CN207926291U - 一种基于负电阻的ss型电场耦合无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于负电阻的SS型电场耦合无线电能传输系统，包括负电阻、原边谐振器、副边谐振器、耦合电容金属极板和负载R_L；原边谐振器包括串联连接的原边发射线圈和原边谐振电容C₁，原边发射线圈包括串联连接的原边电感L₁和原边线圈内阻R₁；副边谐振器包括串联连接的副边接收线圈和副边谐振电容C₂，副边接收线圈包括串联连接的副边电感L₂和副边线圈内阻R₂；耦合电容金属极板连接原边谐振器和副边谐振器，负电阻与原边谐振器相连，负载R_L与副边谐振器相连。本实用新型系统的结构更加简单，工作频率更高，当传输距离发生变化时，系统的工作频率自动满足本征频率，在一定的较远传输距离内可实现恒定高水平的传输效率，同时保持输出功率恒定。

Description

一种基于负电阻的SS型电场耦合无线电能传输系统

技术领域

本实用新型涉及无线电能传输的技术领域，尤其是指一种基于负电阻的SS型电场耦合无线电能传输系统。

背景技术

迄今为止，电能的主要传输方式是通过金属导线传输电能，通常需要两根及以上的导线为传导电流提供传输通道。传统的有线输电方式不仅需要大量的金属导线和复杂的架线工程，还不得不确保金属导线之间的绝缘要始终保持良好的状态，一旦发生短路等故障，就会因继电保护装置动作而造成停电事故，若保护装置失灵，则可能引起火灾、爆炸或触电等危险。而且这种有线输电方式还存在金属导体裸露、接触式电火花、老化、接触机构磨损等安全问题，在潮湿、水下、矿井、含易燃易爆气体的工作环境下，难以实现安全可靠的供电，且由于导线的束缚使得用电装置的灵活性大大降低。为了解决有线电能传输方式的局限性，无线电能传输的方式应运而生，不断被人们所重视，这种方式具有取电方便、节约金属资源和避免繁杂的架线工程等优点，同时解决了传统有线输电方式的缺陷。

电场耦合无线电能传输技术是目前研究最广泛的无线电能传输技术之一，相比较感应耦合无线电能传输技术而言，电场耦合无线电能传输技术可以实现同样等级的传输距离、输出功率和传输效率，但其能量传输形式是交互电场，能量的传输是将金属障碍物作为耦合极板的一部分来传输能量，而不被其所阻断，且电场基本被限制在耦合极板之间而存在，电磁干扰被大大减少。

目前，传统的空间电场耦合无线电能传输系统多采用IGBT和MOSFET管构成的桥式逆变器，同时配合不同的软开关算法来实现电能的无线传输，但其工作频率低、传输距离短。受功率开关管及电路拓扑结构等因素的制约，在现有的技术条件下，实现高频(MHz以上)、高可靠、大功率开关变换器还相当困难，且传统的空间电场耦合无线电能传输系统还存在系统的传输效率受传输距离的影响较大的问题，通常传输效率随着距离的增大而大大降低，不利于系统的实际应用。

