CN108233552B - 一种基于外加自激振荡电源的混合无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于外加自激振荡电源的混合无线电能传输系统，包括相连接的自激振荡电源和发射电路以及相连接的接收电路和负载；发射电路包括与原边电路连接的耦合电极板及与该耦合电极板串联连接的发射线圈和原边补偿电容，发射线圈包括串联连接的原边电感和发射电路内阻；接收电路包括与副边电路连接的耦合电极板及与该耦合电极板串联连接的接收线圈和副边补偿电容，接收线圈包括串联连接的副边电感和接收电路内阻；发射电路和接收电路之间通过耦合电极板之间的电场耦合以及发射、接收线圈之间的磁场耦合两种方式同时向负载供电，实现无线电能传输。本发明可增加系统的传输距离，实现大功率、远距离、稳定的无线电能传输。

Description

一种基于外加自激振荡电源的混合无线电能传输系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输的技术领域，尤其是指一种基于外加自激振荡电源的混合无线电能传输系统。

背景技术

传统的有线输电方式由于需要大量的金属导线和繁冗的架线工程，具有降低用电装置灵活性、受工作环境影响大等很明显的缺点。为了解决传统电能传输方式的局限性问题，无线电能传输技术已在多年前被提出。这种方式取电方便、节约金属资源且无需繁杂的架线工程，弥补了传统有线输电方式的缺陷。

无线电能传输技术主要包括磁场耦合式、电场耦合式和微波式等。微波式虽然传输距离可以达到很远，但效率极低、功率小且耗散严重，目前应用较少。在实际应用场合，磁场耦合式和电场耦合式由于传输功率较大、效率较高，近年来被研究较多。但这两种方式的传输性能均严重受传输距离的限制。随着距离增大，传输效率将大大降低，不利于系统的实际应用。目前，电场耦合式无线输电的传输距离多在厘米等级，磁场耦合式的传输距离多在几十厘米的等级。如何有效提高无线电能传输的距离并保持系统的高效性是该技术目前面临的一个重要难题。

外加自激振荡电源的混合无线电能传输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，因此这一频率称为本征频率。外加电源的自激振荡系统中，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。并且在临界传输距离以内，系统的传输效率在本征频率下可以保持恒定。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种基于外加自激振荡电源的混合无线电能传输系统，采用自激振荡电源的同时，结合磁场耦合和电场耦合两种无线输电方式同时向负载供电，增加了传统电场耦合和磁场耦合无线输电的传输距离，且系统的传输功率高，传输效率可以在长距离范围内随着距离的改变基本不变，大大降低其对传输距离的敏感性，实现系统电能的稳定传输。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于外加自激振荡电源的混合无线电能传输系统，包括相连接的自激振荡电源和发射电路以及相连接的接收电路和负载；所述自激振荡电源的工作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；所述发射电路包括与原边电路连接的耦合电极板及与该耦合电极板串联连接的发射线圈和原边补偿电容，所述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原边电路所有内阻之和，所述原边电感、原边补偿电容和发射电路内阻串联连接构成RLC串联谐振电路；所述接收电路包括与副边电路连接的耦合电极板及与该耦合电极板串联连接的接收线圈和副边补偿电容，所述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接收电路所有元件的内阻之和，所述副边电感、副边补偿电容和接收电路内阻串联连接构成RLC串联谐振电路；所述发射线圈和接收线圈同名端相反，它们之间通过磁场耦合传输电能，即所述发射线圈通过磁场耦合传递能量到接收线圈，所述发射电路的耦合电极板与接收电路的耦合电极板之间能够产生位移电流，即所述发射电路的耦合电极板通过电场耦合传递能量到接收电路的耦合电极板，这样电场和磁场传递的能量能够同时给负载供电。

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、自激振荡电源的工作频率由电路中组件值所决定，由电源进行自动调节。系统可以在长距离范围内保持恒定的高效率，大大降低其对传输距离的敏感性，实现远距离、大功率的稳定的电能传输。

