CN107666185B - 基于反馈谐振式电源的并联-串联型无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反馈谐振式电源的并联‑串联型无线电能传输系统，包括反馈谐振式电源、原边谐振器、副边谐振器和负载；反馈谐振式电源与原边谐振器相连，其工作频率为系统的本征频率，由系统的参数决定；原边谐振器包括并联连接的原边发射线圈和原边电容，原边电感线圈具有原边线圈内阻副边谐振器包括串联连接的副边接收线圈和副边电容，副边电感线圈具有副边线圈内阻。本发明利用反馈谐振式电源对系统进行供电，使系统工作在本征频率下。当传输距离和负载发生变化时，系统的频率会自动进行调节，在一定的传输距离内实现恒定高水平的传输效率，实现了稳定的无线电能传输。

Description

基于反馈谐振式电源的并联-串联型无线电能传输系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输或无线输电技术的领域，尤其是指一种基于反馈谐振式电源的并联-串联型无线电能传输系统。

背景技术

无线电能传输技术可以实现电源与用电设备之间的完全电气隔离，具有安全、可靠、灵活的优点。早在19世纪末，尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)利用无线电能传输原理，在没有任何导线连接的情况下点亮了一盏灯泡。基于磁耦合谐振式的无线电能传输是MIT的学者在无线电能传输领域取得的突破性进展，自2007年被公开发表以来在无线电能传输领域引起了非常大的反响，越来越多的学者加入到无线电能传输技术的基础研究和应用开发中来。

目前的无线电能传输系统根据耦合的强弱可以分为两类。当原边谐振器和副边谐振器间为弱耦合时，通常采用固定频率的谐振式无线输电方式。其中，原、副边谐振器的固有频率相等，并且为系统的工作频率。谐振式无线输电可以传输更远的距离，但是传输效率随着距离的增加大幅降低，为了保持稳定电能传输，需要在接收端增加阻抗变换环节。当原边谐振器和副边谐振器为强耦合时，通常采用频率跟踪式无线输电方式。频率跟踪式无线输电同样要求原、副边谐振器的固有频率相等，然而在固有频率处系统的功率随着互感强度的增加大幅降低。系统的最大功率对应的频率也随着耦合系数和负载的变化而变化。为此需要对最大功率对应的频率点进行跟踪。目前频率跟踪的算法主要有三种类型：MPPT，追踪原边电压、电流零相位点，追踪原边电压和副边电流零相位点。在实现方案中，频率跟踪通常需要外加锁相环环节，结构较为复杂。

反馈谐振式系统的工作频率由系统参数值所决定的，是系统的固有特征，因此这一频率称为特征频率，亦称本征频率。外加电源的反馈谐振式系统中，电源的工作频率不是固定的，而是随着系统参数的变化而保持工作在本征频率。并且当传输距离较近时，系统的传输效率在本征频率下可以保持恒定。这些特征使得外加电源反馈谐振式无线输电系统可以稳定的进行电能传输。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于反馈谐振式电源的并联-串联型无线电能传输系统，利用反馈谐振式电源对系统进行供电，使系统工作在本征频率下。当传输距离和负载发生变化时，系统的频率会自动进行调节，在一定的传输距离内实现恒定高水平的传输效率，实现了稳定的无线电能传输。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：基于反馈谐振式电源的并联-串联型无线电能传输系统，包括反馈谐振式电源、原边谐振器、副边谐振器和负载R_L；所述反馈谐振式电源与原边谐振器相连，其频率随着系统参数的变化进行自动调节，且最后稳定在系统的本征频率；所述原边谐振器由原边电容C₁和原边电感线圈L₁并联而成，所述原边电感线圈具有原边线圈内阻R_S1，原边谐振场具有谐振角频率ω₁和原边内阻损耗系数γ₁，其中γ₁＝R_S1/2L₁，所述原边谐振器的品质因数Q₁＝ω₁/2γ₁，至少大于100；所述副边谐振器由副边电容C₂和副边电感线圈L₂串联而成，副边电感线圈具有副边线圈内阻R_S2，副边谐振场具有谐振角频率ω₂和副边内阻损耗系数γ₂，其中γ₂＝R_S2/2L₂，所述副边谐振器的品质因数Q₂＝ω₂/2γ₂，至少大于100；所述负载R_L与副边谐振器相连，对应谐振场中负载损耗系数γ_L＝R_L/2L₂；所述原、副边谐振器结构通过磁场相互耦合，耦合强度表示为耦合系数κ；所述系统的本征频率由原边内阻损耗系数γ₁、副边内阻损耗系数γ₂、负载损耗系数γ_L、耦合系数κ和两谐振器的固有角频率ω₁、ω₂确定。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、系统结构简单，实现方式多样。

