CN214255869U - 一种具有恒定输出特性的中继线圈式多负载无线输电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有恒定输出特性的中继线圈式多负载无线输电系统，包括直流电源、至少2个发射装置、至少2个接收装置和1个中继装置，发射装置数量和接收装置数量相同，且一一对应；直流电源同时给所有发射装置供电，每个发射装置由依次相连的全桥逆变器、发射侧谐振电容、发射线圈、电流采样电路、过零比较器和驱动器组成，驱动器与全桥逆变器相连；每个接收装置均由串联在一起的接收线圈、接收侧谐振电容和负载组成；中继装置由串联在一起的中继线圈和谐振电容阵列组成，谐振电容阵列包含至少2条并联的谐振电容支路，谐振电容支路数量与发射装置和接收装置数量一致。本实用新型恒定输出，可为具有不同频率和功率需求的多个负载同时无线输电。

Description

一种具有恒定输出特性的中继线圈式多负载无线输电系统

技术领域

本实用新型涉及无线输电的技术领域，尤其是指一种具有恒定输出特性的中继线圈式多负载无线输电系统。

背景技术

与传统线缆输电技术相比，无线输电技术具有输电灵活方便、环境适应能力强、用户体验好等优势，广泛应用于便携式电子设备、电动汽车、家用电器以及植入式医疗设备等领域。现阶段，无线输电系统大多以单个负载的系统为主，只能进行“点对点”式的无线电能传输，存在系统利用率低、空间自由度低、位置敏感等缺陷。随着具有无线接收电能功能的电气电子产品日益增加，单负载无线输电系统已经不能满足多台设备同时需要无线供电的要求，亟需寻求一种能够为多个用电设备同时无线输电的系统。

多负载无线输电系统逐渐引起广泛关注，其具有带负载数量多、实用性更强等优点。为了提高无线输电的距离，国内外的学者提出带有中继线圈的多负载无线输电系统，中继线圈不仅作为能量传输的“接力棒”，而且同时作为接收线圈给自带的负载供电。中继线圈式的多负载无线输电系统可以根据实际应用需要，改变中继线圈的数量或者排列形态，传输距离远、适应性强。然而，现有系统由固定频率的交流电源驱动工作，只能为单一频率的多个负载供电；且各个负载之间通过线圈耦合相互关联，任意一个负载位置的变动，都会影响整个系统及各个负载的输出稳定性，无法保持恒定功率、恒定效率输出，空间自由度较低。而且，为了进一步提高传输距离，需要增加中继线圈的数量，带来系统体积庞大、损耗增大、可靠性降低等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术在多频率负载、空间自由度、恒定输出特性方面的缺点与不足，提出了一种具有恒定输出特性的中继线圈式多负载无线输电系统，可以同时为多个不同频率及不同功率需求的负载无线供电，且系统及各个负载在一定的条件下实现恒定功率、恒定效率输出，而与负载位置或方向无关，系统空间自由度高、鲁棒性强、传输距离远；负载数量可以随意增减、不同频率的负载相互独立，只采用单个中继线圈，电路结构简单，易于实现。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种具有恒定输出特性的中继线圈式多负载无线输电系统，所述系统包括直流电源、至少2个发射装置、至少2个接收装置和1个中继装置，所述发射装置的数量和接收装置的数量相同，且一一对应；所述直流电源同时给所有发射装置供电，每个发射装置由依次相连的全桥逆变器、发射侧谐振电容、发射线圈、电流采样电路、过零比较器和驱动器组成，所述驱动器与全桥逆变器相连；每个接收装置均由串联在一起的接收线圈、接收侧谐振电容和负载组成；所述中继装置由串联在一起的中继线圈和谐振电容阵列组成，其中，所述谐振电容阵列包含至少2条并联的谐振电容支路，所述谐振电容支路的数量与发射装置和接收装置的数量一致。

