CN104682575B - 一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统 - Google Patents
一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104682575B CN104682575B CN201510092337.4A CN201510092337A CN104682575B CN 104682575 B CN104682575 B CN 104682575B CN 201510092337 A CN201510092337 A CN 201510092337A CN 104682575 B CN104682575 B CN 104682575B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- high frequency
- coil
- frequency power
- power source
- electric energy
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 title claims abstract description 51
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 claims description 11
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 206010003084 Areflexia Diseases 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Current-Collector Devices For Electrically Propelled Vehicles (AREA)
- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
Abstract
本发明提供了一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统。系统包括高频功率源模块、原边阻抗变换网络、副边阻抗变换网络、传输线圈模块、负载。其中高频功率源模块由理想电源及内阻构成，为整个系统提供电能。传输线圈模块由发射线圈和接收线圈组成，实现电能的无线传输。原边阻抗匹配网络分别与高频功率源模块和发射线圈相连，可以实现高频功率源的最大功率输出；副边阻抗变换网络分别与接收线圈和负载相连，可以实现高频功率源外部传输效率最高。本发明通过在谐振式无线电能传输系统的原边和副边分别添加适当的阻抗变换网络，可以实现高频功率源输出最大功率，同时系统获得最高传输效率，从而保证负载获得的功率最大。
Description
技术领域
本发明涉及一种谐振式无线电能传输系统，尤其涉及一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统。
背景技术
信号或者电能在传输过程中，为了实现信号的无反射传输或最大功率传输，要求电路可以实现阻抗匹配。阻抗匹配关乎着系统的性能，电路实现阻抗匹配可使系统的性能达到最优。
通常实现阻抗匹配的目的有两个：一是消除信号源(或电源)与负载之间的反射波，保证传输信号的传输质量，这种阻抗匹配称为无反射匹配；二是使电源(或信号源)输出最大功率，这种阻抗匹配称为最大输出功率匹配。本专利主要针对第二种情况来设计的一种适当的阻抗变换网络，从而实现高频功率源的最大功率输出。
其次，谐振式无线电能传输技术具有传输距离远、传输效率相对较高、非辐射性等特点，特别适合于中等距离的无线电能传输。其主要组成部分是传输线圈和负载，传输线圈一般靠自谐振或者外接电容达到谐振状态，从而实现电能的有效传输。但在实际应用中，传输线圈并不是理想线圈，要考虑其内阻，负载电阻也不是越大越好，它存在一个最佳值使得系统传输效率最大。当负载电阻不是最佳值时，可以通过添加适当的阻抗变换网络来使其等效为最佳值，使系统传输效率最高。
发明内容
本发明的目的在于克服目前谐振式无线电能传输系统中电源输出功率不高，系统传输效率低下的问题，提供一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统，包括高频功率源模块、传输线圈模块、原边阻抗变换网络、副边阻抗变换网络及负载；其中高频功率源模块由理想电压源与内阻串联组成，为系统提供电能；传输线圈模块包括发射线圈和接收线圈，其中发射线圈等效为由发射线圈内阻、发射线圈电感和发射线圈谐振电容形成的RLC串联谐振模式，接收线圈等效为由接收线圈内阻、接收线圈电感和接收线圈谐振电容形成的RLC串联谐振模式；原边阻抗变换网络的输入端与高频功率源的输出端相连，输出端与传输线圈模块中的发射线圈TX相连；副边阻抗匹配网络的输入端与传输线圈模块中的接收线圈相连，输出端与负载相连。
