一種添加雙端阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及一種諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，尤其設(shè)及一種添加雙端阻抗變換 網(wǎng)絡(luò)的諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 信號(hào)或者電能在傳輸過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)反射傳輸或最大功率傳輸，要求 電路可W實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。阻抗匹配關(guān)乎著系統(tǒng)的性能，電路實(shí)現(xiàn)阻抗匹配可使系統(tǒng)的性能 達(dá)到最優(yōu)。
[0003] 通常實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的目的有兩個(gè)：一是消除信號(hào)源（或電源）與負(fù)載之間的反射 波，保證傳輸信號(hào)的傳輸質(zhì)量，運(yùn)種阻抗匹配稱(chēng)為無(wú)反射匹配；二是使電源（或信號(hào)源）輸 出最大功率，運(yùn)種阻抗匹配稱(chēng)為最大輸出功率匹配。本專(zhuān)利主要針對(duì)第二種情況來(lái)設(shè)計(jì)的 一種適當(dāng)?shù)淖杩棺儞Q網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)高頻功率源模塊的最大功率輸出。
[0004] 其次，諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸效率相對(duì)較高、非福射性等 特點(diǎn)，特別適合于中等距離的無(wú)線電能傳輸。其主要組成部分是傳輸線圈和負(fù)載，傳輸線圈 一般靠自諧振或者外接電容達(dá)到諧振狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)電能的有效傳輸。但在實(shí)際應(yīng)用中，傳 輸線圈并不是理想線圈，要考慮其內(nèi)阻，負(fù)載電阻也不是越大越好，它存在一個(gè)最佳值使得 系統(tǒng)傳輸效率最大。當(dāng)負(fù)載電阻不是最佳值時(shí)，可W通過(guò)添加適當(dāng)?shù)淖杩棺儞Q網(wǎng)絡(luò)來(lái)使其 等效為最佳值，使系統(tǒng)傳輸效率最高。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 本實(shí)用新型的目的在于克服目前諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中電源輸出功率不高， 系統(tǒng)傳輸效率低下的問(wèn)題，提供一種添加雙端阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)。
[0006] 本實(shí)用新型的目的至少通過(guò)如下技術(shù)方案之一實(shí)現(xiàn)。
[0007] 一種添加雙端阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，包括高頻功率源模塊、 傳輸線圈模塊、原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)、副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)及負(fù)載；其中高頻功率源模塊由理想 電壓源與內(nèi)阻串聯(lián)組成，為系統(tǒng)提供電能；傳輸線圈模塊包括發(fā)射線圈和接收線圈，其中發(fā) 射線圈等效為由發(fā)射線圈內(nèi)阻、發(fā)射線圈電感和發(fā)射線圈諧振電容形成的化C串聯(lián)諧振模 式，接收線圈等效為由接收線圈內(nèi)阻、接收線圈電感和接收線圈諧振電容形成的化C串聯(lián) 諧振模式；原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的輸入端與高頻功率源模塊的輸出端相連，輸出端與傳輸線 圈模塊中的發(fā)射線圈TX相連；副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的輸入端與傳輸線圈模塊中的接收線圈 相連，輸出端與負(fù)載相連。
[0008] 進(jìn)一步地，根據(jù)戴維南定理和諾頓定理，高頻功率源模塊可W等效為一理想電 壓源Us和等效電源內(nèi)阻Rs的串聯(lián)，也能等效為一理想電流源IS與等效電源內(nèi)阻Rs的并 聯(lián)形式，兩者滿足Us=Rs*Is的關(guān)系，當(dāng)高頻功率源模塊外部的等效電阻為R。。，且R。。= Rs時(shí)，高頻功率源模塊輸出最大功率Pm。、，滿足
；高頻功率源模塊的頻率f為 0. 5-50MHZ，且電壓源或者電流源的波形為正弦波。
[0009] 進(jìn)一步地，發(fā)射線圈內(nèi)阻Ru和接收線圈內(nèi)阻RL2均包括歐姆內(nèi)阻和福射內(nèi)阻；發(fā) 射線圈和接收線圈滿足關(guān)系：
《為系統(tǒng)角頻率，滿足《 = 2JTf, Li為發(fā)射線圈電感，Cl為發(fā)射線圈諧振電容，L2為接收線圈電感，C2為接收線圈諧振電容， 即發(fā)射線圈和接收線圈在系統(tǒng)頻率下發(fā)生串聯(lián)諧振，另外發(fā)射線圈和接收線圈之間的互感 大小為M。
[0010] 進(jìn)一步地，傳輸線圈模塊中的發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離在電磁波半個(gè)波長(zhǎng) W內(nèi)；發(fā)射線圈和接收線圈的間距不小于頻率分叉范圍。
[0011] 進(jìn)一步地，所述負(fù)載為純阻性質(zhì)、阻感性質(zhì)或者阻容性質(zhì)。
[0012] 進(jìn)一步地，原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)和副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)中均由儲(chǔ)能元件組成，不消耗 電能，儲(chǔ)能元件包括電容和電感，原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)和副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的電路形式為L(zhǎng) 型、T型或n型。
[0013] 進(jìn)一步地，高頻功率源模塊的外部的傳輸效率n取得最大值時(shí)存在一個(gè)最優(yōu)負(fù) 載Rl.Optimal，滿足
[0014] 進(jìn)一步地，如果負(fù)載町不等于最優(yōu)負(fù)載R^OPtimal,則在接收線圈和負(fù)載町之間添加 副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)，使得從接收線圈輸出端向負(fù)載看進(jìn)去的等效電阻值為町由于副 邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)不消耗電能，則等效電阻町.aptimal消耗的電能就等于負(fù)載R滿耗的電能，即 此時(shí)系統(tǒng)可W實(shí)現(xiàn)最高效率傳輸。
[001引進(jìn)一步地，高頻功率源模塊外部的等效電阻Req滿足：
若R。。聲Rs,則在高頻功率源模塊輸出端和發(fā)射線圈的輸入 端之間添加原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)，使得從高頻功率源模塊輸出端向發(fā)射線圈看進(jìn)去的等效電 阻R'eq滿足：R'eq=Rs,則此時(shí)高頻功率源模塊的輸出功率最大；由于原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò) 由儲(chǔ)能元件電容和電感構(gòu)成，并不消耗電能，因此高頻功率源模塊輸出的電能等于發(fā)射線 圈的輸入端消耗的電能，根據(jù)公式P22I=PllI?n，P22i為負(fù)載消耗的功率，Plli為高頻功 率源模塊輸出的功率，此時(shí)負(fù)載電阻町獲得的功率最大。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：
[0017] 本實(shí)用新型通過(guò)在發(fā)射線圈和接收線圈兩側(cè)分別添加適當(dāng)?shù)淖杩棺儞Q網(wǎng)絡(luò)，可W 保證高頻功率源模塊輸出最大功率，同時(shí)保證高頻功率源模塊外部的傳輸效率最高，從而 使得負(fù)載電阻獲得最大功率。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖I是本實(shí)用新型的系統(tǒng)框圖。
[0019] 圖2是高頻功率源模塊內(nèi)部等效電路圖。
[0020] 圖3曰、圖3b為阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的兩種內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（WL型為例）。
【具體實(shí)施方式】
[0021] W下結(jié)合附圖對(duì)實(shí)用新型的具體實(shí)施作進(jìn)一步描述，但本實(shí)用新型的實(shí)施和保護(hù) 不限于此。
[0022] 如圖1所示，一種添加雙端阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)包括高頻功 率源模塊I、傳輸線圈模塊II、原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)N1、副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)N2及負(fù)載町;其中 高頻功率源模塊I由理想電壓源Us與內(nèi)阻Rs串聯(lián)組成，為系統(tǒng)提供電能；傳輸線圈模塊II 包括發(fā)射線圈TX和接收線圈RX，其中發(fā)射線圈TX等效為由發(fā)射線圈內(nèi)阻町1、發(fā)射線圈電 感Ll和發(fā)射線圈諧振電容Cl形成的化C串聯(lián)諧振模式，接收線圈RX等效為由接收線圈內(nèi) 阻町2、接收線圈電感L2和接收線圈諧振電容C2形成的化C串聯(lián)諧振模式，發(fā)射線圈TX和 接收線圈RX之間的互感大小為M;原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)Nl的輸入端與高頻功率源模塊的輸 出端相連，輸出端與模塊II中的發(fā)射線圈TX相連；副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)N2的輸入端與模塊 II中的接收線圈RX相連，輸出端與負(fù)載町相連。
[0023] 高頻功率源模塊的輸出端口為11';發(fā)射線圈TX的端口為33'，接收線圈RX的端 口為44'，負(fù)載町的接入端為22'。原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)Nl的輸入端接端口 11'，輸出端接發(fā) 射線圈TX端口 33';副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)N2的輸入端接接收線圈RX端口 44'，輸出端接負(fù)載 端口 22'。
[0024] 高頻功率源模塊I為整個(gè)諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)提供電能，其輸出波形為高頻 正弦波。副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)N2通過(guò)設(shè)計(jì)合適的參數(shù)，可W使得從端口 44'向右看進(jìn)去的等 效電阻值為最佳值Rl. D