变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统及方法与流程

本发明属于磁耦合谐振无线电能传输技术领域，涉及一种变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统，尤其涉及一种通过改变发射端模块和接收端模块的拓扑结构来提高传输功率的方法。

背景技术：

自尼古拉·特斯拉在一个世纪以前提出无线电能传输理论之后，无线电能传输就一直是人们研究的热点。多年来国内外专家一直在进行无线电能传输的研究，但一直以来科研进展缓慢，直到2007年6月，麻省理工学院(mit)物理教授marinsoljacic及其小组成员提出一种基于强磁耦合磁共振的全新方案,实验中使用两个直径为60cm、由铜线绕制的线圈，并使线圈的固有谐振频率处于9.9mhz，利用磁耦合共振原理成功点亮了一个离电源约2m的60w电灯泡，后来这项技术被称为witricity，至此，开辟了无线电能传输技术的研究盛况。为了使无线电能传输技术尽快得到应用，2010年9月1日，全球首个推动无线充电技术的标准化组织--无线充电联盟(wirelesspowerconsortium，wpc)在北京宣布将qi无线充电国际标准率先引入中国，信息产业部通信电磁兼容质量监督中心也加入该组织，其中深圳桑菲消费通信有限公司是qi标准的支持者，也是该联盟常务理事成员中唯一一家中国企业。

目前国内外无线电能传输的实现有三种方式：

1.电磁感应式——类似于松耦合变压器，通过初级和次级线圈的电磁感应产生电流，从而将能量从发射端输送到接收端，适合效率较高的近距离传输。

2.电磁辐射式——其基本原理类似于早期使用的矿石收音机，目前已有相对成熟的理论，作用范围广、传送功率大，但对生物环境影响较大且效率低下。

3.磁耦合共振式——麻省理工学院marinsoljacic及其小组成员提出的全新方案，其原理是利用磁场的非辐射近场耦合来传递能量，在很大程度上减小了对人体的伤害，延长了无线电能传输的距离，此方式传输效率高、距离远、功率大，是未来无线电能传输发展的主流方向。

磁耦合谐振无线电能传输系统是通过发射线圈与接收线圈以相同的谐振频率发生谐振，使得能量只在两个谐振物体之间进行传输，而有很少的能量损失在其他不发生谐振的物体上，通过磁场的相互耦合实现能量的有效传输。

磁耦合谐振无线电能传输系统由于电感和电容的连接方式而分为四种拓扑结构：串联-串联结构、串联-并联结构、并联-串联结构、并联-并联结构。这四种拓扑结构都可以随着距离的改变使系统达到最优的传输性能，从而负载获得最优功率的传输。但是在系统运行时，当负载类型和拓扑结构不完全匹配时，系统的输出功率会大大降低，其原因主要是由于负载中的容性或感性部分引起系统的频率失谐导致传输功率的下降。

综上所述，磁耦合谐振无线电能传输系统中由于负载类型和拓扑结构不完全匹配的情况而导致传输功率的下降问题不可忽视。由于接收端需要满足灵活性和便利性的要求，对负载进行负载匹配的方法显然在实际应用中复杂且存在困难。为此，我们必须找到一种相对简单的方法来优化传输系统——当负载所表现出不同的特性时，可以获得最优的传输功率。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的在于针对磁耦合谐振无线电能传输系统，当负载类型与拓扑结构不完全匹配时，由于负载的感性或容性部分而引起系统的频率失谐的情况，提出了一种变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统及方法。该方法根据负载特性对负载加以区分，通过改变发射线圈或接收线圈的拓扑结构，负载获得最优的传输功率，使得系统达到最优的传输性能。

为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：

本发明所述一种变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统，包括一个发射端模块和一个接收端模块。

所述发射端模块包括：高频信号发生器、第一拓扑变换网络和发射线圈，所述发射线圈通过第一拓扑变换网络连接到高频信号发生器，所述高频信号发生器用于输出额定功率的高频信号。

所述第一拓扑变换网络包括第一电容、第二电容、第一开关和第二开关，所述第一开关与第一电容并联，所述第二开关与第二电容串联。

所述接收端模块包括接收线圈、第二拓扑变换网络、负载特性检测器和负载设备，所述接收线圈依次经由第二拓扑变换网络和负载特性检测器与交流负载直接相连，或通过一个整流电路与直流负载相连；所述整流电路包括半波整流、全波整流和桥式整流。

所述第二拓扑变换网络包括第三电容、第四电容、第三开关和第四开关，所述第三开关与第三电容并联，所述第四开关与第四电容串联。

所述负载特性检测器对负载设备进行检测，输出端控制所述第一拓扑变换网络的第一开关、第二开关的同时开通和同时闭合，并控制第二拓扑变换网络的第三开关、第四开关的同时开通和同时闭合。

所述负载设备是纯阻性负载；或是有感性部分的阻感性负载；或是有容性部分的阻容性负载构成。

所述发射线圈与接收线圈为具有绕制方式一致、相同匝数和匝距的线圈，所述第一拓扑变换网络与第二拓扑变换网络具有相同的电参数，所述发射线圈和接收线圈分别与第一拓扑变换网络和第二拓扑变换网络相连组成谐振电路，发射端模块和接收端模块具有相同的谐振频率。

所述发射线圈经由第一拓扑变换网络接收高频驱动电源中输出额定功率的高频信号，所述接收端模块与发射端模块固有谐振频率相等，发生谐振将能量从发射线圈传输到接收线圈，能量通过所述接收线圈依次经由第二拓扑变换网络和负载特性检测器将能量供给给负载设备使用。

本发明还提供一种采用上述变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统的无线电能传输方法，包括以下步骤：

步骤a：系统开始工作，负载特性检测器实时检测磁耦合谐振无线电能传输系统中负载设备的负载特性，即负载设备是纯阻性负载；或是有感性部分的阻感性负载；或是有容性部分的阻容性负载，并将检测结果输出到第一拓扑变换网络和第二拓扑变换网络；

步骤b：如果所述负载设备是纯阻性负载，所述第一拓扑变换网络中的第一开关和第二开关同时断开，则所述发射线圈与第一拓扑变换网络组成串联谐振电路，所述第二拓扑变换网络中的第三开关和第四开关同时断开，所述接收线圈与第二拓扑变换网络组成串联谐振电路，组成串联-串联拓扑系统结构电路；

步骤c：如果所述负载设备是阻感性负载，所述第一拓扑变换网络中的第一开关和第二开关同时断开，则所述发射线圈与第一拓扑变换网络组成串联谐振电路，所述第二拓扑变换网络中的第三开关和第四开关同时闭合，所述接收线圈与第二拓扑变换网络组成并联谐振电路，组成串联-并联拓扑系统结构电路；

步骤d：如果所述负载设备是阻容性负载，所述第一拓扑变换网络中的第一开关和第二开关同时断开，则所述发射线圈与第一拓扑变换网络组成串联谐振电路，所述第二拓扑变换网络中的第三开关和第四开关同时断开，所述接收线圈与第二拓扑变换网络组成串联谐振电路，组成串联-串联拓扑系统结构电路。

本发明的有益效果是：

1.本发明提供的变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统及方法，利用第一拓扑变换网络和第二拓扑变换网络改变磁耦合谐振无线电能传输系统拓扑结构中电容和电感的连接方式，负载获得最优的传输功率，使得系统达到最优的传输性能。

2.与现有方法相比，所述系统解决了拓扑结构与负载特性不完全匹配造成输出功率下降的问题，为在无线输电系统实际工程应用中可能会遇到的问题，提供了一定的参考作用。

附图说明

图1是本发明的变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输的系统示意图；

图2a是本发明的变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统中第一拓扑变换网络的等效电路图；

图2b是本发明的变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统中第二拓扑变换网络的等效电路图；

图3a是本发明的变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统串联-串联结构的等效电路图；

图3b是本发明的变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统串联-并联结构的等效电路图；

图3c是本发明的变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统并联-串联结构的等效电路图；

图3d是本发明的变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统并联-并联结构的等效电路图；

图4是本发明的变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统为纯阻性负载时组成的拓扑结构与其他拓扑结构的传输功率对比图；

图5是本发明的变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统为阻感性负载时组成的拓扑结构与其他拓扑结构的传输功率对比图；

图6是本发明的变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统为阻容性负载时组成的拓扑结构与其他拓扑结构的传输功率对比图；

具体实施方式

为了使本发明技术方案的内容和优势更加清楚明了，以下结合附图，对本发明的变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统及方法进行进一步的详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，在本发明的描述中，属于“第一”、“第二”仅用于方便描述不同的部件，而不能理解为指示或暗指顺序关系、相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

图1是本发明的变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统示意图。

如图1所示，本发明的变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统包括：高频信号发生器、第一拓扑变换网络、发射线圈、接收线圈、第二拓扑变换网络、负载特性检测器和负载设备。高频信号发生器输出额定功率的高频信号，经过第一拓扑变换网络将能量传递给所述发射线圈，所述发射线圈以非辐射近场电磁波的形式传送出去。所述接收线圈通过线圈间的磁耦合谐振接收发射线圈传送的能量，再通过所述接收线圈经由第二拓扑变换网络和负载特性检测器将能量供给负载设备使用。

图2a、2b是本发明的变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统中第一拓扑变换网络和第二拓扑变换网络的等效电路图。s1、s2、s3、s4分别为所述第一拓扑变换网络的第一开关、第二开关和第二拓扑变换网络的第三开关、第四开关，cs1、cs2、cs3、cs4分别为所述第一拓扑变换网络的第一电容、第二电容和第二拓扑变换网络的第三电容、第四电容，所述第一开关与第一电容并联，所述第二开关与第二电容串联，所述第三开关与第三电容并联，所述第四开关与第四电容串联，所述第一电容、第二电容、第三电容和第四电容具有相同的电参数。