4、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混合无线电能传输系统的电路图。

图2为实施方式中提供的混合无线电能传输系统的等效电路原理图。

图3为实施方式中发射电路电压与接收电路电压的波形图。

图4为实施方式中发射电路电流与接收电路电流的波形图。

图5为系统本征频率与传输距离的关系图。

图6为单电场耦合、单磁场耦合无线电能传输系统与实施方案中的混合无线电能传输系统的传输效率和传输距离的关系对比图。

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。

本发明所提供的基于外加自激振荡电源的混合无线电能传输系统，其基本原理是同时利用电场耦合和磁场耦合两种传输方式为负载进行无线供电，使得系统传输效率提高，传输距离增加。此外，外加自激振荡电源，其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，在临界传输距离以内，系统的传输效率在本征频率下恒定，从而实现远距离、大功率的稳定的电能传输。

如图1所示，所述基于外加自激振荡电源的混合无线电能传输系统，包括有相连接的自激振荡电源和发射电路以及相连接的接收电路和负载；所述自激振荡电源的工作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；所述发射电路包括与原边电路连接的耦合电极板及与该耦合电极板串联连接的发射线圈和原边补偿电容C₁，所述发射线圈包括串联连接的原边电感L₁和发射电路内阻R₁，所述发射电路内阻R₁是指除副边反射到原边的电阻外的原边电路所有内阻之和，所述原边电感L₁、原边补偿电容C₁和发射电路内阻R₁串联连接构成RLC串联谐振电路；所述接收电路包括与副边电路连接的耦合电极板及与该耦合电极板串联连接的接收线圈和副边补偿电容C₂，所述接收线圈包括串联连接的副边电感L₂和接收电路内阻R₂，所述接收电路内阻R₂是指接收电路所有元件的内阻之和，所述副边电感L₂、副边补偿电容C₂和接收电路内阻R₂串联连接构成RLC串联谐振电路；所述发射线圈和接收线圈同名端相反，它们之间通过磁场耦合传输电能，即所述发射线圈通过磁场耦合传递能量到接收线圈，所述发射电路的耦合电极板与接收电路的耦合电极板之间能够产生位移电流，表示成耦合电容C_s1、C_s2，即所述发射电路的耦合电极板通过电场耦合传递能量到接收电路的耦合电极板，这样电场和磁场传递的能量能够同时给负载供电。

图2为本发明上述系统的等效电路图。其中自激振荡电源表示成S；原边电感L₁与副边电感L₂同名端相反；耦合电容C_s1与C_s2表示成串联等效耦合电容C_s，表达式如下：

系统的耦合模方程为：

其中，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。ω₀为发射电路、接收电路的固有角频率，γ₁和γ₂分为别发射、接收电路的损耗率，且/>γ_L为负载系数；为发射、接收电路之间的耦合系数；/>为发射、接收电路之间的电容耦合系数；/>为发射、接收电路之间的电感耦合系数。

a₁和激励源之间的关系为：

ga₁＝Fe^-jωt (3)

由式(3)可以看出，由于外加电源激励项模值不变，随着a₁模值的增加，g的模值会逐渐减小。将式(3)代入式(2)并求解本征值，可得:

上式可知系统的本征频率由发射、接收电路的损耗率和系统的耦合系数所决定。

将a₁、a₂分别写成a₁₀e^-jωt，a₂₀e^-jωt，其中a₁₀、a₂₀分别为a₁、a₂的幅值。

那么，

由(4)式可知，由于系统本征值为复数，系统的解中含有增益/衰减项，外加的自激振荡电源会自动对g进行调节，直至系统达到稳定。下面将稳定情况分为两种。

当κ≥γ₂时，令本征值的虚部为零，可以得到自激振荡电源调整策略为：

g＝γ₁+γ₂ (6)

则系统稳定的本征角频率为：

此时

系统传输效率为：

另一种情况下，κ＜γ₂，令本征值的虚部为零，可以得到自激振荡电源的调整策略为：

则系统稳定的本征角频率为：

ω＝ω₀ (11)

