CN203014500U - 一种无线电力传输装置 - Google Patents

Abstract

一种无线电力传输装置，由平行放置的发射线圈（10）、发射端放大线圈（20）、接收端放大线圈（30）、接收线圈（40）四个线圈构成，四个线圈都并联可变的谐振补偿电容（C1、C2、C3、C4）。所述的发射线圈（10）与发射端放大线圈（20）构成发射装置，接收端放大线圈（30）与接收线圈（40）构成接收装置。

Description

一种无线电力传输装置

技术领域

本实用新型涉及一种大功率高效率的无线电力传输设备。 

背景技术

无线电力传输应用前景广泛，但现有的无线电力传输装置功率小，效率低，传输距离很近，主要应用于电子设备充电场合，这种技术很难在大功率场合使用。 

无线电力传输应用于如大功率场合（如电动汽车充电）意义重大，也是近年来的研究热点。但这种应用场合要求无线电力传输功率至少达到KW级，这个级别的功率传输必须要求有很高的输电效率，否则不仅会产生巨大的能量损失，装置的散热也是一个很难解决的问题。现有的无线电力传输方案无法满足这种大功率场合。 

2006年11月美国麻省理工学院(MIT)物理系助理教授MarinSoljacic研究小组提出了磁耦合谐振技术，并于2007年6月进行了实验验证，相隔2.16m隔空将一只60W灯泡点亮，效率为40%。但60W的功率传输仍然远远不能满足大功率场合KW级的功率需求，而且文章中所提到的10MHz左右的工作频率也也给无线电力传输装置中的大功率开关电源功率的设计带来了困难。 

磁耦合谐振技术提出后，许多基于这种技术的无线电力传输方案相继被提出，它们的一个共同特点为：为了改善性能，将线圈工作在谐振点上。但当线圈并联谐振补偿电容时，如果线圈和并联电容工作在谐振点上，它所承受的电压将非常高，这给设备的绝缘能力提出了更高的要求。 

中国专利申请CN102227860A“非接触电力传输装置及其设计方法”采用麻省理工学院(MIT)的设计结构，将第二线圈和第三线圈工作在谐振状态，谐振频率为2～7MHz，将这种结构用在大功率的场合将产生以下3个问题：1.如此高频率的大功率开关电源设计困难；2.第一线圈和第四线圈与其它线圈的互感会对谐振点造成干扰；3.如果第二线圈和第三线圈完全工作在谐振点上，这两个线圈以及这两个线圈并联电容的电压将会非常高。 

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种大功率的无线电力传输装置，以解决当前无线电力传输技术很难应用于大功率场合（如电动汽车充电）的问题。 

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种大功率的无线电力传输装置，包括高频电源、负载、发射线圈、发射端放大线圈、接收端放大线圈、接收线圈以及这四个线圈上并联的谐振补偿电容。 

所述的无线电力传输装置包括并联有第一并联谐振补偿电容器的发射线圈，并联有第二并联谐振补偿电容器的发射端放大线圈，并联有第三并联谐振补偿电容器的接收端放大线圈，以及并联有第四并联谐振补偿电容器的接收线圈；电能由串联在所述装置前端的高频电源流向发射线圈，发射端放大线圈，接收端放大线圈和接收线圈，供串联在所述装置后端的负载使用。 

发射线圈与发射端放大线圈构成发射装置，接收端放大线圈与接收线圈构成接收装置。 

所述的发射线圈、发射端放大线圈、接收端放大线圈和接收线圈大小相同，平行放置。四个线圈的中心位于同一中心轴线上，依次摆放顺序为发射线圈、发射端放大线圈、接收端放大线圈、接收线圈，或接收线圈、接收端放大线圈、发射端放大线圈、发射线圈。 

发射线圈与发射端放大线圈之间的距离，以及接收线圈和接收端放大线圈之间的距离较近，小于10mm。发射端放大线圈和接收端放大线圈之间的距离较大，在100mm至500mm之间。 

