一種添加雙端阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，尤其涉及一種添加雙端阻抗變換網(wǎng)絡(luò) 的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 信號或者電能在傳輸過程中，為了實現(xiàn)信號的無反射傳輸或最大功率傳輸，要求 電路可以實現(xiàn)阻抗匹配。阻抗匹配關(guān)乎著系統(tǒng)的性能，電路實現(xiàn)阻抗匹配可使系統(tǒng)的性能 達(dá)到最優(yōu)。
[0003] 通常實現(xiàn)阻抗匹配的目的有兩個：一是消除信號源（或電源）與負(fù)載之間的反射 波，保證傳輸信號的傳輸質(zhì)量，這種阻抗匹配稱為無反射匹配；二是使電源（或信號源）輸 出最大功率，這種阻抗匹配稱為最大輸出功率匹配。本專利主要針對第二種情況來設(shè)計的 一種適當(dāng)?shù)淖杩棺儞Q網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)高頻功率源的最大功率輸出。
[0004] 其次，諧振式無線電能傳輸技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸效率相對較高、非輻射性等 特點(diǎn)，特別適合于中等距離的無線電能傳輸。其主要組成部分是傳輸線圈和負(fù)載，傳輸線圈 一般靠自諧振或者外接電容達(dá)到諧振狀態(tài)，從而實現(xiàn)電能的有效傳輸。但在實際應(yīng)用中，傳 輸線圈并不是理想線圈，要考慮其內(nèi)阻，負(fù)載電阻也不是越大越好，它存在一個最佳值使得 系統(tǒng)傳輸效率最大。當(dāng)負(fù)載電阻不是最佳值時，可以通過添加適當(dāng)?shù)淖杩棺儞Q網(wǎng)絡(luò)來使其 等效為最佳值，使系統(tǒng)傳輸效率最高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服目前諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)中電源輸出功率不高，系統(tǒng) 傳輸效率低下的問題，提供一種添加雙端阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明的目的至少通過如下技術(shù)方案之一實現(xiàn)。
[0007] -種添加雙端阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，包括高頻功率源模塊、 傳輸線圈模塊、原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)、副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)及負(fù)載；其中高頻功率源模塊由理想 電壓源與內(nèi)阻串聯(lián)組成，為系統(tǒng)提供電能；傳輸線圈模塊包括發(fā)射線圈和接收線圈，其中發(fā) 射線圈等效為由發(fā)射線圈內(nèi)阻、發(fā)射線圈電感和發(fā)射線圈諧振電容形成的RLC串聯(lián)諧振模 式，接收線圈等效為由接收線圈內(nèi)阻、接收線圈電感和接收線圈諧振電容形成的RLC串聯(lián) 諧振模式；原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的輸入端與高頻功率源的輸出端相連，輸出端與傳輸線圈模 塊中的發(fā)射線圈TX相連；副邊阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入端與傳輸線圈模塊中的接收線圈相連， 輸出端與負(fù)載相連。
[0008] 進(jìn)一步地，根據(jù)戴維南定理和諾頓定理，高頻功率源模塊可以等效為一理想電壓 源％和等效電源內(nèi)阻1的串聯(lián)，也能等效為一理想電流源1 3與等效電源內(nèi)阻1^的并聯(lián)形 式，兩者滿足Us= Rs ? Is的關(guān)系，當(dāng)高頻功率源外部的等效電阻為Req，且Req= 1時，高頻 功率源模塊輸出最大功率Pmax，滿足
【主權(quán)項】
1. 一種添加雙端阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于包括高頻功率 源模塊（I)、傳輸線圈模塊（II)、原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)（NI)、副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)（N2)及負(fù)載 〇υ ;其中高頻功率源模塊⑴由理想電壓源（Us)與內(nèi)阻（Rs)串聯(lián)組成，為系統(tǒng)提供電能； 傳輸線圈模塊（Π )包括發(fā)射線圈（TX)和接收線圈（RX)，其中發(fā)射線圈（TX)等效為由發(fā)射 線圈內(nèi)阻（Ru)、發(fā)射線圈電感（LI)和發(fā)射線圈諧振電容（Cl)形成的RLC串聯(lián)諧振模式， 接收線圈（RX)等效為由接收線圈內(nèi)阻（t)、接收線圈電感（L2)和接收線圈諧振電容（C2) 形成的RLC串聯(lián)諧振模式；原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)（NI)的輸入端與高頻功率源的輸出端相連， 輸出端與傳輸線圈模塊（Π )中的發(fā)射線圈TX相連；副邊阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)（N2)的輸入端與傳 輸線圈模塊（II)中的接收線圈（RX)相連，輸出端與負(fù)載（?)相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種添加雙端阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，其 特征在于，高頻功率源模塊（I)等效為一理想電壓源U s和等效電源內(nèi)阻Rs的串聯(lián)或等效 為一理想電流源Is與等效電源內(nèi)阻R s的并聯(lián)形式，兩者滿足U s= R s · Is的關(guān)系，當(dāng)高頻 功率源外部的等效電阻為Re(1，且Rrai= R 5時，高頻功率源模塊（I)輸出最大功率Pmax，滿足
;高頻功率源的頻率f為〇. 5-50MHZ，且電壓源或者電流源的波形為正弦波。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種添加雙端阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，其 特征在于發(fā)射線圈內(nèi)阻1^和接收線圈內(nèi)阻Ru均包括歐姆內(nèi)阻和輻射內(nèi)阻；發(fā)射線圈（TX) 和接收線圈（RX)滿足關(guān)系
