三线圈结构无线电能传输系统的制作方法

本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种三线圈结构无线电能传输系统。

背景技术：

随着电动汽车和消费类电子产品的发展，如何对产品进行方便、快捷的充电越来越成为一个亟需解决的问题。传统的充电方式需要导线连接电源和用电器，具有易磨损、易产生电火花等缺点；无线电能传输（wpt）技术因其无需充电线、方便、便捷的优点而获得越来越多的关注。该技术在便携式电子设备、电动汽车、植入式医疗设备等多个领域均具有极大的应用前景。

目前，磁耦合共振式无线电能传输技术被认为是最有效和最具有发展潜力的wpt技术，该技术利用两个或多个具有相同谐振频率的电磁系统，通过工作于特定频率的lc谐振电路产生电磁谐振，高频电能以无线的方式从系统发射端传递到接收端，经接收端整流装置进行整流后提供给负载使用。

传统的磁耦合共振式无线电能传输系统采用双线圈结构，系统发射端和接收端各有一个耦合线圈，通过高频磁场进行电能传输。当耦合线圈的相对位置未恰好正对时，双线圈结构系统会产生电流应力和磁场辐射，造成系统传输效率降低，限制了其进一步的应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种三线圈结构无线电能传输系统，旨在用于解决现有的双线圈结构无线电能传输系统的耦合线圈相对位置灵活性差、能量损失较大等问题。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种三线圈结构无线电能传输系统，包括电能发射装置、电能接收装置以及负载，所述电能发射装置包括直流电源、逆变电路、发射端lc谐振电路以及中间lc谐振电路，所述直流电源的输出端连接所述逆变电路的输入端，所述逆变电路的输出端连接所述发射端lc谐振电路，所述发射端lc谐振电路包括源线圈以及第一电容，所述中间lc谐振电路包括电能发射线圈以及第二电容，所述电能接收装置包括接收端lc谐振电路、整流电路以及滤波电路，所述接收端lc谐振电路包括电能接收线圈以及第三电容，所述电能发射线圈位于所述源线圈与所述电能接收线圈之间，所述源线圈与所述电能发射线圈相互耦合，所述电能发射线圈与所述电能接收线圈相互耦合，所述接收端lc谐振电路的输出端连接所述整流电路的输入端，所述整流电路的输出端连接所述滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端连接所述负载。

进一步地，所述逆变电路为采用功率mosfet构成的h桥逆变电路。

进一步地，所述源线圈与所述电能发射线圈为强耦合，所述电能发射线圈与所述电能接收线圈为弱耦合。

进一步地，所述源线圈与所述电能发射线圈的中心位置相对。

进一步地，所述源线圈、所述电能发射线圈和所述电能接收线圈均采用litz线绕制。

进一步地，所述源线圈的直径小于所述电能发射线圈的直径，所述电能发射线圈和所述电能接收线圈的直径相同。

进一步地，所述整流电路为采用肖基特二极管构成的全桥整流电路。

进一步地，所述第二电容与所述第三电容采用相同的电容。

进一步地，所述负载为容性负载、感性负载或纯电阻负载。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种三线圈结构无线电能传输系统，源线圈不占用发射线圈和接收线圈之间的空间，且源阻抗因源线圈的存在而变得更小，能够有效提高无线电能传输系统的效率。与传统的双线圈结构相比，三线圈结构的无线电能传输系统具有能够提高系统最大效率点附近的负载变化强度，有效防止因线圈未对准而引起的电流应力和电磁辐射，有效降低因负载电阻偏差而引起的能量损失等优点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种三线圈结构无线电能传输系统的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的电能传输装置的结构模型图；

图3为本发明实施例提供的一种三线圈结构无线电能传输系统的等效电路原理图。

附图标记说明：1-直流电源、2-逆变电路、3-发射端lc谐振电路、31-源线圈、32-第一电容、4-中间lc谐振电路、41-发射线圈、42-第二电容、5-接收端lc谐振电路、51-接收线圈、52-第三电容、6-整流电路、7-滤波电路、8-负载。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种三线圈结构无线电能传输系统，包括电能发射装置、电能接收装置以及负载8，所述电能发射装置包括直流电源1、逆变电路2、发射端lc谐振电路3以及中间lc谐振电路4，所述直流电源1用于提供系统所需电能，所述直流电源1的输出端连接所述逆变电路2的输入端，所述逆变电路2用于将直流电源1输出的电压转变为交流电压，所述逆变电路2的输出端连接所述发射端lc谐振电路3，所述发射端lc谐振电路3包括源线圈31以及第一电容32，所述发射端lc谐振电路3用于产生高频磁场，所述中间lc谐振电路4位于所述发射端lc谐振电路3一侧，所述中间lc谐振电路4包括电能发射线圈41以及第二电容42。所述电能接收装置包括接收端lc谐振电路5、整流电路6以及滤波电路7，所述接收端lc谐振电路5与所述发射端lc谐振电路3分别位于所述中间lc谐振电路4的相对两侧，所述接收端lc谐振电路5包括电能接收线圈51以及第三电容52，所述接收端lc谐振电路5用于与所述发射端lc谐振电路3发生共振，将接收到的高频磁场转变为高频电流。所述接收端lc谐振电路5的输出端连接所述整流电路6的输入端，所述整流电路6用于将接收到的高频电流整流为含有交流成分的直流电，所述整流电路6的输出端连接所述滤波电路7的输入端，所述滤波电路7的输出端连接所述负载8，所述滤波电路7用于除去直流电中的交流成分，提供电能给负载8使用。

