專利名稱：磁耦合諧振式無線電能傳輸相控電容調(diào)諧裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于非接觸式電能傳輸領(lǐng)域，涉及一種磁耦合諧振式無線電能傳輸相控電容調(diào)諧裝置。
背景技術(shù)：
磁耦合諧振式無線電能傳輸是非接觸式電能傳輸三種方法(電磁感應(yīng)、磁耦合諧振、電磁波)中的一種。此種電能傳輸以交變電磁場(chǎng)為媒介，以發(fā)射電磁場(chǎng)電路、接收電磁場(chǎng)電路各自諧振，并且兩種電路諧振頻率相同以達(dá)到共振為條件，實(shí)現(xiàn)“米”級(jí)的、較高效率的電能傳輸。圖1、圖2是磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)膬煞N線圈模式。其中，圖1是兩線圈結(jié)構(gòu)，圖2是四線圈結(jié)構(gòu)。圖1中，發(fā)射線圈(電感:Lt)與諧振電容(電容:Ct)組成LC振蕩電路，該電路由逆變器產(chǎn)生的交變電源進(jìn)行激勵(lì)，在發(fā)射線圈周圍產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)；接收線圈(電感D與諧振電容(電容:(；)也組成LC振蕩電路，在發(fā)射線圈產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)中獲得電能，獲取的電能被整流處理后，提供給負(fù)載使用。磁耦合諧振式無線電能傳輸中，電能發(fā)射端與電能接收端通過電磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了非接觸的電能傳輸。四線圈結(jié)構(gòu)的無線電能傳輸如圖2所示，其特征是在圖1中增加了兩個(gè)線圈。圖2中，與逆變器相連的線圈稱為激勵(lì)線圈(單匝數(shù))，與負(fù)載相連的線圈稱為負(fù)載線圈(單匝數(shù))，發(fā)射線圈與接收線圈均為多匝線圈。其中，激勵(lì)線圈與發(fā)射線圈之間距離近，屬于較密耦合；同樣，負(fù)載線圈與接收線圈耦合距離近，也屬于較密耦合。發(fā)射線圈和接收線圈之間距離較遠(yuǎn)，屬于疏耦合。采用四線圈結(jié)構(gòu)的無線電能傳輸，通過將發(fā)射線圈從電源分離出來、接收線圈從負(fù)載中分離出，來提高這兩個(gè)線圈電路的品質(zhì)因數(shù)，從而在較遠(yuǎn)距離仍能獲得較高傳輸效率。但是無論是兩線圈結(jié)構(gòu)、還是四線圈結(jié)構(gòu)，均要求所用的LC電路的固有頻率與激勵(lì)頻率及電磁場(chǎng)頻率相同，以形成“共振”，獲得較高傳輸效率。通常，無論是兩線圈結(jié)構(gòu)、四線圈結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生電磁場(chǎng)的部分均稱為發(fā)射磁場(chǎng)電路，接收電磁場(chǎng)的部分稱為接收磁場(chǎng)電路。發(fā)射磁場(chǎng)電路的固有頻率(由發(fā)射端的Lt、Ct決定)與輸入的激勵(lì)電源(逆變器輸出)的頻率相同——即發(fā)射電路諧振時(shí)，發(fā)射電路產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)最強(qiáng)；接收磁場(chǎng)電路的固有頻率(由接收端的L、Cr決定)與交變磁場(chǎng)頻率相同——即接收電路諧振時(shí)，接收電路可從交變電磁場(chǎng)獲得最大電能。當(dāng)發(fā)射磁場(chǎng)電路不諧振(失諧)、或接收磁場(chǎng)電路不諧振(失諧)，或兩個(gè)電路雖諧振，但兩者的諧振頻率不相同一即兩個(gè)電路“不共振”時(shí)，磁諧振耦合無線電能傳輸效率下降，傳輸功率變低。發(fā)射磁場(chǎng)電路的固有頻率與輸入激勵(lì)的頻率不相同時(shí)，可通過兩種方法使其重新達(dá)到諧振狀態(tài)，一種是調(diào)節(jié)激勵(lì)頻率，使其和發(fā)射磁場(chǎng)電路的固有頻率相同；另外一種辦法是調(diào)整發(fā)射電路的L或C的值，使發(fā)射電路的固有頻率和激勵(lì)頻率相同。同樣，當(dāng)接收電磁場(chǎng)電路的固有頻率與交變電磁場(chǎng)的變化頻率不相同時(shí)，也可通調(diào)節(jié)電磁場(chǎng)頻率，使其和接收電磁場(chǎng)電路的固有頻率相同；或調(diào)整電磁場(chǎng)接收電路L或C的值，使電磁場(chǎng)接收電路的固有頻率和交變電磁場(chǎng)頻率相同。
