一种宽频谐振式无线电能传输系统的制作方法
【专利摘要】一种宽频谐振式无线电能传输系统，由能量发射端和能量接收端组成。能量发射端由隔离电源组、人机交互单元及高频信号发生单元、信号放大及高频驱动单元、扼流单元、变频及功率放大单元、匹配电容，以及发射线圈组成，匹配电容和发射线圈构成谐振发射电路；能量接收端由接收线圈、匹配电容、频率调整和工作负载组成，接收线圈与匹配电容组成谐振接收电路，通过频率调整给工作负载进行供电。
【专利说明】一种宽频谐振式无线电能传输系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种谐振式无线电能传输系统。
【背景技术】
[0002] 无线电能传输技术是支持负载设备以非接触方式从电源取电的电能输送技术。无 线电能传输技术能有效克服线路供电方式存在的设备移动灵活性差、占用体积空间、易产 生接触火花、存在线缆、线缆接头暴露、运动接触面磨损等问题，提高供电系统的安全性、可 靠性及使用寿命。特别适用于移动装备、易燃易爆环境和水下、油气井下设备的安全供电， 对电磁理论和供用电方式的发展具有重大的科学意义和实践价值，在无线传感器网络、电 动汽车、工业机器人、航空航天、军事、油田矿井、水下作业等工业领域及在家用电器、医疗 器械等民用领域均具有广泛的应用前景。
[0003] 无线电能传输技术按照实现原理可分为微波方式、射频方式、磁感应耦合方式及 磁谐振耦合方式等。微波式输电实质是利用微波集束代替输电导线，波束通过自由空间后 由接收整流天线收集，从而实现大功率、长远距离输电，对解决空间轨道供电、孤立地区供 电、地面电站电能外送等问题意义显著，但微波传播不能穿越障碍物；射频方式根据天线发 射和接收原理实现，利用电磁场衰减相对缓慢的远场从而突破长距离传递能量，其频率很 高，天线可小型化，方便嵌入各种小型设备，但发射天线一般为全向天线，能量发散程度高， 输电效率、能力甚低而大受掣肘；磁感应耦合方式利用电磁感应原理借助绕在不同磁性结 构上的初级线圈及次级线圈之间的互感交换电能，但感应耦合式输电的极大劣势是其能量 传输距离非常近，被限制在毫米量级；磁谐振式无线电能传输技术则是一种基于磁谐振耦 合原理实现的非辐射性、高效、中距离输电的新型技术。
[0004] 磁谐振式无线电能传输技术的关键在于通过适当的设计与控制使其发生谐振耦 合并且不向体系外辐射电磁波，但受各种因素影响，总会产生少量空间辐射损耗及场源内 的热损耗等。考虑到近区场范围不能过短，且必需激发谐振耦合现象，对频率要求较为苛 亥|J，一般采用0. 05MHz?50MHz之间的频率，且尽可能选择较低频率。由于采用交变磁场作 为空间能量传递的媒介，谐振式能量传输方式对环境友好，且无严格的方向性，能同时给有 效区域内多个相近谐振频率的接收端供电。相较于感应式，其能量传输性能稳定，距离远。
[0005] 磁谐振式无线电能传输技术的关键在于通过适当的设计与控制使其发生谐振耦 合并且不向体系外辐射电磁波，但受各种因素影响，总会产生少量空间辐射损耗及场源内 的热损耗等。考虑到近区场范围不能过短，且必需激发谐振耦合现象，对频率要求较为苛 亥IJ。由于对无线电能传输的研究，所采用的频率范围较宽，而传统的无线传输技术还没有 实现大范围的应用，为了便于扩大无线电能传输技术的应用范围，需改进无线供电技术，因 此，对能量发射和接收装置的性能提出了更高的要求，如何采用单一能量发射端实现宽频 范围大功率的发射，和实现高效率的能量传输，是无线传能亟需解决的问题。
