[发明专利]磁耦合谐振式无线电能传输相控电容调谐装置

说明书

技术领域

本发明属于非接触式电能传输领域，涉及一种磁耦合谐振式无线电能传输相控电容调谐装置。

背景技术

磁耦合谐振式无线电能传输是非接触式电能传输三种方法（电磁感应、磁耦合谐振、电磁波）中的一种。此种电能传输以交变电磁场为媒介，以发射电磁场电路、接收电磁场电路各自谐振，并且两种电路谐振频率相同以达到共振为条件，实现“米”级的、较高效率的电能传输。

图1、图2是磁耦合谐振式无线电能传输的两种线圈模式。其中，图1是两线圈结构，图2是四线圈结构。图1中，发射线圈（电感：L_t）与谐振电容（电容：C_t）组成LC振荡电路，该电路由逆变器产生的交变电源进行激励，在发射线圈周围产生交变电磁场；接收线圈（电感：L_r）与谐振电容（电容：C_r）也组成LC振荡电路，在发射线圈产生的交变电磁场中获得电能，获取的电能被整流处理后，提供给负载使用。磁耦合谐振式无线电能传输中，电能发射端与电能接收端通过电磁场实现了非接触的电能传输。四线圈结构的无线电能传输如图2所示，其特征是在图1中增加了两个线圈。图2中，与逆变器相连的线圈称为激励线圈（单匝数），与负载相连的线圈称为负载线圈（单匝数），发射线圈与接收线圈均为多匝线圈。其中，激励线圈与发射线圈之间距离近，属于较密耦合；同样，负载线圈与接收线圈耦合距离近，也属于较密耦合。发射线圈和接收线圈之间距离较远，属于疏耦合。采用四线圈结构的无线电能传输，通过将发射线圈从电源分离出来、接收线圈从负载中分离出，来提高这两个线圈电路的品质因数，从而在较远距离仍能获得较高传输效率。但是无论是两线圈结构、还是四线圈结构，均要求所用的LC电路的固有频率与激励频率及电磁场频率相同，以形成“共振”，获得较高传输效率。通常，无论是两线圈结构、四线圈结构，产生电磁场的部分均称为发射磁场电路，接收电磁场的部分称为接收磁场电路。

发射磁场电路的固有频率（由发射端的L_t、C_t决定）与输入的激励电源（逆变器输出）的频率相同——即发射电路谐振时，发射电路产生的交变电磁场最强；接收磁场电路的固有频率（由接收端的L_r、C_r决定）与交变磁场频率相同——即接收电路谐振时，接收电路可从交变电磁场获得最大电能。当发射磁场电路不谐振（失谐）、或接收磁场电路不谐振（失谐），或两个电路虽谐振，但两者的谐振频率不相同——即两个电路“不共振”时，磁谐振耦合无线电能传输效率下降，传输功率变低。

发射磁场电路的固有频率与输入激励的频率不相同时，可通过两种方法使其重新达到谐振状态，一种是调节激励频率，使其和发射磁场电路的固有频率相同；另外一种办法是调整发射电路的L或C的值，使发射电路的固有频率和激励频率相同。同样，当接收电磁场电路的固有频率与交变电磁场的变化频率不相同时，也可通调节电磁场频率，使其和接收电磁场电路的固有频率相同；或调整电磁场接收电路L或C的值，使电磁场接收电路的固有频率和交变电磁场频率相同。

在某些情况下，要求电能传输的“共振”频率保持不变，此时，只能通过调节电路的L或C的值，使因干扰而失谐的电路重新谐振。例如，在人体植入式诊疗装置的无线供能中，植入体内的诊疗装置的电能接收部分因工作环境稳定，不易失谐。而体外的电能发射线圈因外界因素干扰而易失谐。这种情况下，发射电路的激励频率又必须与能量接收电路的谐振频率相同，此时只有调整发射电路的L或者C的值，使发射电路在原有激励频率下再次谐振。如果不调整发射电路的L或者C的值，而改变激励频率，使发射电路在新的频率点谐振，这会使发射电路的谐振频率与接收电路的谐振频率不再相同-即“不共振”，这会导致传输效率的急剧下降。

在另外一些情况下，需要按一定的要求同时调整发射、接收电路的谐振频率，以提高电能传输的稳定性。这种情况下，因谐振频率变化，需调整电路的L或者C的值，使其在新的频率点谐振。例如，当无线电能传输的电能发射线圈、电能接收线圈之间的距离、姿态、耦合面积、负载发生变化时，为了维持电能传输的稳定，需要对共振频率进行调整。比如，当两线圈之间的距离变大时，需调高谐振频率；而当两者之间的距离变小时，需降低谐振频率。在此种情况下，也只有调整发射电路、接收电路L或者C的值，使其跟随新的频率点再次谐振，才能维持高效率电能传输。