CN207968088U - 一种无接触电能传输系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种无接触电能传输系统，包括电源驱动电路、发射线圈电路、接收线圈电路、整流电路及负载，电源驱动电路的输入端连接直流电源；发射线圈电路包括第一谐振电容Cs和发射线圈电感Ls，电源驱动电路的输出端连接第一谐振电容Cs的两端，发射线圈电感Ls与第一谐振电容Cs并联；接收线圈电路包括第二谐振电容Ct和接收线圈电感Lt；整流电路的输入端连接接收线圈电感Lt，第二谐振电容Ct与接收线圈电感Lt并联；整流电路的输出端接负载；发射线圈电感Ls与接收线圈电感Lt相耦合。本实用新型可以实现电力的安全、远距离、大功率及高效率的无接触传输，其适用范围广泛，整体看起来更为简洁美观间。
Description
技术领域
本发明涉及无线电力输送技术领域，尤其涉及一种无接触电能传输系统。
背景技术
传统的直接接触式的电能传输方式由于存在摩擦、磨损和裸露导线等状况，容易产生接触式火花，从而使供电的安全性和灵活性受到了严重的影响，并且缩短了电气设备的使用寿命。再者，日益增加的传输电缆，不但破坏了城市环境的美感，同时带来了能量的传输损耗，昂贵的电缆费用也成为能量传输环节中的一个主要问题。
近年来随着传统的直接接触式的供电方式暴露出的一些弊端，集合了高频电力电子、电磁感应、电磁场、耦合理论等多学科的基础理论与应用技术的无接触电能传输技术受到了越来越多的关注。从无接触电力传输的原理分类，无接触电力传输方法可分为：电磁感应式无接触电力传输方法、微波式无接触电力传输方法。为了有效的实现电力传输，电磁感应式无接触电力传输方法中采用可分离电源变压器。而这种变压器的能量转换效率与气隙大小呈正比关系，因此也就限制了电力的传输距离(几到几十毫米)，实际只适用于小型的移动设备(如手机、多媒体播放器等)；微波式无接触电力传输方法电力传输功率高，但由于发送器、接收器必须被对准，并且不能穿过或绕过的障碍物，使能量传递的方向收到限制。一般情况下只用在特殊的场合，如太阳能电站，微波飞机，卫星和其他许多新的显著的科学和技术领域。
综合上述，在保证无接触电力传输功率的前提下，为使无接触电力传输的距离扩大、效率提高，必须采用新型、高效的电路系统。
实用新型内容
实用新型目的：为了实现电力的安全、远距离、大功率、高效率的无接触传输，本实用新型提供一种无接触电能传输系统。
技术方案：一种无接触电能传输系统，包括电源驱动电路、发射线圈电路、接收线圈电路、整流电路及负载，电源驱动电路的输入端连接直流电源；发射线圈电路包括第一谐振电容Cs和发射线圈电感Ls，电源驱动电路的输出端连接第一谐振电容Cs的两端，发射线圈电感Ls与第一谐振电容Cs并联；接收线圈电路包括第二谐振电容Ct和接收线圈电感Lt；整流电路的输入端连接接收线圈电感Lt，第二谐振电容Ct与接收线圈电感Lt并联；整流电路的输出端接负载；发射线圈电感Ls与接收线圈电感Lt相耦合。
优选的，所述电源驱动电路包括高频逆变电路单元、控制电路单元和驱动电路单元；高频逆变电路单元为全桥高频逆变电路，全桥高频逆变电路的输入端连接直流电源，全桥高频逆变电路的输出端连接发射线圈电路；控制电路单元采用CD4011四2输入与非门CMOS芯片，用于驱动驱动电路单元控制全桥高频逆变电路工作；驱动电路单元采用SG3525单片集成PWM控制芯片，用于发出驱动全桥高频逆变电路的PWM波信号，控制电路单元的输出端连接驱动电路单元的输入端，驱动电路单元的输出端连接全桥高频逆变电路的驱动端。
优选的，所述发射线圈电路采用密绕线圈结构。
优选的，所述接收线圈电路采用密绕线圈结构。
优选的，所述整流电路为桥式整流器。
优选的，全桥高频逆变电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4组成全桥，全桥的输入端连接直流电源，全桥的输出端连接第一谐振电容Cs；还包括第一寄生二极管D1、第二寄生二极管D2、第三寄生二极管D3、第四寄生二极管D4，第一寄生二极管D1、第二寄生二极管D2、第三寄生二极管D3、第四寄生二极管D4分别并联在第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4上；驱动电路单元与第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4的驱动端连接，用于驱动第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4通断。
优选的，第一谐振电容Cs的电容值与第二谐振电容Ct的电容值相等，发射线圈电感Ls的电感值与接收线圈电感Lt的电感值相等。
