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] 本实用新型设及一种谐振式无线电能传输系统，尤其设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W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，运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，运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模块的最大功率输出。
[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、非福射性等 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W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。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型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] 本实用新型的目的至少通过如下技术方案之一实现。
[0007] 一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化C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化C串联 谐振模式；原边阻抗变换网络的输入端与高频功率源模块的输出端相连，输出端与传输线 圈模块中的发射线圈TX相连；副边阻抗变换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W等效为一理想电 压源Us和等效电源内阻Rs的串联，也能等效为一理想电流源IS与等效电源内阻Rs的并 联形式，两者满足Us=Rs*Is的关系，当高频功率源模块外部的等效电阻为R。。，且R。。= Rs时，高频功率源模块输出最大功率Pm。、，满足
；高频功率源模块的频率f为 0. 5-50MHZ，且电压源或者电流源的波形为正弦波。
[0009] 进一步地，发射线圈内阻Ru和接收线圈内阻RL2均包括欧姆内阻和福射内阻；发 射线圈和接收线圈满足关系：
《为系统角频率，满足《 = 2JTf, Li为发射线圈电感，Cl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， 即发射线圈和接收线圈在系统频率下发生串联谐振，另外发射线圈和接收线圈之间的互感 大小为M。
[0010] 进一步地，传输线圈模块中的发射线圈和接收线圈之间的距离在电磁波半个波长 W内；发射线圈和接收线圈的间距不小于频率分叉范围。
[0011] 进一步地，所述负载为纯阻性质、阻感性质或者阻容性质。
[0012] 进一步地，原边阻抗变换网络和副边阻抗变换网络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，原边阻抗变换网络和副边阻抗变换网络的电路形式为L 型、T型或n型。
[0013] 进一步地，高频功率源模块的外部的传输效率n取得最大值时存在一个最优负 载Rl.Optimal，满足
[0014] 进一步地，如果负载町不等于最优负载R^OPtimal,则在接收线圈和负载町之间添加 副边阻抗变换网络，使得从接收线圈输出端向负载看进去的等效电阻值为町由于副 边阻抗变换网络不消耗电能，则等效电阻町.aptimal消耗的电能就等于负载R滿耗的电能，即 此时系统可W实现最高效率传输。
[001引进一步地，高频功率源模块外部的等效电阻Req满足：
若R。。声Rs,则在高频功率源模块输出端和发射线圈的输入 端之间添加原边阻抗变换网络，使得从高频功率源模块输出端向发射线圈看进去的等效电 阻R'eq满足：R'eq=Rs,则此时高频功率源模块的输出功率最大；由于原边阻抗变换网络 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输出的电能等于发射线 圈的输入端消耗的电能，根据公式P22I=PllI?n，P22i为负载消耗的功率，Plli为高频功 率源模块输出的功率，此时负载电阻町获得的功率最大。
[0016] 与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和技术效果：
[0017] 本实用新型通过在发射线圈和接收线圈两侧分别添加适当的阻抗变换网络，可W 保证高频功率源模块输出最大功率，同时保证高频功率源模块外部的传输效率最高，从而 使得负载电阻获得最大功率。
【附图说明】
[0018] 图I是本实用新型的系统框图。
[0019] 图2是高频功率源模块内部等效电路图。
[0020] 图3曰、图3b为阻抗变换网络的两种内部结构图（WL型为例）。
【具体实施方式】
[0021] W下结合附图对实用新型的具体实施作进一步描述，但本实用新型的实施和保护 不限于此。
[0022] 如图1所示，一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I、传输线圈模块II、原边阻抗变换网络N1、副边阻抗变换网络N2及负载町;其中 高频功率源模块I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II 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町1、发射线圈电 感Ll和发射线圈谐振电容Cl形成的化C串联谐振模式，接收线圈RX等效为由接收线圈内 阻町2、接收线圈电感L2和接收线圈谐振电容C2形成的化C串联谐振模式，发射线圈TX和 接收线圈RX之间的互感大小为M;原边阻抗变换网络Nl的输入端与高频功率源模块的输 出端相连，输出端与模块II中的发射线圈TX相连；副边阻抗变换网络N2的输入端与模块 II中的接收线圈RX相连，输出端与负载町相连。
[0023] 高频功率源模块的输出端口为11';发射线圈TX的端口为33'，接收线圈RX的端 口为44'，负载町的接入端为22'。原边阻抗变换网络Nl的输入端接端口 11'，输出端接发 射线圈TX端口 33';副边阻抗变换网络N2的输入端接接收线圈RX端口 44'，输出端接负载 端口 22'。
[0024] 高频功率源模块I为整个谐振式无线电能传输系统提供电能，其输出波形为高频 正弦波。副边阻抗变换网络N2通过设计合适的参数，可W使得从端口 44'向右看进去的等 效电阻值为最佳值Rl. D