专利名称：一种中等距离千瓦级无线电能传输装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线电能传输领域，是一种中等距离的大功率无线电能传输装置，具体涉及一种千瓦级共振式无线电能传输装置，其可应用于无线电车充电或者特殊需要无线电能的场合，可以实现中等距离范围内千瓦级功率电能的无线传输。
背景技术：
当前几乎所有的千瓦级用电设备都在使用有形介质(如金属导线、电线电缆)作为主要连接才能进行电力能量传输，即使是短距离电力传输(如机器人、电动汽车)，也要经过电源线连接，使得需要以电力作为动力的电器设备，其使用受到各个充电站或有线电源的影响。如果使用无线电能传输技术及装置，实现不受外物或周围环境影响的有效电力传输，就可以通过无线的传输方式来达到电力的传输，那么在使用这些电器设备时，就更加方便。另外，在一些特殊的应用场所，如水下作业、医用植入设备、无线传感器网络等不方便或不能使用导线供电的场合都具有非常实际的应用价值。目前无线电能传输主要有三种方式电磁感应式，电磁共振式和电磁辐射式。电磁感应式，一般采用带磁芯的变压器初级端和带磁芯的变压器次级端，通过两个磁芯电磁场的紧耦合进行电能传递，传递的电能能量等级高，电能传输距离短，在几个厘米范围内；电磁共振式，通过采用初级线圈和次级线圈的磁场松耦合进行电能传递，传输距离一般在几个厘米至几十个厘米之间，属于中等距离的电能传输，电能传输的能量等级较高；电磁辐射式，采用的频率等级很高，通常为几十MHz，传输的距离远，能达到米级，通常能够传递几十至几百瓦的电能。中国专利申请CN200610124129. 9提供了一种感应耦合式无线电能传输装置，其包括能量发送器，无接触变压器和能量接收器，所述能量发送器包括整流滤波电路、高频逆变电路和用于产生合适频率和脉宽信号的控制电路，输入的工频市电首先经整流滤波电路产生高压直流供给高频逆变电路，高频逆变电路将电能转换成高频交流电输出到无接触变压器初级端；无接触变压器的初、次级磁芯为彼此分隔，线圈分别绕制在对应磁芯上；能量接收器包括补偿电路、整流滤波电路和用于控制电流或电压稳定输出的PWM控制电路，补偿电路接收到无接触变压器次级端感应耦合的能量后经过整流滤波电路和PWM控制电路形成稳定输出。但其传输效果不佳。该专利中由于变压器带有磁芯，因此电能传输距离短， 只能在几厘米范围内传输电能，无法实现中等距离的电能传输。中国专利申请CN200910166188. 6提供了一种不需要直接电导接触就可传输电能的系统，所述系统包括初级单元、与所述初级单元分离的至少一个次级装置、以及电能传输面，所述电能传输面被形成和设置为使得当所述系统在使用中时，次级装置可以被放置到在所述面上或靠近所述面以接收电能，其中所述初级单元具有场生成装置，布置在所述电能传输面处或平行于所述电能传输面，用于在所述面的电能传输区域之上生成电磁场；所述次级装置或每个所述次级装置包括至少一个电导体，当所述次级装置处于所述电能传输面上或靠近所述电能传输面时，所述场生成装置生成的所述电磁场与所述至少一个电导体耦合，并感应出电流，在所述导体中流动；所述电能传输区域大于由所述次级装置覆盖的所述面的区域，所述场分布在所述电能传输区域上，使得当将次级装置以关于垂直于所述面的轴的至少一个旋转方位放置在电能传输区域内的任一位置的面上或沿通过所述电能传输区域内的任何这样的位置的所述面的法线放置在所述面附近时，该次级装置能够接收来自所述初级单元的电能；以及所述场生成装置包括一个或多个传导件，用于产生磁通量，并且还包括设置在基本上全部的所述电能传输区域处或之下的磁性材料，所述磁性材料用于与由所述传导件产生的磁通量进行耦合并将所述磁通量分布为平行于所述电能传输面，使得在所述面处或在距离所述面给定距离处且在可应用于有关位置的预定工作方向上测量的所述电磁场的场强在所述电能传输区域内的基本上所有的所述位置上均具有基本均匀的大小。该专利结构较为复杂，传输区域内的电流小，传输的电能能量等级低，无法实现中等距离范围内大功率的电能传输。此外，无线电能传输技术是一种非接触式电能传输技术。