进一步，所述第i个发射装置的发射线圈和第i个接收装置的接收线圈的形状和大小一样，i＝1,2,……,n。

进一步，所有发射装置具有不同的固有谐振频率，即

各不相同，式中，f_Ti0为第i个发射装置固有谐振频率，L_Ti为第i个发射线圈的电感值，C_Ti为第i个发射装置的发射侧谐振电容值，i＝1,2,……,n。

进一步，所有接收装置具有不同的固有谐振频率，即

各不相同，式中，f_Ri0为第i个接收装置固有谐振频率，L_Ri为第i个接收线圈的电感值，C_Ri为第i个接收装置的接收侧谐振电容值，i＝1,2,……,n。

进一步，所述第i个发射装置和第i个接收装置一一对应，定义为一组，具有相同的固有谐振频率，即f_Ti0＝f_Ri0＝f_i0，式中，f_Ti0为第i个发射装置固有谐振频率，f_Ri0为第i个接收装置固有谐振频率，f_i0定义为第i组发射装置和接收装置的相同固有谐振频率，i＝1,2,……,n。

进一步，所述全桥逆变器的输出电压与流过发射线圈的电流相位相差180°，满足V_Ti＝-R_NiI_Ti，等效为一个阻值为-R_Ni的负电阻，且由于采用电流采样电路及过零比较器产生全桥逆变器的驱动信号的方式，-R_Ni能够自动调节，式中，V_Ti为第i个发射装置的全桥逆变器输出电压方波的有效值，I_Ti为流过发射线圈的电流的有效值，i＝1,2,……,n。

进一步，所述中继装置中叠加了所有发射装置的感应电流，即中继装置中的电流I_Z为n种频率感应电流叠加后的混合电流，I_Z＝I_Z1+I_Z2+…+I_Zn，式中I_Z为流过中继线圈的总电流，I_Zi为第i个发射装置在中继线圈上的感应电流，i＝1,2,……,n。

进一步，所述系统需要满足以下条件：

式中，ω_Ti0、ω_Zi0、ω_Ri0分别为第i个发射装置的固有谐振角频率、中继线圈串联第i条谐振电容支路的固有谐振角频率、以及第i个接收装置的固有谐振角频率，且

L_Ti和C_Ti分别为第i个发射装置的发射线圈电感值和发射侧谐振电容值，L_Z和C_Zi分别为中继装置的中继线圈电感值和第i条谐振电容支路的电容值，L_Ri和C_Ri分别为第i个接收装置的接收线圈电感值和接收侧谐振电容值；-R_Ni和r_Ti分别为第i个发射装置的等效负电阻和发射线圈等效内阻；R_Li和r_Li分别为第i个接收装置的负载电阻值和接收线圈等效内阻；k_i1为第i个发射装置的发射线圈与中继线圈的耦合系数，k_i2为第i个接收装置的接收线圈与中继线圈的耦合系数，且

其中M_Ti为第i个发射装置的发射线圈与中继线圈的互感值，M_Ri为第i个接收装置的接收线圈与中继线圈的互感值，i＝1,2,……,n；

所述第i个发射装置和第i个接收装置一一对应，定义为一组，且定义第i组发射装置和接收装置的临界耦合系数k_Ci为：

当

区域时，系统保持恒定输出，即输出功率P_oi和传输效率η_i与耦合系数k_i1和k_i2无关，且满足：

式中，V_Ti为第i个发射装置的全桥逆变器输出电压方波的有效值，且

V_dc为直流电源电压值；L_Ti和r_Ti分别为第i个发射装置的发射线圈电感值和发射线圈等效内阻；L_Ri为第i个接收装置的接收线圈电感值；R_Li和r_Li分别为第i个接收装置的负载电阻值和接收线圈等效内阻。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本实用新型可以同时为多个具有不同频率以及不同功率需求的用电设备同时供电，适用于负载多样化的场合，有效提高了实用性。

