CN110061575A - 一种多负载功率均衡的无线电能传输系统及配置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种多负载功率均衡的无线电能传输系统及配置方法。本发明系统包括直流电源模块、发射端电能转换模块、源线圈、多个中继线圈、多个谐振补偿电容和多个分布式传感器负载。本发明系统的配置方法计算所述源线圈的谐振补偿电容以及所述中继线圈的谐振补偿电容；通过LCR测量表测量确定源线圈和中继线圈的电感、电容、电阻等参数和分布式传感器负载电阻；计算各负载功率均衡条件下相邻两中继线圈间互感；计算得到各中继线圈间相对位置。本发明能够为各种不同的距离上的多传感器负载提供均衡功率，同时具有传输效率高、传输距离长。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，尤其涉及一种多负载功率均衡的无线电能传输系统及配置方法。
背景技术
近年来，无线电能传输技术引起了国内外的广泛关注。现有的无线电能传输技术至少包括以下五个方向：电磁感应式、电磁共振式、微波式、超声波式及激光式。其中，磁耦合谐振式无线电能传输技术的原理是与音叉的共振原理相同：排列在一个磁场中的有相同振动频率的线圈，由于其振动频率特性相同也可以实现能量从一个线圈向另一个线圈的电能传输；特点是传输距离较远、可实现一对多传能，但传输效率偏低，适用于中等功率的中等距离传输。
因此，采用磁耦合谐振式无线电能传输技术对无线传感器进行充电，对电力系统和电力电子行业的发展具有重要的促进作用。此外，在无线传感器网络等实际应用中，由于传感器的分布式排列，往往需要在各种不同的距离上进行多负载传输。在这一背景下，我们提出一种应用于分布式传感器的、采用中继线圈实现的不同距离下为多负载提供均衡功率的无线电能传输系统及配置方法。
发明内容
本发明需要解决的问题是，设计一套供电稳定、易于维护、能够同时为不同距离下的多个负载提供均衡功率的分布式传感器无线电能传输系统，同时提供该应用于分布式传感器的多负载功率均衡无线电能传输系统的配置方法，为无线电能传输系统在中远距离下的多负载应用提供更为明确的指导。
本发明所采用的技术方案是，一种多负载功率均衡的无线电能传输系统，包括：直流电源模块、发射端电能转换模块、源线圈、N个中继线圈、N个谐振补偿电容和N个分布式传感器负载，N≥1且N为整数；
进一步地，所述的直流电源模块、发射端电能转换模块、源线圈依次串联连接，所述的第i中继线圈、第i谐振补偿电容、第i分布式传感器负载依次串联连接，i∈[1,N]；
作为优选，所述第i中继线圈不但起到中继谐振器的作用，还能起到功率接收器的作用，i∈[1,N]；
作为优选，所述直流电源模块用于提供稳定的直流电能，直流电能依次通过所述的源线圈、第i继线圈以磁耦合谐振式无线电能传输的方式，通过第i谐振补偿电容为第i分布式传感器负载供电，i∈[1,N]；
作为优选，所述源线圈和所述第一中继线圈、所述第二中继线圈、...、所述第N中继线圈不但可以呈直线排列，还可以呈曲线排列，或呈其他不规则线状排列；
作为优选，所述源线圈和所述第一中继线圈、所述第二中继线圈、...、所述第N中继线圈均为Bi2223/Ag带绕制的高温超导线圈，且均设计为平面式矩形结构，所述高温超导线圈的使用能够在同等电路参数下使系统具有更高的传输效率和更好的抗偏移能力。
一种多负载功率均衡的无线电能传输系统的配置方法，包含以下步骤：
步骤1，通过LCR测量表测量确定源线圈和第i中继线圈的电感、电容、电阻等参数和分布式传感器负载电阻，i∈[1,N]；
步骤2，计算所述源线圈的谐振补偿电容以及所述中继线圈的谐振补偿电容；
步骤3，计算各负载功率均衡条件下相邻两中继线圈间互感；
步骤4，计算得到各中继线圈间相对位置；
作为优选，步骤2中所述计算源线圈的谐振补偿电容满足：
其中，w表示应用于分布式传感器的多负载功率均衡无线电能传输系统的谐振频率，C0表示所述源线圈的谐振补偿电容，L0表示源线圈自感；
步骤2中所述计算中继线圈的谐振补偿电容满足：
其中，w表示应用于分布式传感器的多负载功率均衡无线电能传输系统的谐振频率，Ci表示所述第i中继线圈的谐振补偿电容，Li表示第i中继线圈自感；
作为优选，步骤3中所述计算各负载功率均衡条件下相邻两中继线圈间互感为：计算各负载功率均衡条件下的所述的第i-1中继线圈和所述的第i中继线圈间互感：
其中，Mi-1,i为各负载功率均衡条件下的所述的第i-1中继线圈和所述的第i中继线圈间互感，RL,i表示第i分布式传感器负载电阻，RL,i-1表示第i-1分布式传感器负载电阻，RL,k表示第k分布式传感器负载电阻，RL,k-1表示第k-1分布式传感器负载电阻，R0表示线圈内阻；