负电阻是一种满足欧姆定律和串并联法则的有源组件。和电阻相反，负电阻的电压、电流基波的相位差为π，在电路中的功率为负，即向电路释放电能。负电阻具有多种实现方式，如利用正电阻和运放构成。以往负电阻多被用来提高反相放大器的输入阻抗，中和LC振荡回路的正电阻等，而很少当作电源来为电路供电。负电阻相比较高频逆变器，具有系统结构简单、无需使用MOSFET、可以达到很高工作频率等优点，因此可以解决目前高频逆变器无法进一步高频化的难题。并且系统的工作频率由电路中组件的取值所决定，在一工作频率下，系统的传输效率可以保持在很高的水平，且输出功率和传输效率在很长一段范围内随着距离的改变保持基本恒定，实现了无线电能的稳定传输。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种基于负电阻的SS型电场耦合无线电能传输系统，该系统的结构更加简单，工作频率更高，同时保证了系统工作在本征频率下，当传输距离发生变化时，系统的工作频率自动满足本征频率，在一定的较远传输距离内可实现恒定高水平的传输效率，同时保持输出功率恒定，实现了稳定的电能传输。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种基于负电阻的SS型电场耦合无线电能传输系统，所述系统包括负电阻、原边谐振器、副边谐振器、耦合电容金属极板和负载R_L；所述原边谐振器包括串联连接的原边发射线圈和原边谐振电容C₁，所述原边发射线圈包括串联连接的原边电感L₁和原边线圈内阻R₁，所述原边谐振器的原边谐振场具有谐振角频率和原边内阻损耗系数Γ₁＝R₁/2L₁；所述副边谐振器包括串联连接的副边接收线圈和副边谐振电容C₂，所述副边接收线圈包括串联连接的副边电感L₂和副边线圈内阻R₂，所述副边谐振器的副边谐振场具有谐振角频率和副边内阻损耗系数Γ₂＝R₂/2L₂；所述耦合电容金属极板连接原边谐振器和副边谐振器；所述负电阻与原边谐振器相连，利用负电阻产生能量的性质，实现对系统的供电；所述负载R_L与副边谐振器相连，对应谐振场中负载损耗系数Γ_L＝R_L/2L₂；所述原、副边谐振器通过它们之间的耦合电容金属极板产生的电场来实现相互耦合，电场耦合强度用电场耦合系数κ来表示。

所述负电阻的电压、电流关系满足：v_R＝-R₀i_R，相位关系满足：其中，i_R为流过负电阻的电流基波，v_R为负电阻两端的电压基波，R₀为负电阻的阻值，为v_R与i_R之间的相位差；

所述负电阻的功率满足：P为负电阻的功率，-表明负电阻向外放出能量。

所述系统的本征角频率由原边内阻损耗系数、副边内阻损耗系数、负载损耗系数、电场耦合系数和原、副边谐振器的固有角频率确定。

所述原边谐振器的品质因数Q₁＝ω₁/2Γ₁至少大于100，所述副边谐振器的品质因数Q₂＝ω₂/2Γ₂至少大于100。

所述原、副边谐振器之间的耦合电容金属极板的电容量至少小于原边谐振电容C₁和副边谐振电容C₂的一个数量级。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、系统结构简单，负电阻的构造方式多种多样。

2、利用负电阻替代串联-串联型无线电能传输系统的高频功率源，可以有效解决目前高频、大功率开关变换器难以实现的技术难题。

3、系统工作频率由电路中组件值所决定。在这一工作频率下，系统可以保持很高的效率，实现稳定的无线电能传输。

4、系统的输出功率和传输效率对传输距离的变化不敏感，可实现稳定的无线电能传输。

附图说明

图1为实施方式中提供的系统电路图。

图2为系统本征频率与传输距离的关系图。

图3为实施方式中原边谐振器电流与副边谐振器的电流波形图。

图4为实施方式中原边谐振器电压与副边谐振器的电压波形图。

图5为实施方式中原、副边之间耦合电容金属极板的电压波形图。

图6为实施方案中传输效率和传输距离的关系图。

图7为实施方案中输出功率和传输距离的关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

本实用新型所提供的基于负电阻的SS型电场耦合无线电能传输系统，其基本原理是利用负电阻对系统进行供电，使系统工作在本征频率下，当传输距离和负载发生变化时，系统的工作频率会自动满足本征频率，在一定的较远传输距离内实现恒定高水平的传输效率，同时保持输出功率恒定，实现了稳定的电能传输，不仅解决了传统的电场耦合无线电能传输系统的传输效率随距离的增大而迅速下降的问题，还保持了恒定的功率输出。

