CN107681790B - 基于负电阻的串联-串联型无线电能传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于负电阻的串联‑串联型无线电能传输系统，包括相连接的负电阻和发射电路以及相连接的接收电路和负载；发射电路包括串联连接的原边电容和原边发射线圈，原边发射线圈包括串联连接的原边电感和发射电路内阻，发射电路内阻是指除副边反射到原边的电阻外的发射电路所有正电阻；接收电路包括串联连接的副边接收线圈和副边电容，副边接收线圈包括串联连接的副边电感和接收电路内阻，接收电路内阻是指除负载以外的接收电路所有正电阻。本发明利用负电阻产生能量的性质，实现对电路的供能，从而替代了传统的串联‑串联型无线电能传输系统中的高频逆变源，使得系统的结构更加简单，工作频率更高，传输效率更稳定。

Description

基于负电阻的串联-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，尤其是指一种基于负电阻的串联-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。
在目前的谐振式无线电能传输系统中，高频、高可靠、大功率电源的实现一直是该技术应用到大功率负载输电的一个重要难题。传统的无线电能传输系统通常由驱动源、发射电路、接收电路和负载组成，其中驱动源决定了系统参数且作为系统电源的转换和控制部分成为无线电能传输中最重要的部分。为了满足无线电能传输系统高频化、高效化的发展趋势，通常采用开关型驱动源(功率放大器)如D类、E类功率放大器，虽然这类功率放大器的理论效率达到了100％，但输出功率较低，只适用于小功率的应用场合。而目前大功率的应用场合多采用IGBT和MOSFET管构成的桥式逆变器，同时配合不同的软开关算法来实现电能的无线传输，但其工作频率低、传输距离短。因此，受功率开关管及电路拓扑结构等因素的制约，在现有的技术条件下，实现高频(MHz以上)、高可靠、大功率开关变换器还相当困难。
负电阻是一种满足欧姆定律和串并联法则的有源组件。和电阻相反，负电阻的电压、电流基波的相位差为π，在电路中的功率为负，即向电路释放电能。负电阻具有多种实现方式，如利用正电阻和运放构成。以往负电阻多被用来提高反相放大器的输入阻抗，中和LC振荡回路的正电阻等，而很少当作电源来为电路供电。负电阻相比较高频逆变器，具有系统结构简单、无需使用MOSFET、可以达到很高工作频率等优点，因此可以解决目前高频逆变器无法进一步高频化的难题。并且系统的工作频率由电路中组件的取值所决定。在一工作频率下，系统的传输效率可以保持在很高的水平，且在很长一段范围内随着距离的改变保持基本恒定，实现了无线电能的稳定传输。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于负电阻的串联-串联型无线电能传输系统，利用负电阻产生能量的性质，实现对电路的供能，从而替代了传统的串联-串联型无线电能传输系统中的高频逆变源，使得系统的结构更加简单，工作频率更高，传输效率更稳定。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：基于负电阻的串联-串联型无线电能传输系统，包括相连接的负电阻和发射电路以及相连接的接收电路和负载，所述发射电路和接收电路通过电磁感应耦合的方式实现电能的无线传输；所述发射电路包括串联连接的原边电容和原边发射线圈，所述原边发射线圈包括串联连接的原边电感和发射电路内阻，所述发射电路内阻是指除副边反射到原边的电阻外的发射电路所有正电阻；所述接收电路包括串联连接的副边接收线圈和副边电容，所述副边接收线圈包括串联连接的副边电感和接收电路内阻，所述接收电路内阻是指除负载以外的接收电路所有正电阻。
所述负电阻的电压、电流关系满足：vR＝-RiR，相位关系满足：其中，iR为流过负电阻的电流基波，vR为负电阻两端的电压基波，R为负电阻的阻值，/>为vR与iR之间的相位差；所述负电阻的功率满足：/>其中，P为负电阻的功率，-表明负电阻向外放出能量；所述负电阻向电路提供电能，其参数还需满足：R≥RS1+RS2+RL，其中，RS1为发射电路内阻值，RS2为接收电路内阻值，RL为负载阻值，当R＝RS1+RS2+RL时，负电阻向外释放的能量完全由发射电路内阻、接收电路内阻和负载吸收。
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，负电阻的构造方式多种多样。
2、利用负电阻替代串联-串联型无线电能传输系统的高频功率源，可以有效解决目前高频、大功率开关变换器难以实现的技术难题。
3、系统工作频率由电路中组件值所决定。在这一工作频率下，系统可以保持很高的效率，实现稳定的无线电能传输。
附图说明
图1为实施方式中提供的系统电路图。
图2为实施方式中负电阻的电压和电流的波形图。
图3为实施方式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。
本实施例所提供的基于负电阻的串联-串联型无线电能传输系统的基本原理是利用负电阻具有释放能量、向外提供电能的特性，用于替代传统的串联-串联型无线电能传输系统中的高频功率源，从而有效地解决了目前高频、大功率开关变换器难以实现的技术难题。
