一种无线电能传输阻抗匹配装置及无线电能传输装置的制作方法

本实用新型属于无线电能传输技术领域，特别是涉及到一种基于负电阻的无线电能传输阻抗匹配装置。

背景技术：

19世纪60年代，德国人西门子实用新型了电动机，标志着人类从灼热的“蒸汽时代”跨进了“电气时代”。与传统能源不同，电能作为一种二次能源，可以与其他形式的能量(如：太阳能、机械能、化学能等)进行便捷的转化，这使得电能逐渐成为了工业文明不可或缺的原动力，一直以来推动着人类文明的进步。

随着现代大型电力系统的发展，使得各类电气设备可以便捷地通过电缆从电网中取电，因此，电气设备广泛依赖于“发电-输电-变电-配电-用电”的现代输配电模式。随着社会的发展，人们对于移动式或不便于从电网中取电的设备的需求得以快速增长，这使得传统用电模式的弊端逐渐凸显出来。然而关于电能的无线传输技术却发展较为缓慢，目前的传输方式为使用有形介质的直接接触为主，电工设备通过电线、电缆与电能供给侧连接才可进行工作，即使是短距离的电能传输同样需要插头与插座相连供电，这种方式在一定程度上增加了实际布线的繁琐过程并占用较大的空间，而且在进行大功率的电能输送过程中，存在高压触电的危险。在实际生产生活中，由于导线间的摩擦与磨损，电能传输的安全性、可靠性以及使用寿命等存在极大问题，特别是在化工、矿井等特殊工作环境当中极易引发重大事故。而无线电能传输技术可以完全克服上述问题与隐患，因此对该技术的探究作为一种新兴的研究领域迅速发展起来。无线电能传输技术采用电磁感应原理、电力电子技术以及控制理论相结合的方式，并且根据原理的不同，无线电能传输大致上可以分为三类：第一类是变压器原理的感应式无线电能传输技术，这种方式功率虽然较大，但是仅适于近距离；第二类是电磁波无线电能传输技术，直接利用电磁波能量可以通过天线发射和接收的原理，这种方式虽然实现了长距离和大功率能量的传输，但是能量传输受方向限制，也不能绕过障碍物，并且损耗较大，对人体和其它生物都有严重伤害；第三类是非辐射磁耦合谐振式无线电能传输技术，该技术可以在有障碍物的情况下传输，传输距离也比较远，传输功率也较大，而且对人体没有伤害。

在实际系统运行中，无线电能传输系统存在近距离功率效率下降的问题，而造成这一问题的原因是系统输入阻抗失配。当系统输入阻抗出现失配，由射频功放输出的正向高频功率将在阻抗突变截面产生反射功率，这部分功率将在功放输出端与阻抗突变截面间的同轴电缆中往复传播，并最终以热的形式耗散在功放内阻和电缆电阻中，因此阻抗失配会造成系统效率的降低，而当系统功率等级较高且阻抗失配严重时，甚至会造成射频功放的损毁。而通过阻抗匹配可以有效解决这一问题。对阻抗匹配技术的研究是无线电能传输系统的最终研究目标，因为如果谐振系统达到了输入端的阻抗匹配状态，将会大大优化系统的传输效率与传输功率，同时也能改善近距离传输过程中产生的频率分裂现象。

目前对无线电能传输系统的阻抗匹配研究方法仍比较少，可以大致分为两类，一种是从其他领域借鉴的具有通用性的经典阻抗匹配方法，另一种是针对无线电能传输系统特性而提出的通过改变系统参数进行匹配的无线电能传输阻抗匹配方法。

经典阻抗匹配方法一般通过在系统中附加电路实现，根据附加电路构成元件的不同，可以将其分为无源匹配方法和有源匹配方法。无源匹配方法通过一系列无功元件的串并联构造阻抗匹配网络进行匹配，该方法历史悠久，但直到p.h.smith于1939年提出了实用的阻抗匹配网络设计工具(即史密斯圆图)之后才变得简单实用。无源匹配方法广泛应用于射频微波天线、射频功放以及传输线的阻抗匹配中。为了更加便捷地对阻抗进行匹配，一种利用级联boost-buck变换器进行阻抗调节的有源匹配方法也被提出。通过控制开关管的占空比，可以方便地调节系统输入阻抗，进而实现系统阻抗的最优控制。

