[發明專利]一種添加雙端阻抗變換網絡的諧振式無線電能傳輸系統

有效

• 申請號: 201510092337.4
• 申請日: 2015-03-01
• 公開（公告）號: CN104682575B
• 公開（公告）日: 2018-01-05
• 發明（設計）人: 王學梅;王振亞;張波
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H02J50/12
• 分類號: H02J50/12
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司44102
• 代理人: 何淑珍

1.一種添加雙端阻抗變換網絡的諧振式無線電能傳輸系統，其特征在于包括高頻功率源模塊I、傳輸線圈模塊II、原邊阻抗變換網絡N1、副邊阻抗變換網絡N2及負載R_L；其中高頻功率源模塊I由理想電壓源U_S與內阻R_S串聯組成，為系統提供電能；傳輸線圈模塊II包括發射線圈TX和接收線圈RX，其中發射線圈TX等效為由發射線圈內阻R_L1、發射線圈電感L1和發射線圈諧振電容C1形成的RLC串聯諧振模式，接收線圈RX等效為由接收線圈內阻R_L2、接收線圈電感L2和接收線圈諧振電容C2形成的RLC串聯諧振模式；原邊阻抗變換網絡N1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II中的發射線圈TX相連；副邊阻抗匹配網絡N2的輸入端與傳輸線圈模塊II中的接收線圈RX相連，輸出端與負載R_L相連；

發射線圈內阻R_L1和接收線圈內阻R_L2均包括歐姆內阻和輻射內阻；發射線圈TX和接收線圈RX滿足關系：ω為系統角頻率，滿足ω＝2πf，L₁為發射線圈電感，C₁為發射線圈諧振電容，L₂為接收線圈電感，C₂為接收線圈諧振電容，即發射線圈TX和接收線圈RX在系統頻率下發生串聯諧振，另外發射線圈TX和接收線圈RX之間的互感大小為M；

高頻功率源模塊I等效為一理想電壓源U_S和等效電源內阻R_S的串聯或等效為一理想電流源I_S與等效電源內阻R_S的并聯形式，兩者滿足U_S＝R_S·I_S的關系，當高頻功率源外部的等效電阻為R_eq，且R_eq＝R_S時，高頻功率源模塊I輸出最大功率P_max,滿足高頻功率源的頻率為0.5-50MHz，且電壓源或者電流源的波形為正弦波；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負載R_L.Optimal，滿足

高頻功率源模塊外部的等效電阻R_eq滿足：若R_eq≠R_S,則在高頻功率源模塊I輸出端11′和發射線圈TX的輸入端33′之間添加原邊阻抗變換網絡N1，使得從高頻功率源模塊I輸出端11′向發射線圈看進去的等效電阻R′_eq滿足：R′_eq＝R_S，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絡N1由儲能元件電容和電感構成，并不消耗電能，因此高頻功率源模塊I輸出的電能等于發射線圈TX的輸入端33′消耗的電能，根據公式P_22′＝P_11′·η，P_22′為負載消耗的功率，P_11′為高頻功率源模塊輸出的功率，此時負載電阻R_L獲得的功率最大。

2.根據權利要求1所述的一種添加雙端阻抗變換網絡的諧振式無線電能傳輸系統，其特征在于傳輸線圈模塊II中的發射線圈TX和接收線圈RX之間的距離在電磁波半個波長以內；發射線圈TX和接收線圈RX的間距不小于頻率分叉范圍。

3.根據權利要求1所述的一種添加雙端阻抗變換網絡的諧振式無線電能傳輸系統，其特征在于，負載為純阻性質、阻感性質或者阻容性質。

4.根據權利要求1所述的一種添加雙端阻抗變換網絡的諧振式無線電能傳輸系統，其特征在于，原邊阻抗變換網絡N1和副邊阻抗變換網絡N2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，原邊阻抗變換網絡N1和副邊阻抗變換網絡N2的電路形式為L型、T型或∏型。

5.根據權利要求1所述的一種添加雙端阻抗變換網絡的諧振式無線電能傳輸系統，其特征在于，如果負載R_L不等于最優負載R_L.Optimal，則在接收線圈RX和負載R_L之間添加副邊阻抗變換網絡N2，使得從接收線圈輸出端44′向負載看進去的等效電阻值為R_L.Optimal；由于副邊阻抗變換網絡N2不消耗電能，則等效電阻R_L.Optimal消耗的電能就等于負載R_L消耗的電能，即此時系統實現最高效率傳輸。