[0006] 目前文献和专利中，对于能量传输方式多为基于空心变压器原理，并无给出详细 的无线电能传输理论的接收线圈电动势分析，同时多为单一频率的能量发射装置，难以满 足宽频范围无线电能传输的要求。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是克服现有技术的频率单一或频率范围不够宽缺点，提出一种宽频 谐振式无线电能传输系统。本发明采用单一能量发射端，可实现62. 5kHz?10MHz宽频范 围的大功率无线电能传输，且给出详细的无线电能传输理论的接收线圈电动势分析，为发 射接收线圈设计提供有效手段。本发明采用单一能量发射装置实现宽频范围大功率发射， 实现高效率的能量传输。本发明电能无线传输系统为宽频，大功率的谐振式无线能量传输 系统，结构简单，可应用在电器设备的无线供电、电动车充电等无线输电领域。
[0008] 本发明宽频谐振式无线电能传输系统包括能量发射端和能量接收端。能量发射端 由隔离电源组、人机交互单元、高频信号发生单元、信号放大单元、信号隔离单元、高频驱动 单元、扼流单元、变频及功率放大单元、第一匹配电容及发射线圈组成，其中隔离电源组包 括控制电路DC和主电路DC ;能量接收端由接收线圈、第二匹配电容、频率调整及工作负载 组成。
[0009] 能量发射端中各单元之间的连接方式为：隔离电源组中的控制电路DC连接人机 交互单元、高频信号发生单元及高频驱动单元，同时主电路DC连接扼流单元，人机交互单 元的输出端连接高频信号发生单元的输入端，高频信号发生单元的输出端连接信号放大的 输入端，信号放大单元的输出端连接信号隔离单元的输入端，信号隔离单元的输出端连接 高频驱动单元输入端，高频驱动单元输出端连接变频及功率放大单元输入端，扼流单元的 输出端同时连接变频及功率放大单元的电源输入端，功率放大单元输出端连接第一匹配电 容，第一匹配电容连接发射线圈，第一匹配电容和发射线圈组成谐振发射电路。信号传输方 式为：隔离电源组给人机交互单元、高频信号发生单元及高频驱动单元提供控制电路电源 DC，同时将主电路电源DC提供给扼流单元，人机交互单元的输出信号输入给高频信号发生 单元，高频信号发生单元的输出信号输入给信号放大单元，信号放大单元的输出信号输入 给信号隔离单元，信号隔离单元的输出信号输入给高频驱动单元，高频驱动单元的输出信 号输入给变频及功率放大单元作为驱动，同时扼流单元的输出信号输入给变频及功率放大 单元作为主电源DC，变频及功率放大单元的输出信号输入给第一匹配电容，第一匹配电容 的输出信号输入给发射线圈，发射线圈向外传输高频电磁场。
[0010] 能量接收端中，接收线圈与第二匹配电容连接组成谐振接收电路，谐振电路连接 频率调整单元，频率调整单元的输出端连接工作负载的输入，给工作负载供电。所述的宽频 谐振式无线电能传输系统最终可实现62. 5kHz?10MHz频率范围，功率lkW的无线电能传 输。
[0011] 所述的高频信号发生单元用于产生变频及功率放大单元所需的驱动信号，由FPGA 与DDS结合实现，可产生62. 5kHz?10MHz范围内任意占空比任意波形。高频信号发生单 元每次输出频率的选择由人机交互单元控制，通过人机交互中的键盘，控制高频信号发生 单元的信号产生。隔离单元采用三绕组隔离线圈实现，采用磁芯磁导率为10,电感系数为 4?20nH/N 2,应用频率范围为0. 1?10MHz，可承受功率为88W。
[0012] 所述的宽频谐振式无线电能传输系统的主电路采用E类电路，主要由扼流单元 和变频及功率放大单元组成：扼流单元采用的磁环电感系数为12nH/N2,应用频率范围为 0. 1?10MHz，磁导率为10,采用线径1mm的铜质漆包线两股并绕；功率放大单元采用单管 大功率M0SFET实现，最终可实现62. 5kHz?10MHz频率范围、发射电路回路电流有效值12A 的输出。
