一种电流增益可变恒流输出无线电能传输系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种电流增益可变恒流输出无线电能传输系统。

背景技术

无线能量传输技术因其隔离、安全、方便、可靠等优点越来越受到人们的青睐，现如今已经应用到很多领域。作为无线电能传输技术其中一种，感应式能量传输技术是基于电磁感应原理来实现无接触的电能传输，具备运行安全、便捷灵活、维护成本低、用户体验好等优点，该技术逐渐受到越来越多的关注和研究。

在实际应用中，现有感应式能量传输系统需要输出与负载无关的恒定电流满足特定应用场合负载供电需求，例如与负载无关的恒流输出可以应用到LED无线照明，锂电池充电；同时，系统中谐振网络与负载无关的输入纯阻性特性能增加系统功率密度、降低系统环流损耗。目前感应式能量传输系统中负载形式多样，电能发射器与电能接收器只能一对一匹配，不能任意兼容。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种电流增益可变恒流输出无线电能传输系统，用以解决现有技术中电能发射器与电能接收器只能一对一匹配，不能任意兼容的问题。

本发明提供一种电流增益可变恒流输出无线电能传输系统，包括一个电能发射器和若干不同电能接收器，所述电能发射器包括全桥逆变器、LCC补偿拓扑电路及发射线圈，所述电能接收器包括全桥整流器及接收线圈，所述LCC补偿拓扑电路、发射线圈及接收线圈形成谐振腔电路，所述谐振腔电路用于实现与负载无关的恒流输出及输入纯阻性。

进一步地，所述LCC补偿拓扑电路包括电感L

进一步地，所述发射线圈为电感线圈L

进一步地，所述谐振腔电路的输出电流与输入电压比值满足表达式

进一步地，所述角频率ω

进一步地，所述谐振腔电路实现输入纯阻性，具体包括：使谐振腔电路满足谐振条件公式，以实现输入纯阻性，所述谐振条件公式为

ω

其中，L′

进一步地，所述实现输入纯阻性所对应的输入阻抗为

进一步地，所述电感线圈L

进一步地，根据权利要求1所述的电流增益可变恒流输出无线电能传输系统，其特征在于，所述不同电能接收器的接收线圈，使用的铁氧体铺设方式相同，所用的铝板尺寸相同，所述不同电能接收器的接收线圈绕组均为圆形平面螺旋结构，其绕组内径、外径、导线线径相同，匝数和匝间距各不相同，所述发射线圈与接收线圈的耦合系数为定值。

进一步地，所述全桥逆变器包括MOS管Q1、Q2、Q3、Q4，所述MOS管Q2的源极与MOS管Q4的源极连接，所述MOS管Q1的漏极与MOS管Q3的漏极连接，所述MOS管Q1的源极与MOS管Q2的漏极连接，所述MOS管Q3的源极与MOS管Q4的漏极连接；所述全桥整流器包括二极管D1、D2、D3、D4及电容C

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过提供一种电流增益可变恒流输出无线电能传输系统，包括一个电能发射器和若干不同电能接收器，所述电能发射器包括全桥逆变器、LCC补偿拓扑电路及发射线圈，所述电能接收器包括全桥整流器及接收线圈，所述LCC补偿拓扑电路、发射线圈及接收线圈形成谐振腔电路，所述谐振腔电路用于实现与负载无关的恒流输出及输入纯阻性；使单一电能发射器可以匹配不同功率的电能接收器，提高了电能发射器与电能接收器的兼容性。

附图说明

图1为本发明提供的电流增益可变恒流输出无线电能传输系统一实施例的结构框图；

图2为本发明提供的电流增益可变恒流输出无线电能传输系统一实施例的原理示意图；

图3为本发明提供的LCCN补偿无线电能传输系统一实施例的原理示意图；

图4为本发明提供的谐振腔等效电路一实施例的的电路原理图；

图5为本发明提供的恒流输出模式下谐振腔电路等效电路模型；

图6为本发明提供的三种电能接收器线圈绕组平面结构图；

图7为本发明提供的发射线圈自感与接收线圈匝数变化曲线；

图8为本发明提供的耦合系数与接收线圈匝数变化曲线；

图9为本发明提供的接收线圈自感与接收线圈匝数变化曲线；

图10为本发明提供的输入相角及等效跨导与负载、接收线圈自感变化曲线；

图11为本发明提供的等效跨导与负载、接收线圈自感变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明提供了一种电流增益可变恒流输出无线电能传输系统，其中一实施例流程示意图如图1所示，在该实施例中，电流增益可变恒流输出无线电能传输系统包括一个电能发射器1和若干不同电能接收器2，所述电能发射器包括全桥逆变器11、LCC补偿拓扑电路12及发射线圈13，所述电能接收器2包括全桥整流器21及接收线圈22，所述LCC补偿拓扑电路12、发射线圈13及接收线圈22形成谐振腔电路，所述谐振腔电路用于实现与负载无关的恒流输出及输入纯阻性。

一个具体实施例中，所述电流增益可变恒流输出无线电能传输系统的原理示意图，如图2所示，电能发射器与电能接收器-1、电能接收器-2及电能接收器-n耦合均能实现高效率优性能电能传输，即单一电能发射器可匹配不同功率等级电能接收器，且电能接收器在工作时只能与单个电能接收器耦合，不能与多个接收器同时耦合。

作为一个优选的实施例，所述LCC补偿拓扑电路包括电感L

作为一个优选的实施例，所述发射线圈包括电感线圈L

一个具体实施例中，为方便分析系统传输特性，选择任意一种电能接收器与电能发射器匹配，得出LCCN补偿无线电能传输系统的原理示意图，如图3所示。所述LCCN补偿无线电能传输系统主要包括：电压源型全桥逆变器、发射端LCC补偿拓扑、磁耦合结构、带电容滤波的全桥整流器；其中，所述磁耦合结构包括发射线圈及接收线圈。其中V

一个具体实施例中，将发射端逆变器、接收端整流器进行基波等效，磁耦合结构进行T型等效，得出谐振腔等效电路，谐振腔等效电路的电路原理图，如图4所示。L

L

作为一个优选的实施例，所述谐振腔电路的输出电流与输入电压比值满足表达式

将图4所示的谐振腔电路分解成为一个LC网络和一个Π型电路的串联，得到恒流输出模式下谐振腔电路等效电路模型，如图5所示；C

ω

C

并计算得到G

作为一个优选的实施例，所述角频率ω

作为一个优选的实施例，谐振腔电路实现输入纯阻性，具体包括：使谐振腔电路满足谐振条件公式，以实现输入纯阻性，所述谐振条件公式为

ω

其中，L′

一个具体实施例中，在恒流输出谐振条件下，使谐振腔电路实现输入纯阻性，所要满足的谐振条件的公式如下，

ω

计算得到输入阻抗Z

优选的，所述实现输入纯阻性所对应的输入阻抗为

作为一个优选的实施例，所述电感线圈L

作为一个优选的实施例，所述不同电能接收器的接收线圈，使用的铁氧体铺设方式相同，其铝板尺寸相同，所述不同电能接收器的接收线圈绕组均为圆形平面螺旋结构，其绕组内径、外径、导线线径相同，匝数和匝间距各不相同，所述发射线圈与接收线圈的耦合系数为定值。

一个具体实施例中，不同接收线圈使用的铁氧体铺设方式需保持相同，铝板尺寸保持一致，但线圈绕组结构参数不同；不同电能接收器的线圈绕组均为圆形平面螺旋结构，绕组内径、外径、导线线径相同，绕组的匝数和匝间距各不相同。

在发射线圈结构参数固定、传输距离不变以及接收线圈匝数变化的情况下，发射线圈自感不变，不同接收线圈的自感会有所不同，同时发射线圈与接收线圈的耦合系数不变。

仅接收线圈自感发生变化，系统仍能满足与负载无关的恒流输出以及输入纯阻性，但电流增益与接收线圈自感相关；电能发射器匹配不同电能接收器时，电能接收器输出与负载无关大小不同的恒定电流，满足不同额定电流负载供电要求。

作为一个优选的实施例，所述全桥逆变器包括MOS管Q1、Q2、Q3、Q4，所述MOS管Q2的源极与MOS管Q4的源极连接，所述MOS管Q1的漏极与MOS管Q3的漏极连接，所述MOS管Q1的源极与MOS管Q2的漏极连接，所述MOS管Q3的源极与MOS管Q4的漏极连接；所述全桥整流器包括二极管D1、D2、D3、D4及电容C