如图1所示，所述的基于负电阻的SS型电场耦合无线电能传输系统，包括负电阻-R₀、原边谐振器、副边谐振器、耦合电容金属极板C₁₂和负载R_L；所述原边谐振器包括串联连接的原边发射线圈和原边谐振电容C₁，所述原边发射线圈包括串联连接的原边电感L₁和原边线圈内阻R₁，所述原边谐振器的原边谐振场具有谐振角频率和原边内阻损耗系数Γ₁＝R₁/2L₁；所述副边谐振器包括串联连接的副边接收线圈和副边谐振电容C₂，所述副边接收线圈包括串联连接的副边电感L₂和副边线圈内阻R₂，所述副边谐振器的副边谐振场具有谐振角频率和副边内阻损耗系数Γ₂＝R₂/2L₂；所述耦合电容金属极板C₁₂连接原边谐振器和副边谐振器；所述负电阻与原边谐振器相连，利用负电阻产生能量的性质，实现对系统的供电；所述负载R_L与副边谐振器相连，对应谐振场中负载损耗系数Γ_L＝R_L/2L₂；所述原、副边谐振器通过它们之间的耦合电容金属极板C₁₂产生的电场来实现相互耦合，电场耦合强度用电场耦合系数κ来表示。

所述原边谐振器的品质因数Q₁＝ω₁/2Γ₁至少大于100，所述副边谐振器的品质因数Q₂＝ω₂/2Γ₂至少大于100。

所述原、副边谐振器之间的耦合电容金属极板C₁₂的电容量至少小于原边谐振电容C₁和副边谐振电容C₂的一个数量级。

为了分析方便，令原边谐振器和副边谐振器的固有角频率、线圈内阻分别相等，即ω₁＝ω₂＝ω₀，Γ₁＝Γ₂＝Γ₀。系统的耦合模方程为

其中，a₁、a₂可以分别写成A₁e^iωt、A₂e^iωt，其中A₁、A₂分别为a₁、a₂的幅值。为负电阻系数，ω为系统的工作角频率。为电场耦合系数。为金属极板的耦合电容值。A为金属极板的面积。d为原、副边金属极板之间的距离。

由式(1)可求得本征频率值为

系统的模式解为

其中，

其中，系统的模式解中具有增益/衰减项导致模式a₁和a₂的模值发生改变。为了达到稳定，负电阻会自动对g₀进行调节，直至系统达到稳定。系统的稳定态分为两种情况：

当κ≥Γ₀+Γ_L时，令本征值的虚部为零，可以的到

g₀＝2Γ₀+Γ_L (5)

可以得到系统稳定时的本征角频率为

则

系统的传输效率为

由(8)式可知，系统的传输效率和电场耦合系数κ无关，即传输距离改变时，系统的传输效率保持不变。

系统的输出功率为

由(9)式可知，系统的输出功率和电场耦合系数κ无关，即传输距离改变时，系统的输出功率保持不变。

另一种情况下，有κ＜Γ₀+Γ_L。令本征值的虚部为零，可以得到：

可以得到系统稳定时的本征角频率为

ω＝ω₀ (11)

那么有

系统的传输效率为

系统的输出功率为

综上所述，系统的传输效率为

系统的输出功率为

由上述分析可知，若负电阻提供的电能完全由原边谐振器内阻、副边谐振器内阻和负载吸收，即g₀＝2Γ₀+Γ_L，当系统工作在κ≥Γ₀+Γ_L区域内，其工作频率为输出功率保持恒定不变，传输效率保持恒定不变，当系统工作在κ＜Γ₀+Γ_L区域内，其工作频率为ω＝ω₀，输出功率和传输效率均随发射电路与接收电路之间的电场耦合系数变化，分别为和

设原边谐振器和副边谐振器的固有频率为f₀＝1MHz，负电阻系数为G＝880，原边电感和副边电感均为L₀＝253μH，原边谐振电容和副边谐振电容均为C₀＝100pF，金属极板的边长为1m，为了使参数合理化，假设原边线圈内阻和副边线圈内阻均为R₀＝5Ω，负载电阻为R_L＝50Ω。