[0013] 所述的发射线圈与发射线圈对应的第一匹配电容组成谐振发射电路，接收线圈与 接收线圈对应的第二匹配电容组成谐振接收电路，谐振发射电路与谐振接收电路具有相同 的谐振频率，且与高频信号发生单元发出的信号频率相同，接收线圈与发射线圈直径、线径 及匝数参数相同，或接收线圈与发射线圈直径、线径及匝数等参数不同。接收线圈与发射线 圈直径、线径及匝数参数的匹配可依据公式设计：
[0014]
【权利要求】
1. 一种宽频谐振式无线电能传输系统，其特征在于，所述的无线电能传输系统包括能 量发射端和能量接收端；能量发射端由隔离电源组、人机交互单元、高频信号发生单元、信 号放大单元、信号隔离单元、高频驱动单元、扼流单元、变频及功率放大单元、第一匹配电容 (Ct)及发射线圈组成；所述的隔离电源组包括控制电路DC和主电路DC ;所述的控制电路DC 分别连接人机交互单元、高频信号发生单元及高频驱动单元，主电路DC连接扼流单元；所 述人机交互单元的输出端连接高频信号发生单元的输入端，高频信号发生单元的输出端连 接信号隔离放大的输入端，信号放大单元的输出端连接信号隔离单元的输入端，信号隔离 单元的输出端连接高频驱动输入端，高频驱动单元输出端连接变频及功率放大单元，扼流 单元的输出端连接变频及功率放大单元的输入端，功率放大单元输出端连接第一匹配电容 (Ct)，第一匹配电容（Ct)连接发射线圈，第一匹配电容（Ct)和发射线圈组成谐振发射电路； 能量接收端由接收线圈、第二匹配电容（(；)、频率调整单元及工作负载组成；所述的接收线 圈与第二匹配电容（(；）组成谐振接收电路，谐振电路连接频率调整单元，频率调整单元的 输出连接工作负载，给工作负载供电。
2. 根据权利要求1所述的宽频谐振式无线电能传输系统，其特征在于，高频信号发生 单元用于产生变频及功率放大单元所需的驱动信号，由FPGA与DDS结合实现，能够产生 62. 5kHz?10MHz范围内任意占空比任意波形；人机交互单元控制高频信号发生单元每次 输出频率的选择，通过人机交互中的键盘，控制高频信号发生单元的信号产生；隔离单元采 用三绕组隔离线圈实现，采用磁芯磁导率为10,电感系数为4?20nH/N 2,应用频率范围为 0. 1?10MHz，承受功率为88W。
3. 根据权利要求1所述的宽频谐振式无线电能传输系统，其特征在于，所述的宽频谐 振式无线电能传输系统主电路采用E类放大电路，由扼流单元和变频及功率放大单元组 成：扼流单元采用的磁环电感系数为12nH/N 2,应用频率范围为0. 1?10MHz，磁导率为10， 采用线径1mm的铜质漆包线两股并绕；功率放大单元采用单管大功率M0SFET实现，能够实 现62. 5kHz?10MHz频率范围、发射电路回路电流有效值12A的输出。
4. 根据权利要求1所述的宽频谐振式无线电能传输系统，其特征在于，发射线圈与发 射线圈对应的匹配电容组成谐振发射电路，接收线圈与接收线圈对应的匹配电容组成谐 振接收电路，谐振发射电路与谐振接收电路具有相同的谐振频率，且与高频信号发生单元 发出的信号频率相同；接收线圈与发射线圈直径、线径及匝数参数的匹配依据以下公式设 计：
其中，V为接收线圈上的电动势，ω = 2 π f，f为谐振频率，μ为真空磁导率，ητ和ηκ 分别为发射线圈和接收线圈的匝数，a，b为发射线圈和接收线圈半径，I为发射线圈流过的 电流，k2= ω2μ ε，空气中用k= c〇/c，c为3*108，L为发射线圈与接收线圈的距离。
【文档编号】H02J17/00GK104065175SQ201410265326
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】李艳红, 刘国强, 宋显锦, 张超, 张瑞华 申请人:中国科学院电工研究所