CN107040050A - 一种无线电能传输装置及传输方法 - Google Patents

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张学宾
刘晓源
高庆
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Abstract

本发明属于电磁场技术应用领域，特别是涉及一种无线电能传输装置及其传输方法，装置包括发射装置和接收装置；所述发射装置包括顺序连接的交流电源单元、整流滤波电路、射频放大器、发射阻抗匹配电路和发射线圈；所述接收装置包括顺序连接的接收线圈、接收阻抗匹配电路、整流器。方法：发射装置的交流电源单元产生的交流电通过整流滤波电路进行滤波，再进入射频放大器进行放大，通过发射阻抗匹配电路进行阻抗匹配后，通过发射线圈发射给接收装置；接收装置通过接收线圈和发射线圈之间的谐振作用，电流经过接收阻抗匹配电路进行阻抗匹配后，通过整流器传递给负载，实现无线电能传输。本发明采用磁耦合谐振原理，无线电能的传输效率相对较高。

Description

一种无线电能传输装置及传输方法
技术领域
本发明属于电磁场技术领域，特别是涉及一种无线电能传输装置及其传输方法。本发明可用于国际空间站的电气设备供电、手机、数码相机、笔记本电脑等生活电子产品充电。
背景技术
“无线电能传输”是利用一种特殊设备将电能转化为可进行无线传播的能量，通过发射和接收线圈之间的传递，在接收端将此能量转变回电能，实现用电设备的供电。现如今无线电能传输技术大致分为：电磁感应式、电磁辐射式和电磁共振式。电磁感应式传输距离近，效率较低。电磁辐射式传输距离远，但效率低，成本高。电磁共振式无线电能传输技术传输距离适中，效率较高，应用范围大。
近年来，由麻省理工学院提出的强耦合磁谐振(Strongly Coupled MagneticResonaces)理论，可在较大距离下实现电能的无线传输。该技术主要依靠磁场传递能量，通过谐振线圈间磁场的耦合，借助发射和接收线圈之间的共振实现电能的无线传输。该技术传输距离可以达到米级距离，并且传输效率相对较高。
现有的无线电能传输装置的阻抗匹配电路和针对的设计目标都比较单一，发射线圈和接收线圈的限制条件不够充分，设计上存在不足。针对上述问题该发明提出发射阻抗匹配电路和接收阻抗匹配电路同时存在，针对的设计目标定为最大传输功率和传输效率，确定发射线圈和接收线圈之间的限制条件，全面优化现有的无线电能传输装置存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明基于耦合谐振原理，提供一种无线电能传输装置及其方法，可以在较远距离内为国际空间站的用电设备和生活电子产品进行无线充电。
本发明为了实现上述目的所采用的技术方案是：一种无线电能传输装置，包括发射装置和接收装置；所述发射装置包括顺序连接的交流电源单元、整流滤波电路、射频放大器、发射阻抗匹配电路和发射线圈；所述接收装置包括顺序连接的接收线圈、接收阻抗匹配电路、整流器。
所述发射阻抗匹配电路包括依次串联的交流电源,电容CP,电感LP，电阻RP并构成回路；电阻RP与射频放大器并联；交流电源与发射线圈并联。
所述接收阻抗匹配电路包括依次串联的电阻RL,电阻RS，电感LS，电容CS并构成回路；电容Cs与整流器并联；电阻RL与发射线圈并联。
所述电感LP和电感LS并列且平行。
所述发射线圈和接收线圈并列且平行。
所述发射线圈和接收线圈分别并联有电容。
一种无线电能传输方法，包括以下步骤：
发射装置的交流电源单元产生的交流电通过整流滤波电路进行滤波，再进入射频放大器进行放大，通过发射阻抗匹配电路进行阻抗匹配后，通过发射线圈发射给接收装置；
接收装置通过接收线圈和发射线圈之间的谐振作用，电流经过接收阻抗匹配电路进行阻抗匹配后，通过整流器传递给负载，实现无线电能传输。
所述交流电频率与负载接收频率一致。
所述发射线圈的谐振频率与接收线圈的谐振频率一致。
所述阻抗匹配满足：系统谐振频率
本发明的有益效果是，
1.本发明可以在较远距离内为国际空间站供电设备和生活中电子产品进行无线充电，距离达到米级范围。相对于传统电磁感应充电方式，显著增大了无线电能传输的距离。
2.本发明采用磁耦合谐振原理，相对于传统的电磁感应原理充电产品来说，无线电能的传输效率相对较高。本发明对于发射回路和接收回路中的阻抗匹配进行适当的调节控制，使其电能传输效率大幅度提高。综上两点，本发明的电能利用率大幅度提高。
3.本发明的发射装置和接收装置的外形、尺寸可以不同，方便发射装置的安装、放置，也便于接收装置的放置。
4.本发明的发射装置和接收装置可以小型化，可以根据供电设备的尺寸进行适当调整，增大了无线电能传输装置的应用范围。
5.通过调节控制发射阻抗匹配电路和接收阻抗匹配电路可以保证系统谐振频率发射回路串联谐振的等效阻抗近似为0，并联谐振的等效阻抗无穷大。无线能量传输系统达到谐振状态。可有效提高无线能量传输系统的传输性能。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明的原理示意图；
图3是本发明的发射阻抗匹配电路和接收阻抗电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
如图1、图2所示，磁耦合谐振式无线电能传输装置，包括发射装置和接收装置；所述发射装置包括交流电源单元、整流滤波电路、射频放大器、发射阻抗匹配电路以及发射线圈；所述接收装置主要包括接收线圈、接收阻抗匹配电路、整流器。由交流电源单元产生的交流电通过整流滤波器进行滤波，再进入射频放大器进行放大，通过发射阻抗匹配电路进行阻抗匹配后，通过发射线圈发射给接收装置；接收装置通过接收线圈和发射线圈之间的谐振作用，电流经过接收阻抗匹配电路进行阻抗匹配后，通过整流器传递给负载，实现无线电能传输。通过调节控制发射回路和接收回路中的阻抗匹配可以有效增大无限电能传输装置传输的效率和距离。可以在较远距离内为空间站供电设备和生活中电子产品进行无线充电，距离达到米级范围。相对于传统电磁感应充电方式，显著增大了无线电能传输的距离。
所述的整流滤波是将220V交流电整流为直流电。
所述的射频放大器是将直流电进行放大。
所述的调节控制阻抗匹配是将发射回路的发射效率达到最优。
所述的发射线圈和接收线圈充电时需要平行并列放置。
所述的接收装置的整流器是将直流电再转化为交流电给负载供电。
交流电通过整流滤波和功率放大器后通过适当调节发射回路中的阻抗匹配然后进入发射线圈，通过发射线圈和接收线圈的互相作用，再对接收回路中的阻抗匹配进行调节，通过整流器后传递给负载。
所述发射线圈和接收线圈并列且平行。
所述发射线圈和接收线圈分别并联有电容。
所述发射装置和接收装置产生的能量信号频率、发射线圈和接收线圈的电学谐振频率分别保持一致。
发射回路与接收回路中的阻抗匹配的调节控制主要是调节两回路里面电感电容值的大小，达到两回路电能传输的最优状态。
如图3所示，发射阻抗匹配电路包括依次串联的交流电源,电容CP,电感LP，电阻RP并构成回路；电阻RP与射频放大器并联；交流电源与发射线圈并联。接收阻抗匹配电路包括依次串联的电阻RL,电阻RS，电感LS，电容CS并构成回路；电容Cs与整流器并联；电阻RL与发射线圈并联。M表示互感。
阻抗匹配回路的等效阻抗分别为：
ZP、ZS分别表示发射阻抗匹配电路的阻抗、接收阻抗匹配电路的阻抗。
当系统(发射阻抗匹配电路和接收阻抗匹配电路)谐振频率时，发射回路串联谐振的等效阻抗近似为0，并联谐振的等效阻抗无穷大。通过调节阻抗匹配使系统达到谐振状态，无线能量传输系统的传输性能达到最好。

