CN109599957A - 一种带有高变比且高压线圈闭合的无线电能传输系统 - Google Patents

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陈希有
蓝云江
牟宪民
李冠林
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    • H01F38/14—Inductive couplings

Abstract

一种带有高变比且高压线圈闭合的无线电能传输系统，该无线电能传输系统包括电能发射系统和电能接收系统。电能发射系统由高频电源和高升压比耦合线圈组成。所述的高频电源包括工频电源、整流滤波电路和高频逆变电路；电能接收系统由高降压比耦合线圈、整流滤波电路和负载组成。所述的高降压比耦合线圈的构造与高升压比耦合线圈完全相同。本发明两个系统中的高变比耦合线圈不需要接地连接，提高了供电的灵活性，真正实现了电能的无线传输；电能接收系统的接收功率达到百瓦级，足以为常见的用电设备供电；两个高变比耦合线圈无需在高压线圈的顶端连接金属导体，避免了系统工作过程中在顶端金属导体上产生的高电压或强电场，极大地提高了系统的安全性。

Description

一种带有高变比且高压线圈闭合的无线电能传输系统
技术领域
本发明提出了一种带有高变比且高压线圈闭合的无线电能传输系统，属于电力传输技术领域。
背景技术
电能是人类使用最广泛、最便捷的能源。目前，人们主要使用连接导线、开关与插座，将用电设备接入电网，获得电能。随着可移动电气设备的增加，以及出于安全性的考虑，人们渴望不使用导线就能使电气设备获得电能，提高用电的便捷性。因此，一种叫做“无线电能传输”的技术，引起了广泛的研究热潮。电磁感应、磁场谐振、电场耦合、超声波耦合，这些都是目前研究较多的无线电能传输原理。
与众不同的是，本发明提出了一种带有高变比耦合线圈的无线电能传输系统，其中的高压线圈两端用导线连接。既利用了电磁感应原理，又利用了磁场谐振和电场谐振原理。该系统受周围环境影响很小。
发明内容
本发明是一种带有高变比耦合线圈的无线电能传输系统，并且高压线圈两端用导线连接起来，处于闭合状态。所谓高压线圈是相对低压线圈而言的，它的匝数远远大于低压线圈的匝数。该无线电能传输系统由电能发射系统和电能接收系统组成，两个系统没有任何电气连接，它们的核心部分都是一种高变比的耦合线圈。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种带有高变比耦合线圈的无线电能传输系统，该无线电能传输系统包括电能发射系统和电能接收系统。
该无线电能传输系统包括电能发射系统和电能接收系统；
所述的电能发射系统由高频电源和高升压比耦合线圈组成，并且耦合线圈中的高压线圈两端用导线连接，即处于闭合状态；其中，高频电源包括工频电源、整流滤波电路和高频逆变电路；整流滤波电路为电容滤波的三相桥式不可控整流电路；工频电源产生的工频交流电，经整流滤波电路和高频逆变电路后，得到高频交流电，该高频交流电施加到高升压比耦合线圈的低压线圈两端；本发明所述的高升压比是指1：30以上的升压比。
所述的电能接收系统由高降压比耦合线圈、整流滤波电路和负载组成；所述的高降压比耦合线圈两端用导线连接，处于闭合状态；整流滤波电路的输入端口与高降压比耦合线圈的低压线圈的两端相连，整流滤波电路的输出端口与负载相连；
所述的高升压比耦合线圈由低压线圈和高压线圈两部分组成，所述的高降压比耦合线圈构造相似于特斯拉线圈，但高压线圈两端用导线连接，处于闭合状态。所述的高压线圈和低压线圈采用螺线管式绕法，其缠绕的骨架的外径大于高压线圈所缠绕的骨架的外径；所述的低压线圈中的每匝线圈存在一定的间距，以提高每匝线圈之间的绝缘性能；
本发明中，高降压比耦合线圈的构造与高升压比耦合线圈完全相同，以便具有相同的固有频率。所述的高压线圈是相对低压线圈而言的，它的匝数远远大于低压线圈的匝数，通常低压线圈与高压线圈的匝数比在1：100以上。
所述的整流滤波电路为电容滤波的单相桥式不可控整流电路。所述的负载为灯泡、充电器、电动机、逆变器等常见的用电设备。整流滤波电路的输入端口与高降压比耦合线圈的低压线圈的两端相连，整流滤波电路的输出端口与负载相连。
本发明中的电能接收系统与电能发射系统没有任何电气连接，且两个系统中的高变比耦合线圈不需要接地连接，提高了供电的灵活性，真正实现了电能的无线传输；本发明中电能接收系统的接收功率达到百瓦级，足以为常见的用电设备供电；本发明中的两个高变比耦合线圈无需在高压线圈的顶端连接金属导体，避免了系统工作过程中在顶端金属导体上产生的高电压或强电场，极大地提高了系统的安全性。
附图说明
图1是带有高变比耦合线圈的无线电能传输系统示意图。
图2是整流滤波电路的拓扑结构。
图3是高频逆变电路的拓扑结构。
图4是高频逆变电路的驱动电路框图。
具体实施方式
下面结合技术方案和说明书附图，对本发明的具体实施方案作详细说明。
一种带有高变比耦合线圈的无线电能传输系统，该无线电能传输系统的示意图如图1所示，左侧是电能发射系统，右侧是电能接收系统。电能发射系统中的高频电源由工频电源、整流滤波电路和高频逆变电路组成，其中整流滤波电路的拓扑结构如图2所示，它采用电容滤波的三相桥式不可控整流电路，VD1～VD6是三相整流桥内的6个二极管，Cf为滤波电容；高频逆变电路的拓扑结构如图3所示，它采用电压型全桥逆变电路，逆变电路的开关器件(S1～S4)均为功率MOS管，其具体型号为IRFP4242(不限于此型号)，其中C1～C4是分别与S1～S4并联的电容，用于实现开关管的零电压开关，减小系统在工作过程中产生的开关损耗，提高高频电源的效率。
高频逆变电路的驱动电路框图如4所示。采用调频电路对系统的工作频率进行微调，该电路中有四个按键，每个按键两端都并联了一个0.1μF的防抖电容，四个按键用来控制DSP输出PWM信号的频率，可以实现PWM信号频率加/减1kHz或加/减0.1kHz。DSP核心板使用四个I/O口采集调频电路传来的电平信号，并根据被按下的按键改变输出PWM信号的频率，从而改变系统的工作频率。DSP输出的两路反相的PWM信号经光耦隔离电路送至MOSFET驱动电路。
采用光耦隔离电路是为了保证主电路发生故障时，DSP核心板一侧不受影响，要实现这一目的，光耦芯片两侧不能使用共地的电源。因此，使用干电池为按键电路和DSP核心板供电。由于干电池的电压为9V，DSP芯片的供电电压为3.3V，所以在电池组与DSP核心板之间增加了由稳压芯片LM1117构成的3.3V稳压电路。
光耦芯片另一侧的MOSFET驱动电路由15V开关电源直接供电，以实现光耦两侧供电电源的电气隔离。为驱动主电路中的四个开关管S1～S4，MOS管驱动电路中使用了两片IR公司的IR2110驱动芯片(不限于此驱动芯片)，其工作频率高达500kHz，最大偏置电压500V，可以满足系统对所需高频逆变电路的设计需要。
电能发射系统中的高升压比耦合线圈的结构形似特斯拉线圈，但是其高压线圈的两端使用导线连接，处于闭合状态。其中低压线圈和高压线圈均采用螺线管式绕法，低压线圈采用截面积7.85平方毫米的导线，绕制11匝，匝间距20mm，骨架采用外径315mm的PVC管；其高压线圈采用0.33mm的漆包线绕制约3822匝，骨架是外径160mm的PVC管。工频电源产生的工频交流电经整流滤波电路后，得到直流电，该直流电经高频逆变电路后得到高频交流电，该高频交流电施加到高升压比耦合线圈的低压线圈两端。
所述的电能接收系统由负载、整流滤波电路和高降压比耦合线圈组成，其中高降压比耦合线圈的构造与高升压比耦合线圈完全相同，负载为灯泡、充电器、电动机、逆变器等常见的用电设备。整流滤波电路的输入端口与高降压比耦合线圈的低压线圈的两端相连，整流滤波电路的输出端口与负载相连。该整流滤波电路采用电容滤波的单相桥式不可控整流电路，由于该系统的工作频率为150kHz左右，因此整流桥部分需使用快恢复的二极管，本发明的系统中使用了型号为DSEI2X61-06C(不限于此型号)的二极管模块，其反向恢复时间仅为35ns，可以满足高频整流电路的设计需求。

