[發明專利]自動變頻及諧振匹配的諧振式無線電能傳輸系統

有效

• 申請號: 201410265845.3
• 申請日: 2014-06-13
• 公開（公告）號: CN104065176B
• 公開（公告）日: 2016-11-30
• 發明（設計）人: 李艷紅;劉國強;張超;宋顯錦;張瑞華
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: H02J50/12
• 分類號: H02J50/12
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

技術領域

本發明涉及一種自動變頻及諧振匹配的諧振式無線電能傳輸系統。

背景技術

無線電能傳輸技術是支持負載設備以非接觸方式從電源取電的電能輸送技術。無線電能傳輸技術能有效克服線路供電方式存在的設備移動靈活性差、占用體積空間、易產生接觸火花、存在線纜、線纜接頭暴露、運動接觸面磨損等問題，提高供用電系統的安全性、可靠性及使用壽命。特別適用于移動裝備、易燃易爆環境和水下、油氣井下設備的安全供電，對電磁理論和供用電方式的發展具有重大的科學意義和實踐價值，在無線傳感器網絡、電動汽車、工業機器人、航空航天、軍事、油田礦井、水下作業等工業領域及在家用電器、醫療器械等民用領域均具有廣泛的應用前景。

無線電能傳輸技術按照實現原理可分為微波方式、射頻方式、磁感應耦合方式及磁諧振耦合方式等。微波式輸電實質是利用微波集束代替輸電導線，波束通過自由空間后由接收整流天線收集，從而實現大功率、長遠距離輸電，對解決空間軌道供電、孤立地區供電、地面電站電能外送等問題意義顯著，但微波傳播不能穿越障礙物；射頻方式根據天線發射和接收原理實現，利用電磁場衰減相對緩慢的遠場從而突破長距離傳遞能量，其頻率很高，天線可小型化，方便嵌入各種小型設備，但發射天線一般為全向天線，能量發散程度高，輸電效率、能力甚低而大受掣肘；磁感應耦合方式利用電磁感應原理借助繞在不同磁性結構上的初級線圈及次級線圈之間的互感交換電能，但感應耦合式輸電的極大劣勢是其能量傳輸距離非常近，被限制在毫米量級；磁諧振式無線電能傳輸技術則是一種基于磁諧振耦合原理實現的非輻射性、高效、中距離輸電的新型技術。

磁諧振式無線電能傳輸技術的關鍵在于通過適當的設計與控制使其發生諧振耦合并且不向體系外輻射電磁波，但受各種因素影響，總會產生少量空間輻射損耗及場源內的熱損耗等。考慮到近區場范圍不能過短，且必需激發諧振耦合現象，對頻率要求較為苛刻，一般采用0.05MHz～50MHz之間的頻率，且盡可能選擇較低頻率。由于采用交變磁場作為空間能量傳遞的媒介，諧振式能量傳輸方式對環境友好，且無嚴格的方向性，能同時給有效區域內多個相近諧振頻率的接收端供電。相較于感應式，其能量傳輸性能穩定，距離遠。

磁諧振式無線電能傳輸技術的關鍵在于通過適當的設計與控制使其發生諧振耦合并且不向體系外輻射電磁波，但受各種因素影響，總會產生少量空間輻射損耗及場源內的熱損耗等?？紤]到近區場范圍不能過短，且必需激發諧振耦合現象，對頻率要求較為苛刻。由于對無線電能傳輸的研究，所采用的頻率范圍較寬，而傳統的無線傳輸技術還沒有實現大范圍的應用，為了便于擴大無線電能傳輸技術的應用范圍，需改進無線供電技術，因此，對能量發射和接收裝置的性能提出了更高的要求，如何采用單一能量發射端實現寬頻范圍大功率的發射，并可靈活調整諧振頻率，自動實現頻率變換及諧振單元的自動匹配，同時實現高效率的能量傳輸，是無線傳能亟需解決的問題。

目前專利和非專利文獻報道的無線電能傳輸裝置大多采用手動更換變頻和諧振匹配的方式，改變諧振匹配單元；有專利提到采用步進電機進行阻抗匹配的方法，實現起來結構復雜且不靈活；還有采用開關對發射端或接收端進行控制的方法，這種方法也未實現信號發生單元與諧振匹配單元的統一自動控制。本發明自動變頻及諧振匹配的諧振式無線電能傳輸系統，實現了高頻信號發生單元的自動變頻，同時可發出使能控制信號同步控制電控開關組，即實現了無需手動的自動變頻和相應的諧振匹配。

發明內容

為了克服諧振式無線傳能的上述不足，本發明提出一種自動變頻及諧振匹配的諧振式無線電能傳輸系統。本發明通過耦合諧振方式進行電能的無線傳輸，在采用單一能量發射主電路實現寬頻范圍大功率的發射的同時，可靈活調整諧振頻率，實現自動變頻及諧振匹配，實現高效率的能量傳輸，擴大單個無線電能傳輸系統的應用范圍。本發明可應用于電器設備的無線供電、電動車充電等無線輸電領域。

本發明多頻諧振式無線電能傳輸系統由能量發射端和能量接收端組成。能量發射端由隔離電源組、信號發生單元、信號隔離單元、高頻驅動單元、變頻及功率放大單元、電控開關組、第一匹配電容和發射線圈組成。其中信號發生單元包括使能控制和高頻信號發生單元，第一匹配電容和發射線圈構成諧振發射電路；能量接收端由接收線圈、第二匹配電容、頻率調理單元及工作負載組成，第二匹配電容和接收線圈構成諧振接收電路。