Claims (10)

1.一种无线电能传输装置，其特征在于：包括发射装置和接收装置；所述发射装置包括顺序连接的交流电源单元、整流滤波电路、射频放大器、发射阻抗匹配电路和发射线圈；所述接收装置包括顺序连接的接收线圈、接收阻抗匹配电路、整流器。
2.根据权利要求1所述无线电能传输装置，其特征在于所述发射阻抗匹配电路包括依次串联的交流电源,电容CP,电感LP，电阻RP并构成回路；电阻RP与射频放大器并联；交流电源与发射线圈并联。
3.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于所述接收阻抗匹配电路包括依次串联的电阻RL,电阻RS，电感LS，电容CS并构成回路；电容Cs与整流器并联；电阻RL与发射线圈并联。
4.根据权利要求2所述的无线电能传输装置，其特征在于所述电感LP和电感LS并列。
5.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于所述发射线圈和接收线圈并列。
6.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于所述发射线圈和接收线圈分别并联有电容。
7.一种无线电能传输方法，其特征在于包括以下步骤：
发射装置的交流电源单元产生的交流电通过整流滤波电路进行滤波，再进入射频放大器进行放大，通过发射阻抗匹配电路进行阻抗匹配后，通过发射线圈发射给接收装置；
接收装置通过接收线圈和发射线圈之间的谐振作用，电流经过接收阻抗匹配电路进行阻抗匹配后，通过整流器传递给负载，实现无线电能传输。
8.根据权利要求7所述的一种无线电能传输方法，其特征在于所述交流电频率与负载接收频率一致。
9.根据权利要求7所述的一种无线电能传输方法，其特征在于所述发射线圈的谐振频率与接收线圈的谐振频率一致。
10.根据权利要求7所述的一种无线电能传输方法，其特征在于所述阻抗匹配满足：系统谐振频率
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