CN106026218A - 一种电磁谐振耦合式无线电能传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电磁谐振耦合式无线电能传输系统，主要包括发射端和接收端两大部分，发射端包括发射线圈和高频逆变电路，接收端包括接收线圈、整流滤波电路和负载，高频逆变电路采用E类谐振拓扑电路，发射线圈和接收线圈采用螺线管线圈，整流滤波电路采用桥式整流电路和π型滤波的滤波电路。本发明有益的效果是：本发明将电能由电源端传递至用电设备，解决了电源便捷、安全接入的问题，解决了传统依靠电导体直接进行物理接触的输电模式所带来的插电火花、积炭、不易维护、易磨损等各种问题，特别是减少了安全隐患。
Description
技术领域
本发明涉及无线电传输技术领域，尤其是一种电磁谐振耦合式无线电能传输系统。
背景技术
美籍物理学家Nikola Tesla是民界上第一个从事无线电能传输技术研究与实验的科学家，他在1893年的芝加哥世界博览会上，利用无线电能传输原理，在不用导线的情况下点亮了一盏照明电灯。在直接感应耦合式无线电能传输技术方面，新西兰奥克兰大学以John T.Boys教授为首的研究团队在20世纪90年代率先开展工作，该团队无论是在理论研究还是工程应用技术方面都做出了大量卓有成效的工作，形成一套理论系统及实用技术体系，并率先开发出能批量生产的实用装置。2010年，HaloIPT公司实现了电动汽车无线充电，在充电时，电能接收垫置于电动汽车车身下侧，电池通过无线充电系统进行无线充电，目前，该公司正在进行电动汽车动态(行进途中)充电技术。精工爱普生从2008年5月开始批量生产用于便携产品的无线供电模块，输出功率可达到2.5W。电压5V时可供电500mA,在为普通手机充电时，约1.5h可充满。在磁共振无线电能传输方面，2007年，美国麻省理工学院以MarinSoljacic教授为首的研究小组称，他们发现了一种全新的无线供电模式---非辐射电磁能论，即具有两个相同频率的谐振电路产生很强的相互耦合，采用单层线圈，两端各放置一个平板电容器，共同组成谐振回路，在2m的距离点亮了一盏60W电灯，无线电能传输效率约为40％，距离1m时效率约为90％。在微波辐射无线电能传输技术方面，1964年，Raytheon公司的Willian C.Brown利用微波技术，成功地进行了向位于高空的直升级平台无线供电实验，1975年，他又将微波能量束传输到1mile远处的接收站并获得了30kW的直流功率。
国内在感兴无线电能传输研究方面虽然起步较晚，但近几年发展势头迅猛。2007年，重庆大学孙跃教授课题组研制出可应用于多种场合的无线电能传输装置，能够实现600W～1kW的电能输出，传输效率为70％，并且能够向多个设备同时供电。
发明内容
本发明要解决上述现有技术的缺点，提供一种提高安全稳定、便捷、易维护的电磁谐振耦合式无线电能传输系统。
本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种电磁谐振耦合式无线电能传输系统，主要 包括发射端和接收端两大部分，发射端包括发射线圈和高频逆变电路，接收端包括接收线圈、整流滤波电路和负载，高频逆变电路采用E类谐振拓扑电路，发射线圈和接收线圈采用螺线管线圈，整流滤波电路采用桥式整流电路和π型滤波的滤波电路。
所述E类谐振拓扑电路在稳态条件下，一个完整的开关导通过程由四个阶段构成：
第一阶段，开关管T由导通变成关断，这个时候开关管T和C1上的电压均为零，想让开关损耗降低到最小，即开关管T工作于理想状态，就必须选择合适的器件，使开关管T上的电流It尽量小；