2、本实用新型在负载位置或方向变化时能保持恒定功率、恒定效率输出，提高了多负载无线输电系统的输出稳定性、空间自由度，系统鲁棒性强。

3、本实用新型仅使用了单个中继线圈，系统结构简单，易于实现。

附图说明

图1为本实用新型系统的结构示意图。

图2为本实用新型系统在第i个负载的等效电路图。

图3为本实用新型系统两个负载同时工作时，全桥逆变器输出电压方波v_Ti与发射侧回路电流i_Ti关系的仿真波形图。

图4a、4b分别为中继装置中的电流波形及电流频谱。

图5为本实用新型系统两个负载的输出功率和传输效率随耦合系数变化关系曲线的理论与仿真图。

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。

如图1所示，本实施例所提供的具有恒定输出特性的中继线圈式多负载无线输电系统，包括直流电源V_dc、至少2个发射装置、至少2个接收装置和1个中继装置；所述发射装置的数量和接收装置的数量相同，且一一对应，即第i个发射装置和第i个接收装置一一对应，定义为一组，i＝1,2,……,n；所述直流电源V_dc同时给所有发射装置供电，每个发射装置由依次相连的全桥逆变器01、发射侧谐振电容C_Ti、发射线圈L_Ti、电流采样电路02、过零比较器03和驱动器04组成，所述驱动器04与全桥逆变器01相连；每个接收装置均由串联在一起的接收线圈L_Ri、接收侧谐振电容C_Ri和负载R_Li组成；中继装置由串联在一起的中继线圈L_Z和谐振电容阵列05组成，其中，所述谐振电容阵列包含至少2条并联的谐振电容支路，所述谐振电容支路的数量与发射装置和接收装置的数量一致。

下面我们以上述系统具有两个负载为例作详细说明。本例中发射侧和接收侧均采用线圈与谐振电容串联结构，构成SS型拓扑。发射装置1和接收装置1具有相同的固有谐振频率f₁₀，发射装置2和接收装置2具有相同的固有谐振频率f₂₀，但是f₁₀≠f₂₀。系统参数设置为：直流输入电压V_dc＝25V，发射装置1和接收装置1的固有谐振频率f₁₀为100kHz，负载大小为R_L1＝5Ω；发射装置2和接收装置2的固有谐振频率f₂₀为300kHz，负载大小为R_L2＝15Ω。其中，任意一组负载系统的等效电路如图2所示，图中L_Ti和C_Ti分别为第i个发射装置的发射线圈电感值和发射侧谐振电容值，L_Z、C_Zi和r_Z分别为中继装置的中继线圈电感值、谐振电容值和等效内阻，L_Ri和C_Ri分别为第i个接收装置的接收线圈电感值和接收侧谐振电容值；-R_Ni和r_Ti分别为第i个发射装置的等效负电阻和发射侧回路等效内阻；R_Li和r_Li分别为第i个接收装置的负载电阻值和接收侧回路等效内阻；M_Ti为第i个发射装置的发射线圈与中继线圈的互感值，M_Ri为第i个接收装置的接收线圈与中继线圈的互感值(i＝1,2)。

由电流采样电路、过零比较器和驱动器构成自激振荡电路，全桥逆变器的输出电压与发射侧回路电流相位相差180°，满足V_Ti＝-R_NiI_Ti，等效为一个阻值为-R_Ni的电阻，两个负载同时工作时的仿真波形如图3所示，等效为图2中阻值为-R_Ni的电阻，且由于采用电流采样电路及过零比较器产生全桥逆变器的驱动信号的方式，-R_Ni能够自动调节(i＝1,2)。

由于电磁感应作用，两个发射线圈分别在中继线圈上感应出频率在f₁₀和f₂₀附近的感应电流，如图4a所示为中继线圈中流过的混合电流波形；对波形进行频谱分析，得到图4b所示频谱，验证了中继线圈的电流为两种频率电流的叠加。

由于每组发射装置和接收装置的固有谐振频率相差较大，因此可以忽略不同谐振频率装置之间的影响，整个系统可以看成两个具有不同固有谐振频率的中继线圈式单负载无线输电系统的叠加，如图2所示为其中任意一组中继装置的等效电路。根据图2所示的等效电路，再根据基尔霍夫电压定律，可以得到如下状态方程组：

式中，ω_i为该组装置的工作角频率，ω_Ti0、ω_Zi0、ω_Ri0分别为发射装置的固有谐振角频率、中继线圈串联第i条谐振电容支路的固有谐振角频率、以及接收装置的固有谐振角频率，且

且ω_Ti0＝ω_Zi0＝ω_Ri0；-R_Ni和r_Ti分别为第i个发射装置的等效负电阻和发射线圈等效内阻；L_Ti和C_Ti分别为第i个发射装置的发射线圈电感值和发射侧谐振电容值；L_Ri和C_Ri分别为第i个接收装置的接收线圈电感值和接收侧谐振电容值；L_Z、C_Zi和r_Z分别为中继装置的中继线圈电感值、谐振电容值和等效内阻；R_Li和r_Li分别为该组接收装置的负载电阻值和接收线圈等效内阻；

和

分别为该组装置发射线圈回路、中继线圈回路和接收线圈回路电流向量；k_i1为第i个发射装置的发射线圈与中继线圈的耦合系数，k_i2为第i个接收装置的接收线圈与中继线圈的耦合系数，且满足

其中M_Ti为第i个发射装置的发射线圈与中继线圈的互感值，M_Ri为第i个接收装置的接收线圈与中继线圈的互感值(i＝1,2)。

式(1)有非零解的条件为：

发射装置、中继装置和接收装置应满足以下条件：

由式(2)和式(3)可以得该系统的稳态频率解为：

由式(3)和式(4)进一步可得系统要有稳态频率解的耦合系数条件和负载需要满足的条件分别为：

由式(1)～(3)可得，当忽略中继线圈的内阻，即r_Z＝0时，k_i1＝k_i2，此时第i个接收装置的输出功率P_oi和传输效率η_i为：

由式(5)，定义第i组发射装置和接收装置的临界耦合系数k_Ci为：

由式(7)～(8)可以看出，当第i个接收装置工作在

区域时，该负载保持恒定输出，输出功率P_oi和传输效率ηi与耦合系数k_i1和k_i2无关。

对两个负载同时工作的系统进行仿真。如图5所示为两个负载的输出功率和传输效率分别随耦合系数k_i1和k_i2变化关系曲线的理论与仿真图，左边为负载1，右边为负载2，从图中可以看出，理论与仿真吻合。在耦合系数k_i1和k_i2大范围变化过程中，两个负载的输出功率和传输效率均保持恒定不变，有效提高了系统的空间自由度，具有更高的实际应用价值。

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 (8)

1.一种具有恒定输出特性的中继线圈式多负载无线输电系统，其特征在于，所述系统包括直流电源、至少2个发射装置、至少2个接收装置和1个中继装置，所述发射装置的数量和接收装置的数量相同，且一一对应；所述直流电源同时给所有发射装置供电，每个发射装置由依次相连的全桥逆变器、发射侧谐振电容、发射线圈、电流采样电路、过零比较器和驱动器组成，所述驱动器与全桥逆变器相连；每个接收装置均由串联在一起的接收线圈、接收侧谐振电容和负载组成；所述中继装置由串联在一起的中继线圈和谐振电容阵列组成，其中，所述谐振电容阵列包含至少2条并联的谐振电容支路，所述谐振电容支路的数量与发射装置和接收装置的数量一致。

2.根据权利要求1所述的一种具有恒定输出特性的中继线圈式多负载无线输电系统，其特征在于，所述第i个发射装置的发射线圈和第i个接收装置的接收线圈的形状和大小一样，i＝1,2,……,n。

