[发明专利]基于反馈谐振式电源的并联-串联型无线电能传输系统

说明书

技术领域

本发明涉及无线电能传输或无线输电技术的领域，尤其是指一种基于反馈谐振式电源的并联-串联型无线电能传输系统。

背景技术

无线电能传输技术可以实现电源与用电设备之间的完全电气隔离，具有安全、可靠、灵活的优点。早在19世纪末，尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)利用无线电能传输原理，在没有任何导线连接的情况下点亮了一盏灯泡。基于磁耦合谐振式的无线电能传输是MIT的学者在无线电能传输领域取得的突破性进展，自2007年被公开发表以来在无线电能传输领域引起了非常大的反响，越来越多的学者加入到无线电能传输技术的基础研究和应用开发中来。

目前的无线电能传输系统根据耦合的强弱可以分为两类。当原边谐振器和副边谐振器间为弱耦合时，通常采用固定频率的谐振式无线输电方式。其中，原、副边谐振器的固有频率相等，并且为系统的工作频率。谐振式无线输电可以传输更远的距离，但是传输效率随着距离的增加大幅降低，为了保持稳定电能传输，需要在接收端增加阻抗变换环节。当原边谐振器和副边谐振器为强耦合时，通常采用频率跟踪式无线输电方式。频率跟踪式无线输电同样要求原、副边谐振器的固有频率相等，然而在固有频率处系统的功率随着互感强度的增加大幅降低。系统的最大功率对应的频率也随着耦合系数和负载的变化而变化。为此需要对最大功率对应的频率点进行跟踪。目前频率跟踪的算法主要有三种类型：MPPT，追踪原边电压、电流零相位点，追踪原边电压和副边电流零相位点。在实现方案中，频率跟踪通常需要外加锁相环环节，结构较为复杂。

反馈谐振式系统的工作频率由系统参数值所决定的，是系统的固有特征，因此这一频率称为特征频率，亦称本征频率。外加电源的反馈谐振式系统中，电源的工作频率不是固定的，而是随着系统参数的变化而保持工作在本征频率。并且当传输距离较近时，系统的传输效率在本征频率下可以保持恒定。这些特征使得外加电源反馈谐振式无线输电系统可以稳定的进行电能传输。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于反馈谐振式电源的并联-串联型无线电能传输系统，利用反馈谐振式电源对系统进行供电，使系统工作在本征频率下。当传输距离和负载发生变化时，系统的频率会自动进行调节，在一定的传输距离内实现恒定高水平的传输效率，实现了稳定的无线电能传输。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：基于反馈谐振式电源的并联-串联型无线电能传输系统，包括反馈谐振式电源、原边谐振器、副边谐振器和负载R_L；所述反馈谐振式电源与原边谐振器相连，其频率随着系统参数的变化进行自动调节，且最后稳定在系统的本征频率；所述原边谐振器由原边电容C₁和原边电感线圈L₁并联而成，所述原边电感线圈具有原边线圈内阻R_S1，原边谐振场具有谐振角频率ω₁和原边内阻损耗系数γ₁，其中γ₁＝R_S1/2L₁，所述原边谐振器的品质因数Q₁＝ω₁/2γ₁，至少大于100；所述副边谐振器由副边电容C₂和副边电感线圈L₂串联而成，副边电感线圈具有副边线圈内阻R_S2，副边谐振场具有谐振角频率ω₂和副边内阻损耗系数γ₂，其中γ₂＝R_S2/2L₂，所述副边谐振器的品质因数Q₂＝ω₂/2γ₂，至少大于100；所述负载R_L与副边谐振器相连，对应谐振场中负载损耗系数γ_L＝R_L/2L₂；所述原、副边谐振器结构通过磁场相互耦合，耦合强度表示为耦合系数κ；所述系统的本征频率由原边内阻损耗系数γ₁、副边内阻损耗系数γ₂、负载损耗系数γ_L、耦合系数κ和两谐振器的固有角频率ω₁、ω₂确定。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、系统结构简单，实现方式多样。

2、系统效率对传输距离的变化不敏感，可实现稳定的无线电能传输。

3、系统对传输距离、负载变化响应更加迅速。