一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种谐振式无线电能传输系统，尤其涉及一种添加双端阻抗变换网络 的谐振式无线电能传输系统。
【背景技术】
[0002] 信号或者电能在传输过程中，为了实现信号的无反射传输或最大功率传输，要求 电路可以实现阻抗匹配。阻抗匹配关乎着系统的性能，电路实现阻抗匹配可使系统的性能 达到最优。
[0003] 通常实现阻抗匹配的目的有两个：一是消除信号源（或电源）与负载之间的反射 波，保证传输信号的传输质量，这种阻抗匹配称为无反射匹配；二是使电源（或信号源）输 出最大功率，这种阻抗匹配称为最大输出功率匹配。本专利主要针对第二种情况来设计的 一种适当的阻抗变换网络，从而实现高频功率源的最大功率输出。
[0004] 其次，谐振式无线电能传输技术具有传输距离远、传输效率相对较高、非辐射性等 特点，特别适合于中等距离的无线电能传输。其主要组成部分是传输线圈和负载，传输线圈 一般靠自谐振或者外接电容达到谐振状态，从而实现电能的有效传输。但在实际应用中，传 输线圈并不是理想线圈，要考虑其内阻，负载电阻也不是越大越好，它存在一个最佳值使得 系统传输效率最大。当负载电阻不是最佳值时，可以通过添加适当的阻抗变换网络来使其 等效为最佳值，使系统传输效率最高。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服目前谐振式无线电能传输系统中电源输出功率不高，系统 传输效率低下的问题，提供一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统。
[0006] 本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
[0007] -种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统，包括高频功率源模块、 传输线圈模块、原边阻抗变换网络、副边阻抗变换网络及负载；其中高频功率源模块由理想 电压源与内阻串联组成，为系统提供电能；传输线圈模块包括发射线圈和接收线圈，其中发 射线圈等效为由发射线圈内阻、发射线圈电感和发射线圈谐振电容形成的RLC串联谐振模 式，接收线圈等效为由接收线圈内阻、接收线圈电感和接收线圈谐振电容形成的RLC串联 谐振模式；原边阻抗变换网络的输入端与高频功率源的输出端相连，输出端与传输线圈模 块中的发射线圈TX相连；副边阻抗匹配网络的输入端与传输线圈模块中的接收线圈相连， 输出端与负载相连。
[0008] 进一步地，根据戴维南定理和诺顿定理，高频功率源模块可以等效为一理想电压 源％和等效电源内阻1的串联，也能等效为一理想电流源1 3与等效电源内阻1^的并联形 式，两者满足Us= Rs ? Is的关系，当高频功率源外部的等效电阻为Req，且Req= 1时，高频 功率源模块输出最大功率Pmax，满足
【主权项】
1. 一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统，其特征在于包括高频功率 源模块（I)、传输线圈模块（II)、原边阻抗变换网络（NI)、副边阻抗变换网络（N2)及负载 〇υ ;其中高频功率源模块⑴由理想电压源（Us)与内阻（Rs)串联组成，为系统提供电能； 传输线圈模块（Π )包括发射线圈（TX)和接收线圈（RX)，其中发射线圈（TX)等效为由发射 线圈内阻（Ru)、发射线圈电感（LI)和发射线圈谐振电容（Cl)形成的RLC串联谐振模式， 接收线圈（RX)等效为由接收线圈内阻（t)、接收线圈电感（L2)和接收线圈谐振电容（C2) 形成的RLC串联谐振模式；原边阻抗变换网络（NI)的输入端与高频功率源的输出端相连， 输出端与传输线圈模块（Π )中的发射线圈TX相连；副边阻抗匹配网络（N2)的输入端与传 输线圈模块（II)中的接收线圈（RX)相连，输出端与负载（?)相连。
2. 根据权利要求1所述的一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统，其 特征在于，高频功率源模块（I)等效为一理想电压源U s和等效电源内阻Rs的串联或等效 为一理想电流源Is与等效电源内阻R s的并联形式，两者满足U s= R s · Is的关系，当高频 功率源外部的等效电阻为Re(1，且Rrai= R 5时，高频功率源模块（I)输出最大功率Pmax，满足
;高频功率源的频率f为〇. 5-50MHZ，且电压源或者电流源的波形为正弦波。
3. 根据权利要求1所述的一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统，其 特征在于发射线圈内阻1^和接收线圈内阻Ru均包括欧姆内阻和辐射内阻；发射线圈（TX) 和接收线圈（RX)满足关系
，ω为系统角频率，满足ω = 2π?·，Ι^ 为发射线圈电感，C1为发射线圈谐振电容，L2为接收线圈电感，C2为接收线圈谐振电容，即 发射线圈（TX)和接收线圈（RX)在系统频率下发生串联谐振，另外发射线圈（TX)和接收线 圈（RX)之间的互感大小为Μ。
4. 根据权利要求3所述的一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统，其 特征在于传输线圈模块（II)中的发射线圈（TX)和接收线圈（RX)之间的距离在电磁波半 个波长以内；发射线圈（TX)和接收线圈（RX)的间距不小于频率分叉范围。
5. 根据权利要求1所述的一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统，其 特征在于，负载为纯阻性质、阻感性质或者阻容性质。
6. 根据权利要求1所述的一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统，其 特征在于，原边阻抗变换网络（NI)和副边阻抗变换网络（Ν2)中均由储能元件组成，不消耗 电能，储能元件包括电容和电感，原边阻抗变换网络（NI)和副边阻抗变换网络（N2)的电路 形式为L型、T型或Π 型。
7. 根据权利要求1所述的一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统，其 特征在于，高频功率源模块的外部的传输效率η取得最大值时存在一个最优负载Ru ptimal, 满足
8. 根据权利要求7所述的一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统，其 特征在于，如果负载&不等于最优负载Ru ptimal，则在接收线圈Ο?)和负载&之间添加副 边阻抗变换网络（N2)，使得从接收线圈输出端（44')向负载看进去的等效电阻值为Rk Oftimal;由于副边阻抗变换网络N2不消耗电能，则等效电阻Ruptima^耗的电能就等于负载 &消耗的电能，即此时系统实现最高效率传输。
9.根据权利要求2所述的一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统， 其特征在于，高频功率源模块外部的等效电阻R^1满足
，若 Rs，则在高频功率源模块⑴输出端（1P )和发射线圈（TX)的输入端（33')之间 添加原边阻抗变换网络（NI)，使得从高频功率源模块（I)输出端（11')向发射线圈看进 去的等效电阻V μ满足W= Rs，则此时高频功率源模块（I)的输出功率最大；由于 原边阻抗变换网络（NI)由储能元件电容和电感构成，并不消耗电能，因此高频功率源模块 (I)输出的电能等于发射线圈（TX)的输入端（33')消耗的电能，根据公式Ρ 22; =Ρ11; · η， P#为负载消耗的功率，Pm为高频功率源模块输出的功率，此时负载电阻&获得的功率最 大。
【专利摘要】本发明提供了一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统。系统包括高频功率源模块、原边阻抗变换网络、副边阻抗变换网络、传输线圈模块、负载。其中高频功率源模块由理想电源及内阻构成，为整个系统提供电能。传输线圈模块由发射线圈和接收线圈组成，实现电能的无线传输。原边阻抗匹配网络分别与高频功率源模块和发射线圈相连，可以实现高频功率源的最大功率输出；副边阻抗变换网络分别与接收线圈和负载相连，可以实现高频功率源外部传输效率最高。本发明通过在谐振式无线电能传输系统的原边和副边分别添加适当的阻抗变换网络，可以实现高频功率源输出最大功率，同时系统获得最高传输效率，从而保证负载获得的功率最大。
【IPC分类】H02J17-00
【公开号】CN104682575
【申请号】CN201510092337
【发明人】王学梅, 王振亚, 张波
【申请人】华南理工大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年3月1日