ptimal, Rl. Optimal满足表达式
，从而使得 高频功率源模块外部的传输效率最高。原边阻抗变换网络Nl通过设计合适的参数，可W使 得从端口 11'向右看进去的等效电阻等于高频功率源模块匹配电阻Rs,从而使得高频功率 源模块输出最大功率。通过添加原边阻抗变换网络Nl和副边阻抗变换网络N2,最终使得负 载电阻町获得最大功率。
[00巧]如图2所示，根据戴维南定理或者诺顿定理：任何有源二端口网络或实际电源均 可等效为一个理想电压源Us和电源内阻RS的串联形式，或者等效为一个理想电流源IS和 电源电阻Rs的并联形式，二者满足关系式Us=Rs当高频功率源模块外部的等效电阻 为R。。，且满足R。。=R拥，高频功率源模块输出最大功率Pm。、，满足
其中高频 功率源模块的频率为f，取值范围为0. 5-50MHZ，其波形为高频正弦波。
[00%] 传输线圈的结构主要有平面盘式和空间螺旋式两种。平面盘式线圈的优点是占 用空间小，便于实际安装，其实际应用较广；空间螺旋式线圈可W产生较为均匀的磁场。任 何线圈均可等效为其内阻和其电感的串联形式，其内阻包括欧姆电阻和福射电阻。如要实 现线圈的谐振式无线电能传输，则一般需要串联外接谐振电容，使其满足化C串联谐振频 率等于系统角频率《，并满足《 = 231f;若在线圈寄生电容的作用下达到自谐振状态，且 自谐振频率恰好等于系统频率，则无需添加外接电容。当然本实用新型包括各种类型的线 圈，并不仅限于此。
[0027] 如图3曰、图3b所示，针对不同负载可W选用不同的阻抗变换网络，阻抗变换网络 主要有L型、T型、n型等类型，本实用新型暂WL型阻抗变换网络为例加W说明，但并不仅 限于此。针对纯阻性负载町而言，通过添加L型阻抗变换网络，可W将其等效为任意目标 电阻值。L型阻抗变换网络主要有两种连接方式，如图3a和图3b所示，其中储能元件Xl 和X2为电感或者电容的组合（不能同时是电容或者电感），图3a为正L型阻抗变换网络， 通过设计恰当的电容、电感参数，正L型阻抗变换网络可W将原电阻R等效为任意目标电阻 氏。3,其中氏。3>R;图3b为倒L型阻抗变换网络，通过设计恰当的电容、电感参数，倒L型阻 抗变换网络可W将原电阻R等效为任意目标电阻氏。4,其中氏。4<R。
[0028] 本系统设计方法的具体步骤如下：在已知高频功率源模块的理想电压源Us、内 阻Rs、电源频率f、发射线圈电感Ll和内阻町1、接收线圈电感L2和内阻町2、互感M、负 载电阻町的条件下：（1)首先，调节发射线圈和接收线圈的谐振电容（CUC2)，使其满足
,其中O= 2 311即此时系统达到谐振状态。（2)比较实际负载电阻 町与系统最大效率传输时的最佳电阻值Rl.DPtimal的大小（
若町<Rl.CPtimel,则在负载端添加正L型阻抗变换网络对其进行阻抗变换，并调节其内部储 能元件的参数，使从端口 44'看进去的等效电阻为R,.UPtimal;若Rl>Rl.则在负载端添 加倒L型阻抗变换网络对其进行阻抗变换，并调节其内部储能元件的参数，使从端口 44'看 进去的等效电阻为町此时便可W实现高频功率源模块外部传输效率最大。（3)比较 高频功率源模块外部等效电阻Req与电源内阻RS的大小（其中
):若氏。<Rs,则在高频功率源模块和发射线圈TX之间添加正L型阻抗变换网络对其进行 阻抗变换，并调节其内部储能元件的参数，使从端口 11'向发射线圈看进去的等效电阻为 Rs;若R。。>RS，则在高频功率源模块和发射线圈TX之间添加倒L型阻抗变换网络对其进 行阻抗变换，并调节其内部储能元件的参数，使从端口 11'向发射线圈看进去的等效电阻为 Rs。根据最大功率传输条件，此时高频功率源模块将输出最大功率，因此负载也将获得最大 功率。
【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（N1)、副边阻抗变换网络（N2)及负载 00;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（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（Ru)、发射线圈电感（L1)和发射线圈谐振电容（C1)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（I)、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（N1)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（II)中的发射线圈（TX)相连；副边阻抗变换网络（N2)的输入 端与传输线圈模块（II)中的接收线圈（RX)相连，输出端与负载〇〇相连。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 特征在于发射线圈内阻（Ru)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：，《为系统角频率，满足《 = 2 Jr f，Q为发射线圈电感，q为发射线圈谐振电容，L2为接收线圈电感，(：2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M。3. 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。4. 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（!〇为纯阻性质、阻感性质或者阻容性质。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，原边阻抗变换网络（N1)和副边阻抗变换网络（N2)中均由储能元件组成，储能元 件包括电容和电感，原边阻抗变换网络（N1)和副边阻抗变换网络（N2)的电路形式为L型、 T型或n型。
【专利摘要】本实用新型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。本实用新型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】H02J50/12
【公开号】CN204992792
【申请号】CN201520120838
【发明人】王学梅, 王振亚, 张波
【申请人】华南理工大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年3月1日