根据电能传输理论，随着科技进步及社会需求，无线电能传输技术得到极大发展，共振式无线电能传输技术近年来越来越成为人们关注的焦点，国内外众多学者都在研究这个课题。2006年美国麻省理工学院物理系助理教授Marin Soljacic的研究小组，将相隔2. 16米的一只60W灯泡点亮。该方案传输的距离比较远，但是能量等级比较低。为了更加便利于生产及现实生活的需要，亟需一种能够承载大功率电能传输的设备或方法。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种中等距离千瓦级无线电能传输装置，该中等距离千瓦级无线电能传输装置可以实现千瓦级正弦波发生、千瓦级无线电能输送、千瓦级无线电能接收。中等距离千瓦级无线电能传输装置可以为多种设备提供无线电力能源，或者可用于无线充电或无线供电，特别适用于不适合通过导线供电的特殊场合。依据本发明的技术方案，提供一种中等距离千瓦级无线电能传输装置，其包括千瓦级正弦波电能输送器、千瓦级电能接收器和频率控制器，其中千瓦级正弦波电能输送器从电网接收电能，向千瓦级电能接收器无线传递电能，千瓦级正弦波电能输送器和千瓦级电能接收器之间是通过互感发生联系；千瓦级电能接收器通过千瓦级正弦波电能输送器产生的磁场获取电能，供后续负载使用；频率控制器能够采集千瓦级正弦波电能输送器的频率和千瓦级电能接收器的频率，并根据调节流程对千瓦级正弦波电能输送器或千瓦级电能接收器进行调节，从而使千瓦级正弦波电能输送器的频率和千瓦级电能接收器的频率达到共振状态，使所述的中等距离千瓦级无线电能传输装置达到最优的电能传输。其中中等距离范围指代为5cm(厘米)至50cm之间。进一步地，所述中等距离千瓦级无线电能传输装置包括千瓦级正弦波电能输送器、千瓦级电能接收器和频率控制器，其中，千瓦级正弦波电能输送器由电流源、谐振能量补充电路和谐振能量输出电路组成；谐振能量补充电路由开关元件一(SWl)和开关元件二 (SW2)构成，按规定的频率与相位将电能补充给谐振能量输出电路；谐振能量输出电路由谐振输出电各、谐振输出线圈、可调谐振输出电各、可调谐振输出电感组成，谐振输出电各、 谐振输出线圈、可调谐振输出电容、可调谐振输出电感构成谐振系统；该谐振系统用于设定千瓦级正弦波电能输送器频率，且实现能量分别在谐振输出电容、谐振输出线圈、可调谐振输出电容、可调谐振输出电感中以磁场和电场形式交换，在谐振输出线圈中产生规定频率的谐振电流，以及使谐振输出线圈中的谐振电流形成能够在电能传输范围内变换的交变磁场；千瓦级电能接收器，其用于接收经谐振输出线圈耦合过来的交变磁场的磁场能量；千瓦级电能接收器由谐振接收电容、谐振接收线圈、可调谐振接收电容和可调谐振接收电感组成，谐振接收电容、谐振接收线圈、可调谐振接收电容、可调谐振接收电感用于设定千瓦级电能接收器的频率；频率控制器用来调整千瓦级正弦波电能输送器的频率和千瓦级电能接收器的频率，使千瓦级正弦波电能输送器的频率和千瓦级电能接收器的频率相同，使千瓦级电能接收器在规定空间内接收到最优的谐振能量。优选地，千瓦级正弦波电能输送器频率与千瓦级电能接收器频率范围在 50KHZ-1MHZ，中等距离千瓦级无线电能传输装置传输的电能功率范围0-30KW，谐振输出线圈与谐振接收线圈间空间距离5-50cm。更优选地，频率控制器通过调节可调谐振输出电容或可调谐振输出电感来调整千瓦级正弦波电能输送器频率，使千瓦级正弦波电能输送器的频率与千瓦级电能接收器的频率同步。进一步地，频率控制器通过检测谐振输出线圈两端电压波形确定输出频率大小。 频率控制器通过调节可调谐振接收电容或可调谐振接收电感来调整千瓦级电能接收器频率，使千瓦级电能接收器的频率与千瓦级正弦波电能输送器的频率同步。频率控制器通过检测负载上的电压，确定接收频率的大小。此外，谐振输出线圈和谐振接收线圈采用铜管(或铜线)绕制，为单匝或多个单阻并联结构，谐振输出线圈和谐振接收线圈中单阻线圈尺寸为IOcm 45cm,阻间距离为 O. l-5cm，谐振输出线圈和谐振接收线圈为圆形或方形或多边形等多种形状。本发明解决了中等距离范围内无线传递电能能量等级偏低的问题。中等距离千瓦级无线电能传输装置具有频率控制器，能调节两侧振荡状态，使装置稳定工作在最优谐振工作状态的优点，能够准确向千瓦级电能接收器传输千瓦级的大功率电能量，目前应用于无线电车充电，较大型移动机电设备供电及其他较大功率负载用电设备供电等应用场合。