2、系统效率对传输距离的变化不敏感，可实现稳定的无线电能传输。

3、系统对传输距离、负载变化响应更加迅速。

附图说明

图1为实施方式中提供的系统电路图。

图2为系统本征频率与互感系数的关系图。

图3为系统本征频率与负载的关系图。

图4为实施方式中原边谐振器电流与副边谐振器电流的波形图。

图5为实施方式中原边谐振器电压与副边谐振器电压的波形图。

图6为实施方案中传输效率和传输距离的关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，为本系统的具体实施电路，包括反馈谐振式电源S、原边谐振器、副边谐振器和负载R_L；所述反馈谐振式电源S与原边谐振器相连，其频率随着系统参数的变化进行自动调节，且最后稳定在系统的本征频率f_e；所述原边谐振器由原边电容C₁和原边电感线圈L₁并联而成，所述原边电感线圈具有原边线圈内阻R_S1，原边谐振场具有谐振角频率ω₁和原边内阻损耗系数γ₁，其中γ₁＝R_S1/2L₁，所述原边谐振器的品质因数Q₁＝ω₁/2γ₁，至少大于100；所述副边谐振器由副边电容C₂和副边电感线圈L₂串联而成，副边电感线圈具有副边线圈内阻R_S2，副边谐振场具有谐振角频率ω₂和副边内阻损耗系数γ₂，其中γ₂＝R_S2/2L₂，所述副边谐振器的品质因数Q₂＝ω₂/2γ₂，至少大于100；所述负载R_L与副边谐振器相连，对应谐振场中负载损耗系数γ_L＝R_L/2L₂；所述原、副边谐振器结构通过磁场相互耦合，耦合强度表示为耦合系数κ；所述系统的本征频率f_e由原边内阻损耗系数γ₁、副边内阻损耗系数γ₂、负载损耗系数γ_L、耦合系数κ和两谐振器的固有角频率ω₁、ω₂确定。

为了分析方便，令原边谐振器和副边谐振器的固有角频率、线圈内阻分别相等，即ω₁＝ω₂＝ω₀，γ₁＝γ₂＝γ₀。系统的耦合模方程为：

式中，为原边谐振器与副边谐振器之间的耦合系数，/>为原边电感线圈与副边电感线圈之间的互感耦合系数，M为原边电感和副边电感之间的互感。F为与激励源的幅值有关的一个正常数，其值的大小对分析结果没有影响。ω为系统的工作角频率。a₁、a₂可以分别写成a₁₀e^jωt、a₂₀e^jωt，其中a₁₀、a₂₀分别为a₁、a₂的幅值。a₁和激励源Fe^jωt之间的关系可以表示为

ga₁＝Fe^jωt (2)

由式(2)可以看出，随着a₁模值的增加，g的模值会逐渐减小。将式(2)代入式(1)并求解本征值，可得

系统的模式解为：

其中

其中，系统的模式解中具有增益/衰减项导致模式a₁和a₂的模值发生改变。为了达到稳定，反馈谐振式电源会自动对g进行调节，直至系统达到稳定。系统稳定态分为两种情况。当κ≥γ₀+γ_L时，令本征值的虚部为零，可以的到

g＝2γ₀+γ_L (6)

可以得到系统稳定时的本征角频率为

则：

系统的传输效率为：

由(6)式可知，系统的传输效率和耦合系数κ无关，即传输距离改变时，系统的传输效率保持不变。

另一种情况下，有κ＜γ₀+γ_L。令本征值的虚部为零，可以得到：

可以得到系统稳定时的本征角频率为

ω＝ω₀ (11)

那么有

系统的传输效率为

综上所述，系统的传输效率为：

由上述分析可知，若反馈谐振式电源提供的电能完全由原谐振器内阻、副边谐振器内阻和负载吸收，即g＝2γ₀+γ_L，当系统工作在κ≥γ₀+γ_L区域内，其工作频率为传输效率保持/>恒定不变，当系统工作在κ＜γ₀+γ_L区域内，其工作频率为ω＝ω₀，传输效率随原边谐振器与副边谐振器之间的耦合系数变化，为

设原边谐振器和副边谐振器的固有频率为f₀＝800kHz，原边电感和副边电感均为L＝100μH，原边电容和副边电容均为C＝395.79pF，原边谐振器内阻和副边谐振器内阻均为R_S＝1.3Ω，负载电阻为R_L＝1kΩ。

外加反馈谐振式电源的无线输电系统的本征频率由原边内阻损耗系数、副边内阻损耗系数、负载损耗系数、耦合系数和两谐振器的固有角频率确定。图2为系统本征频率与互感系数的关系图，图3为系统的本征频率与负载的关系图。可见仿真结果同理论分析在误差允许范围内是相符的。