图3a、3b、3c、3d是本发明的变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统串联-串联结构、串联-并联结构、并联-串联结构和并联-并联结构的等效电路图。

所述负载特性检测器实时检测磁耦合谐振无线电能传输系统中负载设备的负载特性，输出端控制所述第一拓扑变换网络的第一开关、第二开关的同时开通和同时闭合，第二拓扑变换网络的第三开关、第四开关的同时开通和同时闭合，第一拓扑变换网络与发射线圈组成发射端模块的谐振电路，第二拓扑变换网络与接收线圈组成接收端模块的谐振电路，组成四种不同的系统拓扑结构，即串联-串联结构、串联-并联结构、并联-串联结构和并联-并联结构。

如图3所示，本发明的变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统中，us为外接高频电压源，rs为电压源等效内阻，l1、l2分别为发射线圈和接收线圈的电感，c1、c2分别为第一拓扑变换网络和第二拓扑变换网络根据负载特性与电感串联或并联的发射端模块电容和接收端模块电容,r1、r2分别为发射线圈和接收线圈的电阻，m为两个线圈之间的互感,以系统的谐振频率ω作为系统的工作频率，zw为负载阻抗。

对本发明的变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统的拓扑结构分析步骤如下：

1.对所述系统工作在谐振状态下，得到等式：

2.对所述系统的拓扑结构利用基尔霍夫电压定律进行分析，得到如下等式：

(1)串联-串联(ss)结构的kvl方程：

(2)串联-并联(sp)结构的kvl方程：

(3)并联-串联(ps)结构的kvl方程：

(4)并联-并联(pp)结构的kvl方程：

3.对2的等式进行计算，可进一步得出各输出功率如表1所示。

表1三种负载类型在四种拓扑结构下的输出功率

(注：当i＝1时为纯阻性负载，此时zw1＝rw1；当i＝2时为阻感性负载，此时zw2＝rw2+jωlw2；当i＝3时为阻容性负载，此时)

本实施例假设的系统参数如下：外接电压源的电压us＝12v，电压源等效内阻rs＝0.02ω，发射线圈和接收线圈的电感l1＝l2＝4μh，等效电容c1＝c2＝40nf，发射线圈和接收线圈的电阻r1＝r2＝0.2ω，负载等效电阻rw＝10ω，负载等效电容cw＝60nf，负载等效电感lw＝2μh，线圈匝数n＝4，半径r＝25cm。由发射线圈和接收线圈的电感和等效电容计算出系统的谐振频率

图4是本发明的变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统为纯阻性负载时组成的拓扑结构与其他拓扑结构的传输功率对比图；图5是本发明的变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统为阻感性负载时组成的拓扑结构与其他拓扑结构的传输功率对比图；图6是本发明的变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统为阻容性负载时组成的拓扑结构与其他拓扑结构的传输功率对比图。

根据负载特性检测器的输出信号控制得到的磁耦合谐振无线电能传输系统的拓扑结构与其他拓扑结构相比，无论何种负载都可以更好地实现大功率的传输。因此，在磁耦合谐振无线电能传输系统加入拓扑变换网络具有重要的实际意义。

本发明所述变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统方法，包括以下步骤：

步骤a：系统开始工作，负载特性检测器实时检测磁耦合谐振无线电能传输系统中负载设备的负载特性，即负载设备是纯阻性负载；或是有感性部分的阻感性负载；或是有容性部分的阻容性负载，并将检测结果输出到第一拓扑变换网络和第二拓扑变换网络；

步骤b：如果所述负载设备是纯阻性负载，所述第一拓扑变换网络中的第一开关和第二开关同时断开，则所述发射线圈与第一拓扑变换网络组成串联谐振电路，所述第二拓扑变换网络中的第三开关和第四开关同时断开，所述接收线圈与第二拓扑变换网络组成串联谐振电路，组成串联-串联拓扑系统结构电路；

步骤c：如果所述负载设备是阻感性负载，所述第一拓扑变换网络中的第一开关和第二开关同时断开，则所述发射线圈与第一拓扑变换网络组成串联谐振电路，所述第二拓扑变换网络中的第三开关和第四开关同时闭合，所述接收线圈与第二拓扑变换网络组成并联谐振电路，组成串联-并联拓扑系统结构电路；

步骤d：如果所述负载设备是阻容性负载，所述第一拓扑变换网络中的第一开关和第二开关同时断开，则所述发射线圈与第一拓扑变换网络组成串联谐振电路，所述第二拓扑变换网络中的第三开关和第四开关同时断开，所述接收线圈与第二拓扑变换网络组成串联谐振电路，组成串联-串联拓扑系统结构电路。

以上所述仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，但凡熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，所作的等效修饰或变换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。