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图12有η个千瓦级电能接收器时频率具体调节流程示意图；图13逻辑控制器主单元接线示意图；图14逻辑控制器扩展单元一接线示意图；图15逻辑控制器扩展单元二接线示意图；图16谐振输出线圈和谐振接收线圈示意图
具体实施例方式在本发明中，所述的中等距离千瓦级无线电能传输装置，由千瓦级正弦波电能输送器、千瓦级电能接收器和频率控制器构成，可以无线传输千瓦级电力能量，它们是通过互感发生联系的。本发明电路示意图如图I所示。所述的千瓦级正弦波电能输送器从电网接收电能，向所述的千瓦级电能接收器无线传递电能，它们是通过互感发生联系的。千瓦级电能接收器通过千瓦级正弦波电能输送器产生的磁场获取电能，供负载使用。频率控制器能够采集千瓦级正弦波电能输送器的频率和千瓦级电能接收器的频率，并根据调节流程对千瓦级正弦波电能输送器或千瓦级电能接收器进行调节，从而使千瓦级正弦波电能输送器的频率和千瓦级电能接收器的频率达到共振状态，使所述的中等距离千瓦级无线电能传输装置达到最优的电能传输。所述的中等距离千瓦级无线电能传输装置能够在中等距离范围内实现千瓦级的电能传输。在本发明中，中等距离范围指代为Icm至80cm之间。使用本发明，可以在22cm 左右处实现传输10KW(千瓦)的电能，本发明优选使用在l_60cm，更优选地使用在5_50cm 之间。根据最新研究及本领域技术知识可知，如果在越短的距离处使用，传输效果越好，但是电磁辐射将越强烈，将极大地对周围环境造成电磁污染。通过实验，在距离10-40cm之间，使用本发明的技术，不仅仅使对周围环境的电磁污染控制在国家规定的电磁污染数值之下，还能实现电能无线通畅传输。所述的千瓦级正弦波电能输送器，具有电流源、谐振能量补充电路和谐振能量输出电路。谐振能量补充电路按规定的频率与相位将电能补充给谐振能量输出电路；谐振能量输出电路由谐振输出电容、谐振输出线圈、可调谐振输出电容、可调谐振输出电感组成， 谐振输出电容、谐振输出线圈、可调谐振输出电容、可调谐振输出电感构成谐振系统，用于设定千瓦级正弦波电能输送器频率，能量分别在谐振输出电容、谐振输出线圈、可调谐振输出电容、可调谐振输出电感中以磁场和电场形式交换，在谐振输出线圈中产生规定频率的谐振电流；谐振输出线圈中的谐振电流形成在电能传输范围内的交变磁场。所述的千瓦级电能接收器，用于接收谐振输出线圈耦合过来的磁场能量；千瓦级电能接收器由谐振接收电容、谐振接收线圈、可调谐振接收电容和可调谐振接收电感组成； 谐振接收电容、谐振接收线圈、可调谐振接收电容、可调谐振接收电感用于设定千瓦级电能接收器的频率。所述的千瓦级正弦波电能输送器通过电流源从电网获取电能，并且把能量传递给谐振能量补充电路。谐振能量输出电路中的可调谐振输出电容与谐振输出电容是并联连接，可调谐振输出电感与谐振输出线圈采用串联连接后与谐振输出电容并联连接；千瓦级电能接收器中的可调谐振接收电容和谐振接收电容是并联连接，可调谐振接收电感与谐振
7接收线圈采用串联连接后与谐振接收电容并联连接。中等距离千瓦级无线电能传输装置中可以有多个千瓦级电能接收器。频率控制器用来调整频率，使千瓦级正弦波电能输送器的频率和千瓦级电能接收器的频率相同，在规定空间内，使千瓦级电能接收器接收到最优的谐振能量。在中等距离千瓦级无线电能传输装置中，谐振输出线圈和谐振接收线圈采用铜管 (或铜线)绕制，为单匝或多个单匝并联结构，谐振输出线圈和谐振接收线圈中线圈尺寸为 IOcm 45cm,阻间距离为O. l_5cm,谐振输出线圈和谐振接收线圈为圆形、方形、多边形等形状；经过简单变形的结构在权利要求范围内。