如图2所示，所述源线圈31、所述电能发射线圈41以及所述电能接收线圈51共同构成电能传输装置，所述电能发射线圈41位于所述源线圈31与所述电能接收线圈51之间，所述源线圈31与所述电能发射线圈41相互耦合，所述电能发射线圈41与所述电能接收线圈51相互耦合。线圈与线圈之间的距离可以调节，源线圈31和电能发射线圈41之间的距离d01可以根据系统发射端源阻抗匹配的需要进行调节，电能发射线圈41和电能接收线圈51之间的距离d12可以根据负载与电源之间距离的需要进行调节。为了保证系统具有最大的传输效率，两组线圈的耦合方式不同，所述源线圈31与所述电能发射线圈41为强耦合，所述电能发射线圈41与所述电能接收线圈51为弱耦合。三个线圈的放置位置比较灵活，源线圈31与电能发射线圈41的中心位置相对，电能发射线圈41和电能接收线圈51的相对位置可以有所偏差。

本实施例中，所述源线圈31、所述电能发射线圈41和所述电能接收线圈51均采用litz线绕制。所述源线圈31的直径小于所述电能发射线圈41的直径，所述电能发射线圈41和所述电能接收线圈51的直径相同。

本实施例中，接收端lc谐振电路与中间lc谐振电路选用相同的电容电感，即所述电能发射线圈41和所述电能接收线圈51采用相同的线圈结构，所述所述第二电容42与所述第三电容52采用相同的电容。

作为本实施例的优选，所述逆变电路2为采用功率mosfet构成的h桥逆变电路2，将直流电源1转变为交流电源，其产生的交流电压经过发射端lc谐振电路3发生串联谐振，从而产生高频磁场。所述整流电路6为采用肖基特二极管构成的全桥整流电路6。

该系统中，所述负载8可以为容性负载、感性负载或纯电阻负载，本实施例中为纯电阻负载。

本发明实施例的一种三线圈结构无线电能传输系统的工作原理如下：

如图3所示，接通电源后，门极驱动电路ir2110驱动由4个功率mosfet（q1、q2、q3、q4）构成的h桥逆变电路，将直流电转变为交流电，交流电的频率和幅值均可进行调节，为防止功率mosfet因电流过大而烧毁，在电路设计时，增加了二极管（d1、d2、d3、d4）进行引流。逆变电路输出的交流电通过l1和c1构成的发射端lc谐振电路产生高频磁场，高频磁场通过源线圈l1传递到电能发射线圈l2，引起中间lc谐振电路（由l2、c2构成）产生交变磁场，交变磁场使得接收端lc谐振电路（由l3、c3构成）发生共振，从而实现了电能由发射端传递到接收端。电能接收线圈接收到的电能通过整流电路进行整流，整流电路由二极管（d5、d6、d7、d8）构成，将交流电转变为直流电，整流后的直流电再经过滤波电路（主要由电容构成，如c4、c5）进行滤波后提供给负载使用。

本发明实施例提供的这种三线圈结构无线电能传输系统电能传递的流程如下：直流电源输出的直流电经过逆变电路进行逆变后输出交流电，交流电经过发射端谐振系统产生高频磁场，高频磁场通过电能传输装置进行传递，由电能接收装置接收后感应出高频电流，高频交流电经过整流电路整流为直流电后，传递到负载。

本发明基于磁耦合共振式无线输电技术，提出了一种新型三线圈结构无线电能传输系统，相比于传统的双线圈系统结构，三线圈结构具有减小每个线圈电流应力的显着优点，可以抑制因线圈对不准而导致的电磁场发射，具有线圈放置位置灵活、最大效率点附近的负载变化强度大、能够有效防止因线圈未对准而引起的电流应力和电磁辐射等优点。三线圈结构既满足了系统传输效率的要求，又使得系统的使用场景得以扩大，具有很大的应用前景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。