所述的发射线圈、发射端放大线圈、接收端放大线圈和接收线圈这四个线圈均为空心线圈，可采用圆形或正方形、六边形、八边形等正多边形形状。线圈绕制成多匝，可绕成螺旋状也可以绕成盘状。线圈可采用单股漆包线、多股漆包线绕制，漆包线材质可为铜、银、镀银铜线等。 

四个线圈均并联谐振补偿电容，以放大磁场，提高线圈之间的磁场耦合程度。各个线圈与各自并联的谐振补偿电容构成的LC电路。所述的LC电路不一定工作于固有谐振点，根据发射功率和距离，可以在谐振点附近进行调节。发射线圈与其谐振补偿电容的固有谐振频率，以及接收线圈与其谐振补偿电容的固有谐振频率离谐振点较远；发射端放大线圈与其谐振补偿电容的固有谐振频率，以及接收端放大线圈与其谐振补偿电容的固有谐振频率较为靠近谐振点。 

本实用新型无线电力传输装置可工作在20kHz至500kHz频率之间。可以根据无线电力传输的功率和传输距离、本装置前端串联高频交流电源的输出阻抗、本装置后端串联负载的阻抗、各线圈允许的最大电压值等因素来调节无线电力传输装置中各线圈的并联补偿电容值、线圈匝数、线圈尺寸，使无线电力传输装置达到最佳工作点。 

本无线电力传输装置工作时，发射线圈将本装置前端串联的高频电源输出的电能转化为磁场能量，并通过磁场耦合原理将能量传递至发射端放大线圈，发射端放大线圈利用其低阻 抗的特性，将磁场放大并传递至接收端放大线圈，接收端放大线圈利用其低阻抗的特性，将接收到的磁场进一步放大，并通过磁场耦合传递给接收线圈，接收线圈将磁场能量转化为电能输出至负载。发射线圈和发射端放大线圈利用各自的谐振补偿电容，有效提高相互间的耦合程度，并将电能转化为磁场能发射出去。接收端放大线圈和接收线圈利用各自的谐振补偿电容，有效接收到的磁场能并转化为电能。发射线圈、发射端放大线圈、接收端放大线圈、接收线圈均起到了磁场放大作用，各自的放大倍数可以通过各个并联谐振补偿电容进行调整，并联谐振补偿电容与线圈电感的固有谐振频率与电源频率越接近，线圈对磁场的放大倍数越高。 

线圈放大倍数提高将增加线圈的电流和并联电容的电压，给本无线电力传输装置工作的安全稳定带来威胁，为此提出了在满足功率传输要求的前提下，通过降低各线圈的放大倍数，降低各线圈的电流和电压。 

有益效果：与现有的无线电力传输技术相比，本实用新型具有如下优点： 

1.工作频率低。同类技术工作频率大多在数MHz甚至数十MHz，如此高频率的大功率开关电源设计困难，而本实用新型的最高设计频率为500kHz，这种频率的开关电源设计简单，输出功率大，效率高。 

2.对各部件的耐压能力和设备的绝缘要求降低。本实用新型从无线电力传输装置的安全和稳定角度出发设计，大大降低了无线电力传输装置各部分的电压值，降低了绝缘成本。 

3.传输距离远。传输距离为100mm至500mm之间。 

4.传输功率大，效率高。能传输数KW的电能，效率达到85%以上。 

附图说明

图1是本装置的结构图，图中：10发射线圈，C1第一并联谐振补偿电容器，11高频交流电源，20发射端放大线圈，C2第二并联谐振补偿电容器，30接收端放大线圈，C3第三并联谐振补偿电容器，40接收线圈，C4第四并联谐振补偿电容器，41负载。 

