一种谐振耦合式无线电能多载传输系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型提供了一种谐振禪合式无线电能多载传输系统，属于无线电能传输领 域。
【背景技术】
[0002] 随着科技的进步，大量的电子产品涌入我们的生活，给我们的工业生产与日常生 活都带来了极其重要的作用。然而，运些设备也存在着许多缺陷，电器设备接口处错综复杂 的电线限制了设备移动的灵活性，金属裸露问题使其在安全上也存在很多隐患。因此，对无 线电能传输技术(wireless power transmission:WPT)的研究就显得愈发重要和迫切。
[0003] 目前无线电能传输技术通过电磁感应技术、磁禪合谐振技术和微波或激光的形式 进行传输:第一种是感应式，运种方式有传输功率大、电磁福射小等优点，但运种传输方式 传输的距离较近;第二种是微波或激光福射式，运种方式具有定向性好、传输范围广、传输 距离远等优点，但是对周围电磁环境影响大，传输过程中散射严重，损耗大效率低;第Ξ种 是谐振式，即磁谐振禪合式无线电能传输技术。此种传输方式，一旦两带电物体具有相同的 谐振频率，系统间强的磁场禪合使发射端能够源源不断的提供电能。相比于感应式，其传输 距离较远，且对方向性较不敏感;相比于福射式，其对周围电磁环境的影响较小。
[0004] 申请公布号为:CN202712984U的实用新型专利提出一种无线电能传输系统，主要 包括功率变换器、送电线圈、拾取线圈和功率调节器四个部分。该装置简单，安全可靠的特 点，但是该系统仅能满足特殊场所的安全供电要求，使用局限性较多。
[0005] 申请公布号为:CN202663203U的实用新型专利提出一种基于电磁共振的无线输电 装置，包括发送设备和接收设备。发送设备为发射回路与第一共振回路组成的双环联振结 构，接收设备为第二共振回路与接收回路组成的双环联振结构。该装置W较低的电磁共振 实现电能的无线传输，但是该装置对线圈等器件的要求太高，很容易受到外界的影响。 【实用新型内容】
[0006] 对于无线电能多负载传输系统，多个接收线圈间交叉禪合使系统运行频率偏离谐 振频率，从而减弱了系统的传输效率；
[0007] 本实用新型所采取的技术方案如下：
[000引包括发射系统1和接收系统2,发射系统1包括有电源端3和发射部分4,接收系统2 包括有接收部分5和负载端6,其中，电源端3与发射部分4相连给系统供电；负载端6与接收 部分5相连；
[0009] 发射部分4的发射线圈7和接收部分5的接收线圈8构成谐振电路，使发射部分4的 能量传递到接收部分5,从而使负载端6接收到能量，进完成能量传输。本系统在满足阻抗匹 配基础上减弱了接收线圈间交叉禪合的影响，从而使负载有效的接收发送端发送的能量。
[0010] 本实用新型的有益效果如下：
[0011] 与传统的电磁感应式和微波式的无线电能传输方式相比，磁禪合谐振系统具有突 出的优势。对于多载式系统，接收装置之间互相靠近时交叉禪合的存在，使发射端的能量 不能有效的传送给多个接收端，本实用新型在系统满足阻抗匹配基础上减弱了接收线圈间 交叉禪合的影响，从而使系统高效的实现能量传输。
【附图说明】
[0012]图1谐振禪合式WPT'系统的谐振部分；
[001引图2谐振禪合式WPT'系统的整体框图；
[0014]图3谐振禪合式WPT系统的硬件结构框图；
[001引图4谐振禪合式WPT'系统电路分析图;A为发射系统，B为接收系统，C为接收系统；
[0016] 图5谐振禪合式WPT系统最终等效电路图；
[0017] 图6不同负载对应的电压值；
[0018] 图7不同负载对应的电流值；
[0019] 图8负载Zli的接收效率图；
[0020] 图9负载Zl2的接收效率图；
[0021 ]图10多载谐振禪合式WPT系统的基本结构图；
[0022] 图11多载谐振禪合式WPT系统最终等效电路。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合具体附图进行详细说明。
[0024] 图1为谐振禪合式WPT系统的谐振部分，包含发射端线圈和接收端线圈；发射线圈 通电后，在其周围形成交变磁场并作用于接收线圈，在该磁场中多个接收线圈在调谐电容 的调节下满足和发射线圈相同的谐振频率，从而使发射线圈和接收线圈之间禪合到能量并 发生谐振。
[0025] 图2谐振禪合式WPT系统的整体框图，包含发射系统和接收系统，具体含有电源端、 发射部分、接收部分和负载端;其中，发射线圈位于发射部分中，接收线圈位于接收部分中， 发射线圈和接收线圈一起构成了谐振电路，如图1所示。所述电源部分与发射线圈相连给系 统供电;所述负载端与接收部分相连，从接收部分接收能量;所述发射线圈和接收线圈构成 谐振电路，使发射部分的能量传递到接收部分。