有益效果：本实用新型提供的一种无接触电能传输系统，可以实现电力的安全、远距离、大功率及高效率的无接触传输，其适用范围广泛，在小型家电、个人计算机、网络等方面，可极大的减小家庭和办公场所的电线、插头(座)和开关，整体看起来更为简洁美观；对于电动汽车，可以为电动汽车的无线充电、边走边充提供条件；同时在新能源发电系统、智能电网、移动小型机器人、人体植入式医疗仪器、油田矿业、水下作业、航天航空等领域也有着不可估量的发展空间。
附图说明
图1是无接触电能传输系统的整体结构示意图；
图2是无接触电能传输系统的能量传输框图；
图3是无接触电能传输系统中高频逆变电路单元结构图；
图4是无接触电能传输系统中发射线圈电路与接收线圈电路的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，无接触电能传输系统包括电源驱动电路、发射线圈电路、接收线圈电路、整流电路及负载，电源驱动电路的输入端连接直流电源；发射线圈电路包括第一谐振电容Cs和发射线圈电感Ls，电源驱动电路的输出端连接第一谐振电容Cs的两端，发射线圈电感Ls与第一谐振电容Cs并联；接收线圈电路包括第二谐振电容Ct和接收线圈电感Lt；整流电路为桥式整流器，其输入端连接接收线圈电感Lt，第二谐振电容Ct与接收线圈电感Lt并联；整流电路的输出端接负载；发射线圈电感Ls与接收线圈电感Lt相耦合。
所述电源驱动电路包括高频逆变电路单元、控制电路单元和驱动电路单元；高频逆变电路单元为全桥高频逆变电路，全桥高频逆变电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4组成全桥，全桥的输入端连接直流电源，全桥的输出端连接第一谐振电容Cs；还包括第一寄生二极管D1、第二寄生二极管D2、第三寄生二极管D3、第四寄生二极管D4，第一寄生二极管D1、第二寄生二极管D2、第三寄生二极管D3、第四寄生二极管D4分别并联在第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4上；驱动电路单元与第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4的驱动端连接，用于驱动第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4通断。
如图3所示，当开关管Q1、Q2导通时，输出电压Vo＝Vin；当开关管Q2截止时，因为电感上的电流不能突变，开关管Q3上受到反相信号不能够导通，寄生二极管D3导通续流，此时输出电压Vo＝0；当开关管Q1截止时，开关管Q3、Q4仍受反相信号截止，此时寄生二极管D4导通续流，输出电压为Vo＝-Vin；当开关管Q3、Q4导通，输出电压仍为Vo＝-Vin；当开关管Q3截止时，因为开关管Q2受反相信号截止，所以寄生二极管D2导通续流，Vo＝0。这样电源驱动电路便可输出高频交流电信号，从而进一步驱动随后的发射线圈模块。
控制电路与驱动电路单元为传统的开关电源电路的辅助电路，主要作用在于协助高频逆变电路得到高频交流信号。控制电路单元采用CD4011四2输入与非门CMOS芯片，用于驱动驱动电路单元控制全桥高频逆变电路工作；控制电路单元可以去除外界对PWM波的干扰，防止反射电流损坏PWM模块；驱动电路单元采用SG3525单片集成PWM控制芯片，由美国IR公司生产的IR2110驱动器组成，SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，有较强的驱动能力，内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比；用于发出驱动全桥高频逆变电路的PWM波信号，控制电路单元的输出端连接驱动电路单元的输入端，驱动电路单元的输出端连接全桥高频逆变电路中各开关管的驱动端，用于产生提供驱动开关管通断的PWM波信号。
所述发射线圈电路和接收线圈电路均采用密绕线圈结构，密绕线圈结构不易发生形变，从而保证了线圈中的电感和电容值分布均匀、线圈固有频率不改变，在保持不影响无线电能传输效率的同时使系统运行更加稳定。
发射线圈电路产生的磁场能量通过磁场耦合的形式向接收线圈电路传播能量。发射线圈的电感值由公式(1)计算。
式中，N为线圈匝数；μ0＝4π×10-7为真空磁导率(H/m)；R为线圈半径(m)；a为线圈导线半径(m)。
当发射线圈电感Ls和第一谐振电容Cs值确定后，发射线圈谐振电路的固有频率可由公式(2)计算而得。
如图4所示，发射线圈通过磁场耦合的形式将磁场能量传播到接收线圈中并转变为电场能量，激发接收线圈产生谐振现象。电场能量储存在第二谐振电容Ct中，磁场能量储存在接收线圈电感Lt中，它们彼此相等，且呈周期性振荡。为保证接收线圈电感Lt和第二谐振电容Ct构成LC并联谐振电路的谐振频率与发射线圈的固有频率相同，以达到两者共振的目的，要求第一谐振电容Cs的电容值与第二谐振电容Ct的电容值相等，发射线圈电感Ls的电感值与接收线圈电感Lt的电感值相等，即公式(3)。
Lt＝Ls，Ct＝Cs (3)
使得
