[发明专利]一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统

权利要求书

1.一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统，其特征在于包括高频功率源模块I、传输线圈模块II、原边阻抗变换网络N1、副边阻抗变换网络N2及负载R_L；其中高频功率源模块I由理想电压源U_S与内阻R_S串联组成，为系统提供电能；传输线圈模块II包括发射线圈TX和接收线圈RX，其中发射线圈TX等效为由发射线圈内阻R_L1、发射线圈电感L1和发射线圈谐振电容C1形成的RLC串联谐振模式，接收线圈RX等效为由接收线圈内阻R_L2、接收线圈电感L2和接收线圈谐振电容C2形成的RLC串联谐振模式；原边阻抗变换网络N1的输入端与高频功率源的输出端相连，输出端与传输线圈模块II中的发射线圈TX相连；副边阻抗匹配网络N2的输入端与传输线圈模块II中的接收线圈RX相连，输出端与负载R_L相连；

发射线圈内阻R_L1和接收线圈内阻R_L2均包括欧姆内阻和辐射内阻；发射线圈TX和接收线圈RX满足关系：ω为系统角频率，满足ω＝2πf，L₁为发射线圈电感，C₁为发射线圈谐振电容，L₂为接收线圈电感，C₂为接收线圈谐振电容，即发射线圈TX和接收线圈RX在系统频率下发生串联谐振，另外发射线圈TX和接收线圈RX之间的互感大小为M；

高频功率源模块I等效为一理想电压源U_S和等效电源内阻R_S的串联或等效为一理想电流源I_S与等效电源内阻R_S的并联形式，两者满足U_S＝R_S·I_S的关系，当高频功率源外部的等效电阻为R_eq，且R_eq＝R_S时，高频功率源模块I输出最大功率P_max,满足高频功率源的频率为0.5-50MHz，且电压源或者电流源的波形为正弦波；高频功率源模块的外部的传输效率η取得最大值时存在一个最优负载R_L.Optimal，满足

高频功率源模块外部的等效电阻R_eq满足：若R_eq≠R_S,则在高频功率源模块I输出端11′和发射线圈TX的输入端33′之间添加原边阻抗变换网络N1，使得从高频功率源模块I输出端11′向发射线圈看进去的等效电阻R′_eq满足：R′_eq＝R_S，则此时高频功率源模块I的输出功率最大；由于原边阻抗变换网络N1由储能元件电容和电感构成，并不消耗电能，因此高频功率源模块I输出的电能等于发射线圈TX的输入端33′消耗的电能，根据公式P_22′＝P_11′·η，P_22′为负载消耗的功率，P_11′为高频功率源模块输出的功率，此时负载电阻R_L获得的功率最大。

2.根据权利要求1所述的一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统，其特征在于传输线圈模块II中的发射线圈TX和接收线圈RX之间的距离在电磁波半个波长以内；发射线圈TX和接收线圈RX的间距不小于频率分叉范围。

3.根据权利要求1所述的一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统，其特征在于，负载为纯阻性质、阻感性质或者阻容性质。

4.根据权利要求1所述的一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统，其特征在于，原边阻抗变换网络N1和副边阻抗变换网络N2中均由储能元件组成，不消耗电能，储能元件包括电容和电感，原边阻抗变换网络N1和副边阻抗变换网络N2的电路形式为L型、T型或∏型。

5.根据权利要求1所述的一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统，其特征在于，如果负载R_L不等于最优负载R_L.Optimal，则在接收线圈RX和负载R_L之间添加副边阻抗变换网络N2，使得从接收线圈输出端44′向负载看进去的等效电阻值为R_L.Optimal；由于副边阻抗变换网络N2不消耗电能，则等效电阻R_L.Optimal消耗的电能就等于负载R_L消耗的电能，即此时系统实现最高效率传输。