Claims (5)

1.一种带有高变比且高压线圈闭合的无线电能传输系统，其特征在于，该无线电能传输系统包括电能发射系统和电能接收系统；
所述的电能发射系统由高频电源和高升压比耦合线圈组成，并且耦合线圈中的高压线圈两端用导线连接，即处于闭合状态；其中，高频电源包括工频电源、整流滤波电路和高频逆变电路；整流滤波电路为电容滤波的三相桥式不可控整流电路；工频电源产生的工频交流电，经整流滤波电路和高频逆变电路后，得到高频交流电，该高频交流电施加到高升压比耦合线圈的低压线圈两端；
所述的电能接收系统由高降压比耦合线圈、整流滤波电路和负载组成；所述的高降压比耦合线圈两端用导线连接，处于闭合状态；整流滤波电路的输入端口与高降压比耦合线圈的低压线圈的两端相连，整流滤波电路的输出端口与负载相连；
所述的高升压比耦合线圈由低压线圈和高压线圈两部分组成，高压线圈的两端用导线连接，即处于闭合状态；所述的高压线圈和低压线圈采用螺线管式绕法，其缠绕的骨架的外径大于高压线圈所缠绕的骨架的外径；所述的低压线圈中的每匝线圈存在一定的间距，以提高每匝线圈之间的绝缘性能；
所述的高升压比是指1：30以上的升压比；
所述的低压线圈与高压线圈的匝数比在1：100以上。
2.根据权利要求1所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述的高降压比耦合线圈与所述的高升压比耦合线圈的构造相同或不同，但它们的固有频率是相同的。
3.根据权利要求1或2所述的无线电能传输系统，其特征在于，其中低压线圈和高压线圈均采用螺线管式绕法，低压线圈采用截面积7.85平方毫米的导线，绕制11匝，匝间距20mm，骨架采用外径315mm的PVC管；高压线圈采用0.33mm的漆包线绕制约3822匝，骨架是外径160mm的PVC管。
4.根据权利要求1或2所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述的高频逆变电路为电压型全桥逆变电路，主电路的四个功率开关管采用IRFP4242，功率开关管的驱动电路中使用IR2110驱动芯片。
5.根据权利要求3所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述的高频逆变电路为电压型全桥逆变电路，主电路的四个功率开关管采用IRFP4242，功率开关管的驱动电路中使用IR2110驱动芯片。
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