[0026] 图3为本系统的硬件结构图，包含W下几个部分:发射端和接收端，发射端包括整 流电路，高频逆变电路，控制电路，发射线圈；接收端包括接收线圈，整流电路，功率控制电 路，自适应调频电路，负载端。首先系统中输入电流，整流环节将电网交流电转化为直流，并 经过控制器后提供稳定的直流电；高频逆变环节产生高频的交流电，为谐振线圈注入激励 能量;接收端的高频整流环节将接收线圈中的高频交流电转化为直流;经过自适应调频电 路得到与谐振频率一致的谐振线圈，线圈中的磁能转化为电能，经过控制器的稳压得到稳 定的电流;接收端的DC/DC功率控制将整流之后的直流电转化为可直接供负载使用的电流 等级，从而提供给负载。
[0027] 图4为谐振禪合无线电能传输系统的等效电路图，主要包括发射系统A，接收系统B 和接收系统CS部分。Zlo为发射系统中高频电源的电源电阻，Li和Cl分别代表发射系统的电 感和电容，L2和C2，L3和C3分别对应接收系统1和接收系统2的电感和电容，Κ?2对应发射线圈A 和接收线圈B之间的禪合系数，K31对应发射线圈A和接收线圈C之间的禪合系数，K23对应接 收线圈B和接收线圈C之间的的禪合系数，Zli和ZL2是相应接收系统的负载阻抗。
[0028] 请参阅图5,图5为图4系统的最终简化等效电路图，包括电源化，发射端阻抗Zo,接 收端1反射到发射端的总阻抗ZiW及接收端2反射到发射端的总阻抗Z2。
[0029]
[0030] 表 1
[0031] 本系统发射线圈和接收线圈的等效电感均为ΙΟμΗ，调谐电容为13.8pF，谐振频率 为13.56MHz，电源阻抗Zlo选择50 Ω，电源电压化=10V。得到各阻抗的电压及电流仿真图，参 照图6和图7，依次为各阻抗Zo，Zi，Z2的电压图和各阻抗Zo，Zi，Z2的电流图。由图6和图7的电 压电流值，在系统运行稳定的情况测得数值，从而得到表1。观察表1中的得到的数据，通过 效率公式计算负载端的效率，计算得到，负载Zli的接收效率超过48%，负载ZL2的接收效率 超过49%。所W，在满足阻抗匹配情况下，发送系统几乎完全把功率传输给两接收端本发明 通过实验验证方法的可行性，参照图8和图9,为Matlab仿真得到负载Zli和Zl2的接收效率关 于频率的曲线图。运用Matlab的测量工具，在系统达到谐振禪合状态，即在谐振频率 13.56MHZ下运行时，两负载的最大接收效率分别可W达到48.06 %和49.05 %，运与用 LTspice测量后计算得出的数据几乎保持一致，并且根据两负载阻抗端的效率之和计算出 发射系统的反射系数不足1%。从而发现，使用最大平均功率传输定理，能够使系统达到谐 振禪合的同时满足阻抗匹配，并且发送线圈发送的能量几乎完全被负载端吸收。
[0032] 本系统中的两负载式无线电能传输系统，参照图4,将发明的负载扩展为多载式谐 振禪合谐振式无线电能传输系统，参照图10和图11，分别为多载谐振禪合式WPT系统的基本 结构图和等效电路图，将两负载式WPT系统的分析方法应用到该系统中，进一步的进行研 究。
【主权项】
1. 一种谐振耦合式无线电能多载传输系统，包括发射系统（1)和接收系统（2)，发射系 统（1)包括有电源端(3)和发射部分(4)，接收系统(2)包括有接收部分(5)和负载端(6)，电 源端(3)与发射部分(4)相连给系统供电；负载端(6)与接收部分(5)相连;发射线圈（7)位于 发射部分(4)中，接收线圈(8)位于接收部分(5)中，其特征在于： 发射部分(4)还包括控制器(9)，高频逆变电路和发射线圈相连，发射部分(4)的控制器 (9) 一端通过导线与发射端的高频逆变电路相连，另一端与发射线圈相连； 接收部分(5)还包括接收线圈、整流电路、功率控制（10)和自适应调频电路（11)，所述 功率控制（1 〇)和自适应调频电路（11)相连，接收部分(5)的功率控制（10)与自适应调频电 路（11)相连。
【专利摘要】本实用新型涉及一种谐振耦合式无线电能多载传输系统，包括发射系统和接收系统，具体含有电源端、发射部分、接收部分和负载端；其中，发射线圈位于发射部分中，接收线圈位于接收部分中，发射线圈和接收线圈一起构成了谐振电路。所述电源端与发射线圈相连给系统供电；所述负载端与接收部分相连，从接收部分接收能量；所述发射线圈和接收线圈构成谐振电路，使发射部分的能量传递到接收部分。本实用新型主要针对无线电能传输系统中多负载装置这一研究热点，在系统满足阻抗匹配基础上减弱了接收线圈间交叉耦合的影响，从而使系统高效的实现能量传输。
【IPC分类】H02J5/00, H02J50/12
【公开号】CN205160219
【申请号】CN201520805356
【发明人】吴大中, 李晓曼, 吴琴, 陈颖曼
【申请人】南京信息工程大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年10月16日