第二阶段，开关管T关断后，流过开关管的电流It保持零，这时C1的状态由充电变为放电，输入电压和谐振电容C1一起向谐振回路充电，而电感L上储存的电能则转换到C1上；
第三阶段，开关管T由关断变成导通，这时T上的电流It为零，且C1上的电压也为零，此时开关管为零电流导通；
第四阶段，开关管T导通后，电流It上升到最大值后开始下降，谐振电容C1上的电压保持为零不变，C1中储存的能量转向电感L
所述螺线管线圈在低频电路中等效为RL串联电路，在高频电路中螺线管线圈除了有自身电感外，还有高频电阻和高频寄生电容，线圈的高频电阻包括高频损耗电阻和高频辐射电阻。
本发明有益的效果是：本发明将电能由电源端传递至用电设备，解决了电源便捷、安全接入的问题，解决了传统依靠电导体直接进行物理接触的的输电模式所带来的插电火花、积炭、不易维护、易磨损等各种问题，特别是减少了安全隐患。
附图说明
图1是本发明示意图；
图2是E类谐振拓扑电路图；
图3是E类高频逆变电路工作波形；
图4是E类功率放大实际电路；
图5是螺线线圈式结构；
图6是同轴平行的空心线圈结构；
图7是非同轴平等的两个线圈之间的互感；
图8是桥式滤波电路。
具体实施方式
下面对本发明作进一步说明：
这种电磁谐振耦合式无线电能传输系统，主要包括发射端和接收端两大部分，发射端包括发射线圈和高频逆变电路，接收端包括接收线圈、整流滤波电路和负载，高频逆变电路采用E类谐振拓扑电路，发射线圈和接收线圈采用螺线管线圈，整流滤波电路采用桥式整流电路和π型滤波的滤波电路。
E类谐振拓扑电路如图2所示，图中L1的阻抗足够大，流过它的电流为恒定值，开关器件T采用的是MOSFET功率场效率管。谐振负载回路由C、R、L构成，C1为外加电容，能够起到辐助谐振的作用，让开关管T工作的理想状态，使开关管T零电压开通。
E类谐振式逆变电路在稳态条件下，一个完整的开关导通过程由四个阶段构成，如图3所示：
第一阶段，开关管T由导通变成关断，这个时候开关管T和C1上的电压均为零，想让开关损耗降低到最小，即开关管T工作于理想状态，就必须选择合适的器件，使开关管T上的电流It尽量小。
第二阶段，开关管T关断后，流过开关管的电流It保持零，这时C1的状态由充电变为放电，输入电压和谐振电容C1一起向谐振回路充电，而电感L上储存的电能则转换到C1上。
第三阶段，开关管T由关断变成导通，这时T上的电流It为零，且C1上的电压也为零，此时开关管为零电流导通。
第四阶段，开关管T导通后，电流It上升到最大值后开始下降，谐振电容C1上的电压保持为零不变，C1中储存的能量转向电感L。
有设计能在频率为3.9MHz条件下，输出26W功率，效率达96％。
E类功率放大器的导通角为180度的最佳情况进行计处工，已经条件为工作频率为f，输出功率为P0、电源电压为Vcc
1.选管
主要考虑晶体管的耐压和集电极电流的要求。
uCmax≥3.56Vcc (1)
2.计算RL和R'L
假定电感L的空载Q值为Q0，有载Q值为QL，则电感L的损耗电阻为
R'L＝RL+rL (3)
1)将规定的等效负载电阻RL0替代上面两式中的RL，可计算出rL和R'L，按下式验算输出功率是否满足要求：
若满足指标要求，就不必再加阻抗变换网络，若不能，则可按2)进行估算，并需插入阻抗变换网络。
2)当输入功率不足时，需要重新估算RL和R'L，即
一般负载网络的损耗约占输出功率的3～4％，即可求出P'0，则可求出RL和R'L
3)计算效率η0η以及电源供给功率Pd0
其有关计算公式如下：
Pd0＝η0P'0 (8)
iCmax＝2.86Id0 (11)
求出iCmax后，可检验晶体管的最大集电极电流ICM是否满足ICM>iCmax