，ω為系統(tǒng)角頻率，滿足ω = 2π?·，Ι^ 為發(fā)射線圈電感，C1為發(fā)射線圈諧振電容，L2為接收線圈電感，C2為接收線圈諧振電容，即 發(fā)射線圈（TX)和接收線圈（RX)在系統(tǒng)頻率下發(fā)生串聯(lián)諧振，另外發(fā)射線圈（TX)和接收線 圈（RX)之間的互感大小為Μ。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種添加雙端阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，其 特征在于傳輸線圈模塊（II)中的發(fā)射線圈（TX)和接收線圈（RX)之間的距離在電磁波半 個波長以內(nèi)；發(fā)射線圈（TX)和接收線圈（RX)的間距不小于頻率分叉范圍。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種添加雙端阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，其 特征在于，負(fù)載為純阻性質(zhì)、阻感性質(zhì)或者阻容性質(zhì)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種添加雙端阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，其 特征在于，原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)（NI)和副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)（Ν2)中均由儲能元件組成，不消耗 電能，儲能元件包括電容和電感，原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)（NI)和副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)（N2)的電路 形式為L型、T型或Π 型。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種添加雙端阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，其 特征在于，高頻功率源模塊的外部的傳輸效率η取得最大值時存在一個最優(yōu)負(fù)載Ru ptimal, 滿足
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種添加雙端阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，其 特征在于，如果負(fù)載&不等于最優(yōu)負(fù)載Ru ptimal，則在接收線圈Ο?)和負(fù)載&之間添加副 邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)（N2)，使得從接收線圈輸出端（44')向負(fù)載看進(jìn)去的等效電阻值為Rk Oftimal;由于副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)N2不消耗電能，則等效電阻Ruptima^耗的電能就等于負(fù)載 &消耗的電能，即此時系統(tǒng)實現(xiàn)最高效率傳輸。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種添加雙端阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)， 其特征在于，高頻功率源模塊外部的等效電阻R^1滿足
，若 Rs，則在高頻功率源模塊⑴輸出端（1P )和發(fā)射線圈（TX)的輸入端（33')之間 添加原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)（NI)，使得從高頻功率源模塊（I)輸出端（11')向發(fā)射線圈看進(jìn) 去的等效電阻V μ滿足W= Rs，則此時高頻功率源模塊（I)的輸出功率最大；由于 原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)（NI)由儲能元件電容和電感構(gòu)成，并不消耗電能，因此高頻功率源模塊 (I)輸出的電能等于發(fā)射線圈（TX)的輸入端（33')消耗的電能，根據(jù)公式Ρ 22; =Ρ11; · η， P#為負(fù)載消耗的功率，Pm為高頻功率源模塊輸出的功率，此時負(fù)載電阻&獲得的功率最 大。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種添加雙端阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)包括高頻功率源模塊、原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)、副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)、傳輸線圈模塊、負(fù)載。其中高頻功率源模塊由理想電源及內(nèi)阻構(gòu)成，為整個系統(tǒng)提供電能。傳輸線圈模塊由發(fā)射線圈和接收線圈組成，實現(xiàn)電能的無線傳輸。原邊阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)分別與高頻功率源模塊和發(fā)射線圈相連，可以實現(xiàn)高頻功率源的最大功率輸出；副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)分別與接收線圈和負(fù)載相連，可以實現(xiàn)高頻功率源外部傳輸效率最高。本發(fā)明通過在諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的原邊和副邊分別添加適當(dāng)?shù)淖杩棺儞Q網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)高頻功率源輸出最大功率，同時系統(tǒng)獲得最高傳輸效率，從而保證負(fù)載獲得的功率最大。
【IPC分類】H02J17-00
【公開號】CN104682575
【申請?zhí)枴緾N201510092337
【發(fā)明人】王學(xué)梅, 王振亞, 張波
【申請人】華南理工大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年3月1日