图2为本装置的电路原理图。 

具体实施方式

如图1所示，本实用新型装置由4个带谐振补偿电容的线圈构成，线圈之间以气隙耦合，发射线圈前端有高频交流电源11，接收线圈后端接负载41。 

发射线圈10与发射端放大线圈20构成发射装置，接收端放大线圈30与接收线圈40构成接收装置。 

作为一种实施例，将发射线圈10、发射端放大线圈20、接收端放大线圈30、接收线圈40等4个线圈都绕成直径为500mm的螺旋状线圈。线圈由多股漆包线绕成，发射线圈10 和接收线圈40绕制匝数为2匝，发射端放大线圈20与接收端放大线圈30绕制匝数为5匝。发射线圈10与发射端放大线圈20之间的距离小于5mm，同样，接收线圈40与接收端放大线圈30之间的距离小于5mm。发射端放大线圈20与接收端放大线圈30之间的距离为250mm。4个所述的线圈平行放置，4个所述的线圈的中心位于同一轴线上。当然，这种结构仅仅是一种范例，线圈的大小，形状、匝数、距离、材料可以根据实际情况不同而调整。 

如图2所示，将市电经过变频后得到的高频交流电压输入发射线圈10，接收线圈40的后端接负载41。通过调节发射线圈10上的第一并联谐振补偿电容C1、发射端放大线圈20上的第二并联谐振补偿电容C2、接收端放大线圈30上的第三并联谐振补偿电容C3和接收线圈40上的第四并联谐振补偿电容C4来找到一个最合适的工作点，使最大传输功率，传输效率值，各线圈和电容的电压值均能满足设计要求。 

一般来说，通过调节发射端放大线圈20的第二并联补偿电容C2和接收端放大线圈30上的第三并联谐振补偿电容C3，当20，C2和30，C3的固有谐振频率与电源频率越接近时，本实用新型装置的最大传输功率和效率越能得到更好的表现，但同时这两个线圈20，30上流过的的电流及其并联谐振补偿电容C2、C3承受的电压将增大。为保证效率和最大传输功率，发射端放大线圈20与第二并联谐振补偿电容C2的固有谐振频率

接收端放大线圈30与第三并联谐振补偿电容C3的固有谐振频率

与电源频率f₀的偏差小于30%，即和

其中L₂，L₃分别为发射端放大线圈20与接接收端放大线圈30的电感量；C₂，C₃分别表示第二谐振补偿电容和第三谐振补偿电容；f₀，f₁，f₂分别表示高频交流电源12输出电压的频率，发射端放大线圈20与第二并联谐振补偿电容C2的固有谐振频率和接收端放大线圈30与第三并联谐振补偿电容C3的固有谐振频率。 

由于必须限制线圈上的电压，发射端放大线圈和接收端放大线圈的放大倍数不能过大，这会限制装置的效率和最大传输功率。这种情况下可以通过增大发射线圈和接收线圈的放大倍数来补偿。如图2所示，通过调节发射线圈10的第一并联谐振补偿电容C1和接收线圈40的第四并联谐振补偿电容C4，改变发射线圈10和接收线圈40的放大倍数，直至装置的效率和安全稳定性达到合理的范围。 

现以发射线圈10和发射端放大线圈20为例说明调节四个谐振补偿电容对降低线圈并联谐振补偿电容耐压值的作用。如图2所示，为保证磁场耦合强度，发射放大线圈10中电流 I_2.必须达到很大的值，但此时发射线圈10上并联的第一并联谐振补偿C2电容的电压 会达到很大，这时只有增大C₂才能减小U_C2的值，但必须保证增大C₂时不会减小I₂，这可以由调节发射线圈10上的第一并联谐振补偿电容C1来实现，原因如下：由于 $I_2=\frac{{\mathrm{jwMI}}_1}{Z_2+Z_1^{\′}}=\frac{\mathrm{jwMU}1}{(Z_1+Z_2^{\′})(Z_2+Z_1^{\′})}$

其中，Z₁＝jwL₁， $Z_2={\mathrm{jwL}}_2+\frac{1}{{\mathrm{jwC}}_2},$ $Z_1^{\′}=\frac{{\left(\mathrm{wM}\right)}^2}{\frac{1}{{\mathrm{jwC}}_2}\·Z_o/(\frac{1}{{\mathrm{jwC}}_2}+Z_o)+{\mathrm{jwL}}_1},$ $Z_2^{\′}=\frac{{\left(\mathrm{wM}\right)}^2}{Z2}$

当高频电源输出电压U1和不变时，I₂维持不变。为了降低C2电容的电压

可以通过增大C₂和调节C₁实现。因此调节C₁和C₂的值可以在维持发射端放大线圈中电流不变的情况下降低发射端线圈并联电容的电压值。 

以上公式中，I₂是发射端放大线圈20的电流；w是高频交流电源11的电压角频率；M是发射线圈10和发射端放大线圈20的耦合电感量；Z₁是指在不考虑其他线圈的条件下，发射线圈10自身的阻抗；Z₂是指在不考虑其他线圈的条件下，发射端放大线圈20和第二谐振补偿电容C2的并联阻抗；Z′₁是发射线圈10、第一谐振补偿电容C1和高频交流电源11的输出阻抗耦合到发射端放大线圈20的等效阻抗；U1是发射线圈10的输入电压；Z′₂是发射端放大线圈20、第二谐振补偿电容C2耦合到发射线圈10的等效阻抗；Z_o是本装置前端高频交流电源11的输出阻抗。 

Claims (6)

1.一种无线电力传输装置，其特征在于，所述的无线电力传输装置包括并联有第一并联谐振补偿电容器（C1）的发射线圈（10），并联有第二并联谐振补偿电容器（C2）的发射端放大线圈（20），并联有第三并联谐振补偿电容器（C3）的接收端放大线圈（30），以及并联有第四并联谐振补偿电容器（C4）的接收线圈（40）；电能由串联在所述装置前端的高频电源（11）流向发射线圈（10），发射端放大线圈（20），接收端放大线圈（30）和接收线圈（40），供串联在所述装置后端的负载（41）使用；所述的发射线圈（10）与发射端放大线圈（20）构成发射装置，接收端放大线圈（30）与接收线圈（40）构成接收装置。 

2.根据权利要求1所述的无线电力传输装置，其特征在于，所述的发射线圈（10）、发射端放大线圈（20）、接收端放大线圈（30）和接收线圈（40）的大小相同，发射线圈（10）、发射端放大线圈（20）、接收端放大线圈（30）和接收线圈（40）平行放置，发射线圈（10）、发射端放大线圈（20）、接收端放大线圈（30）和接收线圈（40）的中心位于同一轴线上；四个所述的线圈依次摆放顺序为发射线圈（10）、发射端放大线圈（20）、接收端放大线圈（30）、接收线圈（40），或接收线圈（40）、接收端放大线圈（30）、发射端放大线圈（20）、发射线圈（10）。 

3.根据权利要求1或2所述的无线电力传输装置，其特征在于，所述的发射线圈（10）和发射端放大线圈（20）之间的距离小于10mm，所述的接收端放大线圈（30）和接收线圈（40）的距离小于10mm；发射端放大线圈（20）和接收端放大线圈（30）之间的距离为100-500mm。 

4.根据权利要求1所述的无线电力传输装置，其特征在于，所述的第一并联谐振补偿电容（C1）、第二并联谐振补偿电容（C2）、第三并联谐振补偿电容（C3）和第四并联谐振补偿电容（C4）的大小可调，并可通过调节4个所述的并联谐振补偿电容的值改变4个线圈对磁场的放大倍数和并联谐振补偿电容（C1，C2，C3，C4）的电压。 

5.根据权利要求1所述的无线电力传输装置，其特征在于，所述装置工作的电压频率在20kHz至500kHz之间。 

6.根据权利要求1所述的无线电力传输装置，其特征在于，所述的发射端放大线圈（20）与第二并联谐振补偿电容（C2）的固有谐振频率与输入所述的装置电压频率的偏差小于30%，接收端放大线圈（30）与第三并联谐振补偿电容（C3）的固有谐振频率与输入所述装置电压频率的偏差小于30%。 

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