月17日
【發(fā)明人】楊鵬, 程瑜華, 王高峰
【申請(qǐng)人】杭州電子科技大學(xué)