[發明專利]磁耦合諧振式無線電能傳輸可控電感調諧裝置

無效

• 申請號: 201310066463.3
• 申請日: 2013-03-01
• 公開（公告）號: CN103178623A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發明（設計）人: 辛文輝;華燈鑫;宋躍輝;汪麗;侯逢勃
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: H02J17/00
• 分類號: H02J17/00
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 李娜

技術領域

本發明屬于非接觸式電能傳輸領域，涉及一種磁耦合諧振式無線電能傳輸相控電容調諧裝置。

背景技術

磁耦合諧振式無線電能傳輸是非接觸式電能傳輸三種方法（電磁感應、磁耦合諧振、電磁波）中的一種。此種電能傳輸以交變電磁場為媒介，以發射電磁場電路、接收電磁場電路各自諧振，并且兩種電路諧振頻率相同以達到共振為條件，實現“米”級的、較高效率的電能傳輸。

圖1、圖2是磁耦合諧振式無線電能傳輸的兩種線圈模式。其中，圖1是兩線圈結構，圖2是四線圈結構。圖1中，發射線圈（電感：L_t）與諧振電容（電容：C_t）組成LC振蕩電路，該電路由逆變器產生的交變電源進行激勵，在發射線圈周圍產生交變電磁場；接收線圈（電感：L_r）與諧振電容（電容：C_r）也組成LC振蕩電路，在發射線圈產生的交變電磁場中獲得電能，獲取的電能被整流處理后，提供給負載使用。磁耦合諧振式無線電能傳輸中，電能發射端與電能接收端通過電磁場實現了非接觸的電能傳輸。四線圈結構的無線電能傳輸如圖2所示，其特征是在圖1中增加了兩個線圈。圖2中，與逆變器相連的線圈稱為激勵線圈（單匝數），與負載相連的線圈稱為負載線圈（單匝數），發射線圈與接收線圈均為多匝線圈。其中，激勵線圈與發射線圈之間距離近，屬于較密耦合；同樣，負載線圈與接收線圈耦合距離近，也屬于較密耦合。發射線圈和接收線圈之間距離較遠，屬于疏耦合。采用四線圈結構的無線電能傳輸，通過將發射線圈從電源分離出來、接收線圈從負載中分離出，來提高這兩個線圈電路的品質因數，從而在較遠距離仍能獲得較高傳輸效率。但是無論是兩線圈結構、還是四線圈結構，均要求所用的LC電路的固有頻率與激勵頻率及電磁場頻率相同，以形成“共振”，獲得較高傳輸效率。通常，無論是兩線圈結構、四線圈結構，產生電磁場的部分均稱為發射磁場電路，接收電磁場的部分稱為接收磁場電路。

發射磁場電路的固有頻率（由發射端的L_t、C_t決定）與輸入的激勵電源（逆變器輸出）的頻率相同——即發射電路諧振時，發射電路產生的交變電磁場最強；接收磁場電路的固有頻率（由接收端的L_r、C_r決定）與交變磁場頻率相同——即接收電路諧振時，接收電路可從交變電磁場獲得最大電能。當發射磁場電路不諧振（失諧）、或接收磁場電路不諧振（失諧），或兩個電路雖諧振，但兩者的諧振頻率不相同——即兩個電路“不共振”時，磁諧振耦合無線電能傳輸效率下降，傳輸功率變低。

發射磁場電路的固有頻率與輸入激勵的頻率不相同時，可通過兩種方法使其重新達到諧振狀態，一種是調節激勵頻率，使其和發射磁場電路的固有頻率相同；另外一種辦法是調整發射電路的L或C的值，使發射電路的固有頻率和激勵頻率相同。同樣，當接收電磁場電路的固有頻率與交變電磁場的變化頻率不相同時，也可通調節電磁場頻率，使其和接收電磁場電路的固有頻率相同；或調整電磁場接收電路L或C的值，使電磁場接收電路的固有頻率和交變電磁場頻率相同。

在某些情況下，要求電能傳輸的“共振”頻率保持不變，此時，只能通過調節電路的L或C的值，使因干擾而失諧的電路重新諧振。例如，在人體植入式診療裝置的無線供能中，植入體內的診療裝置的電能接收部分因工作環境穩定，不易失諧。而體外的電能發射線圈因外界因素干擾而易失諧。這種情況下，發射電路的激勵頻率又必須與能量接收電路的諧振頻率相同，此時只有調整發射電路的L或者C的值，使發射電路在原有激勵頻率下再次諧振。如果不調整發射電路的L或者C的值，而改變激勵頻率，使發射電路在新的頻率點諧振，這會使發射電路的諧振頻率與接收電路的諧振頻率不再相同-即?“不共振”，這會導致傳輸效率的急劇下降。

在另外一些情況下，需要按一定的要求同時調整發射、接收電路的諧振頻率，以提高電能傳輸的穩定性。這種情況下，因諧振頻率變化，需調整電路的L或者C的值，使其在新的頻率點諧振。例如，當無線電能傳輸的電能發射線圈、電能接收線圈之間的距離、姿態、耦合面積、負載發生變化時，為了維持電能傳輸的穩定，需要對共振頻率進行調整。比如，當兩線圈之間的距離變大時，需調高諧振頻率；而當兩者之間的距離變小時，需降低諧振頻率。在此種情況下，也只有調整發射電路、接收電路L或者C的值，使其跟隨新的頻率點再次諧振，才能維持高效率電能傳輸。