本發(fā)明屬于能量收集與管理電子電路和快速充電領(lǐng)域，具體涉及一種基于廣義共振的快速、高效、升壓充電方法。
背景技術(shù)：
：經(jīng)典理論對于電能傳輸/獲取的最高效率原則是阻抗匹配。其意為：當(dāng)能源具有內(nèi)阻r時，負(fù)載獲取最高效率的“負(fù)載電阻”也應(yīng)等于r。如附圖1-1～附圖1-4所示：當(dāng)能源的空載“開路電壓”為10v、內(nèi)阻rn＝5ω時，只有負(fù)載電阻rw＝5ω，才能獲得最大的“負(fù)載功率”＝5w，但能源功率＝10w、能源內(nèi)耗＝5w，能源的利用率僅為50％。但在用交流能源對超級電容或/和電池充電時，如附圖1-4，大多數(shù)條件下能源的阻抗是極低的，負(fù)載(超級電容和電池)的視在阻抗是變化的，沒有阻抗匹配可言。特別是，經(jīng)典的充電儲能技術(shù)是對交流的能源電壓直接經(jīng)過整流為直流電對電容或/和電池充電，其所存在的兩個極限狀態(tài)是：a，儲能的“負(fù)載電壓”永遠(yuǎn)低于能源“開路電壓”，如附圖1-5、附圖1-6；b，能源開路電壓低于已經(jīng)儲能的負(fù)載電壓時，充電停止，充電效果為零。上述極限的限制，導(dǎo)致經(jīng)典的(對交流整流為)直流儲能充電帶來了嚴(yán)重的問題：交流能源電壓的峰值低于已儲電壓時無法對儲能器充電，使得偶獲的寶貴能源不能儲存利用；儲能電容器cc的極限儲能電量q，取決于最高的能源電壓ui：q≤ui*cc。由于上述限制，若電動車需要約1000v電壓時，經(jīng)典的整流充電方法使用220vrms(311vp)的工頻電網(wǎng)能源只能對儲能超級電容充電到310vp，不得已采取對多個超級電容并聯(lián)充電(到310v)、再用多個(例如3個)超級電容串聯(lián)對負(fù)載供電(輸出930v)。由此帶來了并聯(lián)充電、串聯(lián)用電變換的繁瑣控制問題，而且，n個電容量c相同的電容并聯(lián)充電的峰值電流是單個電容的n倍；而為了減小充電峰值電流，就需要更長的充電時間。這又帶來了不能快速充電的問題。由于上述經(jīng)典整流充電方法的限制，還導(dǎo)致無(電)源無線電子設(shè)備的將環(huán)境能量變換為電能的電源獲取裝置之能源電壓ui對儲能電容cc充電到ucc接近與ui電壓時，不能對儲能電容繼續(xù)充電；當(dāng)儲能電容cc的電壓ucc大于電源獲取裝置的能源電壓ui時，也不能繼續(xù)利用能源于充電和增加儲能；當(dāng)儲能電池e的電壓ue大于電源獲取裝置的能源電壓ui時，也不能繼續(xù)利用能源于充電和增加儲能?，F(xiàn)有技術(shù)在解決高效率充電、儲能問題時的主要手段是減小整流器的壓降，如使用肖特基二極管(其典型壓降為0.2v，而普通二極管的典型壓降在0.7v以上)，甚至使用以檢測邏輯電路控制的vmos三級管(其典型壓降約0.01v)整流，但仍不能解決對已儲電壓vcc、vee高于能源電壓ui的儲能電容cc或電池e繼續(xù)充電的問題；而解決低電壓能源整流所得的低電壓向高電壓的儲能電容或電池充電的主要手段是使用升壓型的dc/dc變換器，仍然不能解決從能源盡量多獲取能量的問題。因此，需要解決對儲能裝置(超級電容或/和充電電池)快速、高效、升壓充電的問題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明針對上述傳統(tǒng)方法的技術(shù)缺陷，提出一種基于廣義共振的快速、高效、升壓充電方法。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種基于廣義共振的快速、高效、升壓充電方法，為了實(shí)現(xiàn)在交流能源的電壓ui低于期望的儲能電容cc的電壓ucc時，或能源的電壓ui低于儲能電池e電壓ue時，仍能用能源電壓ui對儲能電容cc或儲能電池e繼續(xù)充電，其特征在于：在能源輸出電壓端增加rlc串聯(lián)諧振電路，實(shí)施rlc廣義共振升壓，令lc的串聯(lián)諧振頻率fd＝1/[2π*(lc)0.5]等于或接近于交流能源電壓的頻率fn，偏差不大于5％，并從諧振電容c兩端取用電壓供給整流充電儲能電路，其中，rlc串聯(lián)諧振電路的電阻r主要包括能源的內(nèi)部電阻rn和增加的電阻rw，r＝rn+rw，即：當(dāng)需要串聯(lián)電阻為r，而能源已經(jīng)含有內(nèi)電阻rn，則在外部添加串聯(lián)電阻rw＝r-rn；rlc串聯(lián)諧振電路的電感l(wèi)主要包括能源的內(nèi)部電感l(wèi)n和增加的電感l(wèi)w，l＝ln+lw，即：當(dāng)需要串聯(lián)電感為r，而能源已經(jīng)含有內(nèi)電感l(wèi)n，則在外部添加串聯(lián)電感l(wèi)w＝l-ln。附圖1-7為一個廣義共振快速、高效、升壓充電裝置的原理說明仿真電路圖，頻率為50hz，幅值為100vp的能源，含有內(nèi)電阻rn＝3.141593ω，內(nèi)電感l(wèi)n＝100mh，外接c＝101.32uf的諧振電容于lw的外端到公共地線，rlc諧振頻率fd，等于能源的電壓頻率fn＝50hz；從諧振電容c的兩端取用“電容升壓”電壓供給整流器gr1，整流器gr1的輸出端接儲能電容器cc＝1mf，輸出“儲能電壓”。