3.根据权利要求1所述的一种具有恒定输出特性的中继线圈式多负载无线输电系统，其特征在于，所有发射装置具有不同的固有谐振频率，即

各不相同，式中，f_Ti0为第i个发射装置固有谐振频率，L_Ti为第i个发射线圈的电感值，C_Ti为第i个发射装置的发射侧谐振电容值，i＝1,2,……,n。

4.根据权利要求1所述的一种具有恒定输出特性的中继线圈式多负载无线输电系统，其特征在于，所有接收装置具有不同的固有谐振频率，即

各不相同，式中，f_Ri0为第i个接收装置固有谐振频率，L_Ri为第i个接收线圈的电感值，C_Ri为第i个接收装置的接收侧谐振电容值，i＝1,2,……,n。

5.根据权利要求1所述的一种具有恒定输出特性的中继线圈式多负载无线输电系统，其特征在于，所述第i个发射装置和第i个接收装置一一对应，定义为一组，具有相同的固有谐振频率，即f_Ti0＝f_Ri0＝f_i0，式中，f_Ti0为第i个发射装置固有谐振频率，f_Ri0为第i个接收装置固有谐振频率，f_i0定义为第i组发射装置和接收装置的相同固有谐振频率，i＝1,2,……,n。

6.根据权利要求1所述的一种具有恒定输出特性的中继线圈式多负载无线输电系统，其特征在于，所述全桥逆变器的输出电压与流过发射线圈的电流相位相差180°，满足V_Ti＝-R_NiI_Ti，等效为一个阻值为-R_Ni的负电阻，且由于采用电流采样电路及过零比较器产生全桥逆变器的驱动信号的方式，-R_Ni能够自动调节，式中，V_Ti为第i个发射装置的全桥逆变器输出电压方波的有效值，I_Ti为流过发射线圈的电流的有效值，i＝1,2,……,n。

7.根据权利要求1所述的一种具有恒定输出特性的中继线圈式多负载无线输电系统，其特征在于，所述中继装置中叠加了所有发射装置的感应电流，即中继装置中的电流I_Z为n种频率感应电流叠加后的混合电流，I_Z＝I_Z1+I_Z2+…+I_Zn，式中I_Z为流过中继线圈的总电流，I_Zi为第i个发射装置在中继线圈上的感应电流，i＝1,2,……,n。

8.根据权利要求1所述的一种具有恒定输出特性的中继线圈式多负载无线输电系统，其特征在于，所述系统需要满足以下条件：

式中，ω_Ti0、ω_Zi0、ω_Ri0分别为第i个发射装置的固有谐振角频率、中继线圈串联第i条谐振电容支路的固有谐振角频率、以及第i个接收装置的固有谐振角频率，且

L_Ti和C_Ti分别为第i个发射装置的发射线圈电感值和发射侧谐振电容值，L_Z和C_Zi分别为中继装置的中继线圈电感值和第i条谐振电容支路的电容值，L_Ri和C_Ri分别为第i个接收装置的接收线圈电感值和接收侧谐振电容值；-R_Ni和r_Ti分别为第i个发射装置的等效负电阻和发射线圈等效内阻；R_Li和r_Li分别为第i个接收装置的负载电阻值和接收线圈等效内阻；k_i1为第i个发射装置的发射线圈与中继线圈的耦合系数，k_i2为第i个接收装置的接收线圈与中继线圈的耦合系数，且

其中M_Ti为第i个发射装置的发射线圈与中继线圈的互感值，M_Ri为第i个接收装置的接收线圈与中继线圈的互感值，i＝1,2,……,n；

所述第i个发射装置和第i个接收装置一一对应，定义为一组，且定义第i组发射装置和接收装置的临界耦合系数k_Ci为：

当

区域时，系统保持恒定输出，即输出功率P_oi和传输效率η_i与耦合系数k_i1和k_i2无关，且满足：

式中，V_Ti为第i个发射装置的全桥逆变器输出电压方波的有效值，且

V_dc为直流电源电压值；L_Ti和r_Ti分别为第i个发射装置的发射线圈电感值和发射线圈等效内阻；L_Ri为第i个接收装置的接收线圈电感值；R_Li和r_Li分别为第i个接收装置的负载电阻值和接收线圈等效内阻。

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