4)计算负载网络参数
计算公式为：
因为C＝C1+C2，确定C1后C2就可以计算出来。
5)谐波输出
若选定的QL较小，谐波抑制度不满足要求时，可以插入阻值变换的滤波器来抑制谐波输出，使之满足规定的指标要求。
6)设计出E类功率放大器电路图
在电路中，必须考虑必要的保护电路。E类功率放大器实际电路图如图4所示：
采取了以下的保护措施：1.串联二级管D1和D2，主要保护功率管的发射结，以防止过高的激励电压或阻尼不当所产生的负电压所击穿；2.二级管D3是防止负载网络的QL过高，即阻尼过小时产生的负电压击穿或烧坏功率管；3.二级管D4和D5是限括同步电功率管的uCmax，使得在任何意外情况下，uCmax都不会超过功率管的允许值。
高频逆变电路的电能转换效率对电磁谐振无线电能传输系统的传输效率有很大影响。开关管采用MOSFET器件，功率MOSFET管具有工作频率高、输入阻抗高及安全工作区段宽等优点，属于单极性电压驱动器件。选择MOSFET管时，尽量选择耐压较低、体内寄生电容小的MOSFET管，但前提是MOSFET管必须满足电路的耐压条件，选用IRF840，在为高频逆变电路选取芯片时，工作频率高、驱动电流大是必须满足的条件，选用IR2110，不仅成本低，易于调试，而且驱动能力强，响应快、集成度高，体积小，偏值电压高，具有内设的欠压封锁和外部保护封锁端口。
螺线线圈式不仅传输距离远和传输效率高，而且产生的磁场均匀，具有较好的方向性。 螺线管线圈在低频电路中等效为RL串联电路，在高频电路中螺线管线圈除了有自身电感外，还有高频电阻和高频寄生电容，线圈的高频电阻包括高频损耗电阻和高频辐射电阻。
高频损耗电阻：
高频辐射电阻：
式中，u0为磁导率，σ为线圈的电导率，ε0为空气的介电常数，r为线圈的半径，a为线圈的线径，n为线圈的匝数，h为线圈匝间距，l为线圈的长度。在谐振耦合系统中，因为其谐振频率在0.5-25MHz范围内，可以忽略高频辐射电阻，线圈的内阻可以表示为R≈R0。
线圈的匝间电容，线圈与地之间的电容、线圈屏蔽之间的电容，构成了谐振线圈的分布电容，如图3所示，将这些分布电容之和C与线圈的电阻R，形成的一个并联的等效电路。它其实就是一个由R、L、C组成的关联谐振回路，其谐振频率为：
根据线圈的等效电路，在直流和低频工作的情况下，R和C都非常小，都可以忽略不计，可以将该电路当成纯电感电路。但是电阻和分布电容的值会随工作频率的提高而逐渐增大；在某一特定的频率下，当容抗和感抗相等时，将出现谐振现象，这个特定的频率就是电感线圈的固有频率。当工作频率继续增大时，分布电容就越大，这时电感在数值上小于电容。所以，电感线圈只有在固定频率以下的频率工作，才会有感性。
分布电容的存在，会降低线圈的稳定性，为尽量避免高频电容对电磁谐振耦合无线电能传输系统的影响，本项目设计的传输装置，主要是通过外接谐振电容的方法来让系统达到谐振状态。
影响线圈电感量的因数主要有：线圈圈数、有无磁芯材料和线圈的绕制方式。线圈圈数多、绕制的紧密，电感量就大；线圈内有磁芯比无磁芯的电感量大，而且磁芯导磁率大的电感量也大。而线圈电感量的大小，通常都是由电路的需要来确定。
线圈的品质因数Q是衡量线圈质量的重要参数，因为Q大小反映损耗大小，当Q值越小 时，损耗越大。
品质因数Q在数值上等于线圈在交流条件下的感抗和线圈在直流条件下的电阻比值。即
当ω和L一定时，电阻值越小，Q值就越大，我们想要提高谐振电路的效率，应使线圈的Q值尽量大，谐振电路的损耗就越小，谐振电路的效率就越高。
谐振线圈的电感量可由式(4-20)来计算：
式中的N为线圈的匝数，r为线圈的半径，a为导线的截面半径。
