CN204947740U - 一种基于双e类功放的谐振式无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于双E类功放的谐振式无线电能传输系统，包括双E类功放模块、原边阻抗变换网络、副边阻抗变换网络、传输线圈模块、负载。其中双E类功放模块可以产生高频正弦波，作为系统的高频功率源。原边阻抗变换网络分别与双E类功放模块和发射线圈相连，保证传输线圈位置发生变化的情况下E类功放仍工作在最佳状态；副边阻抗变换网络分别与接收线圈和负载相连，可以实现双E类功放模块外部传输效率最高。本实用新型通过在谐振式无线电能传输系统的原边和副边分别添加阻抗变换网络，可以实现在线圈位置发生变化的情况下双E类功放仍处于最佳工作状态，同时获得最高传输效率，使得基于双E类功放的谐振式无线电能传输系统性能最佳。

Description

一种基于双E类功放的谐振式无线电能传输系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于双E类功放的谐振式无线电能传输系统，尤其涉及一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统。

背景技术

双E类功率放大电路，即双E类功放，工作频率可以达到MHz以上，电路结构相对简单，容易实现软开关，电能转换效率理论上可以达到100％，而且输出功率是同等条件下普通E类功放的4倍，因此特别适合作为谐振式无线电能传输系统的高频功率源。当双E类功放内部各元件参数设计恰当的时候，双E类功放不仅可以工作在零电压开关(ZVS)状态，而且可以实现零电压导数开通(ZDS)状态，这时双E类功放将工作在最佳状态，此时双E类功放的输出电阻就是最佳电阻R。

谐振式无线电能传输技术具有传输距离远、传输效率相对较高、非辐射性等特点，特别适合于中等距离的无线电能传输。其主要组成部分是传输线圈和负载，传输线圈一般靠自谐振或者外接电容达到谐振状态，从而实现电能的有效传输。但在实际应用中，传输线圈并不是理想线圈，要考虑其内阻，负载电阻也不是越大越好，它存在一个最佳值使得系统传输效率最高。

但是在实际的系统中，传输线圈位置容易发生变化，这将引起线圈间的互感发生变化，进而引起系统的综合性能恶化，具体表现在两个方面，即：第一，双E类功放外部传输效率最高时对应的最佳负载值发生变化，引起传输效率大幅下降；第二，双E类功放外部的等效电阻发生变化，不等于其最佳输出电阻R，导致双E类功放内阻无法实现ZDS(零电压导数开通)，甚至无法实现ZVS(零电压开通)，使得开关管电压、电流应力增大，损耗增加，甚至烧坏开关管。

为了解决以上问题，提出了如参考图1所示的一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统。通过在发射端和接收端分别添加适当的阻抗变换网络，本系统不仅可以保证在传输线圈位置发生变化的情况下双E类功放处于最佳工作状态，即满足ZVS和ZDS工作条件，而且可以使得双E类功放外部的谐振式无线电能传输效率达到最高，从而使得整个系统的性能最佳。并且在同等条件，双E类功放的输出功率是普通E类功放的4倍，这将大大提高谐振式无线电能传输系统的输出功率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服目前基于普通E类功放的谐振式无线电能传输系统输出功率较小的问题，以及解决目前基于双E类功放的谐振式无线电能传输系统存在几种实际问题，具体表现在：由于系统原来参数设计不合理，或者传输线圈位置发生变化时，双E类功放电路实际工作状态不佳，如开关管电压或者电流应力大，双E类功放内部损耗较大，以及外部的谐振式无线电能传输效率低下的问题。通过在发射线圈和接收线圈两侧分别添加适当的阻抗变换网络，不仅可以保证在线圈位置发生变化时双E类功放仍处于最佳工作状态，同时保证双E类功放外部的传输效率最高，从而使得整个系统的工作性能最佳，另外系统的输出功率也增加为基于普通E类功放的谐振式无线电能传输系统的4倍，负载获得功率大大增加。

本实用新型的目的至少通过如下技术方案之一实现：

一种基于双E类功放的谐振式无线电能传输系统，包括双E类功放模块、传输线圈模块、原边阻抗变换网络、副边阻抗变换网络及负载；其中双E类功放模块由直流电压源、第一扼流电感、第二扼流电感、第一驱动信号、第二驱动信号、第一开关管、第二开关管、第一反向续流二极管、第二反向续流二极管、第一并联旁路电容、第二并联旁路电容、滤波电感、滤波电容组成，双E类功放模块的输出端产生高频正弦交流电，作为谐振式无线电能传输系统的高频功率源；传输线圈模块包括发射线圈和接收线圈，其中发射线圈等效为由发射线圈内阻、发射线圈电感和发射线圈谐振电容形成的RLC串联谐振模式，接收线圈等效为由接收线圈内阻、接收线圈电感和接收线圈谐振电容形成的串联谐振模式；原边阻抗变换网络的输入端与双E类功放模块的输出端相连，输出端与传输线圈模块中的发射线圈相连；副边阻抗变换网络的输入端与传输线圈模块中的接收线圈相连，输出端与负载相连。

进一步地，双E类功放模块工作在最佳状态时，即满足零电压开通(ZVS)和零电压导数开通(ZDS)条件，此时双E类功放模块的等效输出电阻就是其对应的最佳输出电阻；双E类功放模块内部的第一开关管由高频驱动信号来驱动；第二开关管由高频驱动信号来驱动，第一开关管和第二开光管各自驱动信号的作用下互补导通，交替关断；高频驱动信号的频率即系统频率f的范围为0.5MHz-50MHz之间，开关管的占空比D＝0.5。

进一步地，双E类功放模块中的滤波支路由滤波电感、滤波电容、等效输出电阻串联组成；滤波支路的品质因数Q一般在5-20范围内。

进一步地，发射线圈内阻和接收线圈内阻均包括欧姆内阻和辐射内阻；发射线圈和接收线圈满足关系：ω为系统角频率，满足ω＝2πf，L₄为发射线圈电感，C₄为发射线圈谐振电容，L₅为接收线圈电感，C₅为接收线圈谐振电容，即发射线圈和接收线圈在系统频率下发生串联谐振，另外发射线圈和接收线圈之间的互感大小为M，互感随着发射线圈和接收线圈之间的相对位置即传输线圈位置的变化而变化。

进一步地，所述负载为纯阻性质、阻感性质或者阻容性质。

进一步地，原边阻抗变换网络和副边阻抗变换网络中均由储能元件组成，不消耗电能，储能元件包括电容和电感，原边阻抗变换网络和副边阻抗变换网络的电路形式为L型、T型或∏型。其中，L型阻抗变换网络可以分为两种，即正L型和倒L型，正L型具有放大等效电阻的作用，倒L型具有减小等效电阻的作用。

进一步地，双E类功放模块外部的传输效率η在线圈位置确定的情况下存在一个最优负载R_L.Optimal，使得传输效率最高，这个最优负载电阻满足 $R_{L.Optimal}=\sqrt{R_{L5}^2+\frac{R_{L5}}{R_{L4}}{\left(\mathrm{\ω}M\right)}^2}.$

进一步地，当负载R_L不等于最优负载R_L.Optimal时，通过接收线圈和负载R_L之间添加的副边阻抗变换网络，使得从接收线圈输出端向负载看进去的等效电阻值为R_L.Optimal；由于副边阻抗变换网络N2不消耗电能，则等效电阻R_L.Optimal消耗的电能就等于负载R_L消耗的电能，即此时系统可以实现最高效率传输。

进一步地，双E类功模块外部的等效电阻R_eq满足：当传输线圈位置发生变化时，等效电阻R_eq也将发生变化，当R_eq不等于双E类功放模块最佳输出电阻R时，通过在双E类功放模块输出端和发射线圈的输入端之间添加原边阻抗变换网络，使得从高频功率源模块输出端向发射线圈看进去的等效电阻R′_eq满足：R′_eq＝R，则此时双E类功放模块的将工作在最佳状态，即满足ZVS和ZDS条件；由于原边阻抗变换网络由储能元件电容和电感构成，并不消耗电能，因此双E类功放模块输出的电能等于发射线圈的输入端消耗的电能。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和技术效果：

对于基于双E类功放的谐振式无线电能传输系统，通过在发射线圈和接收线圈两侧分别添加适当的阻抗变换网络，可以使得系统在传输线圈位置发生变化的情况下，一方面保证E类功放工作在最佳条件下，即满足ZVS和ZDS条件；另一方面，保持E类功放外部的电能传输效率最高，从而使得整个系统的性能最佳；此外，系统的输出功率是同等条件下基于普通E类功放系统的4倍，大大地提高了系统的输出功率。