进一步地，根据戴维南定理和诺顿定理，高频功率源模块可以等效为一理想电压源US和等效电源内阻RS的串联，也能等效为一理想电流源IS与等效电源内阻RS的并联形式，两者满足US＝RS·IS的关系，当高频功率源外部的等效电阻为Req，且Req＝RS时，高频功率源模块输出最大功率Pmax,满足高频功率源的频率f为0.5-50MHz，且电压源或者电流源的波形为正弦波。
进一步地，发射线圈内阻RL1和接收线圈内阻RL2均包括欧姆内阻和辐射内阻；发射线圈和接收线圈满足关系：ω为系统角频率，满足ω＝2πf，L1为发射线圈电感，C1为发射线圈谐振电容，L2为接收线圈电感，C2为接收线圈谐振电容，即发射线圈和接收线圈在系统频率下发生串联谐振，另外发射线圈和接收线圈之间的互感大小为M。
进一步地，传输线圈模块中的发射线圈和接收线圈之间的距离在电磁波半个波长以内；发射线圈和接收线圈的间距不小于频率分叉范围。
进一步地，所述负载为纯阻性质、阻感性质或者阻容性质。
进一步地，原边阻抗变换网络和副边阻抗变换网络中均由储能元件组成，不消耗电能，储能元件包括电容和电感，原边阻抗变换网络和副边阻抗变换网络的电路形式为L型、T型或∏型。
进一步地，高频功率源模块的外部的传输效率η取得最大值时存在一个最优负载RL.Optimal，满足
进一步地，如果负载RL不等于最优负载RL.Optimal，则在接收线圈和负载RL之间添加副边阻抗变换网络，使得从接收线圈输出端向负载看进去的等效电阻值为RL.Optimal；由于副边阻抗变换网络不消耗电能，则等效电阻RL.Optimal消耗的电能就等于负载RL消耗的电能，即此时系统可以实现最高效率传输。
进一步地，高频功率源模块外部的等效电阻Req满足：若Req≠RS,则在高频功率源模块输出端和发射线圈的输入端之间添加原边阻抗变换网络，使得从高频功率源模块输出端向发射线圈看进去的等效电阻Re′q满足：Re′q＝RS，则此时高频功率源模块的输出功率最大；由于原边阻抗变换网络由储能元件电容和电感构成，并不消耗电能，因此高频功率源模块输出的电能等于发射线圈的输入端消耗的电能，根据公式P22′＝P11′·η，P22′为负载消耗的功率，P11′为高频功率源模块输出的功率，此时负载电阻RL获得的功率最大。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明通过在发射线圈和接收线圈两侧分别添加适当的阻抗变换网络，可以保证高频功率源输出最大功率，同时保证高频功率源外部的传输效率最高，从而使得负载电阻获得最大功率。
附图说明
图1是本发明的系统框图。
图2是高频功率源模块内部等效电路图。
图3a、图3b为阻抗变换网络的两种内部结构图(以L型为例)。
具体实施方式
以下结合附图对发明的具体实施作进一步描述，但本发明的实施和保护不限于此。
如图1所示，一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统包括高频功率源模块I、传输线圈模块II、原边阻抗变换网络N1、副边阻抗变换网络N2及负载RL；其中高频功率源模块I由理想电压源US与内阻RS串联组成，为系统提供电能；传输线圈模块II包括发射线圈TX和接收线圈RX，其中发射线圈TX等效为由发射线圈内阻RL1、发射线圈电感L1和发射线圈谐振电容C1形成的RLC串联谐振模式，接收线圈RX等效为由接收线圈内阻RL2、接收线圈电感L2和接收线圈谐振电容C2形成的RLC串联谐振模式，发射线圈TX和接收线圈RX之间的互感大小为M；原边阻抗变换网络N1的输入端与高频功率源的输出端相连，输出端与模块II中的发射线圈TX相连；副边阻抗匹配网络N2的输入端与模块II中的接收线圈RX相连，输出端与负载RL相连。
高频功率源模块的输出端口为11’；发射线圈TX的端口为33’，接收线圈RX的端口为44’，负载RL的接入端为22’。原边阻抗变换网络N1的输入端接端口11’，输出端接发射线圈TX端口33’；副边阻抗变换网络N2的输入端接接收线圈RX端口44’，输出端接负载端口22’。
高频功率源模块I为整个谐振式无线电能传输系统提供电能，其输出波形为高频正弦波。副边阻抗变换网络N2通过设计合适的参数，可以使得从端口44’向右看进去的等效电阻值为最佳值RL.Optimal，RL.Optimal满足表达式从而使得高频功率源外部的传输效率最高。原边阻抗变换网络N1通过设计合适的参数，可以使得从端口11’向右看进去的等效电阻等于高频功率源匹配电阻RS，从而使得高频功率源输出最大功率。通过添加原边阻抗变换网络N1和副边阻抗变换网络N2，最终使得负载电阻RL获得最大功率。
如图2所示，根据戴维南定理或者诺顿定理：任何有源二端口网络或实际电源均可等效为一个理想电压源US和电源内阻RS的串联形式，或者等效为一个理想电流源IS和电源电阻RS的并联形式，二者满足关系式US＝RS·IS。当高频功率源外部的等效电阻为Req，且满足Req＝RS时，高频功率源输出最大功率Pmax,满足其中高频功率源的频率为f，取值范围为0.5-50MHz，其波形为高频正弦波。
传输线圈的结构主要有平面盘式和空间螺旋式两种。平面盘式线圈的优点是占用空间小，便于实际安装，其实际应用较广；空间螺旋式线圈可以产生较为均匀的磁场。任何线圈均可等效为其内阻和其电感的串联形式，其内阻包括欧姆电阻和辐射电阻。如要实现线圈的谐振式无线电能传输，则一般需要串联外接谐振电容，使其满足RLC串联谐振频率等于系统角频率ω，并满足ω＝2πf；若在线圈寄生电容的作用下达到自谐振状态，且自谐振频率恰好等于系统频率，则无需添加外接电容。当然本发明包括各种类型的线圈，并不仅限于此。
如图3a、图3b所示，针对不同负载可以选用不同的阻抗变换网络，阻抗变换网络主要有L型、T型、∏型等类型，本发明暂以L型阻抗变换网络为例加以说明，但并不仅限于此。针对纯阻性负载RL而言，通过添加L型阻抗变换网络，可以将其等效为任意目标电阻值。L型阻抗变换网络主要有两种连接方式，如图3a和图3b所示，其中储能元件X1和X2为电感或者电容的组合(不能同时是电容或者电感)，图3a为正L型阻抗变换网络，通过设计恰当的电容、电感参数，正L型阻抗变换网络可以将原电阻R等效为任意目标电阻Req3，其中Req3＞R；图3b为倒L型阻抗变换网络，通过设计恰当的电容、电感参数，倒L型阻抗变换网络可以将原电阻R等效为任意目标电阻Req4，其中Req4＜R。
本系统设计方法的具体步骤如下：在已知高频功率源模块的理想电压源US、内阻RS、电源频率f、发射线圈电感L1和内阻RL1、接收线圈电感L2和内阻RL2、互感M、负载电阻RL的条件下：(1)首先，调节发射线圈和接收线圈的谐振电容(C1、C2)，使其满足其中ω＝2πf，即此时系统达到谐振状态。(2)比较实际负载电阻RL与系统最大效率传输时的最佳电阻值RL.Optimal的大小()，若RL＜RL.Optimal，则在负载端添加正L型阻抗变换网络对其进行阻抗变换，并调节其内部储能元件的参数，使从端口44’看进去的等效电阻为RL.Optimal；若RL＞RL.Optimal，则在负载端添加倒L型阻抗变换网络对其进行阻抗变换，并调节其内部储能元件的参数，使从端口44’看进去的等效电阻为RL.Optimal。此时便可以实现高频功率源外部传输效率最大。(3)比较高频功率源模块外部等效电阻Req与电源内阻RS的大小(其中)：若Req＜RS，则在高频功率源模块和发射线圈TX之间添加正L型阻抗变换网络对其进行阻抗变换，并调节其内部储能元件的参数，使从端口11’向发射线圈看进去的等效电阻为RS；若Req＞RS，则在高频功率源和发射线圈TX之间添加倒L型阻抗变换网络对其进行阻抗变换，并调节其内部储能元件的参数，使从端口11’向发射线圈看进去的等效电阻为RS。根据最大功率传输条件，此时高频功率源将输出最大功率，因此负载也将获得最大功率。
Claims (5)
1.一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统，其特征在于包括高频功率源模块I、传输线圈模块II、原边阻抗变换网络N1、副边阻抗变换网络N2及负载RL；其中高频功率源模块I由理想电压源US与内阻RS串联组成，为系统提供电能；传输线圈模块II包括发射线圈TX和接收线圈RX，其中发射线圈TX等效为由发射线圈内阻RL1、发射线圈电感L1和发射线圈谐振电容C1形成的RLC串联谐振模式，接收线圈RX等效为由接收线圈内阻RL2、接收线圈电感L2和接收线圈谐振电容C2形成的RLC串联谐振模式；原边阻抗变换网络N1的输入端与高频功率源的输出端相连，输出端与传输线圈模块II中的发射线圈TX相连；副边阻抗匹配网络N2的输入端与传输线圈模块II中的接收线圈RX相连，输出端与负载RL相连；
发射线圈内阻RL1和接收线圈内阻RL2均包括欧姆内阻和辐射内阻；发射线圈TX和接收线圈RX满足关系：ω为系统角频率，满足ω＝2πf，L1为发射线圈电感，C1为发射线圈谐振电容，L2为接收线圈电感，C2为接收线圈谐振电容，即发射线圈TX和接收线圈RX在系统频率下发生串联谐振，另外发射线圈TX和接收线圈RX之间的互感大小为M；