作为优选，步骤4中所述计算得到各中继线圈间相对位置满足：
其中，μ0表示真空磁导率，Ni-1表示所述的第i-1中继线圈的匝数，Ni表示所述的第i中继线圈的匝数，ri-1表示所述的第i-1中继线圈的半径，ri表示所述的第i中继线圈的半径，θ表示第一自变量，φ表示第二自变量，di-i,i表示所述的第i-1中继线圈和所述的第i中继线圈间相对距离，αi-i,i表示所述的第i-1中继线圈和所述的第i中继线圈间相对偏转角度，di-i,i和αi-i,i构成所述各中继线圈间相对位置；
上述应用于分布式传感器的多负载功率均衡无线电能传输系统的配置方法使不同传输距离下的中继线圈对应的负载能够接收到相同的传输功率，由于各负载电阻对应同一驱动电源和发射线圈，因而分布式无线传感器负载同样具有相同的传输效率。
本发明的有益效果是：能够为各种不同的距离上的多传感器负载提供均衡功率，同时具有传输效率高、传输距离长等特点，为无线电能传输系统在中远距离下的多负载应用提供了更为明确的指导。
附图说明
图1：本发明系统结构框图；
图2：是本发明一个实施例的源线圈和中继线圈结构和排布方式示意图；
图3：是本发明另一个实施例的源线圈和中继线圈结构和排布方式示意图；
图4：是本发明方法配置流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明具体实施方式系统所采用的技术方案是，一种多负载功率均衡的无线电能传输系统，包括直流电源模块、发射端电能转换模块、源线圈、N个中继线圈、N个谐振补偿电容和N个分布式传感器负载，N≥1且N为整数；
进一步地，所述的直流电源模块、发射端电能转换模块、源线圈依次串联连接，所述的第i中继线圈、第i谐振补偿电容、第i分布式传感器负载依次串联连接，i∈[1,N]；
所述第i中继线圈不但起到中继谐振器的作用，还能起到功率接收器的作用，i∈[1,N]；
所述直流电源模块用于提供稳定的直流电能，直流电能依次通过所述的源线圈、第i继线圈以磁耦合谐振式无线电能传输的方式，通过第i谐振补偿电容为第i分布式传感器负载供电，i∈[1,N]；
所述源线圈和所述第一中继线圈、所述第二中继线圈、...、所述第N中继线圈不但可以呈直线排列，还可以呈曲线排列，或呈其他不规则线状排列；
所述源线圈和所述第一中继线圈、所述第二中继线圈、...、所述第N中继线圈均为Bi2223/Ag带绕制的高温超导线圈，且均设计为平面式矩形结构，所述高温超导线圈的使用能够在同等电路参数下使系统具有更高的传输效率和更好的抗偏移能力。所述源线圈和所述中继线圈尺寸都为40cm×40cm，每相邻中继线圈)间距都为40cm。高温超导线圈的使用能够在同等电路参数下使系统具有更高的传输效率和更好的抗偏移能力。
如图2所示，所述源线圈和所述中继线圈呈直线排列。
如图3所示，所述源线圈和所述中继线圈呈“C”状曲线排列。
进一步地，对于本发明应用于分布式传感器的多负载功率均衡无线电能传输系统，源线圈和中继线圈还可以呈其他不规则线状排列，具体排布方式根据实际需求而定。
所述直流电源模块选型为48V直流电源；所述发射端电能转换模块选型为双倍频单相全桥逆变拓扑电路；
下面结合图1至图4介绍本发明的具体实施方式，一种多负载功率均衡的无线电能传输系统的配置方法，包含以下步骤：
步骤1，通过LCR测量表测量确定源线圈和第i中继线圈的电感、电容、电阻等参数和分布式传感器负载电阻，i∈[1,N]，N＝7；
步骤2，计算所述源线圈的谐振补偿电容以及所述中继线圈的谐振补偿电容；
步骤2中所述计算源线圈的谐振补偿电容满足：
其中，w表示应用于分布式传感器的多负载功率均衡无线电能传输系统的谐振频率，C0表示所述源线圈的谐振补偿电容，L0表示源线圈自感；
步骤2中所述计算中继线圈的谐振补偿电容满足：
其中，w表示应用于分布式传感器的多负载功率均衡无线电能传输系统的谐振频率，Ci表示所述第i中继线圈的谐振补偿电容，Li表示第i中继线圈自感；
步骤3，计算各负载功率均衡条件下相邻两中继线圈间互感；
步骤3中所述计算各负载功率均衡条件下相邻两中继线圈间互感为：计算各负载功率均衡条件下的所述的第i-1中继线圈和所述的第i中继线圈间互感：
其中，Mi-1,i为各负载功率均衡条件下的所述的第i-1中继线圈和所述的第i中继线圈间互感，RL,i表示第i分布式传感器负载电阻，RL,i-1表示第i-1分布式传感器负载电阻，RL,k表示第k分布式传感器负载电阻，RL,k-1表示第k-1分布式传感器负载电阻，R0表示线圈内阻；
步骤4，计算得到各中继线圈间相对位置；
步骤4中所述计算得到各中继线圈间相对位置满足：