发射与接收线圈虽然没有直接相连，但电磁的耦合作用使发射线圈的电能能够虽然能够转移到接收线圈上，这就是互感。互感的大小，不仅与接收线圈内磁力线变化的快慢成正比；还与两线圈间的相对位置上、两线圈自身的形状、大小、圈数及线圈周围的介质情况有关，现分析一下线圈的互感。
1)同轴平行的两个线圈之间的互感
同轴平行的两个线圈空间结构图，如图6所示，Ls为发射线圈，r1为发射线圈的半径，N1为发射线圈的匝数；LD为接收线圈，r2为接收线圈LD的半径，N1为接收线圈的匝数，则两个线圈之间的互感为：
2)非同轴平行的两个线圈之间的互感
非同轴平等的两个线圈的空间结构图，如图7所示，设接收线圈LD的圆心坐标为(0，t,h)，这时接收线圈的参数方程中为：
发射线圈的参数方程为
由此可知
得出两线圈之间的互感为：
其中，
谐振耦合无线电能传输系统的谐振电容选用瓷片电容器。
桥式整流电路较好的实现全波整流，因为接收端电压的负半周也被利用上了，所以桥式整流输电压的平均值相对于其他两种整流电路大了很多。在接收线圈两端负载和电压均相同的情况下，桥式整流电路比半波整流电路输出电流的平均值大。桥式整流电路能够让负载获得更高的电压和电流且脉动较小的优点。
滤波电路的作用是滤过脉动成分，保存接收电路中经过高频整流后的直流成分，而使输出电压趋于理想的直流电压。高频交流电虽然经过整流电路转换成了直流电，但是整流电路输出电压的脉动很大，若不进行滤波直接对负载供电，产生的谐波干扰会对用电设备造成严重的损害。
π型滤波是在LC滤波电路的前面再并联一个滤波电容，相对于电感电容滤波，其滤波效果更好，但是整流二级管所需要承受的冲击电流较大。π型滤波中电容C的容量和R值成正比，R和C的值越大滤波效果就越好，但是直流压降会随着R的增大而减小，所以π型滤波适合于负载电流较小且输出电压脉动也较小的场合。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (3)
1.一种电磁谐振耦合式无线电能传输系统，其特征是：主要包括发射端和接收端两大部分，发射端包括发射线圈和高频逆变电路，接收端包括接收线圈、整流滤波电路和负载，高频逆变电路采用E类谐振拓扑电路，发射线圈和接收线圈采用螺线管线圈，整流滤波电路采用桥式整流电路和π型滤波的滤波电路。
2.根据权利要求1所述的电磁谐振耦合式无线电能传输系统，其特征是：所述E类谐振拓扑电路在稳态条件下，一个完整的开关导通过程由四个阶段构成：
第一阶段，开关管T由导通变成关断，这个时候开关管T和C1上的电压均为零，想让开关损耗降低到最小，即开关管T工作于理想状态，就必须选择合适的器件，使开关管T上的电流It尽量小；
第二阶段，开关管T关断后，流过开关管的电流It保持零，这时C1的状态由充电变为放电，输入电压和谐振电容C1一起向谐振回路充电，而电感L上储存的电能则转换到C1上；
第三阶段，开关管T由关断变成导通，这时T上的电流It为零，且C1上的电压也为零，此时开关管为零电流导通；
第四阶段，开关管T导通后，电流It上升到最大值后开始下降，谐振电容C1上的电压保持为零不变，C1中储存的能量转向电感L。
3.根据权利要求1所述的电磁谐振耦合式无线电能传输系统，其特征是：所述螺线管线圈在低频电路中等效为RL串联电路，在高频电路中螺线管线圈除了有自身电感外，还有高频电阻和高频寄生电容，线圈的高频电阻包括高频损耗电阻和高频辐射电阻。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20161012 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |