CN208299548U - 一种基于负电阻的混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混合无线电能传输系统，包括相连接的负电阻和发射电路以及相连接的接收电路和负载；发射电路包括与原边电路连接的耦合电极板及与该耦合电极板串联连接的发射线圈和原边补偿电容，发射线圈包括串联连接的原边电感和发射电路内阻；接收电路包括与副边电路连接的耦合电极板及与该耦合电极板串联连接的接收线圈和副边补偿电容，接收线圈包括串联连接的副边电感和接收电路内阻；发射电路和接收电路之间通过耦合电极板之间的电场耦合以及发射、接收线圈之间的磁场耦合两种方式同时向负载供电，实现无线电能传输。本实用新型可增加耦合系统的传输距离，实现大功率、远距离、稳定的无线电能传输。

Description

一种基于负电阻的混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混合无线电能传输系统。

背景技术

传统的有线输电方式由于需要大量的金属导线和繁冗的架线工程，具有降低用电装置灵活性、受工作环境影响大等很明显的缺点。为了解决传统电能传输方式的局限性问题，无线电能传输技术已在多年前被提出。这种方式取电方便、节约金属资源且无需繁杂的架线工程，弥补了传统有线输电方式的缺陷。

无线电能传输技术主要包括磁场耦合式、电场耦合式和微波式等。微波式虽然传输距离可以达到很远，但效率极低、功率小且耗散严重，目前应用较少。在实际应用场合，磁场耦合式和电场耦合式由于传输功率较大、效率较高，近年来被研究较多。但这两种方式的传输性能均严重受传输距离的限制。随着距离增大，传输效率将大大降低，不利于系统的实际应用。目前，电场耦合式无线输电的传输距离多在厘米等级，磁场耦合式的传输距离多在几十厘米的等级。如何有效提高无线电能传输的距离并保持系统的高效性是该技术目前面临的一个重要难题。

此外，传统的无线电能传输系统中，为了满足高频化、高效化的发展趋势，通常采用开关型驱动源(功率放大器)如D类、E类功率放大器，但其只能应用于小功率场合；大功率场合采用IGBT和MOSFET管构成的桥式逆变器，配合不同的软开关算法来实现电能传输，但其工作频率低、传输距离短。

负电阻是一种满足欧姆定律和串并联法则的有源组件，在电路中的功率为负，向电路释放电能，其具有多种实现方式，如利用正电阻和运放构成。负电阻相比较高频逆变器，具有系统结构简单、无需使用MOSFET、可以实现高频等优点。

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混合无线电能传输系统，将负电阻作为系统功率源，结合磁场耦合和电场耦合两种无线输电方式同时向负载供电，增加了传统电场耦合和磁场耦合无线输电的传输距离，且系统的传输功率高，传输效率可以保持在很高的水平，且在长距离范围内随着距离的改变保持基本恒定，大大降低其对传输距离的敏感性，实现系统电能的稳定传输。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种基于负电阻的混合无线电能传输系统，包括相连接的负电阻和发射电路以及相连接的接收电路和负载；所述发射电路包括与原边电路连接的耦合电极板及与该耦合电极板串联连接的发射线圈和原边补偿电容，所述发射线圈包括串联连接的原边电感和发射电路内阻，所述发射电路内阻是指除副边反射到原边的电阻外的原边电路所有内阻之和，所述原边电感、原边补偿电容和发射电路内阻串联连接构成RLC 串联谐振电路；所述接收电路包括与副边电路连接的耦合电极板及与该耦合电极板串联连接的接收线圈和副边补偿电容，所述接收线圈包括串联连接的副边电感和接收电路内阻，所述接收电路内阻是指接收电路所有元件的内阻之和，所述副边电感、副边补偿电容和接收电路内阻串联连接构成RLC串联谐振电路；所述发射线圈和接收线圈同名端相反，它们之间通过磁场耦合传输电能，即所述发射线圈通过磁场耦合传递能量到接收线圈，所述发射电路的耦合电极板与接收电路的耦合电极板之间能够产生位移电流，即所述发射电路的耦合电极板通过电场耦合传递能量到接收电路的耦合电极板，这样电场和磁场传递的能量能够同时给负载供电。

所述负电阻的电压、电流关系满足：v_R＝-i_RR，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，R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：其中，P为负电阻的功率，负号表明负电阻向外放出能量，所述负电阻向电路提供电能，其参数还需满足：

当时，负电阻向外释放的能量完全由发射电路内阻、接收电路内阻和负载吸收，其中，L₁为原边电感的感值，L₂为副边电感的感值， R₁为发射电路内阻的阻值，R₂为接收电路内阻的阻值，R_L为负载的阻值。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、同时利用电场耦合和磁场耦合两种传输方式为负载进行无线供电，系统传输效率提高，传输距离增加。

2、利用负电阻替代传统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、系统结构简单，负电阻的构造方式多种多样。

4、系统工作频率由电路中组件值所决定，在这一工作频率下，系统可以在长距离范围内保持恒定的高效率，大大降低其对传输距离的敏感性，实现远距离、大功率的稳定的电能传输。

附图说明

图1为实施方式中提供的混合无线电能传输系统的电路图。

图2为实施方式中提供的混合无线电能传输系统的等效电路原理图。

图3为实施方式中负电阻的电压波形图。

图4为实施方式中负电阻的电流波形图。

图5为实施方式中负载的电压波形图。

图6为实施方式中负载的电流波形图。

图7为单电场耦合、单磁场耦合无线电能传输系统与实施方案中的混合无线电能传输系统的传输效率和传输距离的关系对比图。

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混合无线电能传输系统，其基本原理是同时利用电场耦合和磁场耦合两种传输方式为负载进行无线供电，使得系统传输效率提高，传输距离增加。此外，利用负电阻对外产生能量的性质实现对电路的供能，替代了传统无线电能传输系统中的高频功率源，从而有效解决了目前高频、大功率开关变换器难以实现的技术难题，使得系统的结构更加简单，工作频率更高，且能长距离范围内实现传输效率恒定，系统电能传输更稳定。

如图1所示，所述基于负电阻的混合无线电能传输系统，包括有相连接的负电阻-R和发射电路以及相连接的接收电路和负载；所述发射电路包括与原边电路连接的耦合电极板及与该耦合电极板串联连接的发射线圈和原边补偿电容 C₁，所述发射线圈包括串联连接的原边电感L₁和发射电路内阻R₁，所述发射电路内阻R₁是指除副边反射到原边的电阻外的原边电路所有内阻之和，所述原边电感L₁、原边补偿电容C₁和发射电路内阻R₁串联连接构成RLC串联谐振电路；所述接收电路包括与副边电路连接的耦合电极板及与该耦合电极板串联连接的接收线圈和副边补偿电容C₂，所述接收线圈包括串联连接的副边电感L₂和接收电路内阻R₂，所述接收电路内阻R₂是指接收电路所有元件的内阻之和，所述副边电感L₂、副边补偿电容C₂和接收电路内阻R₂串联连接构成RLC串联谐振电路；所述发射线圈和接收线圈同名端相反，它们之间通过磁场耦合传输电能，即所述发射线圈通过磁场耦合传递能量到接收线圈，所述发射电路的耦合电极板与接收电路的耦合电极板之间能够产生位移电流，表示成耦合电容C_s1、C_s2，即所述发射电路的耦合电极板通过电场耦合传递能量到接收电路的耦合电极板，这样电场和磁场传递的能量能够同时给负载供电。

图2为本实用新型上述系统的等效电路图。其中原边电感L₁与副边电感L₂同名端相反；耦合电容C_s1与C_s2表示成串联等效耦合电容C_s，表达式如下：

当与发射电路相连接的负电阻向系统提供电能时，其参数满足：

当时，负电阻向外释放的能量完全由发射电路内阻R₁、接收电路内阻R₂和负载R_L吸收。

系统的耦合模方程为：

式中，ω₀为发射电路、接收电路的固有角频率， 为负电阻增益系数；γ₁和γ₂分为别发射、接收电路的损耗率，且γ_L为负载系数；为发射、接收电路之间的耦合系数；为发射、接收电路之间的电容耦合系数；为发射、接收电路之间的电感耦合系数。

此处采用平板式耦合机构，则耦合电容大小与传输距离d的关系为：

其中S为耦合电极板有效面积，ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数。

发射、接收线圈之间的互感大小与传输距离的关系为：

其中N₁、N₂分别为发射、接收线圈的线圈匝数，r₁、r₂分别为发射、接收线圈的线圈半径，μ为磁导率。

系统的本征角频率为

当g＝γ₁+γ₂时，负电阻提供的能量完全由发射电路电阻R₁、接收电路电阻 R₂和负载R_L完全吸收。

假设系统的初始能量完全储存在发射电路谐振腔中，即设a₁(0)＝1， a₂(1)＝0，则可得到a₁与a₂的解析解如下：

则有

当κ≥γ₂，ω≠ω₀时，

当κ＜γ₂,ω＝ω₀时，

综上，系统的传输效率为

由以上方程可知，若负电阻提供的能量能够完全被发射电路内阻、接收电路内阻和负载电阻完全吸收，则当系统耦合系数满足条件κ≥γ₂时，系统工作角频率为传输效率保持恒定；当系统耦合系数满足条件κ＜γ₂时，系统工作角频率为ω₀，传输效率随着发射电路与接收电路之间耦合系数κ的改变而改变，表达式为

设发射线圈和接收线圈的固有频率为f₀＝1MHz，发射电路电感L₁和接收电路电感L₂均为0.25mH，原边补偿电容C₁和副边补偿电容C₂均为100pF，发射电路内阻R₁和接收电路内阻R₂均为10Ω，负载电阻R_L＝60Ω，发射、接收线圈匝数 N₁＝N₂＝5，线圈半径r₁＝r₂＝0.4m，耦合电极板有效面积S＝0.64m²。

负电阻的电压基波、电流基波关系满足：v_R＝-i_RR，相位关系满足：输出功率满足以电场耦合系数k_C＝0.0283，磁场耦合系数k_L＝0.0253，耦合系数k＝0.0536，传输距离d＝1m为例，由图3、图4可知负电阻的电压基波与电流基波的相位差为π，即向外释放电能。图5、图6为负载的电压电流波形，从图中可知负载可以获得稳定的电能。

由式(10)可得系统的传输效率与传输距离的关系曲线如图7中实线所示，分别为本实用新型所提系统效率曲线、单有电场耦合时(令k_L＝0)系统效率曲线和单有磁场耦合时(令k_C＝0)系统效率曲线。实心点是三种系统由PSIM环境下电路仿真得到的各不同传输距离处对应系统的传输效率，由此可见理论分析与仿真结果保持一致。在满足负电阻提供的电能完全由发射电路内阻、接收电路内阻和负载吸收，即在g＝γ₁+γ₂的条件下，当系统工作在κ≥γ₂区域内，传输效率保持恒定不变，当系统工作在κ＜γ₂区域内，传输效率随发射电路与接收电路之间的耦合系数变化，为此外，本实用新型所提系统由于同时利用两种耦合方式传输电能，使得系统在近距离处与基于负电阻的的单电场、单磁场耦合系统保持相同高效率，但临界传输距离增加，且远距离处传输效率远高于两种单耦合系统。

由上述分析可知，本实用新型的基于负电阻的混合无线电能传输系统，通过电场耦合无线电能传输和磁场耦合无线电能传输两种方法同时传输能量，增加了传统电场耦合和磁场耦合无线输电的传输距离，提高了传输效率；此外，负电阻具有释放功率的性质，向电路提供电能，有效地替代了高频逆变源的作用，使得系统的结构更加简单。在合适的参数条件下，系统传输功率大，传输效率在较远距离范围内保持基本恒定，大大降低了其对传输距离的敏感性，使得电能更稳定传输，有利于在更多场合的应用，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 (2)

1.一种基于负电阻的混合无线电能传输系统，其特征在于：包括相连接的负电阻和发射电路以及相连接的接收电路和负载；所述发射电路包括与原边电路连接的耦合电极板及与该耦合电极板串联连接的发射线圈和原边补偿电容，所述发射线圈包括串联连接的原边电感和发射电路内阻，所述发射电路内阻是指除副边反射到原边的电阻外的原边电路所有内阻之和，所述原边电感、原边补偿电容和发射电路内阻串联连接构成RLC串联谐振电路；所述接收电路包括与副边电路连接的耦合电极板及与该耦合电极板串联连接的接收线圈和副边补偿电容，所述接收线圈包括串联连接的副边电感和接收电路内阻，所述接收电路内阻是指接收电路所有元件的内阻之和，所述副边电感、副边补偿电容和接收电路内阻串联连接构成RLC串联谐振电路；所述发射线圈和接收线圈同名端相反，它们之间通过磁场耦合传输电能，即所述发射线圈通过磁场耦合传递能量到接收线圈，所述发射电路的耦合电极板与接收电路的耦合电极板之间能够产生位移电流，即所述发射电路的耦合电极板通过电场耦合传递能量到接收电路的耦合电极板，这样电场和磁场传递的能量能够同时给负载供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于负电阻的混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＝-i_RR，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，R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：其中，P为负电阻的功率，负号表明负电阻向外放出能量，所述负电阻向电路提供电能，其参数还需满足：

当时，负电阻向外释放的能量完全由发射电路内阻、接收电路内阻和负载吸收，其中，L₁为原边电感的感值，L₂为副边电感的感值，R₁为发射电路内阻的阻值，R₂为接收电路内阻的阻值，R_L为负载的阻值。