CN108306420A - 一种串联-并联型双耦合混合无线电能传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种串联‑并联型双耦合混合无线电能传输系统，包括相连接的高频功率源和发射电路以及相连接的接收电路和负载；所述发射电路包括与原边电路连接的耦合电极板以及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；所述接收电路包括与副边电路连接的耦合电极板以及并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。本发明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，使得系统的传输效率较传统的电场耦合和磁场耦合无线输电系统得到提高，传输距离得到增加，实现远距离且稳定的无线电能传输。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输的技术领域，尤其是指一种串联-并联型双耦合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。
在同一个系统中同时利用电场耦合和磁场耦合，可以使得两种方式产生的耦合效应相互叠加，大大提高了传统单电场耦合和单磁场耦合无线输电系统的传输功率，并增加了但耦合系统的传输距离，实现远距离且稳定的无线电能传输。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种串联-并联型双耦合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，使得两种耦合方式产生的耦合机制相互叠加，从而系统的传输效率较传统的电场耦合和磁场耦合无线输电系统得到提高，传输距离得到增加，系统电能能够远距离稳定传输，适合应用于实际场合。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种串联-并联型双耦合混合无线电能传输系统，包括相连接的高频功率源和发射电路以及相连接的接收电路和负载；所述发射电路包括与原边电路连接的耦合电极板以及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；所述接收电路包括与副边电路连接的耦合电极板以及并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；所述发射线圈和原边补偿电容构成串联谐振电路，所述接收线圈和副边补偿电容构成并联谐振电路，所述发射线圈和接收线圈同名端相同，所述发射线圈通过磁场耦合传递能量到接收线圈，与原边电路相连接的耦合电极板通过电场耦合传递能量到与副边电路相连接的耦合电极板，电场和磁场传递的能量同时给负载进行无线供电。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、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，使得系统的传输效率较传统的电场耦合和磁场耦合无线输电系统得到提高，传输距离得到增加，实现远距离且稳定的无线电能传输。
2、系统结构简单，无需改变传统无线输电系统的结构，易于构造与实现。
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装置示意图。
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为实施方式中负载的电压与电流的波形图。
图4为传统的串联-并联型电场耦合、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。
本实施例所提供的串联-并联型双耦合混合无线电能传输系统的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，使得系统较传统的单电场、磁场耦合无线电电能传输系统传输效率提高，传输距离增加，实现长距离且稳定的无线电能传输，适合应用于实际场合。
如图1所示，所述的串联-并联型双耦合混合无线电能传输系统，包括相连接的高频功率源和发射电路以及相连接的接收电路和负载；所述发射电路包括与原边电路连接的耦合电极板以及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；所述接收电路包括与副边电路连接的耦合电极板以及并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；所述发射线圈和原边补偿电容构成串联谐振电路，所述接收线圈和副边补偿电容构成并联谐振电路，所述发射线圈和接收线圈同名端相同，所述发射线圈通过磁场耦合传递能量到接收线圈，与原边电路相连接的耦合电极板通过电场耦合传递能量到与副边电路相连接的耦合电极板，电场和磁场传递的能量同时给负载进行无线供电。所述耦合电极板的数量不限，耦合机构可以但不限于平板式、圆盘式、圆筒式等，系统工作时原、副边电极板间产生位移电流，表示成耦合电容Cs1、Cs2，通过电场耦合传输电能。
图2为本发明的等效电路图。其中原边电感L1与副边电感L2同名端相同；耦合电容Cs1与Cs2表示成串联等效耦合电容Cs，表达式如下：
系统的耦合模方程为：
式中，us为高频功率源激励项，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γL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。
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，εr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。
解系统方程(2)，得到谐振时系统传输效率表达式：
设高频功率源激励发射线圈和接收线圈的固有频率为f0＝1MHz，发射电路电感L1和接收电路电感L2均为0.25mH，原边补偿电容C1和副边补偿电容C2均为100pF，发射电路内阻R1和接收电路内阻R2均为5Ω，负载电阻RL＝500Ω，发射、接收线圈匝数N1＝N2＝5，线圈半径r1＝r2＝0.4m，耦合电极板有效面积S＝0.64m2。
以电场耦合系数kC＝0.0472，磁场耦合系数kL＝0.0843，耦合系数k＝0.1315，传输距离d＝0.6m为例，图3为负载的电压电流波形，可知负载可以获得稳定的电能。
由式(5)可得系统的传输效率与传输距离的关系曲线如图4中实线所示，分别为本发明所提系统效率曲线、单有电场耦合时(令kL＝0)系统效率曲线和单有磁场耦合时(令kC＝0)系统效率曲线，三种系统均为串联-并联型。空心三角形标注点是由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在合理误差范围内结果保持一致。由图中曲线对比可知，本发明所提系统由于同时利用两种耦合方式传输电能，混合系统的传输效率相较于传统的两种单耦合系统得到了显著提高，且传输距离较远时优势更为明显，一定程度上弥补了传统系统传输性能受传输距离影响的缺陷。
由上述分析可知，本发明的串联-并联型双耦合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，使得两种耦合方式产生的耦合机制相互叠加，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，能够实现远距离稳定电能传输，适合应用于实际场合，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)
1.一种串联-并联型双耦合混合无线电能传输系统，其特征在于：包括相连接的高频功率源和发射电路以及相连接的接收电路和负载；所述发射电路包括与原边电路连接的耦合电极板以及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；所述接收电路包括与副边电路连接的耦合电极板以及并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；所述发射线圈和原边补偿电容构成串联谐振电路，所述接收线圈和副边补偿电容构成并联谐振电路，所述发射线圈和接收线圈同名端相同，所述发射线圈通过磁场耦合传递能量到接收线圈，与原边电路相连接的耦合电极板通过电场耦合传递能量到与副边电路相连接的耦合电极板，电场和磁场传递的能量同时给负载进行无线供电。
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