[发明专利]一种宽频谐振式无线电能传输系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种谐振式无线电能传输系统。

背景技术

无线电能传输技术是支持负载设备以非接触方式从电源取电的电能输送技术。无线电能传输技术能有效克服线路供电方式存在的设备移动灵活性差、占用体积空间、易产生接触火花、存在线缆、线缆接头暴露、运动接触面磨损等问题，提高供电系统的安全性、可靠性及使用寿命。特别适用于移动装备、易燃易爆环境和水下、油气井下设备的安全供电，对电磁理论和供用电方式的发展具有重大的科学意义和实践价值，在无线传感器网络、电动汽车、工业机器人、航空航天、军事、油田矿井、水下作业等工业领域及在家用电器、医疗器械等民用领域均具有广泛的应用前景。

无线电能传输技术按照实现原理可分为微波方式、射频方式、磁感应耦合方式及磁谐振耦合方式等。微波式输电实质是利用微波集束代替输电导线，波束通过自由空间后由接收整流天线收集，从而实现大功率、长远距离输电，对解决空间轨道供电、孤立地区供电、地面电站电能外送等问题意义显著，但微波传播不能穿越障碍物；射频方式根据天线发射和接收原理实现，利用电磁场衰减相对缓慢的远场从而突破长距离传递能量，其频率很高，天线可小型化，方便嵌入各种小型设备，但发射天线一般为全向天线，能量发散程度高，输电效率、能力甚低而大受掣肘；磁感应耦合方式利用电磁感应原理借助绕在不同磁性结构上的初级线圈及次级线圈之间的互感交换电能，但感应耦合式输电的极大劣势是其能量传输距离非常近，被限制在毫米量级；磁谐振式无线电能传输技术则是一种基于磁谐振耦合原理实现的非辐射性、高效、中距离输电的新型技术。

磁谐振式无线电能传输技术的关键在于通过适当的设计与控制使其发生谐振耦合并且不向体系外辐射电磁波，但受各种因素影响，总会产生少量空间辐射损耗及场源内的热损耗等。考虑到近区场范围不能过短，且必需激发谐振耦合现象，对频率要求较为苛刻，一般采用0.05MHz～50MHz之间的频率，且尽可能选择较低频率。由于采用交变磁场作为空间能量传递的媒介，谐振式能量传输方式对环境友好，且无严格的方向性，能同时给有效区域内多个相近谐振频率的接收端供电。相较于感应式，其能量传输性能稳定，距离远。

磁谐振式无线电能传输技术的关键在于通过适当的设计与控制使其发生谐振耦合并且不向体系外辐射电磁波，但受各种因素影响，总会产生少量空间辐射损耗及场源内的热损耗等。考虑到近区场范围不能过短，且必需激发谐振耦合现象，对频率要求较为苛刻。由于对无线电能传输的研究，所采用的频率范围较宽，而传统的无线传输技术还没有实现大范围的应用，为了便于扩大无线电能传输技术的应用范围，需改进无线供电技术，因此，对能量发射和接收装置的性能提出了更高的要求，如何采用单一能量发射端实现宽频范围大功率的发射，和实现高效率的能量传输，是无线传能亟需解决的问题。

目前文献和专利中，对于能量传输方式多为基于空心变压器原理，并无给出详细的无线电能传输理论的接收线圈电动势分析，同时多为单一频率的能量发射装置，难以满足宽频范围无线电能传输的要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的频率单一或频率范围不够宽缺点，提出一种宽频谐振式无线电能传输系统。本发明采用单一能量发射端，可实现62.5kHz～10MHz宽频范围的大功率无线电能传输，且给出详细的无线电能传输理论的接收线圈电动势分析，为发射接收线圈设计提供有效手段。本发明采用单一能量发射装置实现宽频范围大功率发射，实现高效率的能量传输。本发明电能无线传输系统为宽频，大功率的谐振式无线能量传输系统，结构简单，可应用在电器设备的无线供电、电动车充电等无线输电领域。

本发明宽频谐振式无线电能传输系统包括能量发射端和能量接收端。能量发射端由隔离电源组、人机交互单元、高频信号发生单元、信号放大单元、信号隔离单元、高频驱动单元、扼流单元、变频及功率放大单元、第一匹配电容及发射线圈组成，其中隔离电源组包括控制电路DC和主电路DC；能量接收端由接收线圈、第二匹配电容、频率调整及工作负载组成。