當(dāng)附圖1-7被設(shè)置在經(jīng)典充電方式，即以開關(guān)ws1斷開諧振電容c。附圖1-8為經(jīng)典充電方式在1秒充電過程的測試圖，平均充電功率4.84w/s，1秒后最終“儲能電壓”為96.41v，低于能源的“開路電壓”100vp；在儲能電容cc上儲存的功、能為4.65w。當(dāng)附圖1-7被設(shè)置在廣義共振充電方式時如附圖1-9，即以ws1接通諧振電容c。附圖1-10為廣義共振充電方式在1秒充電過程的測試圖，平均充電功率287w/s，充電到96.41v僅需0.06秒，經(jīng)過1s后最終“儲能電壓”為755v，高于能源的“開路電壓”100vp；在儲能電容cc上儲存的功、能為286w。比較上述數(shù)據(jù)，可見在1秒鐘充電后，本發(fā)明之基于廣義共振的快速、高效、升壓充電方法與經(jīng)典充電方式比較，充電平均功率提升287/4.48＝64倍，儲能電壓提升755/96.41＝7.83倍，儲存的能量提升286/4.65＝61倍，充電至經(jīng)典終充電最終電壓的速度提升1/0.06＝16倍。該仿真效果表明：廣義共振升壓充電方法，解決了經(jīng)典充電方法所存在的“儲能電壓”永遠(yuǎn)低于能源“開路電壓”，和能源開路電壓低于已經(jīng)儲能的“儲能電壓”時，充電停止，充電效果為零的問題。本發(fā)明之基于廣義共振的快速、高效、升壓充電方法的基本原理在于：在實(shí)施當(dāng)rlc廣義共振升壓的過程中，當(dāng)諧振電容c的電壓出現(xiàn)接近(偏差不大于5％)峰值的電壓，高于儲能電容cc的儲能電壓加整流充電儲能電路的整流器壓降時，來自交流能源的電流不再單獨(dú)供給lc諧振儲能，而主要轉(zhuǎn)向整流器整流進(jìn)而向儲能電容cc充電。這個瞬時的交流能源電流，等于該瞬時能源開路電壓在內(nèi)阻r上的壓降除以能源內(nèi)電阻r；能源電流還有一部分仍流經(jīng)l、流入電容c的電流之“虛”功率，儲存于lc中并增強(qiáng)其廣義共振，它們并不被當(dāng)作有用(實(shí))功消耗，而是為下一個周期繼續(xù)實(shí)現(xiàn)廣義共振升壓充電做準(zhǔn)備，直到諧振電容c的峰值電壓升高到(由rlc參數(shù)設(shè)計xl＝xc＝g*r所決定的升壓系數(shù))g倍于能源的“開路電壓”峰值時停止。由于rlc串聯(lián)諧振電路的l和c的端電壓之相位，較電流相位差90度，所以，發(fā)生上述諧振升壓充電的過程的時機(jī)，是在rlc回路電流相位即將過零但尚未不為零的時機(jī)、亦即諧振電容c的電壓出現(xiàn)峰值的時機(jī)。附圖1-11的充電瞬時信息測試圖，清晰地揭示了上述廣義共振升壓充電原理。附圖1-11，當(dāng)rlc廣義共振的過程出現(xiàn)諧振電容c的電壓值364.77v接近峰值，狀況1：諧振電容c的電壓突然限幅于364.77v時，同時有狀況3：諧振電容c電壓高于儲能電容的儲能電壓362.22v：364.77-362.22＝2.55v＝(2個1.29v)，為整流器中兩個整流管壓降，于是有狀況4：來自電源的能源電流8.32a不再單獨(dú)供給lc諧振儲能(狀況2：0.921a)，而主要轉(zhuǎn)向整流器及儲能電容cc(狀況2：充電電流7.4a，7.4+0.921＝8.321＝能源電流8.32！)。這個瞬時的能源電流8.32a，等于瞬時(狀況5：)能源開路電壓41.15v在內(nèi)阻r(狀況6：)壓降26.13v除以電源內(nèi)電阻r＝3.141593歐后獲得的電流：26.13v/3.141593＝8.317a，能源電壓還有一部分(41.15-26.13＝15.02v)產(chǎn)生電流，即流經(jīng)l、流入電容c的電流，所對應(yīng)的“虛”功率儲存于lc中并增強(qiáng)其廣義共振。由于l和c端電壓的相位較電流相位差90度，所以，發(fā)生上述諧振升壓充電的過程的時機(jī)，是在rlc回路電流及能源開路電壓的幅度及相位即將過零但尚不為零的時機(jī)、亦即諧振電容電壓出現(xiàn)峰值的時機(jī)。這與如附圖1-12所示的經(jīng)典充電時充電電流發(fā)生在能源開路電壓、能源電流峰值的狀況完全不同。附圖1-11至附圖1-16是經(jīng)典整流充電帶“匹配”負(fù)載與廣義共振升壓整流充電帶等效匹配負(fù)載的效率對比仿真電路，條件是：能源正弦電壓峰值100vp，頻率fn＝50hz，內(nèi)阻r＝0.3141593ω；經(jīng)典整流充電帶經(jīng)典“匹配”負(fù)載，負(fù)載電阻rhj＝r＝0.3141593ω，儲能電容cc＝1f；廣義共振升壓整流充電帶等效“匹配”負(fù)載，負(fù)載電阻rhg＝100r＝31.41593ω，儲能電容cc＝1f，廣義共振的l＝10mh，c＝1.0132mf，諧振頻率fd＝1/[2π*(l*c)0.5]＝50hz＝fn，感抗xl＝2π*fd*l＝3.141593＝10r，即極限升壓系數(shù)g＝xl/r＝10。