ft＝fs (4)
整流电路采用了桥式整流的方式。输入电信号为正半周时，对D1、D3加正向电压，D1、D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止，形成上正下负的半波整流电压。输入电信号为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止，形成上正下负的另外半波的整流电压。如此重复下去，便得到全波整流电压。
如图2所示，电源驱动电路将外部直流稳压电源锁提供的直流电能转变为所需的高频交流电；发射线圈电路接收到电源驱动电路模块的高频交流信号后内部发生谐振，使电场能与磁场能高频相互转换，通过磁场耦合的形式向接收线圈模块提供能量，使其内部发生谐振；通过调节器件参数，使接收线圈模块的谐振频率与发射线圈相同。在磁场耦合的作用下接收线圈与发射线圈产生共振，实现线圈电路内部电场能与磁场能的高频相互转换，从而产生交流电能信号，整流电路将交流电能转变为直流电能以供直流设备负载使用；负载为整流电路的受端，是直接的电能消耗者，直接消耗来自整流电路模块的直流电能，可根据前端电源功率及该系统的传输功率自由设定。
Claims (7)
1.一种无接触电能传输系统，其特征在于，包括电源驱动电路、发射线圈电路、接收线圈电路、整流电路及负载，电源驱动电路的输入端连接直流电源；发射线圈电路包括第一谐振电容Cs和发射线圈电感Ls，电源驱动电路的输出端连接第一谐振电容Cs的两端，发射线圈电感Ls与第一谐振电容Cs并联；接收线圈电路包括第二谐振电容Ct和接收线圈电感Lt；整流电路的输入端连接接收线圈电感Lt，第二谐振电容Ct与接收线圈电感Lt并联；整流电路的输出端接负载；发射线圈电感Ls与接收线圈电感Lt相耦合。
2.根据权利要求1所述的无接触电能传输系统，其特征在于，所述电源驱动电路包括高频逆变电路单元、控制电路单元和驱动电路单元；高频逆变电路单元为全桥高频逆变电路，全桥高频逆变电路的输入端连接直流电源，全桥高频逆变电路的输出端连接发射线圈电路；控制电路单元采用CD4011四2输入与非门CMOS芯片，用于驱动驱动电路单元控制全桥高频逆变电路工作；驱动电路单元采用SG3525单片集成PWM控制芯片，用于发出驱动全桥高频逆变电路的PWM波信号，控制电路单元的输出端连接驱动电路单元的输入端，驱动电路单元的输出端连接全桥高频逆变电路的驱动端。
3.根据权利要求1或2所述的无接触电能传输系统，其特征在于，所述发射线圈电路采用密绕线圈结构。
4.根据权利要求1或2所述的无接触电能传输系统，其特征在于，所述接收线圈电路采用密绕线圈结构。
5.根据权利要求1或2所述的无接触电能传输系统，其特征在于，所述整流电路为桥式整流器。
6.根据权利要求2所述的无接触电能传输系统，其特征在于，全桥高频逆变电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4组成全桥，全桥的输入端连接直流电源，全桥的输出端连接第一谐振电容Cs；还包括第一寄生二极管D1、第二寄生二极管D2、第三寄生二极管D3、第四寄生二极管D4，第一寄生二极管D1、第二寄生二极管D2、第三寄生二极管D3、第四寄生二极管D4分别并联在第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4上；驱动电路单元与第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4的驱动端连接，用于驱动第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4通断。
7.根据权利要求1所述的无接触电能传输系统，其特征在于，第一谐振电容Cs的电容值与第二谐振电容Ct的电容值相等，发射线圈电感Ls的电感值与接收线圈电感Lt的电感值相等。
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| CN201820258929.8U CN207968088U (zh) | 2018-02-13 | 2018-02-13 | 一种无接触电能传输系统 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN114221448A (zh) * | 2021-03-30 | 2022-03-22 | 伏达半导体(合肥)有限公司 | 无线电能传输系统、无线电能传输装置及方法 |
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2018
- 2018-02-13 CN CN201820258929.8U patent/CN207968088U/zh active Active
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