一種基于雙e類功放的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于雙E類功放的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，尤其涉及一種添加 雙端阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 雙E類功率放大電路，即雙E類功放，工作頻率可以達(dá)到MHz以上，電路結(jié)構(gòu)相對(duì) 簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，電能轉(zhuǎn)換效率理論上可以達(dá)到1〇〇%，而且輸出功率是同等條件下 普通E類功放的4倍，因此特別適合作為諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的高頻功率源。當(dāng)雙E 類功放內(nèi)部各元件參數(shù)設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候，雙E類功放不僅可以工作在零電壓開關(guān)（ZVS)狀 態(tài)，而且可以實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)數(shù)開通（ZDS)狀態(tài)，這時(shí)雙E類功放將工作在最佳狀態(tài)，此時(shí)雙 E類功放的輸出電阻就是最佳電阻R。
[0003] 諧振式無線電能傳輸技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸效率相對(duì)較高、非輻射性等特點(diǎn)， 特別適合于中等距離的無線電能傳輸。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) 傳輸效率最高。
[0004] 但是在實(shí)際的系統(tǒng)中，傳輸線圈位置容易發(fā)生變化，這將引起線圈間的互感發(fā)生 變化，進(jìn)而引起系統(tǒng)的綜合性能惡化，具體表現(xiàn)在兩個(gè)方面，即：第一，雙E類功放外部傳輸 效率最高時(shí)對(duì)應(yīng)的最佳負(fù)載值發(fā)生變化，引起傳輸效率大幅下降；第二，雙E類功放外部的 等效電阻發(fā)生變化，不等于其最佳輸出電阻R，導(dǎo)致雙E類功放內(nèi)阻無法實(shí)現(xiàn)ZDS(零電壓導(dǎo) 數(shù)開通），甚至無法實(shí)現(xiàn)ZVS(零電壓開通），使得開關(guān)管電壓、電流應(yīng)力增大，損耗增加，甚 至燒壞開關(guān)管。
[0005] 為了解決以上問題，提出了如參考圖1所示的一種添加雙端阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的諧振 式無線電能傳輸系統(tǒng)。通過在發(fā)射端和接收端分別添加適當(dāng)?shù)淖杩棺儞Q網(wǎng)絡(luò)，本系統(tǒng)不僅 可以保證在傳輸線圈位置發(fā)生變化的情況下雙E類功放處于最佳工作狀態(tài)，即滿足ZVS和 ZDS工作條件，而且可以使得雙E類功放外部的諧振式無線電能傳輸效率達(dá)到最高，從而使 得整個(gè)系統(tǒng)的性能最佳。并且在同等條件，雙E類功放的輸出功率是普通E類功放的4倍， 這將大大提高諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服目前基于普通E類功放的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)輸出 功率較小的問題，以及解決目前基于雙E類功放的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)存在幾種實(shí)際 問題，具體表現(xiàn)在：由于系統(tǒng)原來參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，或者傳輸線圈位置發(fā)生變化時(shí)，雙E類 功放電路實(shí)際工作狀態(tài)不佳，如開關(guān)管電壓或者電流應(yīng)力大，雙E類功放內(nèi)部損耗較大，以 及外部的諧振式無線電能傳輸效率低下的問題。通過在發(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)，不僅可以保證在線圈位置發(fā)生變化時(shí)雙E類功放仍處于最佳工作狀 態(tài)，同時(shí)保證雙E類功放外部的傳輸效率最高，從而使得整個(gè)系統(tǒng)的工作性能最佳，另外系 統(tǒng)的輸出功率也增加為基于普通E類功放的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的4倍，負(fù)載獲得功 率大大增加。
[0007] 本發(fā)明的目的至少通過如下技術(shù)方案之一實(shí)現(xiàn)：
[0008] 一種基于雙E類功放的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，包括雙E類功放模塊、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；其中雙E類功放模塊由直流電壓源、 第一扼流電感、第二扼流電感、第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第 一反向續(xù)流二極管、第二反向續(xù)流二極管、第一并聯(lián)旁路電容、第二并聯(lián)旁路電容、濾波電 感、濾波電容組成，雙E類功放的輸出端產(chǎn)生高頻正弦交流電，作為諧振式無線電能傳輸系 統(tǒng)的高頻功率源；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RLC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串聯(lián)諧振模式；原邊阻抗變換網(wǎng) 絡(luò)的輸入端與雙E類功放的輸出端相連，輸出端與傳輸線圈模塊中的發(fā)射線圈相連；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。
