[发明专利]一种宽频整流输出的无线电能传输系统设计方法

说明书

本发明公开了一种宽频整流输出的无线电能传输系统设计方法，包括激励源，电磁发射端、电磁接收端和负载。电磁发射端包括发射端电路拓扑结构和发射线圈，电磁接收端包括接收线圈、宽频结构和接收侧整流单元。本发明还公布了宽频整流输出的无线电能传输系统设计方法，包含以下步骤：（1）建立系统的电路方程，（2）求出系统的幅‑频曲线方程，（3）确定宽频结构元件的选择。本发明一种宽频整流输出的无线电能传输系统设计方法解决了无线电能传输系统传输频带较窄的问题，增加了频带宽度，优化了无线电能传输系统。

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种宽频整流输出的无线电能传输系统设计方法。

背景技术

无线电能传输(WPT)是一种新兴技术，使非接触式从微波到千瓦的电力传输电力水平。无线电能传输意味着来自发射端的电源被传输到接收端，而不需要机械接触。WPT技术利用时变电磁场，通过磁场耦合或电场耦合给电子设备供电。WPT技术已经吸引了很多研究人员的兴趣，因为它可以方便地提供电源，而不使用电源线，同时保持与插件充电相同的性能。如今无线电能传输方法越来越受到国际研究界的关注。基于磁耦合谐振的无线能量传输技术打破了电磁感应方式传输效率依赖于耦合系数的传统思路，为无线能量传输技术带来了突破。该系统依靠线圈磁耦合谐振强耦合实现能量的高效率、大距离传输，并不依赖于发送与接收线圈间的耦合系数。它的应用显著受益的包括生物医学植入物、消费电子、机器人、无人机和电动汽车的供电。

发明内容

目前，在无线电能传输系统中传输的带宽有限，本发明解决的技术问题是提出了一种宽频整流输出的无线电能传输系统设计方法，该方法有效解决了无线电能传输系统传输带宽有限的问题。

本发明通过以下技术方案予以实现：一种宽频整流输出的无线电能传输系统设计方法，其特征在于：所述无线电能传输系统由激励源、电磁发射端、电磁接收端和负载组成，其中电磁发射端包括相互串联的发射端电路拓扑结构和发射线圈，用于将激励源提供的电能转化成磁能发射到电磁接收端，电磁接收端包括相互串联的接收线圈、宽频结构和接收侧整流单元，用于通过接收线圈接收发射线圈发射的磁能并给负载供电，发射侧电路拓扑结构包含补偿电容和电阻；

所述宽频结构由两个反串联二极管D组成，其等效电容用C₂表示，宽频结构的电路设计方法如下：

步骤一：建立系统的电路方程，将电磁发射端等效到电磁接收端可得到等效后电路的激励源V_th、等效后的电感L和等效后的电阻R，整流电路两端电压用V_d表示，根据基尔霍夫电压定律，系统电路方程可表示为：

LQ″+RQ′+v_c+V_d＝V_thcos(ωt)

其中

式中，Q为等效电容C₂的电荷量，Q″为电荷求二阶导数，Q′为电荷求一阶导数，v_c为等效电容C₂两端电压，谐振频率和激励频率相同，激励频率为ω，k₁和k₃分别为电荷量Q的一次项和三次项系数，Q被表示为一个余弦函数，幅值为q，即Q＝qcos(ωt)，将v_c的表达式代入系统电路方程得到细化的系统电路方程：

步骤二：求出系统的幅-频曲线方程，将v_c进一步等效为即与等效，又因为Q＝qcos(ωt)，可得到以下等式：

求解上式可得到将v_c的表达式代入到步骤一中的细化的系统电路方程，该细化的系统电路方程的向量形式表示为：

将上式展开，得：