此时

系统传输效率为：

综上所述，系统的传输效率为

由以上分析可知，若自激振荡电源提供的能量能够完全被发射电路内阻、接收电路内阻和负载电阻完全吸收，则当系统耦合系数满足条件κ≥γ₂时，系统工作角频率为传输效率保持/>恒定；当系统耦合系数满足条件κ＜γ₂时，系统工作角频率为ω₀，传输效率随着发射电路与接收电路之间耦合系数κ的改变而改变，表达式为/>

此处采用平板式耦合机构，则耦合电容大小与传输距离d的关系为：

其中S为耦合电极板有效面积，ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数。

发射、接收线圈之间的互感大小与传输距离的关系为：

其中N₁、N₂分别为发射、接收线圈的线圈匝数，r₁、r₂分别为发射、接收线圈的线圈半径，μ为磁导率。

设发射线圈和接收线圈的固有频率为f₀＝1.17MHz，发射电路电感L₁和接收电路电感L₂均为0.23mH，原边补偿电容C₁和副边补偿电容C₂均为80pF，发射电路内阻R₁和接收电路内阻R₂均为8Ω，负载电阻R_L＝72Ω，发射、接收线圈匝数N₁＝N₂＝5，线圈半径r₁＝r₂＝0.35m，耦合电极板有效面积S＝1m²。

以电场耦合系数k_C＝0.0691，磁场耦合系数k_L＝0.0515，耦合系数k＝0.1206，传输距离d＝0.8m为例，由图3、图4可知系统正常工作，负载可以接收到稳定的电能。

由式(7)与式(11)可得系统的本征频率与传输距离的关系曲线如图5中实线所示，实心点是由PSIM环境下电路仿真得到的系统本征频率，可见仿真结果同理论分析在误差允许范围内是相符的。

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中实线所示，分别是本发明所提系统效率曲线、单有电场耦合时(令k_L＝0)系统效率曲线和单有磁场耦合时(令k_C＝0)系统效率曲线。实心点是三种系统由PSIM环境下电路仿真得到的各不同传输距离处对应系统的传输效率，由此可见理论分析与仿真结果保持一致。在满足自激振荡电源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当系统工作在κ≥γ₂区域内，传输效率保持恒定不变，当系统工作在κ＜γ₂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/>此外，本发明所提系统由于同时利用两种耦合方式传输电能，使得系统在近距离处与基于自激振荡电源的单电场、单磁场耦合系统保持相同高效率，但临界传输距离增加，且远距离处传输效率远高于两种单耦合系统。

由上述分析可知，本发明的基于外加自激振荡电源的混合无线电能传输系统，通过电场耦合无线电能传输和磁场耦合无线电能传输两种方法同时传输能量，增加了传统电场耦合和磁场耦合无线输电的传输距离，提高了传输效率；此外，本发明采用了外加自激振荡电源作为激励，系统在传输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，响应迅速，并可在长距离范围内保持恒定的高效率，大大降低其对传输距离的敏感性，实现远距离、大功率的稳定的电能传输，有利于在更多场合的应用，值得推广。

以上所述实施例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)

1.一种基于外加自激振荡电源的混合无线电能传输系统，其特征在于：包括相连接的自激振荡电源和发射电路以及相连接的接收电路和负载；所述自激振荡电源的工作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；所述发射电路包括与原边电路连接的耦合电极板及与该耦合电极板串联连接的发射线圈和原边补偿电容，所述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原边电路所有内阻之和，所述原边电感、原边补偿电容和发射电路内阻串联连接构成RLC串联谐振电路；所述接收电路包括与副边电路连接的耦合电极板及与该耦合电极板串联连接的接收线圈和副边补偿电容，所述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接收电路所有元件的内阻之和，所述副边电感、副边补偿电容和接收电路内阻串联连接构成RLC串联谐振电路；所述发射线圈和接收线圈同名端相反，它们之间通过磁场耦合传输电能，即所述发射线圈通过磁场耦合传递能量到接收线圈，所述发射电路的耦合电极板与接收电路的耦合电极板之间能够产生位移电流，即所述发射电路的耦合电极板通过电场耦合传递能量到接收电路的耦合电极板，这样电场和磁场传递的能量能够同时给负载供电。