附图说明

图1是本实用新型的基于双E类功放的谐振式无线电能传输系统。

图2a、图2b为阻抗变换网络的两种内部结构图(以L型为例)。

图3a、图3b分为为系统添加双端阻抗变换网络前后的仿真波形图。

具体实施方式

以下结合附图对实用新型的具体实施作进一步描述，但本实用新型的实施和保护不限于此。

如图1所示，一种基于双E类功放的谐振式无线电能传输系统包括双E类功放模块I、传输线圈模块II、原边阻抗变换网络N1、副边阻抗变换网络N2及负载R_L；其中双E类功放模块I由直流电压源V_CC、第一扼流电感L1、第二扼流电感L2、第一驱动信号Vg1、第二驱动信号Vg2、第一开关管S1、第二开关管S2、第一反向续流二极管VD1、第二反向续流二极管VD2、第一并联旁路电容C1、第二并联旁路电容C2、滤波电感L3、滤波电容C3组成，可以在输出端11’产生高频正弦交流电，作为谐振式无线电能传输系统的高频功率源；传输线圈模块II包括发射线圈TX和接收线圈RX，其中发射线圈TX等效为由发射线圈内阻R_L4、发射线圈电感L4和发射线圈谐振电容C4形成的RLC串联谐振模式，接收线圈RX等效为由接收线圈内阻R_L5、接收线圈电感L5和接收线圈谐振电容C5形成的RLC串联谐振模式，发射线圈TX和接收线圈RX之间的互感大小为M；原边阻抗变换网络N1的输入端与E类功放的输出端相连，输出端与模块II中的发射线圈TX相连；副边阻抗匹配网络N2的输入端与模块II中的接收线圈RX相连，输出端与负载R_L相连。

双E类功放模块的输出端口为11’；发射线圈TX的端口为33’，接收线圈RX的端口为44’，负载R_L的接入端为22’。原边阻抗变换网络N1的输入端接端口11’，输出端接发射线圈TX端口33’；副边阻抗变换网络N2的输入端接接收线圈RX端口44’，输出端接负载端口22’。

双E类功放模块I为整个谐振式无线电能传输系统提供电能，其输出波形为高频正弦波。副边阻抗变换网络N2通过设计合适的参数，可以使得从端口44’向右看进去的等效电阻值最佳负载值R_L.Optimal，R_L.Optimal满足表达式从而使得双E类功放模块外部的传输效率最高。在线圈位置发生变化，导致线圈互感改变的情况下，通过添加原边阻抗变换网络N1，可以使得从端口11’向右看进去的等效电阻等于双E类功放模块最佳输出电阻R，从而使得双E类功放模块工作在最佳状态，即可以实现零电压开通(ZVS)和零电压导数开通(ZDS)条件，从而使得整个基于双E类功放的谐振式无线电能传输系统工作性能最佳。

传输线圈的结构主要有平面盘式和空间螺旋式两种。平面盘式线圈的优点是占用空间小，便于实际安装，其实际应用较广；空间螺旋式线圈可以产生较为均匀的磁场。任何线圈均可等效为其内阻和其电感的串联形式，其内阻包括欧姆电阻和辐射电阻。如要实现线圈的谐振式无线电能传输，则一般需要串联外接谐振电容，使其满足RLC串联谐振频率等于系统角频率ω，并满足ω＝2πf；若在线圈寄生电容的作用下达到自谐振状态，且自谐振频率恰好等于系统频率，则无需添加外接电容。当然本实用新型包括各种类型的线圈，并不仅限于此。

如图2a、图2b所示，针对不同负载可以选用不同的阻抗变换网络，阻抗变换网络主要有L型、T型、∏型等类型，本实用新型暂以L型阻抗变换网络为例加以说明，但并不仅限于此。针对纯阻性负载R_L而言，通过添加L型阻抗变换网络，可以将其等效为任意目标电阻值R’。L型阻抗变换网络主要有两种连接方式，如图2a和图2b所示，其中储能元件X1和X2为电感和电容的组合(不能同时是电容或者电感)，图2a为正L型阻抗变换网络，其中电抗件X1、X2满足表达式：根据电抗值X可以设计出其对应的电容或电感值，如果X>0，则其对应一个电感元件，且电感值L满足：如果X<0，则其对应一个电容元件，且电容C满足：正L型阻抗变换网络可以将原电阻R等效为任意目标电阻R′，其中R′＞R；图3b为倒L型阻抗变换网络，其中电抗件X1、X2满足表达式：根据电抗值X可以设计出其对应的电容或电感值，如果X>0，则其对应一个电感元件，且电感值L满足：如果X<0，则其对应一个电容元件，且电容C满足：倒L型阻抗变换网络可以将原电阻R等效为任意目标电阻R′，其中R′＜R。