由于儲能電容cc及負(fù)載rhg的得到的功為n＝vcc2/rhg，當(dāng)我們期望廣義共振升壓整流儲能的輸出功率與經(jīng)典整流儲能的輸出功率大約相等而輸出電壓為10倍時，則廣義共振升壓整流儲能的負(fù)載rhg與經(jīng)典整流儲能的負(fù)載rhj之比應(yīng)為102倍，所以取rhg＝100rhj＝100*0.3141593ω＝31.41593ω。將上述仿真信號圖的信息統(tǒng)計分析于下。上述統(tǒng)計表明：“廣義共振升壓整流帶等效負(fù)載充電”與“經(jīng)典整流充電帶匹配負(fù)載”相比，負(fù)載電壓提升了11倍，將能源輸出總功率消耗降低到0.728倍，負(fù)載所獲得的功率也降低到0.8691倍，但輸出功率的效率提升到1.19倍＝0.8691/0.7280。所述快速、高效、升壓充電方法的條件在于：一般用于對儲能器件(電容器、可充電電池)充電的能源是低內(nèi)阻抗的、電壓基本恒定和頻率很穩(wěn)定的交流電源，例如對電動汽車儲能電容器、可充電電池充電用的ui＝220vrms(310vp)50hz的市電電源為能源是具有低內(nèi)阻和恒定電壓的。目前存在的不能短時間內(nèi)充電便能行車數(shù)百公里的主要問題有兩個：其一是超級電容或蓄電池不允許快速、大電流充電以防過熱，已經(jīng)有石墨烯等技術(shù)可以解決；其二是不能用市電能源(ui＝310vp)對超級電容cc實(shí)現(xiàn)期望的更高電壓ucc＝1000v～3000v、更快速度、更高效率的充電，或不能用更低電壓的、更短時間的、無線電磁感應(yīng)的電源對超級電容cc實(shí)現(xiàn)更高電壓、更快速度、更高效率的充電。以致成為對停站的、甚至行駛中的電動車實(shí)現(xiàn)無線充電(以免除現(xiàn)有接觸網(wǎng)供電的電火花強(qiáng)烈干擾)的“瓶頸”，特別是，對大功率的磁懸浮列車、地鐵、動車組、高鐵實(shí)現(xiàn)無線供電時，在沿途設(shè)置對行進(jìn)中車輛的超級電容充電的“道床無線供電器n1”來對“車載受電器n2”通過磁感應(yīng)供電，如附圖1-17。圖中，在道床兩條鋼軌之間設(shè)置“道床無線供電器n1”，在“道床無線供電器n1”的e形鐵芯的中部極靴1上繞線圈3并由地面有線電路供給交流電，“道床無線供電器n1”的中部極靴1與兩邊極靴2之間產(chǎn)生交變磁場；在車底對準(zhǔn)“道床無線供電器n1”非接觸、小間隙地設(shè)置“車載受電器n2”，在“車載受電器n2”的e形鐵芯的中部極靴4上繞線圈6，“車載受電器n2”的中部極靴4與兩邊極靴5之間產(chǎn)生感應(yīng)耦合“道床無線供電器n1”產(chǎn)生的交變磁場；“道床無線供電器n1”的線圈3由地面有線電路供給交流電源，“車載受電器n2”的線圈6感應(yīng)“道床無線供電器n1”的磁場輸出感應(yīng)電勢電壓ui。圖2-1～圖2-6是一個對經(jīng)典無線充電電路進(jìn)行rlc廣義共振無線充電改造的效果對比仿真電路。如附圖2-1所示，假定某電動車使用vcc＝2000～3000v的超級電容供電，超級電容cc＝(cc1＝cc2＝)1f，在超級電容無電時，無線供電方法的“車載受電器n2”對電容冷充電20秒，行車后每10秒無線供電2秒。用電負(fù)載為rh＝(rh1＝rh2＝)100歐姆?！败囕d受電器n2”供電能源電壓ui＝310vp(220vrms)，fn＝50hz，“車載受電器n2”線圈的電感l(wèi)＝(l1＝l2＝)1mh，線圈內(nèi)電阻r＝(rn1＝rn2＝)31.4mω，為了實(shí)現(xiàn)廣義共振升壓，即諧振升壓，增加諧振電容c＝(c1＝c2＝)10mf，根據(jù)f＝1/(2π*(lc)0.5)＝50hz＝fn，滿足諧振頻率f等于能源頻率fn的技術(shù)要求。附圖中，rn1、c1、l1、cc1、rh1是諧振升壓電路的參數(shù)，rn2、c2、l2、cc2、rh2是經(jīng)典電路的參數(shù)，輸入電流i1、輸入功率p1、放電功率ph1、諧振升壓uc1、充電電壓vcc1、儲能放電vh1是諧振升壓電路的測量參數(shù)，輸入電流i2、輸入功率p2、放電功率ph2、諧振升壓uc2、充電電壓vcc2、儲能放電vh2是經(jīng)典電路的測量參數(shù)。附圖2-2、如圖2-3、附圖2-4是仿真測試圖。對仿真測試得到的參數(shù)統(tǒng)計比較如下：仿真數(shù)據(jù)分析可見：廣義共振升壓(諧振升壓)充電法較之經(jīng)典方法充電具有充電速度快、充電電壓高、儲能能量多，允許間斷(每10秒充電2秒)從而節(jié)約無線供電的“道床無線供電器n1”的長度而大量節(jié)約建設(shè)投資(例如減小到約1/5)，并保證負(fù)載能得到滿足要求的電壓、提高了充電效率等優(yōu)越性。又例如：對于無線傳感器供電的能源獲取器所能得到的能源電壓ui時常是低微的電壓，如附圖2-5的“經(jīng)典充電與諧振升壓充電電路圖”所示，能源電壓ui＝0.1vp，含有內(nèi)阻r1＝10mω和內(nèi)部電感l(wèi)1＝1mh。當(dāng)經(jīng)典充電方式以該能源電壓ui直接經(jīng)過橋式整流器gr2整流對儲能電容cc2＝1f充電時，由于橋式整流器的導(dǎo)通電壓需要約1.2v，因此，如附圖2-6所示，經(jīng)過100秒鐘“充電”之后放電100秒，由于橋式整流器的輸入電壓也僅uc2＝0.1vp，所以儲能電容cc2所獲得的電壓vcc2≈0，儲能電容cc2沒有獲得充電功率和功。而經(jīng)過廣義共振升壓方法，cc1得到終電壓vcc1＝1.41v，儲存的功達(dá)到4.31*200＝862mw*s。上述例子的經(jīng)典充電效果為0的原因在于：能源電壓ui使用經(jīng)典充電方法不能提供高于橋式整流器導(dǎo)通所需要的電壓uc2。解決提升uc2的最簡單有效的途徑之一，是利用能源的現(xiàn)有條件(含有r1和l1)及rlc廣義共振原理。如附圖2-5的廣義共振測試仿真電路所示：在橋式整流器的輸入端，即能源(含有r1和l1)的輸出電壓端并聯(lián)一個諧振電容c1，構(gòu)成r1l1c1串聯(lián)諧振電路。圖2-6的測試表明：當(dāng)充電到100秒時，橋式整流器rg1輸入端的電壓uc1＝2.99v，足以使rg1導(dǎo)通并向儲能電容器cc1充電。諧振電容c1設(shè)計方法為使串聯(lián)諧振頻率fd，等于交流能源電壓的頻率fn。設(shè)能源的頻率fn＝500hz，根據(jù)公式fd＝1/((lc)0.5·2π)，計算c1＝1/(2πfd)2·l1＝101.3211836uf，近似取c1＝100uf。r1l1c1廣義共振自然規(guī)律是：能夠不斷地從自然界中(例如本電路的能源中)不斷獲取引起廣義共振的能量并以廣義共振(即以其廣義共振頻率fd振蕩)的方式儲存在其l1c1器件中，并使其r1l1c1廣義共振電路的諧振電感l(wèi)1和諧振電容c1的端電壓不斷上升，直到振蕩的電流在r1l1c1廣義共振電路的電阻r1上的消耗功率等于從能源獲取的功率時停止上升。當(dāng)諧振電容c1兩端之間的電壓uc1大于橋式整流器的壓降加儲能電容cc1上的儲存電壓vcc1時，便向儲能電容cc1充電。成功地實(shí)現(xiàn)了從微電壓能源獲取并儲存電能的目的。一種基于廣義共振的快速、高效、升壓充電方法，為了進(jìn)一步降低所述方法在充電時對能源吸收的峰值電流、降低整流器的峰值電流、提升儲能充電輸出電壓和儲能功率，其特征在于：在能源輸出電壓端增加rlc串聯(lián)諧振電路，具體l＝l1,c＝c1，令rlc的串聯(lián)諧振頻率fd＝1/[2π*(l1c1)0.5]，等于或接近于能源電壓的頻率fn，偏差不大于5％，并在從電容器c1兩端取用電壓供給整流器時再串聯(lián)限流電感器l2，構(gòu)成廣義共振限流充電電路，限流電感器l2的量值為0.1l1～1.0l1，若要追求降低輸入峰值電流，但允許降低輸出功率，則取l2＝0.1l1最佳；若要追求既降低輸入峰值電流，又兼顧提升輸出功率，則l2＝0.9l1最佳。附圖3-1～附圖3-12是研究lc廣義共振限流充電電路的分析電路圖和仿真測試圖。進(jìn)行了能源低電壓和高電壓、經(jīng)典充電電路、廣義共振充電電路和廣義共振限流充電電路的仿真分析。對附圖3-1-附圖3-12的仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計如下：對附圖3-1～附圖3-12的仿真統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析計算如下：可見：廣義共振限流方法比廣義共振方法的輸出電壓增大到1.11倍，儲存功率增大到1.22倍，最大輸入電流降低到0.93倍，最大充電電流降低到0.67倍，儲能效率提高到1.01倍。取得了良好的效果。附圖3-13是所述在能源輸出電壓的兩個端點(diǎn)之間增加rlc串聯(lián)諧振電路，具體l＝l1,c＝c1，令lc的串聯(lián)諧振頻率fd＝1/[2π*(l1c1)0.5]，等于或接近于能源電壓的頻率fn，并在從電容器c1兩端取用電壓供給整流器時再串聯(lián)限流電感器l2，構(gòu)成廣義共振限流充電電路，l2的量值為0.1l1～1.0l1的仿真證明：對附圖3-13～附圖3-18的仿真統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析計算如下：可見：若要追求降低輸入峰值電流，但允許降低輸出功率，則取l2＝0.1l1最佳；若要追求既降低輸入峰值電流，又兼顧提升輸出功率，則l2＝0.9l1最佳。所述一種基于廣義共振的快速、高效、升壓充電方法，其特征在于，基于廣義共振原理，在能源輸出電壓端增加rlc串聯(lián)諧振電路諧振頻率fd＝1/[2π*(lc)0.5]，等于能源電壓的頻率fn，并從電容器c兩端取用電壓供給整流充電儲能電路時，基本設(shè)計方法為：步驟1，根據(jù)規(guī)定的能源最大電路限制電流i1、能源電勢ui和頻率fn，計算最小限流電阻r1：因?yàn)橹C振升壓時，諧振電容與諧振電感上的電壓絕對值相等但符號相反，以致諧振電容電壓uc1+諧振電感電壓ul1＝0，全部輸入電壓ui，即能源電勢ui施加在r1上，所以有：r1＝ui/i1(1)；步驟2，根據(jù)能源電勢ui和充電最高限制電壓um及最小限流電阻r1，計算回路串聯(lián)諧振電容c1、電感l(wèi)1：由于回路諧振最大電流i1＝ui/r1，諧振時電容c1的容抗xc＝1/(2π*fn*c1)，則其端電壓uc1＝um＝i1*xc＝i1/(2π*fn*c1)；諧振時電感l(wèi)1的感抗xl＝2π*fn*l1，則其端電壓uc2＝um＝i1*xl＝i1*2π*fn*l1。所以有：c1＝i1/(2π*fn*um)(2),l1＝um/(i1*2π*fn)(3)。例如：設(shè)能源最大電路限制電流i1＝100a、能源電勢ui＝100v、頻率fn＝50hz、最大輸出電壓um(即充電最高限制電壓)＝1000v，即放大增益20db，亦即10倍。求r1、c1、l1，并仿真驗(yàn)證。根據(jù)式(1)：r1＝ui/i1，則r1＝100v/100a＝1ω根據(jù)式(2)：c1＝i1/(2π*fn*um)，則有c1＝100/(2π*50*1000)＝318.3098862uf，根據(jù)式(3)：l1＝um/(i1*2π*fn)，則有l(wèi)1＝1000/(100*2π*50)＝31.83098862mh。根據(jù)上述公式的計算結(jié)果設(shè)計的廣義共振升壓充電電路如附圖3-19。如附圖3-20，能源開路電壓為100vp50hz，實(shí)測：諧振放大增益20db，即10倍，如附圖3-21；對于ui＝100v50hz正弦輸入的輸出uc＝1000v，如附圖3-22；附圖3-23表明充電時機(jī)：能源電壓ui接近過零；附圖3-24表明充電時機(jī)：能源電流i1接近過零；附圖3-25表明充電時機(jī)：電阻電壓ur接近過零；附圖3-26表明充電時機(jī)：電容電壓uc是峰值電壓。上述測試結(jié)果證明了設(shè)計公式(1)～(3)正確，也證明了電路的實(shí)際特征復(fù)合前述的廣義共振升壓的原理。當(dāng)uc＝902.08v時，vcc＝898.99v，uc-vcc＝3.09v，等于2個二極管的壓降(2*vdd＝3.1v)，整流器導(dǎo)通，此時ur＝13.36v，產(chǎn)生電流13.16a，諧振器原本試圖用來儲能的此13a電流轉(zhuǎn)移到儲能電容cc，引起vcc升高0.44v到899.43v。而uc則出現(xiàn)限幅波形。鑒于交流能源電壓的頻率fn可能在某種范圍內(nèi)發(fā)生變化，例如獲取環(huán)境振動能、風(fēng)能等能源獲取器輸出的電壓頻率可能從fn1到fn2變化，變化的頻帶的帶寬fb＝fn2-fn1；為了保證在交流能源頻率變化的情況下仍然能實(shí)現(xiàn)廣義共振升壓充電，所述一種基于廣義共振的快速、高效、升壓充電方法，提出一種寬帶諧振升壓器，將諧振頻率fn的頻帶帶寬比展寬至b＝(fn2-fn1)/fn，在能源輸出電壓的兩個輸出端之間增加rlc串聯(lián)諧振電路，令rlc的串聯(lián)諧振頻率fn＝1/[2π*(lc)0.5]，并對電容器c兩端再并聯(lián)一個l’c’串聯(lián)支路，從所述串聯(lián)支路的電容器c’兩端取用電壓供給整流充電儲能電路，如附圖4-1；所述串聯(lián)支路的諧振頻率設(shè)計為fn＝1/[2π*(l’c’)0.5]，其中fn＝[(fn22+fn12)/2]0.5，l’＝l*b2，c’＝c/b2。附圖4-2為廣義共振寬帶升壓器傳輸特性仿真圖。寬帶諧振升壓器由rlc串聯(lián)諧振電路和l’c’串聯(lián)支路共同構(gòu)成。所述寬帶諧振升壓器的具體設(shè)計方法是：設(shè)計要求為：諧振頻率范圍為fn1到fn2，極限升壓增益為g，最小限流電阻為r；設(shè)計計算寬帶諧振升壓器的參數(shù)l、c、l’、c’的方法為：根據(jù)所需的諧振頻率范圍為fn1到fn2，則寬帶諧振其的中心頻率設(shè)計為:fn＝[(fn22+fn12)/2]0.5(4)，所需的帶寬比為：b＝(fn2-fn1)/fn(5)，兩個諧振頻率均為fn的、前一個為lc、后一個為l’c’的諧振器級聯(lián)，其中l(wèi)/l’＝c’/c＝b2(6)，根據(jù)諧振的感抗等于容抗的原則xl＝2πfn*l＝xc＝1/(2πfn*c)，和諧振時感抗xl和容抗xc為(極限升壓增益)g倍于阻抗r，則有：xl＝2πfn*l＝rg，xc＝1/(2πfn*c)＝rg，從而有：l＝rg/(2πfn)(7)，c＝1/(2πfn*rg)(8)。設(shè)計例：設(shè)計fn2＝500hz，fn1＝400hz，限流電阻最小值r＝10mω，最大放大系數(shù)g＝100的寬帶升壓器。計算：根據(jù)公式(4)，fn＝[(fn22+fn12)/2]0.5，則諧振中心頻率fn＝[(5002+4002)/2]0.5＝452.769hz；根據(jù)公式(5)，b＝(fn2-fn1)/fn，則有b＝(500-400)/452.77＝0.22086；根據(jù)r＝2πfn*l/g和公式(7)，則有l(wèi)＝rg/2πfn＝0.01*100/(2π*452.769)＝351.5uh；根據(jù)公式(4)fn＝1/[2π*(lc)0.5]，則有：lc＝1/(2πfn)2，c＝1/(2πfn)2/l＝351.5uf；根據(jù)公式)6)l/l’＝c’/c＝b2，則有l(wèi)’＝l/b2＝7.206mh，c’＝c*b2＝17.15uf。根據(jù)上述計算參數(shù)設(shè)計的“廣義共振寬帶升壓器”如附圖4-1，附圖4-2為該設(shè)計電路的傳輸特性仿真圖。可見實(shí)際仿真結(jié)果非常接近于設(shè)計目標(biāo)：fn1＝405hz、fn2＝505hz與設(shè)計值(fn1＝400hz、fn2＝500hz)偏差5hz(誤差約1％)，該偏差是由于計算時取近似值以及橋式整流器的界面電容所造成的；lc級的最大增益40.95db與設(shè)計目標(biāo)g＝100對應(yīng)的級差20log(100)＝40db的偏差小于1db。附圖4-3是令能源的頻率從400hz到500hz按照每秒鐘變化一次，電壓峰值為1v，進(jìn)行100秒充電而不放電的“能源變頻仿真電路”，附圖4-4是能源變頻充電測試效果圖，表明在cc＝1f的儲能電容上獲得了17v的儲能電壓。圖4-5至圖4-8是說明必須從寬帶諧振的電容c’兩端輸出電壓給橋式整流器而不能從電容c兩端輸出電壓給橋式整流器的仿真圖，因?yàn)閷拵еC振升壓器的電容c’的端電壓從fn1到fn2都是放大倍數(shù)大于18倍、增益大于25db的正值，而在450hz電容c的端電壓放大倍數(shù)時小于1倍、增益小于0db的負(fù)值。因此，附圖4-8的測試所示，能源頻率450hz，電壓幅值1v從c輸出充電100秒充電未得到儲能的測試圖表明充電失敗。采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：使用本發(fā)明，解決了環(huán)境能量獲取裝置不能對極低電壓收集和電動交通工具的儲能裝置快速充電效率不高兩個問題。實(shí)現(xiàn)快速充電，實(shí)現(xiàn)以低壓交流電源對儲能電容、電池進(jìn)行升壓充電，提高充電效率，實(shí)現(xiàn)在能源交流電壓低于已經(jīng)儲存了高壓電的儲能電容、電池繼續(xù)充電，極大地提高了儲能電容和電池對偶然獲得的寶貴交流能源電能的收集、儲能電容器和電池對環(huán)境極低交流能源電能的收集、儲存能力，可以解決電動交通工具儲能裝置的快速高效充電和無源無線電器之能源獲取器電能的高效收集。附圖說明圖1-1為經(jīng)典阻抗匹配理論的仿真證明仿真電路圖；圖1-2為經(jīng)典阻抗匹配理論的直流仿真證明數(shù)據(jù)趨勢圖；圖1-3為經(jīng)典阻抗匹配理論的直流仿真證明局部數(shù)據(jù)趨勢圖；圖1-4為經(jīng)典阻抗匹配理論的交流仿真證明數(shù)據(jù)趨勢圖；圖1-5為經(jīng)典的交流整流供電電路示意圖；圖1-6為經(jīng)典整流儲能的“負(fù)載電壓”永遠(yuǎn)低于能源“開路電壓”示意圖；圖1-7為經(jīng)典充電方式之裝置的原理說明仿真電路圖；圖1-8為經(jīng)典充電方式在1秒充電過程的測試圖；圖1-9為廣義共振充電方式之裝置的原理說明仿真電路圖；圖1-10為廣義共振充電方式在1秒充電過程的測試圖；圖1-11為廣義共振升壓充電原理充電瞬時信息測試圖；圖1-12為經(jīng)典充電電流發(fā)生在能源開路電壓峰值的測試圖；圖1-13為經(jīng)典整流充電帶“匹配”負(fù)載仿真圖；圖1-14為廣義共振升壓整流充電帶等效匹配負(fù)載仿真圖；圖1-15為經(jīng)典整流充電帶“匹配”負(fù)載信號圖；圖1-16為廣義共振升壓整流充電帶等效匹配負(fù)載信號圖；圖1-17為無線供電方法的示意圖；圖2-1為無線供電接收充電仿真電路；圖2-2為無線供電接收充電傳輸特性測試圖；圖2-3為無線供電接收充電超級電容cc充電20秒后對負(fù)載rh放電測試圖；圖2-4為無線供電接收充電初始充電20秒后對負(fù)載rh放電并且每10秒充電2秒的測試圖；圖2-5為無線供電接收經(jīng)典充電與諧振升壓充電電路圖；圖2-6為無線供電接收經(jīng)典充電與諧振升壓充電效果對比圖；圖3-1為經(jīng)典充電方法的電路仿真圖；圖3-2為經(jīng)典充電能源電壓1vp，充電1s，輸出電壓20.33u測試圖；圖3-3為經(jīng)典充電，能源電壓1vp，充電10s，輸出電壓203uv，平均功率1.98uw，輸出功率0.206uw，效率0.1042的測試圖；圖3-4為經(jīng)典充電，能源電壓100vp，充電10s，輸出電壓79.15v，平均功率34.79w，輸出功率31.32w，效率0.9002的測試圖；圖3-5為廣義共振充電方法的電路仿真圖；圖3-6為廣義共振充電，能源電壓1vp，充電1s，輸出電壓165mv的測試圖；圖3-7為廣義共振充電，能源電壓1vp，充電10s，輸出電壓1.62v，平均功率41.74mw，輸出功率13.12mw，效率0.3146的測試圖；圖3-8為廣義共振充電，能源電壓100vp，充電10s，輸出電壓171v，平均功率158.19w，輸出功率146.24w，效率0.9245的測試圖；圖3-9為廣義共振限流充電方法的電路仿真圖；圖3-10為廣義共振限流充電，能源電壓1vp，充電1s，輸出電壓183mv的測試圖；圖3-11為廣義共振限流充電，能源電壓1vp，充電10s，輸出電壓1.77v，平均功率46.34mw，輸出功率15.71mw，效率0.3390的測試圖；圖3-12為廣義共振限流充電，能源電壓100vp，充電10s，輸出電壓190v，平均功率193.68w，輸出功率181.1w，效率0.9350的測試圖；圖3-13為l2＝0的效果圖；圖3-14為l2＝0.1l1的效果圖；圖3-15為l2＝0.9l1的效果圖；圖3-16為l2＝1.0l1的效果圖；圖3-17為l2＝1.1l1的效果圖；圖3-18為l2＝1.2l1的效果圖；圖3-19為廣義共振升壓充電電路；圖3-20為能源開路電壓設(shè)置圖；圖3-21為實(shí)測：諧振放大增益20db，即10倍的測試圖；圖3-22為對于ui＝100v50hz正弦輸入的輸出uc＝1000v的測試圖；圖3-23為充電時機(jī)：能源電壓ui接近過零的測試圖；圖3-24為充電時機(jī)：能源電流i1接近過零的測試圖；圖3-25為充電時機(jī)：電阻電壓ur接近過零的測試圖；圖3-26為充電時機(jī)：電容電壓uc是峰值電壓的測試圖；圖3-27為使用儲能電容cc＝10mf的廣義共振升壓充電仿真圖；圖3-28為儲能升壓到50％、70％，耗時1.43、2.54秒的測試圖；圖3-29為諧振升壓的充電過程分析測試圖；圖3-30為諧振升壓時，諧振電容器的電壓限幅測試圖；圖4-1為廣義共振寬帶升壓器電路圖；圖4-2為廣義共振寬帶升壓器傳輸特性仿真圖；圖4-3為能源變頻廣義共振升壓仿真電路；圖4-4為能源變頻充電測試效果圖；圖4-5為能源500hz1v從c’輸出充電100秒充電得到充電電壓為12v的測試圖；圖4-6為能源500hz1v從c輸出充電100秒充電得到1231v的測試圖；圖4-7為能源450hz1v從c’輸出充電100秒充電得到17v的測試圖；圖4-8為能源450hz1v從c輸出充電100秒充電未得到儲能的測試圖；圖5-1為檢查仿真測試電路正確性的直流能源經(jīng)典充電電路供電的電路圖；圖5-2為1.1865v的能源感應(yīng)電壓經(jīng)橋式整流對r2＝1k負(fù)載供電得到1v電壓的測試校驗(yàn)圖；圖5-3為在能源輸出電壓的兩個端點(diǎn)之間增加lc串聯(lián)諧振電路，并從電容器c3兩端取用電壓供給整流充電儲能電路但沒有儲能電容時的測試電路圖；圖5-4為在無儲能電容時r2＝1k負(fù)載供電得到0.995v證明lc諧振電路不影響直流傳輸性能的測試圖；圖5-5為在附圖5-3的基礎(chǔ)上，在整流之后增加儲能電容cc＝c2＝10mf時的仿真測試電路；圖5-6為在能源的感應(yīng)電壓為突然施加的直流電壓ui＝1.19v時，出現(xiàn)了儲能瞬時電壓1.51v高于能源感應(yīng)電壓1.19v的效果測試圖；圖5-7為檢查仿真測試電路正確性的交流能源經(jīng)典充電電路供電的電路圖；圖5-8為1vp的能源感應(yīng)交流電壓經(jīng)橋式整流對r2＝1k負(fù)載供電得到0.812vp電壓和10s時累積功為6.6mw的測試校驗(yàn)圖；圖5-9為在能源輸出電壓的兩個端點(diǎn)之間增加lc串聯(lián)諧振電路，并從電容器c3兩端取用交流電壓供給整流充電儲能電路但沒有儲能電容時的測試電路圖；圖5-10為在無儲能電容時r2＝1k負(fù)載得到電壓為19.94vp和10s時累積功3.98wp的測試校驗(yàn)圖；圖5-11為在圖5-9的基礎(chǔ)上在整流之后增加儲能電容cc＝c2＝10mf時的仿真測試電路圖，圖5-12為在能源的感應(yīng)電壓為與lc諧振頻率同頻率的交流電壓ui＝1vp時，儲能輸出直流電壓在10s時上升到10v，累積功達(dá)到1w，較之無諧振電容和儲能電容時的10s累積功6.6mwp的測試圖；圖6-1為以能源電勢為300v的直流電壓，直接經(jīng)過橋式整流器，對超級電容c2＝1f充電的測試仿真圖；圖6-2為充電20s，終電壓299v，等效儲能355w，效率為0.742的測試圖；圖6-3為以能源電勢為300v50hz交流電壓，直接經(jīng)過橋式整流器，對超級電容c2＝1f充電的測試仿真圖；圖6-4為充電20s，終電壓298v，等效儲能1.18kw，效率為0.742的測試圖；圖6-5為以能源電勢為300v50hz交流電壓，經(jīng)過lc廣義共振再經(jīng)過橋式整流器，對超級電容c2＝1f充電的測試仿真圖；圖6-6為充電20s，終電壓993v，等效儲能324kw，效率為0.945的測試圖；圖7-1為300vp50hz交流電以經(jīng)典方式對300v電池充電仿真電路；圖7-2為充電20s，終電壓300v，等效儲能0w的測試圖；圖7-3為300vp50hz交流電經(jīng)過lc廣義共振后對300v電池充電仿真電路；圖7-4為充電20s，終電壓300v，等效儲能151kw的測試圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。實(shí)施例1，風(fēng)能發(fā)電器對超級電容和負(fù)載以廣義共振實(shí)現(xiàn)快速、高效、升壓充電附圖5-1～附圖5-12是用來說明本發(fā)明的“用風(fēng)能發(fā)電器對超級電容和負(fù)載以廣義共振實(shí)現(xiàn)快速、高效、升壓充電”例子。為了檢驗(yàn)所提出的仿真研究電路的正確性，附圖5-1設(shè)置為檢查仿真測試電路正確性的直流能源經(jīng)典充電電路。附圖5-2表明：1.1865v的能源感應(yīng)電壓經(jīng)橋式整流對r2＝1k負(fù)載供電得到1v電壓，損失的0.1865v電壓是橋式整流器的壓降造成的。附圖5-3是在能源輸出電壓的兩個端點(diǎn)之間增加lc串聯(lián)諧振電路，線圈電感l(wèi)＝10mh，諧振電容容器c3＝10uf，并從諧振電容器c3兩端取用電壓供給整流充電儲能電路但沒有儲能電容時的測試電路圖，附圖5-4的測試結(jié)果表明：在能源電壓為感應(yīng)電壓1v、無儲能電容時r2＝1k負(fù)載供電得到0.995v，證明lc諧振電路不影響直流傳輸性能。附圖5-5是在附圖5-3的基礎(chǔ)上，在整流之后增加儲能電容cc＝c2＝10mf時的仿真測試電路；附圖5-6的測試結(jié)果表明：在能源的感應(yīng)電壓為突然施加的直流電壓ui＝1.19v時，儲能輸出電壓瞬時值為1.51v，出現(xiàn)了儲能電壓1.51v高于能源電壓1.19v的效果。附圖5-7設(shè)置為：檢查仿真測試電路正確性的交流能源經(jīng)典充電電路。附圖5-8表明：1vp的能源感應(yīng)電壓經(jīng)橋式整流對r2＝1k負(fù)載供電得到0.812vp電壓，10s時的累積功為6.6mw，損失的0.188v電壓是橋式整流器的壓降造成的。附圖5-9是在能源輸出電壓的兩個端點(diǎn)之間增加lc串聯(lián)諧振電路，線圈電感l(wèi)＝10mh，諧振電容容器c3＝10uf，并從諧振電容器c3兩端取用電壓供給整流充電儲能電路但沒有儲能電容時的測試電路圖，附圖5-10的測試結(jié)果表明：在能源感應(yīng)電壓為1vp、無儲能電容時r2＝1k負(fù)載得到的電壓接近20vp，10s時累積功達(dá)到3.98wp，證明lc諧振電路能夠提升供給負(fù)載的交流電壓。附圖5-11是在附圖5-9的基礎(chǔ)上，在整流之后增加儲能電容cc＝c2＝10mf時的仿真測試電路；附圖5-12的測試結(jié)果表明：在能源的感應(yīng)電壓為與lc諧振頻率同頻率的交流電壓ui＝1vp時，儲能輸出直流電壓在10s時上升到10v，累積功達(dá)到1w，較之無諧振電容和儲能電容時的10s累積功6.6mwp，至少取得了提升150倍的效果。實(shí)施例2，用工頻能源對超級電容以廣義共振實(shí)現(xiàn)快速、高效、升壓充電下面，以用工頻頻率為50hz的能源對超級電容以廣義共振實(shí)現(xiàn)快速、高效、升壓充電為例，證明本發(fā)明的效果。附圖6-1是以能源電勢為300v的直流電壓，直接經(jīng)過橋式整流器，對超級電容c2＝1f充電的測試仿真圖。附圖6-2是在充電20s后，儲能電容的終壓為299v，等效儲能355w，相對于能源輸出等效能量的效率0.742的測試圖。附圖6-3是以能源電勢為300vp的50hz交流電壓，直接經(jīng)過橋式整流器，對超級電容c2＝1f充電的測試仿真圖。附圖6-4是在充電20s后，儲能電容的終壓為298v，等效儲能1.18w(折算1.18/20/(20/3600)＝10.62kw/h)，相對于能源輸出等效能量的效率0.742的測試圖。附圖6-5是以能源電勢為300vp的50hz交流電壓，經(jīng)過lc廣義共振后再經(jīng)過橋式整流器，對超級電容c2＝1f充電的測試仿真圖。附圖6-6是在充電20s后，儲能電容的終壓為993v，等效儲能324kw(折算342/20/(20/3600)＝3078kw/h)，相對于能源輸出等效能量的效率0.742的測試圖。比較經(jīng)過lc諧振與直接用經(jīng)典方法的效果如下：充電儲能方法20s充電終壓20s等效儲能儲能效率經(jīng)典儲能298v1.18kw74.2％經(jīng)lc廣義共振儲能993v324kw94.5％本發(fā)明效果比較3.44倍245倍1.274倍實(shí)施例3，用工頻電源對電池以廣義共振實(shí)現(xiàn)快速、高效、升壓充電下面，以用工頻頻率為50hz的能源對蓄電池以廣義共振實(shí)現(xiàn)快速、高效、升壓充電為例，證明本發(fā)明的效果。附圖7-1是以能源電勢為300vp的50hz交流電壓，直接經(jīng)過橋式整流器，對已經(jīng)有300v電壓的被充電電池e充電的測試仿真圖。附圖7-2是在充電20s后，被充電電池的終壓仍為300v，全過程的充電電流為0，等效儲能0w的測試圖。表明能源峰值電壓為300v的能源電勢不能對已經(jīng)有300v電壓的電池充電補(bǔ)充儲能。附圖7-3是以能源電勢為300vp的50hz交流電壓，經(jīng)過lc廣義共振后再經(jīng)過橋式整流器，對超級電容c2＝1f充電的測試仿真圖。附圖7-4是在充電20s后，儲能電容的終壓雖仍為300v，但充電電流峰值達(dá)到207a，等效儲能151kw(折算151/20/(20/3600)＝1359kw/h)，相對于能源輸出等效能量的效率0.936的測試圖。表明能峰值電壓為300v或更低的能源電勢也能對已經(jīng)有300v電壓的電池充電補(bǔ)充儲能。當(dāng)前第1頁12