本实用新型的基于负电阻的SS型电场耦合无线电能传输系统的本征角频率由原边内阻损耗系数、副边内阻损耗系数、负载损耗系数、电场耦合系数和两谐振器的固有角频率确定。图2为系统本征频率与传输距离的关系图，从图中可见电路仿真结果同理论分析在误差允许范围内是相符的。

图3、图4和图5分别为当传输距离为1米，耦合电容C₁₂＝8.85pF时，原、副边谐振器的电流、电压和耦合电容C₁₂的电压波形图。

由式(15)可得系统的传输效率与传输距离的关系曲线如图6所示。其中，实心圆表示电路仿真的结果。由图6可知，当系统工作在在κ≥Γ₀+Γ_L区域内，其工作频率为传输效率保持恒定不变，当系统工作在κ＜Γ₀+Γ_L区域内，其工作频率为ω＝ω₀，传输效率随发射电路与接收电路之间的电场耦合系数变化，为

由式(16)可得系统的输出功率与传输距离的关系曲线如图7所示。其中，实心圆表示电路仿真的结果。由图7可知，当系统工作在在κ≥Γ₀+Γ_L区域内，其工作频率为输出功率保持恒定不变，当系统工作在κ＜Γ₀+Γ_L区域内，其工作频率为ω＝ω₀，输出功率随发射电路与接收电路之间的电场耦合系数变化，为

由上述分析可知，本实用新型的基于负电阻的SS型电场耦合无线电能传输系统，在负载和距离变化的情况下始终工作在本征频率，实现了频率的自动调节。并且在一定的距离范围内，系统可以保持输出功率和传输效率均恒定，实现稳定的电能传输。这相比传统的电场耦合无线电能传输系统，本实用新型具有结构简单、响应速度快，实现方法多样的优点，值得推广。

以上所述实施例只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于负电阻的SS型电场耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述系统包括负电阻、原边谐振器、副边谐振器、耦合电容金属极板和负载R_L；所述原边谐振器包括串联连接的原边发射线圈和原边谐振电容C₁，所述原边发射线圈包括串联连接的原边电感L₁和原边线圈内阻R₁，所述原边谐振器的原边谐振场具有谐振角频率和原边内阻损耗系数Γ₁＝R₁/2L₁；所述副边谐振器包括串联连接的副边接收线圈和副边谐振电容C₂，所述副边接收线圈包括串联连接的副边电感L₂和副边线圈内阻R₂，所述副边谐振器的副边谐振场具有谐振角频率和副边内阻损耗系数Γ₂＝R₂/2L₂；所述耦合电容金属极板连接原边谐振器和副边谐振器；所述负电阻与原边谐振器相连，利用负电阻产生能量的性质，实现对系统的供电；所述负载R_L与副边谐振器相连，对应谐振场中负载损耗系数Γ_L＝R_L/2L₂；所述原、副边谐振器通过它们之间的耦合电容金属极板产生的电场来实现相互耦合，电场耦合强度用电场耦合系数κ来表示。

2.根据权利要求1所述的一种基于负电阻的SS型电场耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述负电阻的电压、电流关系满足：v_R＝-R₀i_R，相位关系满足：其中，i_R为流过负电阻的电流基波，v_R为负电阻两端的电压基波，R₀为负电阻的阻值，为v_R与i_R之间的相位差；

所述负电阻的功率满足：P为负电阻的功率，-表明负电阻向外放出能量。

3.根据权利要求1所述的一种基于负电阻的SS型电场耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述系统的本征角频率由原边内阻损耗系数、副边内阻损耗系数、负载损耗系数、电场耦合系数和原、副边谐振器的固有角频率确定。

4.根据权利要求1所述的一种基于负电阻的SS型电场耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述原边谐振器的品质因数Q₁＝ω₁/2Γ₁至少大于100，所述副边谐振器的品质因数Q₂＝ω₂/2Γ₂至少大于100。

5.根据权利要求1所述的一种基于负电阻的SS型电场耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述原、副边谐振器之间的耦合电容金属极板的电容量至少小于原边谐振电容C₁和副边谐振电容C₂的一个数量级。