本系统设计方法的具体步骤如下：在已知双E类功放模块内部直流输入电压V_CC、工作频率f(开关频率)、占空比D、最佳输出电阻R、滤波支路品质因数Q、发射线圈电感L4和内阻R_L4、接收线圈电感L5和内阻R_L5、互感M、负载电阻R_L的条件下：(1)首先，设计出双E类功放模块的其它参数，即第一扼流电感L1、第二扼流电感L2、第一并联旁路电容C1、第二并联旁路电容C2、滤波电感L3和滤波电容C3的值。(2)调节发射线圈和接收线圈的谐振电容(C4、C5)，使其满足其中ω＝2πf，即此时系统达到谐振状态。(3)在线圈位置一定的情况，比较实际负载电阻R_L与系统最大效率传输时的最佳电阻值R_L.Optimal的大小若R_L＜R_L.Optimal，则在负载端添加正L型阻抗变换网络对其进行阻抗变换，并调节其内部储能元件的参数，使从端口44’看进去的等效电阻为R_L.Optimal；若R_L＞R_L.Optimal，则在负载端添加倒L型阻抗变换网络对其进行阻抗变换，并调节其内部储能元件的参数，使从端口44’看进去的等效电阻为R_L.Optimal。此时便可以实现E类功放外部传输效率最大。(4)在线圈位置一定的情况下，比较双E类功放模块外部等效电阻R_eq与最佳电阻R的大小(其中)：若R_eq＜R，则在高频功率源模块和发射线圈TX之间添加正L型阻抗变换网络对其进行阻抗变换，并调节其内部储能元件的参数，使从端口11’向发射线圈看进去的等效电阻为R；若R_eq＞R，则在高频功率源和发射线圈TX之间添加倒L型阻抗变换网络对其进行阻抗变换，并调节其内部储能元件的参数，使从端口11’向发射线圈看进去的等效电阻为R。经过以上步骤设计，可以保证在线圈位置变化时双E类功放模块仍处于最佳工作状态，此时其输出功率为同等条件下普通E类功放的4倍，同时可以保证双E类功放模块外部的谐振式无线电能传输效率达到最高，因此可以实现整个基于双E类功放的谐振式无线电能传输系统的性能达到最佳。

按照以上设计步骤，这里给出一种基于双E类功放的谐振式无线电能传输系统样例，已知：直流输入电压V_CC＝30V，系统工作频率即开关频率f＝1MHz，占空比D＝0.5，双E类功放模块最佳输出电阻R＝10Ω，滤波支路品质因数Q＝10，发射线圈与接收线圈参数一致满足：L4＝L5＝36μH，R_L4＝R_L5＝1Ω，根据下列公式可以设计出其它参数值：

a.双E类功放模块中滤波电感

b.滤波电容

c.开关管并联旁路电容 $C_1=C_2=\frac{4}{(1+\frac{{\mathrm{\&pi;}}^2}{4})\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;2\mathrm{\&pi;}f\&CenterDot;R}=5.8nF$

d.扼流电感暂取L1＝L2＝120uH

e.传输线圈串联谐振电容C4＝C5＝703.6pF

假设发射线圈和接收线圈在一定相对位置下的互感大小M＝2.37uH，实际负载电阻R_L＝5Ω，则其仿真波形图如图3a所示，其中I3为发射线圈的电流，I4为接收线圈中的电流，I_S1、I_S2为通过开关管S1和S2的电流，V_S1、V_S2为开关管S1和S2两端的电压，可以看出，两个开关管并没有实现软开关，即不满足ZVS条件，开关管电流I_S1、I_S2有很大的峰值，此电流容易烧坏开关管S1和S2，其仿真值具体为：I3＝1.3A，I4＝3.965A，I_S1.max＝143.8A，I_S2.max＝147.6A，V_S1.max＝79.7V，V_S2.max＝81.8V。则可以算得此时双E类功放模块外部的传输效率而理论最大传输效率为87.4％，因此本系统既没有实现双E类功放模块外部传输效率最高，也没有保证双E类功放模块工作在最佳条件下，即不满足ZVS和ZDS条件。