图4、图5分别为当互感系数时，原、副边谐振器电流和电压的波形图。

由式(14)可得系统的传输效率与传输距离的关系曲线如图6所示。其中，图中连续曲线为理论计算值，散点为仿真值。理论值和仿真值的结构相符。当系统工作在κ≥γ₀+γ_L区域内，其工作频率为传输效率保持/>恒定不变，当系统工作在κ＜γ₀+γ_L区域内，其工作频率为ω＝ω₀，传输效率随原边谐振器与副边谐振器之间的耦合系数变化，为/>

由上述分析可知，本发明的基于反馈谐振式电源的并联-串联型无线电能传输系统，此系统在负载和距离变化的情况下始终工作在本征频率，实现了频率的自动调节。并且在一定的距离范围内，系统可以保持传输效率恒定，实现稳定的无线电能传输。相比较传统的固定频率无线输电系统和频率跟踪无线输电系统，本发明具有结构简单、响应速度快，实现方法多样的优点，值得推广。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.基于反馈谐振式电源的并联-串联型无线电能传输系统，其特征在于：包括反馈谐振式电源、原边谐振器、副边谐振器和负载R_L；所述反馈谐振式电源与原边谐振器相连，其频率随着系统参数的变化进行自动调节，且最后稳定在系统的本征频率；所述原边谐振器由原边电容C₁和原边电感线圈L₁并联而成，所述原边电感线圈具有原边线圈内阻R_S1，原边谐振场具有谐振角频率ω₁和原边内阻损耗系数γ₁，其中γ₁＝R_S1/2L₁，所述原边谐振器的品质因数Q₁＝ω₁/2γ₁，至少大于100；所述副边谐振器由副边电容C₂和副边电感线圈L₂串联而成，副边电感线圈具有副边线圈内阻R_S2，副边谐振场具有谐振角频率ω₂和副边内阻损耗系数γ₂，其中γ₂＝R_S2/2L₂，所述副边谐振器的品质因数Q₂＝ω₂/2γ₂，至少大于100；所述负载R_L与副边谐振器相连，对应谐振场中负载损耗系数γ_L＝R_L/2L₂；所述原、副边谐振器结构通过磁场相互耦合，耦合强度表示为耦合系数κ；所述系统的本征频率由原边内阻损耗系数γ₁、副边内阻损耗系数γ₂、负载损耗系数γ_L、耦合系数κ和两谐振器的固有角频率ω₁、ω₂确定；

令原边谐振器和副边谐振器的固有角频率、线圈内阻分别相等，即ω₁＝ω₂＝ω₀，γ₁＝γ₂＝γ₀；系统的耦合模方程为：

式中，为原边谐振器与副边谐振器之间的耦合系数，/>为原边电感线圈与副边电感线圈之间的互感耦合系数，M为原边电感和副边电感之间的互感；F为与激励源的幅值有关的一个正常数，其值的大小对分析结果没有影响；ω为系统的工作角频率；a₁、a₂分别写成a₁₀e^jωt、a₂₀e^jωt，其中a₁₀、a₂₀分别为a₁、a₂的幅值；a₁和激励源Fe^jωt之间的关系表示为：

由式(2)看出，随着a₁模值的增加，g的模值会逐渐减小；将式(2)代入式(1)并求解本征值，得：

系统的模式解为：

其中：

其中，系统的模式解中具有增益/衰减项导致模式a₁和a₂的模值发生改变；为了达到稳定，反馈谐振式电源会自动对g进行调节，直至系统达到稳定；系统稳定态分为两种情况；当κ≥γ₀+γ_L时，令本征值的虚部为零，得到：

g＝2γ₀+γ_L (6)

得到系统稳定时的本征角频率为：

则：

系统的传输效率为：

由(6)式可知，系统的传输效率和耦合系数κ无关，即传输距离改变时，系统的传输效率保持不变；

另一种情况下，有κ＜γ₀+γ_L；令本征值的虚部为零，得到：

得到系统稳定时的本征角频率为：

ω＝ω₀ (11)

那么有：

系统的传输效率为：

综上所述，系统的传输效率为：

若反馈谐振式电源提供的电能完全由原谐振器内阻、副边谐振器内阻和负载吸收，即g＝2γ₀+γ_L，当系统工作在κ≥γ₀+γ_L区域内，其工作频率为传输效率保持/>恒定不变，当系统工作在κ＜γ₀+γ_L区域内，其工作频率为ω＝ω₀，传输效率随原边谐振器与副边谐振器之间的耦合系数变化，为/>