高频功率源模块I等效为一理想电压源US和等效电源内阻RS的串联或等效为一理想电流源IS与等效电源内阻RS的并联形式，两者满足US＝RS·IS的关系，当高频功率源外部的等效电阻为Req，且Req＝RS时，高频功率源模块I输出最大功率Pmax,满足高频功率源的频率为0.5-50MHz，且电压源或者电流源的波形为正弦波；高频功率源模块的外部的传输效率η取得最大值时存在一个最优负载RL.Optimal，满足
高频功率源模块外部的等效电阻Req满足：若Req≠RS,则在高频功率源模块I输出端11′和发射线圈TX的输入端33′之间添加原边阻抗变换网络N1，使得从高频功率源模块I输出端11′向发射线圈看进去的等效电阻R′eq满足：R′eq＝RS，则此时高频功率源模块I的输出功率最大；由于原边阻抗变换网络N1由储能元件电容和电感构成，并不消耗电能，因此高频功率源模块I输出的电能等于发射线圈TX的输入端33′消耗的电能，根据公式P22′＝P11′·η，P22′为负载消耗的功率，P11′为高频功率源模块输出的功率，此时负载电阻RL获得的功率最大。
2.根据权利要求1所述的一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统，其特征在于传输线圈模块II中的发射线圈TX和接收线圈RX之间的距离在电磁波半个波长以内；发射线圈TX和接收线圈RX的间距不小于频率分叉范围。
3.根据权利要求1所述的一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统，其特征在于，负载为纯阻性质、阻感性质或者阻容性质。
4.根据权利要求1所述的一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统，其特征在于，原边阻抗变换网络N1和副边阻抗变换网络N2中均由储能元件组成，不消耗电能，储能元件包括电容和电感，原边阻抗变换网络N1和副边阻抗变换网络N2的电路形式为L型、T型或∏型。
5.根据权利要求1所述的一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统，其特征在于，如果负载RL不等于最优负载RL.Optimal，则在接收线圈RX和负载RL之间添加副边阻抗变换网络N2，使得从接收线圈输出端44′向负载看进去的等效电阻值为RL.Optimal；由于副边阻抗变换网络N2不消耗电能，则等效电阻RL.Optimal消耗的电能就等于负载RL消耗的电能，即此时系统实现最高效率传输。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510092337.4A CN104682575B (zh) | 2015-03-01 | 2015-03-01 | 一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510092337.4A CN104682575B (zh) | 2015-03-01 | 2015-03-01 | 一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104682575A CN104682575A (zh) | 2015-06-03 |
| CN104682575B true CN104682575B (zh) | 2018-01-05 |
Family
ID=53317299
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510092337.4A Expired - Fee Related CN104682575B (zh) | 2015-03-01 | 2015-03-01 | 一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104682575B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107666183B (zh) * | 2017-10-10 | 2023-10-27 | 华南理工大学 | 基于反馈谐振式电源的串联-并联型无线电能传输系统 |
| CN107666185B (zh) * | 2017-10-10 | 2023-10-27 | 华南理工大学 | 基于反馈谐振式电源的并联-串联型无线电能传输系统 |
| CN110286253A (zh) * | 2019-05-17 | 2019-09-27 | 中国科学技术大学 | 一种自适应探头阻抗匹配方法及装置 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101726195B1 (ko) * | 2010-08-25 | 2017-04-13 | 삼성전자주식회사 | 공진 전력 전달 시스템에서 공진 임피던스 트래킹 장치 및 방법 |
