一種寬頻諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種寬頻諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，由能量發(fā)射端和能量接收端組成。能量發(fā)射端由隔離電源組、人機交互單元及高頻信號發(fā)生單元、信號放大及高頻驅動單元、扼流單元、變頻及功率放大單元、匹配電容，以及發(fā)射線圈組成，匹配電容和發(fā)射線圈構成諧振發(fā)射電路；能量接收端由接收線圈、匹配電容、頻率調整和工作負載組成，接收線圈與匹配電容組成諧振接收電路，通過頻率調整給工作負載進行供電。
【專利說明】一種寬頻諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 無線電能傳輸技術是支持負載設備以非接觸方式從電源取電的電能輸送技術。無 線電能傳輸技術能有效克服線路供電方式存在的設備移動靈活性差、占用體積空間、易產 生接觸火花、存在線纜、線纜接頭暴露、運動接觸面磨損等問題，提高供電系統(tǒng)的安全性、可 靠性及使用壽命。特別適用于移動裝備、易燃易爆環(huán)境和水下、油氣井下設備的安全供電， 對電磁理論和供用電方式的發(fā)展具有重大的科學意義和實踐價值，在無線傳感器網(wǎng)絡、電 動汽車、工業(yè)機器人、航空航天、軍事、油田礦井、水下作業(yè)等工業(yè)領域及在家用電器、醫(yī)療 器械等民用領域均具有廣泛的應用前景。
[0003] 無線電能傳輸技術按照實現(xiàn)原理可分為微波方式、射頻方式、磁感應耦合方式及 磁諧振耦合方式等。微波式輸電實質是利用微波集束代替輸電導線，波束通過自由空間后 由接收整流天線收集，從而實現(xiàn)大功率、長遠距離輸電，對解決空間軌道供電、孤立地區(qū)供 電、地面電站電能外送等問題意義顯著，但微波傳播不能穿越障礙物；射頻方式根據(jù)天線發(fā) 射和接收原理實現(xiàn)，利用電磁場衰減相對緩慢的遠場從而突破長距離傳遞能量，其頻率很 高，天線可小型化，方便嵌入各種小型設備，但發(fā)射天線一般為全向天線，能量發(fā)散程度高， 輸電效率、能力甚低而大受掣肘；磁感應耦合方式利用電磁感應原理借助繞在不同磁性結 構上的初級線圈及次級線圈之間的互感交換電能，但感應耦合式輸電的極大劣勢是其能量 傳輸距離非常近，被限制在毫米量級；磁諧振式無線電能傳輸技術則是一種基于磁諧振耦 合原理實現(xiàn)的非輻射性、高效、中距離輸電的新型技術。
[0004] 磁諧振式無線電能傳輸技術的關鍵在于通過適當?shù)脑O計與控制使其發(fā)生諧振耦 合并且不向體系外輻射電磁波，但受各種因素影響，總會產生少量空間輻射損耗及場源內 的熱損耗等。考慮到近區(qū)場范圍不能過短，且必需激發(fā)諧振耦合現(xiàn)象，對頻率要求較為苛 亥|J，一般采用0. 05MHz?50MHz之間的頻率，且盡可能選擇較低頻率。由于采用交變磁場作 為空間能量傳遞的媒介，諧振式能量傳輸方式對環(huán)境友好，且無嚴格的方向性，能同時給有 效區(qū)域內多個相近諧振頻率的接收端供電。相較于感應式，其能量傳輸性能穩(wěn)定，距離遠。
[0005] 磁諧振式無線電能傳輸技術的關鍵在于通過適當?shù)脑O計與控制使其發(fā)生諧振耦 合并且不向體系外輻射電磁波，但受各種因素影響，總會產生少量空間輻射損耗及場源內 的熱損耗等。考慮到近區(qū)場范圍不能過短，且必需激發(fā)諧振耦合現(xiàn)象，對頻率要求較為苛 亥IJ。由于對無線電能傳輸?shù)难芯?，所采用的頻率范圍較寬，而傳統(tǒng)的無線傳輸技術還沒有 實現(xiàn)大范圍的應用，為了便于擴大無線電能傳輸技術的應用范圍，需改進無線供電技術，因 此，對能量發(fā)射和接收裝置的性能提出了更高的要求，如何采用單一能量發(fā)射端實現(xiàn)寬頻 范圍大功率的發(fā)射，和實現(xiàn)高效率的能量傳輸，是無線傳能亟需解決的問題。
[0006] 目前文獻和專利中，對于能量傳輸方式多為基于空心變壓器原理，并無給出詳細 的無線電能傳輸理論的接收線圈電動勢分析，同時多為單一頻率的能量發(fā)射裝置，難以滿 足寬頻范圍無線電能傳輸?shù)囊蟆?br>
【發(fā)明內容】
[0007] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的頻率單一或頻率范圍不夠寬缺點，提出一種寬頻 諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)。本發(fā)明采用單一能量發(fā)射端，可實現(xiàn)62. 5kHz?10MHz寬頻范 圍的大功率無線電能傳輸，且給出詳細的無線電能傳輸理論的接收線圈電動勢分析，為發(fā) 射接收線圈設計提供有效手段。本發(fā)明采用單一能量發(fā)射裝置實現(xiàn)寬頻范圍大功率發(fā)射， 實現(xiàn)高效率的能量傳輸。本發(fā)明電能無線傳輸系統(tǒng)為寬頻，大功率的諧振式無線能量傳輸 系統(tǒng)，結構簡單，可應用在電器設備的無線供電、電動車充電等無線輸電領域。
[0008] 本發(fā)明寬頻諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)包括能量發(fā)射端和能量接收端。能量發(fā)射端 由隔離電源組、人機交互單元、高頻信號發(fā)生單元、信號放大單元、信號隔離單元、高頻驅動 單元、扼流單元、變頻及功率放大單元、第一匹配電容及發(fā)射線圈組成，其中隔離電源組包 括控制電路DC和主電路DC ;能量接收端由接收線圈、第二匹配電容、頻率調整及工作負載 組成。
[0009] 能量發(fā)射端中各單元之間的連接方式為：隔離電源組中的控制電路DC連接人機 交互單元、高頻信號發(fā)生單元及高頻驅動單元，同時主電路DC連接扼流單元，人機交互單 元的輸出端連接高頻信號發(fā)生單元的輸入端，高頻信號發(fā)生單元的輸出端連接信號放大的 輸入端，信號放大單元的輸出端連接信號隔離單元的輸入端，信號隔離單元的輸出端連接 高頻驅動單元輸入端，高頻驅動單元輸出端連接變頻及功率放大單元輸入端，扼流單元的 輸出端同時連接變頻及功率放大單元的電源輸入端，功率放大單元輸出端連接第一匹配電 容，第一匹配電容連接發(fā)射線圈，第一匹配電容和發(fā)射線圈組成諧振發(fā)射電路。信號傳輸方 式為：隔離電源組給人機交互單元、高頻信號發(fā)生單元及高頻驅動單元提供控制電路電源 DC，同時將主電路電源DC提供給扼流單元，人機交互單元的輸出信號輸入給高頻信號發(fā)生 單元，高頻信號發(fā)生單元的輸出信號輸入給信號放大單元，信號放大單元的輸出信號輸入 給信號隔離單元，信號隔離單元的輸出信號輸入給高頻驅動單元，高頻驅動單元的輸出信 號輸入給變頻及功率放大單元作為驅動，同時扼流單元的輸出信號輸入給變頻及功率放大 單元作為主電源DC，變頻及功率放大單元的輸出信號輸入給第一匹配電容，第一匹配電容 的輸出信號輸入給發(fā)射線圈，發(fā)射線圈向外傳輸高頻電磁場。
[0010] 能量接收端中，接收線圈與第二匹配電容連接組成諧振接收電路，諧振電路連接 頻率調整單元，頻率調整單元的輸出端連接工作負載的輸入，給工作負載供電。所述的寬頻 諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)最終可實現(xiàn)62. 5kHz?10MHz頻率范圍，功率lkW的無線電能傳 輸。
[0011] 所述的高頻信號發(fā)生單元用于產生變頻及功率放大單元所需的驅動信號，由FPGA 與DDS結合實現(xiàn)，可產生62. 5kHz?10MHz范圍內任意占空比任意波形。高頻信號發(fā)生單 元每次輸出頻率的選擇由人機交互單元控制，通過人機交互中的鍵盤，控制高頻信號發(fā)生 單元的信號產生。隔離單元采用三繞組隔離線圈實現(xiàn)，采用磁芯磁導率為10,電感系數(shù)為 4?20nH/N 2,應用頻率范圍為0. 1?10MHz，可承受功率為88W。
[0012] 所述的寬頻諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的主電路采用E類電路，主要由扼流單元 和變頻及功率放大單元組成：扼流單元采用的磁環(huán)電感系數(shù)為12nH/N2,應用頻率范圍為 0. 1?10MHz，磁導率為10,采用線徑1mm的銅質漆包線兩股并繞；功率放大單元采用單管 大功率M0SFET實現(xiàn)，最終可實現(xiàn)62. 5kHz?10MHz頻率范圍、發(fā)射電路回路電流有效值12A 的輸出。
[0013] 所述的發(fā)射線圈與發(fā)射線圈對應的第一匹配電容組成諧振發(fā)射電路，接收線圈與 接收線圈對應的第二匹配電容組成諧振接收電路，諧振發(fā)射電路與諧振接收電路具有相同 的諧振頻率，且與高頻信號發(fā)生單元發(fā)出的信號頻率相同，接收線圈與發(fā)射線圈直徑、線徑 及匝數(shù)參數(shù)相同，或接收線圈與發(fā)射線圈直徑、線徑及匝數(shù)等參數(shù)不同。接收線圈與發(fā)射線 圈直徑、線徑及匝數(shù)參數(shù)的匹配可依據(jù)公式設計：
[0014]
【權利要求】
1. 一種寬頻諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述的無線電能傳輸系統(tǒng)包括能 量發(fā)射端和能量接收端；能量發(fā)射端由隔離電源組、人機交互單元、高頻信號發(fā)生單元、信 號放大單元、信號隔離單元、高頻驅動單元、扼流單元、變頻及功率放大單元、第一匹配電容 (Ct)及發(fā)射線圈組成；所述的隔離電源組包括控制電路DC和主電路DC ;所述的控制電路DC 分別連接人機交互單元、高頻信號發(fā)生單元及高頻驅動單元，主電路DC連接扼流單元；所 述人機交互單元的輸出端連接高頻信號發(fā)生單元的輸入端，高頻信號發(fā)生單元的輸出端連 接信號隔離放大的輸入端，信號放大單元的輸出端連接信號隔離單元的輸入端，信號隔離 單元的輸出端連接高頻驅動輸入端，高頻驅動單元輸出端連接變頻及功率放大單元，扼流 單元的輸出端連接變頻及功率放大單元的輸入端，功率放大單元輸出端連接第一匹配電容 (Ct)，第一匹配電容（Ct)連接發(fā)射線圈，第一匹配電容（Ct)和發(fā)射線圈組成諧振發(fā)射電路； 能量接收端由接收線圈、第二匹配電容（(；)、頻率調整單元及工作負載組成；所述的接收線 圈與第二匹配電容（(；）組成諧振接收電路，諧振電路連接頻率調整單元，頻率調整單元的 輸出連接工作負載，給工作負載供電。
2. 根據(jù)權利要求1所述的寬頻諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，高頻信號發(fā)生 單元用于產生變頻及功率放大單元所需的驅動信號，由FPGA與DDS結合實現(xiàn)，能夠產生 62. 5kHz?10MHz范圍內任意占空比任意波形；人機交互單元控制高頻信號發(fā)生單元每次 輸出頻率的選擇，通過人機交互中的鍵盤，控制高頻信號發(fā)生單元的信號產生；隔離單元采 用三繞組隔離線圈實現(xiàn)，采用磁芯磁導率為10,電感系數(shù)為4?20nH/N 2,應用頻率范圍為 0. 1?10MHz，承受功率為88W。
3. 根據(jù)權利要求1所述的寬頻諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述的寬頻諧 振式無線電能傳輸系統(tǒng)主電路采用E類放大電路，由扼流單元和變頻及功率放大單元組 成：扼流單元采用的磁環(huán)電感系數(shù)為12nH/N 2,應用頻率范圍為0. 1?10MHz，磁導率為10， 采用線徑1mm的銅質漆包線兩股并繞；功率放大單元采用單管大功率M0SFET實現(xiàn)，能夠實 現(xiàn)62. 5kHz?10MHz頻率范圍、發(fā)射電路回路電流有效值12A的輸出。
4. 根據(jù)權利要求1所述的寬頻諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，發(fā)射線圈與發(fā) 射線圈對應的匹配電容組成諧振發(fā)射電路，接收線圈與接收線圈對應的匹配電容組成諧 振接收電路，諧振發(fā)射電路與諧振接收電路具有相同的諧振頻率，且與高頻信號發(fā)生單元 發(fā)出的信號頻率相同；接收線圈與發(fā)射線圈直徑、線徑及匝數(shù)參數(shù)的匹配依據(jù)以下公式設 計：
其中，V為接收線圈上的電動勢，ω = 2 π f，f為諧振頻率，μ為真空磁導率，ητ和ηκ 分別為發(fā)射線圈和接收線圈的匝數(shù)，a，b為發(fā)射線圈和接收線圈半徑，I為發(fā)射線圈流過的 電流，k2= ω2μ ε，空氣中用k= c〇/c，c為3*108，L為發(fā)射線圈與接收線圈的距離。
【文檔編號】H02J17/00GK104065175SQ201410265326
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權日:2014年6月13日
【發(fā)明者】李艷紅, 劉國強, 宋顯錦, 張超, 張瑞華 申請人:中國科學院電工研究所