其中，μ0表示真空磁导率，μ0＝4π×10-7N/A2，Ni-1表示所述的第i-1中继线圈的匝数，Ni表示所述的第i中继线圈的匝数，ri-1表示所述的第i-1中继线圈的半径，ri表示所述的第i中继线圈的半径，θ表示第一自变量，φ表示第二自变量，di-i,i表示所述的第i-1中继线圈和所述的第i中继线圈间相对距离，αi-i,i表示所述的第i-1中继线圈和所述的第i中继线圈间相对偏转角度，di-i,i和αi-i,i构成所述各中继线圈间相对位置。
上述应用于分布式传感器的多负载功率均衡无线电能传输系统的配置方法使不同传输距离下的中继线圈对应的负载能够接收到相同的传输功率，由于各负载电阻对应同一驱动电源和发射线圈，因而分布式无线传感器负载同样具有相同的传输效率。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
尽管本文较多地使用了直流电源模块、发射端电能转换模块、源线圈、中继线圈、谐振补偿电容、分布式传感器负载等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种多负载功率均衡的无线电能传输系统，其特征在于，包括：直流电源模块、发射端电能转换模块、源线圈、N个中继线圈、N个谐振补偿电容和N个分布式传感器负载，N≥1且N为整数；
所述的直流电源模块、发射端电能转换模块、源线圈依次串联连接，所述的第i中继线圈、第i谐振补偿电容、第i分布式传感器负载依次串联连接，i∈[1,N]。
2.根据权利要求1所述的多负载功率均衡的无线电能传输系统，其特征在于：
所述第i中继线圈不但起到中继谐振器的作用，还能起到功率接收器的作用，i∈[1,N]；
所述直流电源模块用于提供稳定的直流电能，直流电能依次通过所述的源线圈、第i继线圈以磁耦合谐振式无线电能传输的方式，通过第i谐振补偿电容为第i分布式传感器负载供电，i∈[1,N]；
所述源线圈和所述第一中继线圈、所述第二中继线圈、...、所述第N中继线圈不但可以呈直线排列，还可以呈曲线排列，或呈其他不规则线状排列；
所述源线圈和所述第一中继线圈、所述第二中继线圈、...、所述第N中继线圈均为Bi2223/Ag带绕制的高温超导线圈，且均设计为平面式矩形结构，所述高温超导线圈的使用能够在同等电路参数下使系统具有更高的传输效率和更好的抗偏移能力。
3.一种多负载功率均衡的无线电能传输系统的配置方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，通过LCR测量表测量确定源线圈和第i中继线圈的电感、电容、电阻等参数和分布式传感器负载电阻，i∈[1,N]；
步骤2，计算源线圈的谐振补偿电容以及中继线圈的谐振补偿电容；
步骤3，计算各负载功率均衡条件下相邻两中继线圈间互感；
步骤4，计算得到各中继线圈间相对位置。
4.根据权利要求3所述的负载功率均衡的无线电能传输系统的配置方法，其特征在于，步骤2中计算源线圈的谐振补偿电容满足：
其中，w表示应用于分布式传感器的多负载功率均衡无线电能传输系统的谐振频率，C0表示源线圈的谐振补偿电容，L0表示源线圈自感；
步骤2中计算中继线圈的谐振补偿电容满足：
其中，w表示应用于分布式传感器的多负载功率均衡无线电能传输系统的谐振频率，Ci表示第i中继线圈的谐振补偿电容，Li表示第i中继线圈自感。
5.根据权利要求3所述的负载功率均衡的无线电能传输系统的配置方法，其特征在于，步骤3中计算各负载功率均衡条件下相邻两中继线圈间互感为：计算各负载功率均衡条件下的的第i-1中继线圈和的第i中继线圈间互感：
其中，Mi-1,i为各负载功率均衡条件下的的第i-1中继线圈和的第i中继线圈间互感，RL,i表示第i分布式传感器负载电阻，RL,i-1表示第i-1分布式传感器负载电阻，RL,k表示第k分布式传感器负载电阻，RL,k-1表示第k-1分布式传感器负载电阻，R0表示线圈内阻。
6.根据权利要求3所述的负载功率均衡的无线电能传输系统的配置方法，其特征在于，步骤4中计算得到各中继线圈间相对位置满足：
其中，μ0表示真空磁导率，Ni-1表示的第i-1中继线圈的匝数，Ni表示的第i中继线圈的匝数，ri-1表示的第i-1中继线圈的半径，ri表示的第i中继线圈的半径，θ表示第一自变量，φ表示第二自变量，di-i,i表示的第i-1中继线圈和的第i中继线圈间相对距离，αi-i,i表示的第i-1中继线圈和的第i中继线圈间相对偏转角度，di-i,i和αi-i,i构成各中继线圈间相对位置。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190726 |
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