[0009] 進(jìn)一步地，雙E類功放模塊工作在最佳狀態(tài)時(shí)，即滿足零電壓開通（ZVS)和零電壓 導(dǎo)數(shù)開通（ZDS)條件，此時(shí)雙E類功放的等效輸出電阻就是其對(duì)應(yīng)的最佳輸出電阻；雙E類 功放模塊內(nèi)部的第一開關(guān)管由高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)來驅(qū)動(dòng)；第二開關(guān)管由高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)來驅(qū)動(dòng)， 第一開關(guān)管和第二開光管各自驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下互補(bǔ)導(dǎo)通，交替關(guān)斷；高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻 率即系統(tǒng)頻率f的范圍為〇. 5MHz-50MHz之間，開關(guān)管的占空比D= 0. 5。
[0010] 進(jìn)一步地，雙E類功放模塊中的濾波支路由濾波電感、濾波電容、等效輸出電阻串 聯(lián)組成；濾波支路的品質(zhì)因數(shù)Q-般在5-20范圍內(nèi)。
[0011] 進(jìn)一步地，發(fā)射線圈內(nèi)阻和接收線圈內(nèi)阻均包括歐姆內(nèi)阻和輻射內(nèi)阻；發(fā)射線圈 和接收線圈滿足關(guān)系
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于雙E類功放的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于包括雙E類功放模塊 (I)、傳輸線圈模塊（Π )、原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)（NI)、副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)（N2)及負(fù)載（RJ ;其 中雙E類功放模塊（I)由直流電壓源（VJ、第一扼流電感（LI)、第二扼流電感（L2)、第一 驅(qū)動(dòng)信號(hào)（Vgl)、第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)（Vg2)、第一開關(guān)管（SI)、第二開關(guān)管（S2)、第一反向續(xù)流二 極管（VDl)、第二反向續(xù)流二極管（VD2)、第一并聯(lián)旁路電容（Cl)、第二并聯(lián)旁路電容（C2)、 濾波電感（L3)、濾波電容（C3)組成，雙E類功放的輸出端（1Γ )產(chǎn)生高頻正弦交流電，作 為諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的高頻功率源；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（R m)、發(fā)射線圈電感（L4)和發(fā)射線 圈諧振電容（C4)形成的RLC串聯(lián)諧振模式，接收線圈（RX)等效為由接收線圈內(nèi)阻（R w)、 接收線圈電感（L5)和接收線圈諧振電容（C5)形成的RLC串聯(lián)諧振模式；原邊阻抗變換網(wǎng) 絡(luò)（NI)的輸入端與雙E類功放的輸出端相連，輸出端與傳輸線圈模塊（II)中的發(fā)射線圈 TX相連；副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)（N2)的輸入端與傳輸線圈模塊（II)中的接收線圈（RX)相連， 輸出端與負(fù)載（RJ相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙E類功放的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在 于，所述雙E類功放模塊（I)工作在最佳狀態(tài)時(shí)，即滿足零電壓開通（ZVS)和零電壓導(dǎo)數(shù)開 通（ZDS)條件，此時(shí)雙E類功放的等效輸出電阻（R)就是其對(duì)應(yīng)的最佳輸出電阻；雙E類功 放模塊內(nèi)部的第一開關(guān)管（SI)由高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)（Vgl)來驅(qū)動(dòng)；第二開關(guān)管（S2)由高頻驅(qū) 動(dòng)信號(hào)（Vg2)來驅(qū)動(dòng)，第一開關(guān)管和第二開光管各自驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下互補(bǔ)導(dǎo)通，交替關(guān) 斷；高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率即系統(tǒng)頻率f的范圍為〇. 5MHz-50MHz之間，開關(guān)管的占空比D = 0. 5〇
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于雙E類功放的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在 于，雙E類功放模塊中的濾波支路由濾波電感（L3)、濾波電容（C3)、等效輸出電阻（R)串聯(lián) 組成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙E類功放的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在 于發(fā)射線圈內(nèi)阻（Rm)和接收線圈內(nèi)阻（R m)均包括歐姆內(nèi)阻和輻射內(nèi)阻；發(fā)射線圈（TX)和 接收線圈（RX)滿足關(guān)系：
