一種諧振耦合式無(wú)線電能多載傳輸系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型提供了一種諧振禪合式無(wú)線電能多載傳輸系統(tǒng)，屬于無(wú)線電能傳輸領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科技的進(jìn)步，大量的電子產(chǎn)品涌入我們的生活，給我們的工業(yè)生產(chǎn)與日常生 活都帶來(lái)了極其重要的作用。然而，運(yùn)些設(shè)備也存在著許多缺陷，電器設(shè)備接口處錯(cuò)綜復(fù)雜 的電線限制了設(shè)備移動(dòng)的靈活性，金屬裸露問(wèn)題使其在安全上也存在很多隱患。因此，對(duì)無(wú) 線電能傳輸技術(shù)(wireless power transmission:WPT)的研究就顯得愈發(fā)重要和迫切。
[0003] 目前無(wú)線電能傳輸技術(shù)通過(guò)電磁感應(yīng)技術(shù)、磁禪合諧振技術(shù)和微波或激光的形式 進(jìn)行傳輸:第一種是感應(yīng)式，運(yùn)種方式有傳輸功率大、電磁福射小等優(yōu)點(diǎn)，但運(yùn)種傳輸方式 傳輸?shù)木嚯x較近;第二種是微波或激光福射式，運(yùn)種方式具有定向性好、傳輸范圍廣、傳輸 距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)周?chē)姶怒h(huán)境影響大，傳輸過(guò)程中散射嚴(yán)重，損耗大效率低;第Ξ種 是諧振式，即磁諧振禪合式無(wú)線電能傳輸技術(shù)。此種傳輸方式，一旦兩帶電物體具有相同的 諧振頻率，系統(tǒng)間強(qiáng)的磁場(chǎng)禪合使發(fā)射端能夠源源不斷的提供電能。相比于感應(yīng)式，其傳輸 距離較遠(yuǎn)，且對(duì)方向性較不敏感;相比于福射式，其對(duì)周?chē)姶怒h(huán)境的影響較小。
[0004] 申請(qǐng)公布號(hào)為:CN202712984U的實(shí)用新型專(zhuān)利提出一種無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，主要 包括功率變換器、送電線圈、拾取線圈和功率調(diào)節(jié)器四個(gè)部分。該裝置簡(jiǎn)單，安全可靠的特 點(diǎn)，但是該系統(tǒng)僅能滿足特殊場(chǎng)所的安全供電要求，使用局限性較多。
[0005] 申請(qǐng)公布號(hào)為:CN202663203U的實(shí)用新型專(zhuān)利提出一種基于電磁共振的無(wú)線輸電 裝置，包括發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備。發(fā)送設(shè)備為發(fā)射回路與第一共振回路組成的雙環(huán)聯(lián)振結(jié) 構(gòu)，接收設(shè)備為第二共振回路與接收回路組成的雙環(huán)聯(lián)振結(jié)構(gòu)。該裝置W較低的電磁共振 實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸，但是該裝置對(duì)線圈等器件的要求太高，很容易受到外界的影響。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 對(duì)于無(wú)線電能多負(fù)載傳輸系統(tǒng)，多個(gè)接收線圈間交叉禪合使系統(tǒng)運(yùn)行頻率偏離諧 振頻率，從而減弱了系統(tǒng)的傳輸效率；
[0007] 本實(shí)用新型所采取的技術(shù)方案如下：
[000引包括發(fā)射系統(tǒng)1和接收系統(tǒng)2,發(fā)射系統(tǒng)1包括有電源端3和發(fā)射部分4,接收系統(tǒng)2 包括有接收部分5和負(fù)載端6,其中，電源端3與發(fā)射部分4相連給系統(tǒng)供電；負(fù)載端6與接收 部分5相連；
[0009] 發(fā)射部分4的發(fā)射線圈7和接收部分5的接收線圈8構(gòu)成諧振電路，使發(fā)射部分4的 能量傳遞到接收部分5,從而使負(fù)載端6接收到能量，進(jìn)完成能量傳輸。本系統(tǒng)在滿足阻抗匹 配基礎(chǔ)上減弱了接收線圈間交叉禪合的影響，從而使負(fù)載有效的接收發(fā)送端發(fā)送的能量。
[0010] 本實(shí)用新型的有益效果如下：
[0011] 與傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式和微波式的無(wú)線電能傳輸方式相比，磁禪合諧振系統(tǒng)具有突 出的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于多載式系統(tǒng)，接收裝置之間互相靠近時(shí)交叉禪合的存在，使發(fā)射端的能量 不能有效的傳送給多個(gè)接收端，本實(shí)用新型在系統(tǒng)滿足阻抗匹配基礎(chǔ)上減弱了接收線圈間 交叉禪合的影響，從而使系統(tǒng)高效的實(shí)現(xiàn)能量傳輸。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1諧振禪合式WPT'系統(tǒng)的諧振部分；
[001引圖2諧振禪合式WPT'系統(tǒng)的整體框圖；
[0014]圖3諧振禪合式WPT系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖；
[001引圖4諧振禪合式WPT'系統(tǒng)電路分析圖;A為發(fā)射系統(tǒng)，B為接收系統(tǒng)，C為接收系統(tǒng)；
[0016] 圖5諧振禪合式WPT系統(tǒng)最終等效電路圖；
[0017] 圖6不同負(fù)載對(duì)應(yīng)的電壓值；
[0018] 圖7不同負(fù)載對(duì)應(yīng)的電流值；
[0019] 圖8負(fù)載Zli的接收效率圖；
[0020] 圖9負(fù)載Zl2的接收效率圖；
[0021 ]圖10多載諧振禪合式WPT系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖；
[0022] 圖11多載諧振禪合式WPT系統(tǒng)最終等效電路。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合具體附圖進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0024] 圖1為諧振禪合式WPT系統(tǒng)的諧振部分，包含發(fā)射端線圈和接收端線圈；發(fā)射線圈 通電后，在其周?chē)纬山蛔兇艌?chǎng)并作用于接收線圈，在該磁場(chǎng)中多個(gè)接收線圈在調(diào)諧電容 的調(diào)節(jié)下滿足和發(fā)射線圈相同的諧振頻率，從而使發(fā)射線圈和接收線圈之間禪合到能量并 發(fā)生諧振。
[0025] 圖2諧振禪合式WPT系統(tǒng)的整體框圖，包含發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)，具體含有電源端、 發(fā)射部分、接收部分和負(fù)載端;其中，發(fā)射線圈位于發(fā)射部分中，接收線圈位于接收部分中， 發(fā)射線圈和接收線圈一起構(gòu)成了諧振電路，如圖1所示。所述電源部分與發(fā)射線圈相連給系 統(tǒng)供電;所述負(fù)載端與接收部分相連，從接收部分接收能量;所述發(fā)射線圈和接收線圈構(gòu)成 諧振電路，使發(fā)射部分的能量傳遞到接收部分。
[0026] 圖3為本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖，包含W下幾個(gè)部分:發(fā)射端和接收端，發(fā)射端包括整 流電路，高頻逆變電路，控制電路，發(fā)射線圈；接收端包括接收線圈，整流電路，功率控制電 路，自適應(yīng)調(diào)頻電路，負(fù)載端。首先系統(tǒng)中輸入電流，整流環(huán)節(jié)將電網(wǎng)交流電轉(zhuǎn)化為直流，并 經(jīng)過(guò)控制器后提供穩(wěn)定的直流電；高頻逆變環(huán)節(jié)產(chǎn)生高頻的交流電，為諧振線圈注入激勵(lì) 能量;接收端的高頻整流環(huán)節(jié)將接收線圈中的高頻交流電轉(zhuǎn)化為直流;經(jīng)過(guò)自適應(yīng)調(diào)頻電 路得到與諧振頻率一致的諧振線圈，線圈中的磁能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過(guò)控制器的穩(wěn)壓得到穩(wěn) 定的電流;接收端的DC/DC功率控制將整流之后的直流電轉(zhuǎn)化為可直接供負(fù)載使用的電流 等級(jí)，從而提供給負(fù)載。
[0027] 圖4為諧振禪合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路圖，主要包括發(fā)射系統(tǒng)A，接收系統(tǒng)B 和接收系統(tǒng)CS部分。Zlo為發(fā)射系統(tǒng)中高頻電源的電源電阻，Li和Cl分別代表發(fā)射系統(tǒng)的電 感和電容，L2和C2，L3和C3分別對(duì)應(yīng)接收系統(tǒng)1和接收系統(tǒng)2的電感和電容，Κ?2對(duì)應(yīng)發(fā)射線圈A 和接收線圈B之間的禪合系數(shù)，K31對(duì)應(yīng)發(fā)射線圈A和接收線圈C之間的禪合系數(shù)，K23對(duì)應(yīng)接 收線圈B和接收線圈C之間的的禪合系數(shù)，Zli和ZL2是相應(yīng)接收系統(tǒng)的負(fù)載阻抗。
[0028] 請(qǐng)參閱圖5,圖5為圖4系統(tǒng)的最終簡(jiǎn)化等效電路圖，包括電源化，發(fā)射端阻抗Zo,接 收端1反射到發(fā)射端的總阻抗ZiW及接收端2反射到發(fā)射端的總阻抗Z2。
[0029]
[0030] 表 1
[0031] 本系統(tǒng)發(fā)射線圈和接收線圈的等效電感均為ΙΟμΗ，調(diào)諧電容為13.8pF，諧振頻率 為13.56MHz，電源阻抗Zlo選擇50 Ω，電源電壓化=10V。得到各阻抗的電壓及電流仿真圖，參 照?qǐng)D6和圖7，依次為各阻抗Zo，Zi，Z2的電壓圖和各阻抗Zo，Zi，Z2的電流圖。由圖6和圖7的電 壓電流值，在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定的情況測(cè)得數(shù)值，從而得到表1。觀察表1中的得到的數(shù)據(jù)，通過(guò) 效率公式計(jì)算負(fù)載端的效率，計(jì)算得到，負(fù)載Zli的接收效率超過(guò)48%，負(fù)載ZL2的接收效率 超過(guò)49%。所W，在滿足阻抗匹配情況下，發(fā)送系統(tǒng)幾乎完全把功率傳輸給兩接收端本發(fā)明 通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法的可行性，參照?qǐng)D8和圖9,為Matlab仿真得到負(fù)載Zli和Zl2的接收效率關(guān) 于頻率的曲線圖。運(yùn)用Matlab的測(cè)量工具，在系統(tǒng)達(dá)到諧振禪合狀態(tài)，即在諧振頻率 13.56MHZ下運(yùn)行時(shí)，兩負(fù)載的最大接收效率分別可W達(dá)到48.06 %和49.05 %，運(yùn)與用 LTspice測(cè)量后計(jì)算得出的數(shù)據(jù)幾乎保持一致，并且根據(jù)兩負(fù)載阻抗端的效率之和計(jì)算出 發(fā)射系統(tǒng)的反射系數(shù)不足1%。從而發(fā)現(xiàn)，使用最大平均功率傳輸定理，能夠使系統(tǒng)達(dá)到諧 振禪合的同時(shí)滿足阻抗匹配，并且發(fā)送線圈發(fā)送的能量幾乎完全被負(fù)載端吸收。
[0032] 本系統(tǒng)中的兩負(fù)載式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，參照?qǐng)D4,將發(fā)明的負(fù)載擴(kuò)展為多載式諧 振禪合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，參照?qǐng)D10和圖11，分別為多載諧振禪合式WPT系統(tǒng)的基本 結(jié)構(gòu)圖和等效電路圖，將兩負(fù)載式WPT系統(tǒng)的分析方法應(yīng)用到該系統(tǒng)中，進(jìn)一步的進(jìn)行研 究。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種諧振耦合式無(wú)線電能多載傳輸系統(tǒng)，包括發(fā)射系統(tǒng)（1)和接收系統(tǒng)（2)，發(fā)射系 統(tǒng)（1)包括有電源端(3)和發(fā)射部分(4)，接收系統(tǒng)(2)包括有接收部分(5)和負(fù)載端(6)，電 源端(3)與發(fā)射部分(4)相連給系統(tǒng)供電；負(fù)載端(6)與接收部分(5)相連;發(fā)射線圈（7)位于 發(fā)射部分(4)中，接收線圈(8)位于接收部分(5)中，其特征在于： 發(fā)射部分(4)還包括控制器(9)，高頻逆變電路和發(fā)射線圈相連，發(fā)射部分(4)的控制器 (9) 一端通過(guò)導(dǎo)線與發(fā)射端的高頻逆變電路相連，另一端與發(fā)射線圈相連； 接收部分(5)還包括接收線圈、整流電路、功率控制（10)和自適應(yīng)調(diào)頻電路（11)，所述 功率控制（1 〇)和自適應(yīng)調(diào)頻電路（11)相連，接收部分(5)的功率控制（10)與自適應(yīng)調(diào)頻電 路（11)相連。
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型涉及一種諧振耦合式無(wú)線電能多載傳輸系統(tǒng)，包括發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)，具體含有電源端、發(fā)射部分、接收部分和負(fù)載端；其中，發(fā)射線圈位于發(fā)射部分中，接收線圈位于接收部分中，發(fā)射線圈和接收線圈一起構(gòu)成了諧振電路。所述電源端與發(fā)射線圈相連給系統(tǒng)供電；所述負(fù)載端與接收部分相連，從接收部分接收能量；所述發(fā)射線圈和接收線圈構(gòu)成諧振電路，使發(fā)射部分的能量傳遞到接收部分。本實(shí)用新型主要針對(duì)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中多負(fù)載裝置這一研究熱點(diǎn)，在系統(tǒng)滿足阻抗匹配基礎(chǔ)上減弱了接收線圈間交叉耦合的影響，從而使系統(tǒng)高效的實(shí)現(xiàn)能量傳輸。
【IPC分類(lèi)】H02J5/00, H02J50/12
【公開(kāi)號(hào)】CN205160219
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520805356
【發(fā)明人】吳大中, 李曉曼, 吳琴, 陳穎曼
【申請(qǐng)人】南京信息工程大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年4月13日
【申請(qǐng)日】2015年10月16日