| CN103762725A (zh) * | 2014-01-10 | 2014-04-30 | 华南理工大学 | 一种分数阶阻抗匹配网络的无线电能传输系统 |
| CN204992792U (zh) * | 2015-03-01 | 2016-01-20 | 华南理工大学 | 一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统 |
-
2015
- 2015-03-01 CN CN201510092337.4A patent/CN104682575B/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104682575A (zh) | 2015-06-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105226839B (zh) | 磁耦合谐振式无线电能传输系统及其双侧自调谐方法 | |
| US8598744B2 (en) | Apparatus for transmitting and receiving wireless energy using meta-material structures having negative refractive index | |
| Beh et al. | Wireless power transfer system via magnetic resonant coupling at fixed resonance frequency-power transfer system based on impedance matching | |
| CN103414255B (zh) | 一种自调谐磁耦合共振无线能量传输系统及其自调谐方法 | |
| CN104682576B (zh) | 添加自适应双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统 | |
| Ahn et al. | Enhanced wireless power transmission using strong paramagnetic response | |
| CN103915907B (zh) | 主从自耦合磁共振无线电能传输装置及其操作方法 | |
| CN107453490A (zh) | 一种无线电力传输装置 | |
| CN107546869A (zh) | 三线圈无线输电系统频率分裂现象的抑制方法 | |
| CN104682575B (zh) | 一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统 | |
| CN105186720A (zh) | 一种发射线圈结构及应用其的无线电能发射端 | |
| CN206211680U (zh) | 无线输电系统 | |
| CN103138408A (zh) | 单发多收式的无线能量传输装置 | |
| CN104993613A (zh) | 一种利用单电容实现电场共振的无线电能传输装置 | |
| CN107086674A (zh) | 一种并‑串联补偿型分数阶感应耦合无线电能传输系统 | |
| CN104485755B (zh) | 一种基于分形平面线圈的多频谐振无线电能传输系统 | |
| CN204992792U (zh) | 一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统 | |
| CN103414254B (zh) | 一种磁耦合共振无线能量传输系统功率匹配设计方法 | |
| CN104868612B (zh) | 一种基于e类功放的谐振式无线电能传输系统 | |
| CN110943545A (zh) | 一种分数阶并联-串联型电场耦合无线电能传输系统 | |
| CN110971014A (zh) | 一种分数阶串联型电场耦合无线电能传输系统 | |
| CN206834849U (zh) | 一种并‑串联补偿型分数阶感应耦合无线电能传输系统 | |
| CN110417131A (zh) | 一种基波-谐波并行传能的多通道非接触供电系统 | |
| CN205029441U (zh) | 一种发射线圈结构及应用其的无线电能发射端 | |
| CN211296337U (zh) | 一种分数阶串联型电场耦合无线电能传输系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180105 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |