添加自适应双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种谐振式无线电能传输系统，尤其涉及一种添加自适应双端阻抗变 换网络的谐振式无线电能传输系统。
【背景技术】
[0002] 信号或者电能在传输过程中，为了实现信号的无反射传输或最大功率传输，要求 电路可以实现阻抗匹配。阻抗匹配关乎着系统的性能，电路实现阻抗匹配可使系统的性能 达到最优。
[0003] 通常实现阻抗匹配的目的有两个：一是消除信号源（或电源）与负载之间的反射 波，保证传输信号的传输质量，这种阻抗匹配称为无反射匹配；二是使电源（或信号源）输 出最大功率，这种阻抗匹配称为最大输出功率匹配。本专利主要针对第二种情况来设计的 一种适当的阻抗变换网络，从而实现高频功率源的最大功率输出。
[0004] 其次，谐振式无线电能传输技术具有传输距离远、传输效率相对较高、非辐射性等 特点，特别适合于中等距离的无线电能传输。其主要组成部分是传输线圈和负载，传输线圈 一般靠自谐振或者外接电容达到谐振状态，从而实现电能的有效传输。但在实际应用中，传 输线圈并不是理想线圈，要考虑其内阻，另外传输线圈之间的相对位置变化会引起互感变 化；负载电阻既不是越大越好也不是越小越好，它存在一个最佳值使得系统传输效率最大。 当负载电阻不是最佳值或者负载变化时，可以通过添加适当的阻抗变换网络来使其等效为 最佳值，从而实现对任意负载电阻均可以获得最大功率的目的。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服目前谐振式无线电能传输系统中电源输出功率不高，系统 传输效率低下的问题。通过在发射线圈和接收线圈两侧分别添加适当的阻抗变换网络，并 借助于阻抗变换控制器的作用，可以实时地保证高频功率源模块输出最大功率，且外部传 输效率最高，从而使得负载获得最大功率。
[0006] 本发明通过如下技术方案实现。
[0007] 添加自适应双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统，包括高频功率源模 块、传输线圈模块、负载模块、阻抗变换控制器、原边阻抗变换网络、副边阻抗变换网络；其 中高频功率源模块由理想电压源与内阻串联组成，为系统提供电能；传输线圈模块包括发 射线圈、接收线圈、互感检测器，其中发射线圈等效为由发射线圈内阻、发射线圈电感和发 射线圈谐振电容形成的RLC串联谐振模式，接收线圈等效为由接收线圈内阻、接收线圈电 感和接收线圈谐振电容形成的RLC串联谐振模式；原边阻抗变换网络的输入端与高频功率 源的输出端相连，输出端与传输线圈模块中的发射线圈TX相连；负载模块由负载和负载检 测器组成；阻抗变换控制器通过接收来自互感检测器的第一输入信号和负载检测器的第二 输入信号，经过内部数据处理，向副边阻抗变换网络和原边阻抗变换网络发出第一控制信 号和第二控制信号，进而调节它们的内部参数值；副边阻抗匹配网络的输入端与传输线圈 模块中的接收线圈相连，其输出端与负载相连，通过接收来自阻抗变换控制器的第一控制 信号来调节自身的参数值；原边阻抗变换网络的输入端与高频功率源模块的输出端相连， 其输出端与传输线圈模块中的发射线圈相连，通过接收来自阻抗变换控制器的第二控制信 号来调节自身的参数值。
[0008] 进一步地，根据戴维南定理和诺顿定理，高频功率源模块可以等效为一理想电压 源％和等效电源内阻1的串联，也能等效为一理想电流源13与等效电源内阻1^的并联形 式，两者满足u s= Rs ? Is的关系，当高频功率源外部的等效电阻为Req，且Req= 1时，高频 功率源模块输出最大功率Pmax，满足
【主权项】
1. 添加自适应双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统，其特征在于包括高频功 率源模块（I)、传输线圈模块（II)、负载模块（III)、阻抗变换控制器（C)、原边阻抗变换网 络（NI)、副边阻抗变换网络（N2);其中高频功率源模块⑴由理想电压源（U s)与内阻（Rs) 串联组成，为系统提供电能；传输线圈模块（II)包括发射线圈（TX)、接收线圈（RX)、互感检 测器（Ml)，其中发射线圈（TX)等效为由发射线圈内阻（R u)、发射线圈电感（LI)和发射线 圈谐振电容（Cl)形成的RLC串联谐振模式，接收线圈（RX)等效为由接收线圈内阻（1)、接 收线圈电感（L2)和接收线圈谐振电容（C2)形成的RLC串联谐振模式；原边阻抗变换网络 (NI)的输入端与高频功率源的输出端相连，输出端与传输线圈模块（II)中的发射线圈TX 相连；负载模块（III)由负载（RJ和负载检测器（M2)组成；阻抗变换控制器（C)通过接收 来自互感检测器（Ml)的第一输入信号和负载检测器（M2)的第二输入信号，经过内部数据 处理，向副边阻抗变换网络（N2)和原边阻抗变换网络（NI)发出第一控制信号和第二控制 信号，进而调节它们的内部参数值；副边阻抗匹配网络（N2)的输入端与传输线圈模块（II) 中的接收线圈（RX)相连，其输出端与负载（RJ相连，通过接收来自阻抗变换控制器（C)的 第一控制信号来调节自身的参数值；原边阻抗变换网络（NI)的输入端与高频功率源模块 的输出端相连，其输出端与传输线圈模块（II)中的发射线圈（TX)相连，通过接收来自阻抗 变换控制器（C)的第二控制信号来调节自身的参数值。
2. 根据权利要求1所述的添加自适应双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统， 其特征在于，根据戴维南定理和诺顿定理，高频功率源模块（I)可以等效为一理想电压源U s 和等效电源内阻Rs的串联，也能等效为一理想电流源Is与等效电源内阻Rs的并联形式，两 者满足U s= Rs *IS的关系，当高频功率源外部的等效电阻为且Rrai= 1时，高频功率源 模块（I)输出最大功率Pmax，满足
；高频功率源的频率f为0. 5-50MHZ，且电压 源或者电流源的波形为正弦波。
3. 根据权利要求1所述的添加自适应双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系 统，其特征在于发射线圈内阻Ru*接收线圈内阻Ru均包括欧姆内阻和辐射内阻；发射线 圈（TX)和接收线圈（RX)满足关系
，ω为系统角频率，满足ω = 2. f，L1为发射线圈电感，C i为发射线圈谐振电容，L 2为接收线圈电感，C 2为接收线圈谐振 电容，即发射线圈（TX)和接收线圈（RX)在系统频率下发生串联谐振。
4. 根据权利要求3所述的添加自适应双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统， 其特征在于传输线圈模块（II)中的发射线圈（TX)和接收线圈（RX)之间的距离在电磁波 半个波长以内；发射线圈（TX)和接收线圈（RX)的间距不小于频率分叉范围。
5. 根据权利要求3所述的添加自适应双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统， 其特征在于，发射线圈（TX)和接收线圈（RX)之间的互感大小为M。当两个线圈之间的距 离、方位、夹角等发射变化时，其互感大小M也会随之变换。通过互感检测器（Ml)可以实时 测量发射线圈（TX)和接收线圈（RX)的互感M，并将互感M以第一输入信号的形式发送到阻 抗变换控制器（C)进行处理，其中互感检测器可由矢量网络分析仪VNA等仪器充当。
6. 根据权利要求1所述的添加自适应双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统， 其特征在于，高频功率源模块的外部的传输效率η取得最大值时存在一个最优负载&
7. 根据权利要求1所述的添加自适应双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统， 其特征在于，负载模块（III)由负载（?)和负载检测器（M2)组成，负载为纯阻性质、阻感 性质或者阻容性质。负载既可以是固定值，也可以是可变值。负载阻抗由负载检测器（M2) 进行测量，并测量结果以第二输入信号的形式送往阻抗变换控制器（C)进行处理。
8. 根据权利要求1所述的添加自适应双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统， 其特征在于，所述的阻抗变换控制器（C)数据处理包括：阻抗变换控制器（C)接收来自互 感检测器（Ml)提供的第一输入信号和负载检测器（M2)提供的第二输入信号。通过公式
算得此时的最佳负载值Ruoptimal，通过比较实际负载值&和 最佳负载值Ruptimal的大小，生成相应第一控制信号来控制副边阻抗变换网络（N2)内部元 件的参数；然后通过公式
可以算出经副边阻抗变换网络（N2) 变换之后原边的等效电阻Rrai，通过比较高频功率源内阻值Rs和等效电阻R^1的大小，生成相 应第二控制信号来控制原边阻抗变换网络（NI)内部元件参数值。
9. 根据权利要求7或8所述的添加自适应双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系 统，其特征在于，副边阻抗变换网络（N2)添加在接收线圈（RX)和负载（?)之间，由储能元 件电容和电感组成。副边阻抗变换网络（N2)通过接收来自阻抗变换控制器（C)的第一控 制信号，调节内部的参数值，使得从端口 44'向负载看进去的等效电阻值为I^0ptimal。由于 N2不消耗电能，则等效电阻Rk0ptima^耗的电能就等于负载（RJ消耗的电能，即此时系统可 以实现最大效率传输。
10. 根据权利要求1和2所述的添加自适应双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输 系统，其特征在于，如果高频功率源外部的等效电阻I^#R S，则在高频功率源模块（I)输出 端和发射线圈（TX)的输入端之间添加原边阻抗变换网络（NI)，原边阻抗变换网络（NI)通 过接收来自阻抗变换控制器（C)的第二控制信号，调节自身相关参数，使得从高频功率源 模块输出端向发射线圈看进去的等效电阻W %满足^ W= R s，则此时高频功率源模块 (I)的输出功率最大。由于阻抗变换网络（NI)由储能元件电容和电感构成，并不消耗电能， 因此高频功率源模块（I)输出的电能等于发射线圈接收端等效电阻消耗的电能，根据公式 P22, = Pu, · η可知，此时负载电阻（RJ获得的功率也最大。
【专利摘要】本发明提供了添加自适应双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统。系统包括高频功率源模块、原边阻抗变换网络模块、副边阻抗变换网络模块、传输线圈模块、负载模块和阻抗变换控制器。传输线圈模块包括发射线圈和接收线圈；原边阻抗变换网络模块分别与高频功率源模块和发射线圈相连；副边阻抗变换网络分别与接收线圈和负载模块相连；阻抗变换控制器通过接收来自互感检测器和负载检测器的信号，经过内部处理，发出相应指令到原、副边阻抗变换网络，调节其相关参数，从而实现系统性能最优。本发明通过在谐振式无线电能传输系统的原边和副边分别添加自适应阻抗变换网络，可以实时自动地实现高频功率源输出最大功率，且系统获得最高传输效率。
【IPC分类】H02J17-00
【公开号】CN104682576
【申请号】CN201510092338
【发明人】王学梅, 王振亚, 张波
【申请人】华南理工大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年3月1日