[發明專利]基于反饋諧振式電源的并聯-串聯型無線電能傳輸系統

有效

• 申請號: 201710935566.7
• 申請日: 2017-10-10
• 公開（公告）號: CN107666185B
• 公開（公告）日: 2023-10-27
• 發明（設計）人: 張波;韓沖;疏許健;江彥偉
• 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: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 馮炳輝

技術領域

本發明涉及無線電能傳輸或無線輸電技術的領域，尤其是指一種基于反饋諧振式電源的并聯-串聯型無線電能傳輸系統。

背景技術

無線電能傳輸技術可以實現電源與用電設備之間的完全電氣隔離，具有安全、可靠、靈活的優點。早在19世紀末，尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)利用無線電能傳輸原理，在沒有任何導線連接的情況下點亮了一盞燈泡。基于磁耦合諧振式的無線電能傳輸是MIT的學者在無線電能傳輸領域取得的突破性進展，自2007年被公開發表以來在無線電能傳輸領域引起了非常大的反響，越來越多的學者加入到無線電能傳輸技術的基礎研究和應用開發中來。

目前的無線電能傳輸系統根據耦合的強弱可以分為兩類。當原邊諧振器和副邊諧振器間為弱耦合時，通常采用固定頻率的諧振式無線輸電方式。其中，原、副邊諧振器的固有頻率相等，并且為系統的工作頻率。諧振式無線輸電可以傳輸更遠的距離，但是傳輸效率隨著距離的增加大幅降低，為了保持穩定電能傳輸，需要在接收端增加阻抗變換環節。當原邊諧振器和副邊諧振器為強耦合時，通常采用頻率跟蹤式無線輸電方式。頻率跟蹤式無線輸電同樣要求原、副邊諧振器的固有頻率相等，然而在固有頻率處系統的功率隨著互感強度的增加大幅降低。系統的最大功率對應的頻率也隨著耦合系數和負載的變化而變化。為此需要對最大功率對應的頻率點進行跟蹤。目前頻率跟蹤的算法主要有三種類型：MPPT，追蹤原邊電壓、電流零相位點，追蹤原邊電壓和副邊電流零相位點。在實現方案中，頻率跟蹤通常需要外加鎖相環環節，結構較為復雜。

反饋諧振式系統的工作頻率由系統參數值所決定的，是系統的固有特征，因此這一頻率稱為特征頻率，亦稱本征頻率。外加電源的反饋諧振式系統中，電源的工作頻率不是固定的，而是隨著系統參數的變化而保持工作在本征頻率。并且當傳輸距離較近時，系統的傳輸效率在本征頻率下可以保持恒定。這些特征使得外加電源反饋諧振式無線輸電系統可以穩定的進行電能傳輸。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供了一種基于反饋諧振式電源的并聯-串聯型無線電能傳輸系統，利用反饋諧振式電源對系統進行供電，使系統工作在本征頻率下。當傳輸距離和負載發生變化時，系統的頻率會自動進行調節，在一定的傳輸距離內實現恒定高水平的傳輸效率，實現了穩定的無線電能傳輸。

為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為：基于反饋諧振式電源的并聯-串聯型無線電能傳輸系統，包括反饋諧振式電源、原邊諧振器、副邊諧振器和負載R_L；所述反饋諧振式電源與原邊諧振器相連，其頻率隨著系統參數的變化進行自動調節，且最后穩定在系統的本征頻率；所述原邊諧振器由原邊電容C₁和原邊電感線圈L₁并聯而成，所述原邊電感線圈具有原邊線圈內阻R_S1，原邊諧振場具有諧振角頻率ω₁和原邊內阻損耗系數γ₁，其中γ₁＝R_S1/2L₁，所述原邊諧振器的品質因數Q₁＝ω₁/2γ₁，至少大于100；所述副邊諧振器由副邊電容C₂和副邊電感線圈L₂串聯而成，副邊電感線圈具有副邊線圈內阻R_S2，副邊諧振場具有諧振角頻率ω₂和副邊內阻損耗系數γ₂，其中γ₂＝R_S2/2L₂，所述副邊諧振器的品質因數Q₂＝ω₂/2γ₂，至少大于100；所述負載R_L與副邊諧振器相連，對應諧振場中負載損耗系數γ_L＝R_L/2L₂；所述原、副邊諧振器結構通過磁場相互耦合，耦合強度表示為耦合系數κ；所述系統的本征頻率由原邊內阻損耗系數γ₁、副邊內阻損耗系數γ₂、負載損耗系數γ_L、耦合系數κ和兩諧振器的固有角頻率ω₁、ω₂確定。

本發明與現有技術相比，具有如下優點與有益效果：

1、系統結構簡單，實現方式多樣。

2、系統效率對傳輸距離的變化不敏感，可實現穩定的無線電能傳輸。

3、系統對傳輸距離、負載變化響應更加迅速。