中等距离千瓦级无线电能传输装置中，千瓦级正弦波电能输送器频率与千瓦级电能接收器频率范围在50KHZ-1MHZ，传输的电能功率范围0-30KW，谐振输出线圈与谐振接收线圈间空间距离5-50cm。以下结合附图来详细说明本发明的中等距离千瓦级无线电能传输装置，下面仅仅作为示例来说明，本领域技术人员清楚地知晓，只要符合本发明思想的方法及系统均落入本发明之中；另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至中等距离千瓦级无线电能传输装置的具体结构或部件的具体参数。图2是中等距离千瓦级无线电能传输装置结构示意图。中等距离千瓦级无线电能传输装置，由千瓦级正弦波电能输送器、千瓦级电能接收器和频率控制器构成。千瓦级正弦波电能输送器中通过电流源从电网获取电能，并且把能量传递给谐振能量补充电路，电流源的输出端为P点与Q点且P点和Q点同时为所述的谐振能量补充电路的输入点。中等距离千瓦级无线电能传输装置中可以有多个千瓦级电能接收器。千瓦级正弦波电能输送器，包括电流源、谐振能量补充电路和谐振能量输出电路。 谐振能量补充电路由开关元件一 SWl和开关元件二 SW2构成，按规定的频率与相位将电能补充给谐振能量输出电路；谐振能量输出电路由谐振输出电容CU、谐振输出线圈LU、可调谐振输出电容C12、可调谐振输出电感L12组成，C11、L11、C12、L12共同构成谐振系统并设定千瓦级正弦波电能输送器频率fs。能量分别在谐振系统中以磁场和电场形式交换，谐振输出线圈中的谐振电流在电能传输范围内的产生交变磁场。千瓦级正弦波电能输送器经电流源将从电网获取电能传递给谐振能量补充电路。 电流源的输出端为P点与Q点，P点与Q点连接谐振能量补充电路的输入端。通过调节P点与Q点的输出电压可以调节谐振能量补充电路输出电能的能量大小。通过检测谐振能量输出电路中谐振输出线圈Lll两侧的频率，谐振能量补充电路确定补充能量的频率与相位时刻，使能量不停地由谐振输出线圈向谐振接收线圈输送。谐振能量补充电路的输出连接于 T 和 T2。所述的谐振能量补充电路通过P点与Q点从电流源获取电能，谐振能量补充电路包括开关元件一 SWl和开关元件二 SW2。谐振能量补充电路输出端为T点与T2点，开关元件-SWl连接于P点和T2点之间，开关元件二 SW2连接于P点和T点之间。开关元件一 SWl与开关元件二 SW2交替轮流工作，重叠时间为纳秒(ns)级，本发明重叠时间范围是 100_450ns。谐振能量补充过程当开关元件二 SW2导通时，开关元件一 SWl断开，此时电能直接注入谐振能量输出电路中；当开关元件一 SWl导通时，开关元件二 SW2断开，此时电能经 SWl回流至电流源。开关兀件SWl和开关兀件SW2导通和关断有一定的重置时间，确保电流源的正常工作。千瓦级电能接收器，用于接收谐振输出线圈耦合过来的磁场能量，由谐振接收电容C21、谐振接收线圈L21、可调谐振接收电容C22和可调谐振接收电感L22组成，C21、L21、 C22、L22构成谐振系统并用于设定千瓦级电能接收器的频率fr。谐振能量输出电路由谐振输出电容Cl I、谐振输出线圈LI I、可调谐振输出电容 C12、可调谐振输出电感L12组成。谐振能量输出电路中的C12与Cll是并联连接，C12与 Cll连接于T和T2之间，L12与Lll采用串联连接后与Cll并联连接，L12连接于T和Tl之间，Lll连接于Tl和T2之间；千瓦级电能接收器，由谐振接收电容C21、谐振接收线圈L21、 可调谐振接收电容C22、可调谐振接收电感L22和接收频率控制电路组成。其中，千瓦级电能接收器中的C22和C21是并联连接，C22与C21连接于SI和S2之间，L22与L21采用串联连接后与C21并联连接，L22连接于S和SI之间，L21连接于S和S2之间。
导纳
权利要求
1.一种中等距离千瓦级无线电能传输装置，其包括千瓦级正弦波电能输送器、千瓦级电能接收器和频率控制器，其中千瓦级正弦波电能输送器从电网接收电能，向千瓦级电能接收器无线传递电能，千瓦级正弦波电能输送器和千瓦级电能接收器之间是通过互感发生联系；千瓦级电能接收器通过千瓦级正弦波电能输送器产生的磁场获取电能，供后续负载使用；频率控制器能够采集千瓦级正弦波电能输送器的频率和千瓦级电能接收器的频率， 并根据调节流程对千瓦级正弦波电能输送器或千瓦级电能接收器进行调节，从而使千瓦级正弦波电能输送器的频率和千瓦级电能接收器的频率达到共振状态，使所述的中等距离千瓦级无线电能传输装置达到最优的电能传输。