1 ω為系統(tǒng)角頻率，滿足ω = 2 π f，L4S 發(fā)射線圈電感，C4為發(fā)射線圈諧振電容，L5為接收線圈電感，C5為接收線圈諧振電容，即發(fā) 射線圈（TX)和接收線圈（RX)在系統(tǒng)頻率下發(fā)生串聯(lián)諧振，另外發(fā)射線圈（TX)和接收線圈 (RX)之間的互感大小為M，互感隨著發(fā)射線圈（TX)和接收線圈（RX)之間的相對(duì)位置即傳 輸線圈位置的變化而變化。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙E類功放的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在 于，負(fù)載為純阻性質(zhì)、阻感性質(zhì)或者阻容性質(zhì)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙E類功放的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在 于，原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)（NI)和副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)（N2)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)（NI)和副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)（N2)的電路形式 為L型、T型或Π 型，其中，L型阻抗變換網(wǎng)絡(luò)可以分為兩種，即正L型和倒L型，正L型具有 放大等效電阻的作用，倒L型具有減小等效電阻的作用。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙E類功放的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征 在于，雙E類功放模塊外部的傳輸效率η在線圈位置確定的情況下存在一個(gè)最優(yōu)負(fù)載^ Optimal，使得傳輸效率最高，這個(gè)最優(yōu)負(fù)載電阻滿萬
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于雙E類功放的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在 于，當(dāng)負(fù)載心不等于最優(yōu)負(fù)載I^0ptimal時(shí)，通過接收線圈（RX)和負(fù)載R l之間添加的副邊阻 抗變換網(wǎng)絡(luò)（N2)，使得從接收線圈輸出端（44')向負(fù)載看進(jìn)去的等效電阻值為Ruptimal; 由于副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)N2不消耗電能，則等效電阻Ru ptimaJ_耗的電能就等于負(fù)載RJI耗 的電能，即此時(shí)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)最尚效率傳輸。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于雙E類功放的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在 于，雙E類功模塊外部的等效電阻Rrai滿足：
當(dāng)傳輸線圈位置 發(fā)生變化時(shí)，等效電阻R^1也將發(fā)生變化，當(dāng)R %不等于雙E類功放最佳輸出電阻R時(shí)，通過 在雙E類功放模塊⑴輸出端（11')和發(fā)射線圈（TX)的輸入端（33')之間添加原邊 阻抗變換網(wǎng)絡(luò)（NI)，使得從高頻功率源模塊（I)輸出端（11')向發(fā)射線圈看進(jìn)去的等效 電阻W %滿足μ= R，則此時(shí)雙E類功放模塊（I)將工作在最佳狀態(tài)，即滿足ZVS和 ZDS條件；由于原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)（NI)由儲(chǔ)能元件電容和電感構(gòu)成，并不消耗電能，因此雙 E類功放模塊（I)輸出的電能等于發(fā)射線圈（TX)的輸入端（33')消耗的電能。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于雙E類功放的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)包括雙E類功放模塊、原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)、副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)、傳輸線圈模塊、負(fù)載。其中雙E類功放模塊可以產(chǎn)生高頻正弦波，作為系統(tǒng)的高頻功率源。原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)分別與雙E類功放模塊和發(fā)射線圈相連，保證傳輸線圈位置發(fā)生變化的情況下E類功放仍工作在最佳狀態(tài)；副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)分別與接收線圈和負(fù)載相連，可以實(shí)現(xiàn)雙E類功放模塊外部傳輸效率最高。本發(fā)明通過在諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的原邊和副邊分別添加適當(dāng)?shù)淖杩棺儞Q網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)在線圈位置發(fā)生變化的情況下雙E類功放仍處于最佳工作狀態(tài)，同時(shí)獲得最高傳輸效率，從而使得基于雙E類功放的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)性能最佳。
【IPC分類】H02J17-00
【公開號(hào)】CN104868611
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510272046
【發(fā)明人】王學(xué)梅, 王振亞, 張波, 鄭浩
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)
【公開日】2015年8月26日
【申請(qǐng)日】2015年5月25日