在某些情況下，要求電能傳輸?shù)摹肮舱瘛鳖l率保持不變，此時(shí)，只能通過調(diào)節(jié)電路的L或C的值，使因干擾而失諧的電路重新諧振。例如，在人體植入式診療裝置的無線供能中，植入體內(nèi)的診療裝置的電能接收部分因工作環(huán)境穩(wěn)定，不易失諧。而體外的電能發(fā)射線圈因外界因素干擾而易失諧。這種情況下，發(fā)射電路的激勵(lì)頻率又必須與能量接收電路的諧振頻率相同，此時(shí)只有調(diào)整發(fā)射電路的L或者C的值，使發(fā)射電路在原有激勵(lì)頻率下再次諧振。如果不調(diào)整發(fā)射電路的L或者C的值，而改變激勵(lì)頻率，使發(fā)射電路在新的頻率點(diǎn)諧振，這會(huì)使發(fā)射電路的諧振頻率與接收電路的諧振頻率不再相同-即“不共振”，這會(huì)導(dǎo)致傳輸效率的急劇下降。在另外一些情況下，需要按一定的要求同時(shí)調(diào)整發(fā)射、接收電路的諧振頻率，以提高電能傳輸?shù)姆€(wěn)定性。這種情況下，因諧振頻率變化，需調(diào)整電路的L或者C的值，使其在新的頻率點(diǎn)諧振。例如，當(dāng)無線電能傳輸?shù)碾娔馨l(fā)射線圈、電能接收線圈之間的距離、姿態(tài)、耦合面積、負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，為了維持電能傳輸?shù)姆€(wěn)定，需要對(duì)共振頻率進(jìn)行調(diào)整。比如，當(dāng)兩線圈之間的距離變大時(shí)，需調(diào)高諧振頻率；而當(dāng)兩者之間的距離變小時(shí)，需降低諧振頻率。在此種情況下，也只有調(diào)整發(fā)射電路、接收電路L或者C的值，使其跟隨新的頻率點(diǎn)再次諧振，才能維持高效率電能傳輸?，F(xiàn)有技術(shù)采用相控電感來實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。采用相控電感調(diào)諧是通過控制固定電感的導(dǎo)通角來產(chǎn)生可變電感，以可變電感來補(bǔ)償諧振電路的失諧。但鑒于電感本身體積較大，并且易受外界因素干擾，因此，采用相控電感的方法無法實(shí)現(xiàn)小型化，并且存在不穩(wěn)定的弊端。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種磁耦合諧振式無線電能傳輸相控電容調(diào)諧裝置，以解決現(xiàn)有的磁耦合諧振式無線電能傳輸存在的高頻失諧、耦合狀態(tài)變化導(dǎo)致的傳輸效率不穩(wěn)定問題。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，磁耦合諧振式無線電能傳輸相控電容調(diào)諧裝置，包括由兩個(gè)反向并聯(lián)的補(bǔ)償支路構(gòu)成的補(bǔ)償電路和一個(gè)控制系統(tǒng)；每一個(gè)補(bǔ)償支路由一個(gè)容值固定電容和一個(gè)開關(guān)管串聯(lián)；補(bǔ)償電路與諧振電容并聯(lián)或串聯(lián)，對(duì)諧振電路工作時(shí)因電路參數(shù)變化導(dǎo)致的失諧進(jìn)行補(bǔ)償。本發(fā)明的特點(diǎn)還在于:補(bǔ)償電路與諧振電容并聯(lián)或串聯(lián)后再與線圈電感串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成LC諧振電路。本發(fā)明具有如下有益效果:1、本發(fā)明針對(duì)磁耦合諧振式無線電能傳輸特點(diǎn)，提出“容值固定電容+開關(guān)管”式的相控電容調(diào)諧裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁耦合諧振式無線電能傳輸磁場(chǎng)發(fā)射電路、磁場(chǎng)接收電路的諧振補(bǔ)償，可使磁場(chǎng)發(fā)射電路、磁場(chǎng)接收電路維持在原有的頻率下諧振，或在新的頻率點(diǎn)重新諧振。2、本發(fā)明磁耦合諧振式無線電能傳輸相控電容調(diào)諧裝置，不僅可以用于能量發(fā)射端的調(diào)諧，也可以用于能量接收端的調(diào)諧；不僅可以用于兩線圈結(jié)構(gòu)的磁耦合諧振式無線電能傳輸，也可以用于四線圈結(jié)構(gòu)的磁耦合諧振式無線電能傳輸。3、本發(fā)明磁耦合諧振式無線電能傳輸相控電容調(diào)諧裝置，不僅可以通過“容值固定電容+開關(guān)管”式相控電容調(diào)諧裝置進(jìn)行諧振補(bǔ)償，也可以使其諧振狀態(tài)按要求改變。
4、本發(fā)明提出的“容值固定電容+開關(guān)管”式的相控電容調(diào)諧裝置，不但可以解決磁耦合諧振電路的失諧問題，也可用于穩(wěn)定耦合系數(shù)變化情況下無線電能傳輸?shù)男省Ｅc改變諧振頻率方法相比，采用本發(fā)明可維持能量發(fā)射端與能量接收端的“共振”，故可保持高的傳輸效率；與相控電感調(diào)諧方法相比，由于相控電容具有體積小、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉，故本發(fā)明調(diào)諧裝置具有便于集成、易于推廣的優(yōu)勢(shì)。5、本發(fā)明磁耦合諧振式無線電能傳輸相控電容調(diào)諧裝置比現(xiàn)有的相控電感調(diào)諧裝置更易于實(shí)施。


圖1為磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)膬删€圈結(jié)構(gòu)；圖2為磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)乃木€圈結(jié)構(gòu)；圖3為本發(fā)明磁耦合諧振式無線電能傳輸相控電容調(diào)諧裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明磁耦合諧振式無線電能傳輸相控電容調(diào)諧裝置調(diào)諧原理分析圖。
具體實(shí)施例方式下面以兩線圈結(jié)構(gòu)磁耦合諧振無線電能傳輸為例，結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說·明。磁耦合諧振式無線電能傳輸相控電容調(diào)諧裝置，包括由兩個(gè)反向并聯(lián)的補(bǔ)償支路構(gòu)成的補(bǔ)償電路和一個(gè)控制系統(tǒng)；每一個(gè)補(bǔ)償支路由一個(gè)容值固定電容和一個(gè)開關(guān)管串聯(lián)；補(bǔ)償電路與諧振電容并聯(lián)或串聯(lián)，對(duì)諧振電路工作時(shí)因電路參數(shù)變化導(dǎo)致的失諧進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償電路與諧振電容并聯(lián)或串聯(lián)后再與線圈電感串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成LC諧振電路。本發(fā)明通過開關(guān)管控制容值固定電容的充、放電導(dǎo)通角，等效生成容值可變電容，用此可變電容，補(bǔ)償諧振電路因參數(shù)變化而導(dǎo)致的失諧。圖3為包括本發(fā)明磁耦合諧振式無線電能傳輸相控電容調(diào)諧裝置在內(nèi)的無線電能傳輸發(fā)射端或接收端的電路圖(本圖為補(bǔ)償電路與諧振電容并聯(lián)后再與線圈電感串聯(lián)構(gòu)成LC串聯(lián)諧振電路)。本發(fā)明磁耦合諧振式無線電能傳輸相控電容調(diào)諧裝置用于電能傳輸發(fā)射端時(shí)，C、B端接驅(qū)動(dòng)電源；當(dāng)本發(fā)明磁耦合諧振式無線電能傳輸相控電容調(diào)諧裝置應(yīng)用于電能傳輸接收端時(shí)，C、B端接負(fù)載。其中，Lt為線圈電感，Ct為諧振電容，Cv為因電路參數(shù)變化等效而成的電容。為了補(bǔ)償Cv的變化，在電路中加入由開關(guān)管(MOSFET) S1, S2及容值固定電容C1、C2的組成的相控電容補(bǔ)償電路，產(chǎn)生一個(gè)可變的、與Cv變化相反的電容Ccv。此電路的固有頻率fO:/o - 2^(^,+ +Ccr)(1)通過對(duì)Sp S2的控制，使&為恒定值，當(dāng)此固有頻率和激勵(lì)頻率或磁場(chǎng)頻率相同時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了諧振。無線電能傳輸發(fā)射端或接收端工作時(shí)，當(dāng)電流由D端流向C端，這時(shí)，諧振電容Ct接入回路，容值固定電容C2通過S2的續(xù)流二極管也接入回路，如果在電流方向未改變的某時(shí)刻接通S1，且接通時(shí)間為tm+，其等效容之為KX1，其中，K+表示C1接入時(shí)間和一個(gè)周期的比值，其范圍為為O 0.5，則發(fā)射電路的諧振頻率為:
權(quán)利要求
1.磁耦合諧振式無線電能傳輸相控電容調(diào)諧裝置，其特征在于:包括由兩個(gè)反向并聯(lián)的補(bǔ)償支路構(gòu)成的補(bǔ)償電路和一個(gè)控制系統(tǒng)；每一個(gè)補(bǔ)償支路由一個(gè)容值固定電容和一個(gè)開關(guān)管串聯(lián)；所述補(bǔ)償電路與諧振電容并聯(lián)或串聯(lián)，對(duì)諧振電路工作時(shí)因電路參數(shù)變化導(dǎo)致的失諧進(jìn)行補(bǔ)償。
2.如權(quán)利要求1所述的磁耦合諧振式無線電能傳輸相控電容調(diào)諧裝置，其特征在于:所述補(bǔ)償電路、諧振電容并聯(lián)后與線圈電感串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成LC諧振電路。
3.如權(quán)利要求1所述的磁耦合諧振式無線電能傳輸相控電容調(diào)諧裝置，其特征在于:所述補(bǔ)償電路、諧振電容串聯(lián)后與線圈電感串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成LC諧振電路。
全文摘要
磁耦合諧振式無線電能傳輸相控電容調(diào)諧裝置，包括由兩個(gè)反向并聯(lián)的補(bǔ)償支路構(gòu)成的補(bǔ)償電路和一個(gè)控制系統(tǒng)；每一個(gè)補(bǔ)償支路由一個(gè)容值固定電容和一個(gè)開關(guān)管串聯(lián)；所述補(bǔ)償電路與諧振電容并聯(lián)或串聯(lián)，對(duì)諧振電路工作時(shí)因電路參數(shù)變化導(dǎo)致的失諧進(jìn)行補(bǔ)償。本發(fā)明針對(duì)磁耦合諧振式無線電能傳輸特點(diǎn)，提出“容值固定電容+開關(guān)管”式的相控電容調(diào)諧裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁耦合諧振式無線電能傳輸磁場(chǎng)發(fā)射電路、磁場(chǎng)接收電路的諧振補(bǔ)償，可使磁場(chǎng)發(fā)射電路、磁場(chǎng)接收電路維持在原有的頻率下諧振，或在新的頻率點(diǎn)重新諧振。
文檔編號(hào)H02J17/00GK103199634SQ20131006586
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月1日
發(fā)明者辛文輝, 華燈鑫, 李仕春, 王玉峰, 侯逢勃 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)