根据公式可知，当传输线圈之间的互感M＝2.37uH时，其最佳负载值R_L.Optimal＝14.9Ω，此时E类功放外部的传输效率最高。而实际负载电阻R_L＝5Ω，因此需要添加副边阻抗变换网络N2对其进行阻抗变换，具体计算过程如下：由于R_L＜R_L.Optimal，则采用正L型阻抗变换网络N2，X1＝10.6Ω，X2＝-7Ω(暂取第一组解)，则其对应的电抗参数值分别为：L7＝1.685uH，C7＝22.6nF；同理，当添加副边阻抗变换网络N2以后，双E类功放模块外部的等效电阻值不等于其最佳负载值R(R＝10Ω)，因此需要添加原边阻抗变换网络N1对其进行阻抗变换，设计过程与N2相似，采用倒L型阻抗变换网络N1，X1＝-21.286Ω,X2＝7Ω(暂取第二组解)，则其对应的电抗参数值分别为：C6＝7.477nF，L6＝1.1uH。

图3b是系统添加阻抗变换网络后的仿真波形图，其中I3、V3为阻抗变换网络N1前的电流和电压，I4、V4为阻抗变换网络N2前的电流和电压，I_L4为接收线圈中的电流，I_L为通过负载电阻的电流，I_S1、I_S2为通过开关管S1和S2的电流，V_S1、V_S2为开关管S1和S2两端的电压，可以看出，阻抗变换网络N1和N2前的电流、电压同相位，说明它们将后面的电阻变换为了另一个电阻，另外，开关管S1和S2不仅实现了零电压开通(ZVS)，也近似实现了零电压导数开通(ZDS)。开关管电流I_S1、I_S2均没有出现尖峰，其仿真值具体为：I_L4＝3.7A，I4＝3.7A，I_L＝6.4A，I_S1.max＝10A，I_S2.max＝10A，V_S1.max＝108.6V，V_S2.max＝107.4V。则可以算得此时双E类功放模块外部的传输效率非常接近理论最大传输效率，因此通过添加双端阻抗变换网络N1和N2，本系统不仅实现了双E类功放模块外部传输效率最高，而且保证了双E类功放模块工作在最佳条件下，即满足ZVS和ZDS条件。

当传输线圈位置发生改变时，发射线圈和接收线圈之间的互感M将随之变化，但系统的设计思路与上述过程完全相同。

Claims (3)

1.一种基于双E类功放的谐振式无线电能传输系统，其特征在于包括双E类功放模块（I）、传输线圈模块（II）、原边阻抗变换网络（N1）、副边阻抗变换网络（N2）及负载（R_L）；其中双E类功放模块（I）由直流电压源（V_CC）、第一扼流电感（L1）、第二扼流电感（L2）、第一驱动信号（Vg1）、第二驱动信号（Vg2）、第一开关管（S1）、第二开关管（S2）、第一反向续流二极管（VD1）、第二反向续流二极管（VD2）、第一并联旁路电容（C1）、第二并联旁路电容（C2）、滤波电感（L3）、滤波电容（C3）组成，双E类功放模块的输出端（11’）产生高频正弦交流电，作为谐振式无线电能传输系统的高频功率源；传输线圈模块（II）包括发射线圈（TX）和接收线圈（RX），其中发射线圈（TX）等效为由发射线圈内阻（R_L4）、发射线圈电感（L4）和发射线圈谐振电容（C4）形成的RLC串联谐振模式，接收线圈（RX）等效为由接收线圈内阻（R_L5）、接收线圈电感（L5）和接收线圈谐振电容（C5）形成的RLC串联谐振模式；原边阻抗变换网络（N1）的输入端与双E类功放模块的输出端相连，输出端与传输线圈模块（II）中的发射线圈（TX）相连；副边阻抗变换网络（N2）的输入端与传输线圈模块（II）中的接收线圈（RX）相连，输出端与负载（R_L）相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于双E类功放的谐振式无线电能传输系统，其特征在于，双E类功放模块中的滤波支路由滤波电感（L3）、滤波电容（C3）、等效输出电阻（R）串联组成。

3.根据权利要求1所述的一种基于双E类功放的谐振式无线电能传输系统，其特征在于，原边阻抗变换网络（N1）和副边阻抗变换网络（N2）中均由储能元件组成，储能元件包括电容和电感，原边阻抗变换网络（N1）和副边阻抗变换网络（N2）的电路形式为L型、T型或∏型；其中，L型阻抗变换网络可以分为两种，即正L型和倒L型。