需要说明的是，所述全桥逆变器为电压源型全桥逆变器，在MOS管Q1的漏极及MOS管Q2的源极接有电压源；所述全桥整流器带电容滤波的全桥整流器，在电容C

一个具体实施例中，电能发射器一般安装在地面固定位置，单一电能发射器能匹配不同额定电流要求电能接收器在实际应用中具备很大的便捷性。具体指的是保持电能发射器不变，当匹配不同电能接收器时，系统仍能实现与负载无关的恒流输出及输入纯阻性，但输出电流的大小会发生改变。

不同电能接收器之前的区别在于接收线圈的结构不同，三种电能接收器线圈绕组平面结构图，如图6所示；保持接收线圈绕组内径、外径、导线线径和传输距离不变，改变接收线圈的匝数(匝间距)，同时发射线圈的结构维持不变，此时可保证发射线圈自感不变，耦合系数不变，接收线圈自感变化且与匝数相关。发射线圈自感、耦合系数以及接收线圈自感与接收线圈匝数变化曲线，分别如图7-9所示。图7表示发射线圈自感维持在284.5uH，上下波动范围很小，接收线圈匝数的变化不会造成发射线圈自感的改变；图8表示接收线圈匝数的变化不会造成线圈之间耦合系数的改变，基本维持在0.458；图9表示接收线圈的自感大小与匝数呈正相关，匝数越大线圈自感越大。图10表示输入相角及等效跨导与负载、接收线圈自感变化曲线，等效跨导与负载、接收线圈自感变化曲线，图11所示，当接收线圈自感取某一固定值时等效跨导与负载无关，保持恒定；输入阻抗相角与负载、接收线圈自感变化曲线，如图11所示，其中，输入阻抗相角恒为0。

发射线圈与不同自感线圈耦合均能实现与负载无关的恒流输出及输入纯阻性，同时不同自感的接收线圈对应着不同增益的电流输出；即实现单一电能发射器与不同额定电流要求电能接收器进行高效率优性能功率传输的功能。

本发明公开了一种电流增益可变恒流输出无线电能传输系统，包括一个电能发射器和若干不同电能接收器，所述电能发射器包括全桥逆变器、LCC补偿拓扑电路及发射线圈，所述电能接收器包括全桥整流器及接收线圈，所述LCC补偿拓扑电路、发射线圈及接收线圈形成谐振腔电路，所述谐振腔电路用于实现与负载无关的恒流输出及输入纯阻性；使单一电能发射器可以匹配不同功率等级电能接收器，使单一电能发射器可以匹配不同功率的电能接收器，提高了电能发射器与电能接收器的兼容性，并可以实现高效率优性能功率传输，在一定程度上减少了电能发射器的数量。

本发明技术方案发射器采用LCC拓扑对线圈漏感进行补偿，即采用一种新型的LCCN单边补偿拓扑形式，线圈结构包括高磁导率磁芯和由利兹线绕制的线圈绕组，不同电能接收器的线圈绕组均为圆形平面螺旋结构，绕组内径、外径、导线线径相同，绕组的匝数和匝间距各不相同。在发射线圈结构参数固定、传输距离不变以及接收线圈匝数变化的情况下，使得发射线圈自感不变，不同接收线圈的自感不同，发射线圈与接收线圈的耦合系数不变；电能发射器与不同自感接收线圈的电能接收器耦合，均能满足LCCN拓扑实现与负载无关恒流输出和输入纯阻性的谐振条件，电流增益与接收线圈自感相关；不同自感接收线圈电能接收器能够输出不同大小与负载无关的恒定电流，且谐振腔输入纯阻性，满足不同额定电流负载供电要求。

本发明技术方案中，不同电能接收器中接收线圈结构不同，桥式不控整流器的二极管和滤波电容的选取与负载和输出电流相关，且负载的阻值不断发生变化；不同接收线圈使用的铁氧体(PC40)铺设方式需保持相同，铝板尺寸保持一致，但线圈绕组结构参数不同。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。