由于无线电能传输系统的独特结构，使得系统输入阻抗与发射线圈阻抗、中继线圈个数以及工作频率等因素密切相关。针对上述特性，人们提出了针对无线电能传输系统的阻抗匹配方法。通过切换具有不同阻抗特性的发射线圈可以用于调节系统输入阻抗；在无线电能传输系统中，常常在发射和接收线圈间增加中继线圈以扩展传输范围，而通过调节中继线圈的位置也可以调节系统的输入阻抗；由于无线电能传输系统通常采用具有高品质因数的谐振线圈进行传能，因此系统阻抗对工作频率较为敏感，而通过调节系统的工作频率，可以改变系统特性以匹配阻抗。但是上述关于无线电能传输阻抗匹配的研究并不具有广泛的适用性，在实际的系统工作环境中，线圈形状、负载大小、频率以及传输方向的变化使阻抗匹配更为复杂与困难，各种匹配方式可能存在无法匹配的情况。

基于上述说明，可知现有的阻抗匹配电路存在无法匹配任意系统输入阻抗(即存在匹配禁区)的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于负电阻的无线电能传输阻抗匹配装置，利用负电阻的特殊性质，实现对多种阻抗匹配电路存在匹配禁区的问题的解决，从而使阻抗匹配电路的匹配范围更广，满足更多的实际匹配需求。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种基于负电阻的无线电能传输阻抗匹配装置，包括负电阻模块以及阻抗匹配网络，所述负电阻模块接入阻抗匹配网络中，代替阻抗匹配网络中的可调电容。

进一步的，所述负电阻模块主要由正电阻和运算放大器构成，在运算放大器的同相输入端设有第三正电阻r3，在运算放大器的同相输入端与输出端之间设置第二正电阻r2，在运算放大器的反相输入端与输出端之间设置第一正电阻r1。

进一步的，所述阻抗匹配网络为γ型阻抗匹配网络或反γ型阻抗匹配网络或π型阻抗匹配网络或t型阻抗匹配网络。

本实用新型还提供了基于负电阻的具有阻抗匹配功能的无线电能传输装置，包括高频电源、电能发射部分、电能接收部分与负电阻阻抗匹配部分，所述高频电源连接电能发射部分，所述电能发射部分与电能接收部分通过调谐单元使谐振频率达到系统工作频率，进而完成电能的无线传输；所述负电阻阻抗匹配部分包括负电阻模块以及阻抗匹配网络，所述负电阻模块接入阻抗匹配网络中，代替阻抗匹配网络中的可调电容。

进一步的，所述电能发射电路包括励磁线圈、电能发射线圈与发射侧调谐单元，励磁线圈与电能发射线圈距离较近，通过变压器原理进行电能的传输；所述电能接收部分包括负载线圈、电能接收线圈与接收侧调谐单元，负载线圈与电能接收线圈距离较近，通过变压器原理进行电能的传输。

进一步的，所述负电阻模块主要由正电阻和运算放大器构成，在运算放大器的同相输入端设有第三正电阻r3，在运算放大器的同相输入端与输出端之间设置第二正电阻r2，在运算放大器的反相输入端与输出端之间设置第一正电阻r1。

进一步的，所述阻抗匹配网络为γ型阻抗匹配网络或反γ型阻抗匹配网络或π型阻抗匹配网络或t型阻抗匹配网络。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

1、本实用新型可解决传统阻抗匹配电路存在无法匹配任意系统输入阻抗，即传统匹配电路存在匹配禁区的问题，基于负电阻的阻抗匹配电路是传统阻抗匹配方法的有力补充，有助于更好地解决无线电能传输系统的阻抗失配问题。

2、本实用新型结构简单，不会增加现有应用于无线电能传输系统的阻抗匹配电路的复杂程度，同样不会对电能发射线圈造成影响。

3、本实用新型适用于t型、π型、γ型、反γ型等多种无线电能传输系统的阻抗匹配电路，替换相应元器件即可，具有广泛的实用性。

4、通过对比本实用新型阻抗匹配方式与传统阻抗匹配方式的负载接收功率，结果表明，本实用新型可以在保持系统阻抗匹配的基础上具有突破负载接收功率上限的效果。

附图说明

图1是反γ型阻抗匹配电路示意图；

图2是基于负电阻的反γ型阻抗匹配电路示意图；

图3是matlab仿真软件中反γ型匹配电路的匹配范围示意图；

图4(a)是matlab仿真软件中匹配禁区外的仿真结果；

图4(b)是matlab仿真软件中系统输入阻抗实部匹配曲线；

图4(c)是matlab仿真软件中系统输入阻抗虚部匹配曲线；

图5(a)是matlab仿真软件中匹配禁区内的仿真结果；

图5(b)是matlab仿真软件中系统输入阻抗实部匹配曲线；

图6是matlab仿真软件中匹配禁区内的cp与cs计算值；

图7(a)是matlab仿真软件中系统输入阻抗；

图7(b)是matlab仿真软件中负载接收功率；

图8是matlab仿真软件中不同匹配方式负载电压对比图；

图9是本实施例负电阻模块的电路原理示意图；

图10是γ型阻抗匹配电路示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实施例的基本原理是利用负电阻的基本特性，用于传统阻抗匹配电路无法进行匹配系统输入阻抗时，替换相应的可调电容元件。

本实用新型实施例提出了基于负电阻的具有阻抗匹配功能的无线电能传输装置，包括高频电源、电能发射部分、电能接收部分与负电阻阻抗匹配部分，并且所述电能发射部分与电能接收部分通过调谐单元使谐振频率达到系统工作频率，进而完场电能的无线传输；所述电能发射电路包括励磁线圈、电能发射线圈与发射侧调谐单元，励磁线圈与电能发射线圈距离较近，通过变压器原理进行电能的传输；所述电能接收部分包括负载线圈、电能接收线圈与接收侧调谐单元，负载线圈与电能接收线圈距离较近，通过变压器原理进行电能的传输；所述负电阻阻抗匹配电路如图2所示(以反γ型阻抗匹配网络为例，如图1)，包括匹配电路串联臂上的电感与负电阻zr1，并联臂上的负电阻zr2，在其他形式的匹配电路中，替换相应的电感元件或电容元件即可，负电阻的添加并不会对电能发射和接收线圈的谐振频率造成任何影响，并且所述负电阻的电压和电流关系满足ur1(2)＝-r1(2)*ir1(2)，相位关系满足φr1(2)＝π。

具体说明如下：以反γ型阻抗匹配电路为例，如图1所示，us为高频激励电源，rs为电源内阻，阻抗匹配电路由一个电感元件ls与一个电容元件cs串联，再与一个电容元件cp并联，将负载线圈、接收线圈、发射线圈与激励线圈进行阻抗等效变换，可得无线电能传输的输入阻抗zin，令zin＝rin+jxin，其中rin为输入阻抗的实部，xin为输入阻抗的虚部，因此可得通过阻抗匹配后的系统输入阻抗zin’为：

通过计算整理可得zin’的实部与虚部分别为：

由式可知，阻抗匹配电路中并联臂上的可调电容cp不仅可以调节系统输入阻抗zin’的实部，同样可以调节其虚部；电路中串联臂上的电感ls和电容cs仅调节zin’的虚部。为使负载接收功率达到最大，即达到系统输入阻抗与电源内阻的匹配状态，将系统输入阻抗zin’调节到虚部为0，实部为rs，则需要调节的并联电容与串联电容的数值如下：

通过上述数学公式的推导与计算可知，电容cp存在两个满足求解条件的解，但是考虑式中rin²-50rin+xin²符号可能为负，因此电容cp的数值可能存在为纯虚数的情况。一般电容的容值不为纯虚数，此时传统的阻抗匹配电路无法对系统输入阻抗进行匹配，导致匹配失败，此时的系统输入阻抗进入了反γ型阻抗匹配电路的匹配禁区。

当阻抗匹配电路中的电容通过数学计算出现纯虚数的情况时，根据负电阻的基本特征，此电容具有负电阻的特性，可以被负电阻所代替并完成系统输入阻抗的匹配，如图2所示为负电阻替代后的反γ型阻抗匹配电路。

为证明负电阻可解决无线电能传输系统阻抗匹配禁区问题，在matlab仿真软件中搭建simulink模型。首先通过反γ型匹配电路对无线电能传输系统的输入阻抗进行匹配。如图3所示为反γ型匹配电路的匹配范围示意图，图中粗实线为某一无线电能传输系统随发射线圈与接收线圈间的耦合系数的变化，系统输入阻抗的变化规律。

粗实线有一部分落入反γ型阻抗匹配电路的匹配禁区，另一部分则可通过传统阻抗匹配方式进行系统输入阻抗的匹配。首先对匹配禁区外的系统输入阻抗进行匹配，匹配结果如图4所示。

图4(a)表示匹配成功，图4(b)结果显示两个cp值可以完成匹配系统输入阻抗实部，图4(c)结果显示通过对两个cp值求解，分别对应两个不同的cs值。

接下来对反γ型匹配电路匹配禁区内的系统输入阻抗进行匹配。

如图5(a)、图5(b)结果显示无法进行匹配，输入阻抗实部一旦不能通过调节cp到达50ohm，则可判定此时的系统输入阻抗不能完成匹配，即进入匹配禁区，因此需要利用基于负电阻的反γ型匹配电路匹配禁区内的系统输入阻抗进行匹配。通过式(3)可计算出cp与cs的值，由图6可知，两个电容值后存在虚部，该值可以等效成电容值为cp与cs的实部的电容，再与负电阻进行串联连接。

通过上述方式对匹配禁区内的系统输入阻抗进行匹配，结果如图7所示。

由图7(a)、图7(b)结果显示通过基于负电阻的阻抗匹配电路成功匹配输入阻抗，在6.78mhz的工作频率下，实部成功匹配到50ohm，虚部为0。

为验证基于负电阻的阻抗匹配方式可增加负载接收功率的有益效果，选用系统输入阻抗，此时的输入阻抗满足条件，即位于反γ型匹配电路的匹配禁区，但不存在于γ型匹配电路的匹配禁区，通过两种匹配电路可得负载接收端电压曲线。

由图8可知利用基于负电阻的阻抗匹配方式进行匹配所得的负载电压较大，电压较大意味着相同的负载，接收功率的数值也较大，因此基于负电阻的阻抗匹配方式的有益效果由此可见。

其中，负电阻模块的实现原理说明如下：

负电阻是一种特殊电阻，通常情况下由正电阻和运算放大器构成，运算放大器具有开环增益大、带宽高等特点，在满足理想的虚短与虚断的条件下，可以实现复阻抗变换器。其电路原理图如图9所示：

两输入端的电压分别为u+、u-。由“虚短”可知：u+＝u-，所以等效负电阻两端的电压为：

由“虚断”可知，电流i为

所以可以得到其等效电阻为

由上式可以看出，电路输入阻抗是负载阻抗的-r1/r2倍，特别的当r1＝r2时，req＝-r3

以上是得到负电阻的基本原理，将负电阻模块接入阻抗匹配网络中代替可调电容从而匹配位于匹配禁区的阻抗。

下面是关于负电阻阻抗匹配的普遍性说明：

常用的匹配拓扑主要分为两类：γ型或反γ型、π或t型。两类拓扑的网络结构不同，具有不同的匹配范围，对于电路特性的调节作用也不尽相同。在匹配网络的设计阶段，如何通过已知负载阻抗变化范围设计匹配网络拓扑以及可调元件的调节范围是核心问题。

1：对于γ型匹配拓扑

如图10所示的γ型阻抗匹配网络，计算得到匹配电路中可调电容的计算式：

可以看到式中存在根号项，随着阻抗实部虚部的变化会出现匹配禁区。

换一种说法，γ型匹配结构调节可调电容值从而匹配的阻抗范围不能完全覆盖史密斯圆图。

2：对于t型、π型匹配拓扑

与γ型拓扑类似，t型、π型匹配拓扑的匹配范围也通过求解系统输出阻抗的共轭进行确定。由于可调电容数量的增加，可调电容的容值范围扩大，通过调节电容可以有效控制t型、π型匹配网络的匹配范围，理论上，通过合理选择匹配拓扑的可调元件参数，可以使匹配范围覆盖到任意负载。然而，由于增加了一个可调元件，因此增加了阻抗匹配的寻优难度，对于对实时性要求较高的无线电能传输系统而言并不利于提升实际系统的匹配速度。

综上所述，除了实施例具体讲述的反γ型阻抗匹配电路，对于γ型、t型、π型，负电阻阻抗匹配也都具有普遍性意义。

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