2.根据权利要求I所述的中等距离千瓦级无线电能传输装置，其中，中等距离范围为 5cm至50cm之间的距离。
3.根据权利要求2所述的中等距离千瓦级无线电能传输装置，其中，千瓦级正弦波电能输送器由电流源、谐振能量补充电路和谐振能量输出电路组成；谐振能量补充电路由开关元件一(SWl)和开关元件二(SW2)构成，按规定的频率与相位将电能补充给谐振能量输出电路；谐振能量输出电路由谐振输出电容、谐振输出线圈、可调谐振输出电容、可调谐振输出电感组成，谐振输出电容、谐振输出线圈、可调谐振输出电容、可调谐振输出电感构成谐振系统；该谐振系统用于设定千瓦级正弦波电能输送器频率，且实现能量分别在谐振输出电容、谐振输出线圈、可调谐振输出电容、可调谐振输出电感中以磁场和电场形式交换， 在谐振输出线圈中产生规定频率的谐振电流，以及使谐振输出线圈中的谐振电流形成能够在电能传输范围内变换的交变磁场；千瓦级电能接收器，其用于接收经谐振输出线圈耦合过来的交变磁场的磁场能量；千瓦级电能接收器由谐振接收电容、谐振接收线圈、可调谐振接收电容和可调谐振接收电感组成，谐振接收电容、谐振接收线圈、可调谐振接收电容、可调谐振接收电感用于设定千瓦级电能接收器的频率；频率控制器用来调整千瓦级正弦波电能输送器的频率和千瓦级电能接收器的频率，使千瓦级正弦波电能输送器的频率和千瓦级电能接收器的频率相同，使千瓦级电能接收器在规定空间内接收到最优的谐振能量。
4.根据前述任一权利要求所述的中等距离千瓦级无线电能传输装置，其特征在于，千瓦级正弦波电能输送器频率与千瓦级电能接收器频率范围在50KHZ-1MHZ，中等距离千瓦级无线电能传输装置传输的电能功率范围0-30KW，谐振输出线圈与谐振接收线圈间空间距离 5_50cmo
5.根据前述任一权利要求所述的中等距离千瓦级无线电能传输装置，其特征在于，频率控制器通过调节可调谐振输出电容或可调谐振输出电感来调整千瓦级正弦波电能输送器频率，使千瓦级正弦波电能输送器的频率与千瓦级电能接收器的频率同步。
6.根据前述任一权利要求所述的中等距离千瓦级无线电能传输装置，其特征在于，频率控制器通过检测谐振输出线圈两端电压波形确定输出频率大小。
7.根据前述任一权利要求所述的中等距离千瓦级无线电能传输装置，其特征在于，频率控制器通过调节可调谐振接收电容或可调谐振接收电感来调整千瓦级电能接收器频率， 使千瓦级电能接收器的频率与千瓦级正弦波电能输送器的频率同步。
8.根据前述任一权利要求所述的中等距离千瓦级无线电能传输装置，其特征在于频率控制器通过检测负载上的电压波形，确定接收频率的大小。
9.根据前述任一权利要求所述的中等距离千瓦级无线电能传输装置，其中，谐振输出线圈和谐振接收线圈采用铜管(或铜线)绕制，为单匝或多个单匝并联结构，谐振输出线圈和谐振接收线圈中线圈尺寸为IOcm 45cm,阻间距离为O. l_5cm,谐振输出线圈和谐振接收线圈为圆形或方形或多边形。
全文摘要
本发明提供了一个中等距离千瓦级无线电能传输装置，属于无线电能传输领域。中等距离千瓦级无线电能传输装置包括千瓦级正弦波电能输送器，千瓦级电能接收器和频率控制器。本发明的中等距离千瓦级无线电能传输装置可以实现千瓦级正弦波发生、千瓦级无线电能输送、千瓦级无线电能接收。中等距离千瓦级无线电能传输装置可以为多种设备提供无线电力能源，或者可用于无线充电或无线供电，特别适用于不适合通过导线供电的特殊场合。
文档编号H02J17/00GK102593962SQ20121006444
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月13日 优先权日2012年3月13日
发明者刘会军, 崔玉龙, 朱金华, 李贺迁, 杨利强, 王锐, 范好亮, 范建波, 陈瑞英 申请人:崔玉龙