[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

技術領域

本發明涉及一種諧振式無線電能傳輸系統，尤其涉及一種添加雙端阻抗變換網絡的諧振式無線電能傳輸系統。

背景技術

信號或者電能在傳輸過程中，為了實現信號的無反射傳輸或最大功率傳輸，要求電路可以實現阻抗匹配。阻抗匹配關乎著系統的性能，電路實現阻抗匹配可使系統的性能達到最優。

通常實現阻抗匹配的目的有兩個：一是消除信號源(或電源)與負載之間的反射波，保證傳輸信號的傳輸質量，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計的一種適當的阻抗變換網絡，從而實現高頻功率源的最大功率輸出。

其次，諧振式無線電能傳輸技術具有傳輸距離遠、傳輸效率相對較高、非輻射性等特點，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載，傳輸線圈一般靠自諧振或者外接電容達到諧振狀態，從而實現電能的有效傳輸。但在實際應用中，傳輸線圈并不是理想線圈，要考慮其內阻，負載電阻也不是越大越好，它存在一個最佳值使得系統傳輸效率最大。當負載電阻不是最佳值時，可以通過添加適當的阻抗變換網絡來使其等效為最佳值，使系統傳輸效率最高。

發明內容

本發明的目的在于克服目前諧振式無線電能傳輸系統中電源輸出功率不高，系統傳輸效率低下的問題，提供一種添加雙端阻抗變換網絡的諧振式無線電能傳輸系統。

本發明的目的至少通過如下技術方案之一實現。

一種添加雙端阻抗變換網絡的諧振式無線電能傳輸系統，包括高頻功率源模塊、傳輸線圈模塊、原邊阻抗變換網絡、副邊阻抗變換網絡及負載；其中高頻功率源模塊由理想電壓源與內阻串聯組成，為系統提供電能；傳輸線圈模塊包括發射線圈和接收線圈，其中發射線圈等效為由發射線圈內阻、發射線圈電感和發射線圈諧振電容形成的RLC串聯諧振模式，接收線圈等效為由接收線圈內阻、接收線圈電感和接收線圈諧振電容形成的RLC串聯諧振模式；原邊阻抗變換網絡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射線圈TX相連；副邊阻抗匹配網絡的輸入端與傳輸線圈模塊中的接收線圈相連，輸出端與負載相連。

進一步地，根據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U_S和等效電源內阻R_S的串聯，也能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，高頻功率源模塊輸出最大功率P_max,滿足高頻功率源的頻率f為0.5-50MHz，且電壓源或者電流源的波形為正弦波。

進一步地，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；發射線圈和接收線圈滿足關系：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，即發射線圈和接收線圈在系統頻率下發生串聯諧振，另外發射線圈和接收線圈之間的互感大小為M。

進一步地，傳輸線圈模塊中的發射線圈和接收線圈之間的距離在電磁波半個波長以內；發射線圈和接收線圈的間距不小于頻率分叉范圍。

進一步地，所述負載為純阻性質、阻感性質或者阻容性質。

進一步地，原邊阻抗變換網絡和副邊阻抗變換網絡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，原邊阻抗變換網絡和副邊阻抗變換網絡的電路形式為L型、T型或∏型。

進一步地，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