如图1所示，为本系统的具体实施电路，包括相连接的负电阻-R和发射电路以及相连接的接收电路和负载RL，所述发射电路和接收电路通过电磁感应耦合的方式实现电能的无线传输；所述发射电路包括串联连接的原边电容C1和原边发射线圈，所述原边发射线圈包括串联连接的原边电感L1和发射电路内阻RS1，所述发射电路内阻RS1是指除副边反射到原边的电阻外的发射电路所有正电阻；所述接收电路包括串联连接的副边接收线圈和副边电容C2，所述副边接收线圈包括串联连接的副边电感L2和接收电路内阻RS2，所述接收电路内阻RS2是指除负载以外的接收电路所有正电阻。
为了分析方便，令发射电路内阻RS1和接收电路内阻RS2参数一致都为RS；令原边电容C1和副边电容C2参数一致都为C；令原边电感L1和副边电感L2参数一致都为L。
当与发射电路相连接的负电阻向系统提供电能时，其参数满足：
R≥2RS+RL (1)
当R＝2RS+RL时，负电阻向外释放的能量完全由发射电路内阻RS1、接收电路内阻RS2和负载RL吸收。
系统的耦合模方程为：
式中，为发射线圈和接收线圈的固有频率，/>为发射电路和接收电路的内阻损耗系数，/>为负电阻增益系数，/>为负载系数，/>为发射电路与接收电路之间的耦合系数，/>为发射线圈与接收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。
则可得系统的本征频率为：
当γ1＝2τ0+τL时，与发射电路相连接的负电阻向电路提供的电能完全由发射电路内阻RS1、接收电路内阻RS2和负载RL吸收。
假设系统的初始能量储存在模式a1中，设a1(0)＝1，a2(0)＝0，则可得模式a1和a2的表达式为：
则：
系统的传输效率为：
由上述方程可知，若负电阻提供的电能完全由发射电路内阻、接收电路内阻和负载吸收，即γ1＝2τ0+τL时，当系统工作在κ≥τ0+τL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＜τ0+τL区域内，其工作频率为ω＝ω0，传输效率随发射电路与接收电路之间的耦合系数变化，为/>
设发射线圈和接收线圈的固有频率为f0＝2MHz，原边电感和副边电感均为L＝10μH，原边电容和副边电容均为C＝0.633nF，发射电路内阻和接收电路内阻均为RS＝0.5Ω，负载电阻为RL＝10Ω。
负电阻的电压基波、电流基波关系满足：vR＝-RiR，相位关系满足：输出功率满足/>以互感耦合系数k＝0.3为例，由图2可知负电阻的电压基波、电流基波的相位差为π，即向外释放电能。
由式(6)可得系统的传输效率与传输距离的关系曲线如图3中实线所示，实心点则是由PSIM电路仿真得到的各不同传输距离处的传输效率，由此可见理论分析与仿真结果保持一致。在满足负电阻提供的电能完全由发射电路内阻、接收电路内阻和负载吸收，即在γ1＝2τ0+τL的条件下，当系统工作在κ≥τ0+τL区域内，传输效率保持恒定不变，当系统工作在κ＜τ0+τL区域内，传输效率随发射电路与接收电路之间的耦合系数变化，为
由上述分析可知，本发明的基于负电阻的串联-串联型无线电能传输系统，负电阻具有释放功率的性质，向电路提供电能，有效地替代了高频逆变源的作用，使得系统的结构更加简单，同时传输效率在一定距离范围内可以保持基本恒定，有利于在更多场合的应用，本发明的优点显而易见，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.基于负电阻的串联-串联型无线电能传输系统，其特征在于：包括相连接的负电阻和发射电路以及相连接的接收电路和负载，所述发射电路和接收电路通过电磁感应耦合的方式实现电能的无线传输；所述发射电路包括串联连接的原边电容和原边发射线圈，所述原边发射线圈包括串联连接的原边电感和发射电路内阻，所述发射电路内阻是指除副边反射到原边的电阻外的发射电路所有正电阻；所述接收电路包括串联连接的副边接收线圈和副边电容，所述副边接收线圈包括串联连接的副边电感和接收电路内阻，所述接收电路内阻是指除负载以外的接收电路所有正电阻；
所述负电阻的电压、电流关系满足：vR＝-RiR，相位关系满足：其中，iR为流过负电阻的电流基波，vR为负电阻两端的电压基波，R为负电阻的阻值，/>为vR与iR之间的相位差；所述负电阻的功率满足：/>其中，P为负电阻的功率，-表明负电阻向外放出能量；所述负电阻向电路提供电能，其参数还需满足：R≥RS1+RS2+RL，其中，RS1为发射电路内阻值，RS2为接收电路内阻值，RL为负载阻值，当R＝RS1+RS2+RL时，负电阻向外释放的能量完全由发射电路内阻、接收电路内阻和负载吸收；
令发射电路内阻RS1和接收电路内阻RS2参数一致都为RS；令原边电容C1和副边电容C2参数一致都为C；令原边电感L1和副边电感L2参数一致都为L；
系统的本征频率为：
式中，为发射线圈和接收线圈的固有频率，/>为发射电路和接收电路的内阻损耗系数，/>为负电阻增益系数，/>为负载系数，/>为发射电路与接收电路之间的耦合系数，/>为发射线圈与接收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；
若负电阻提供的电能完全由发射电路内阻、接收电路内阻和负载吸收，即γ1＝2τ0+τL时，当系统工作在κ≥τ0+τL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＜τ0+τL区域内，其工作频率为ω＝ω0，传输效率随发射电路与接收电路之间的耦合系数变化，为/>
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