[发明专利]基于中继线圈补偿电容的三线圈无线电能传输系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于中继线圈补偿电容的三线圈无线电能传输系统及方法，包括直流电源、高频逆变器、发射线圈模块、中继线圈及电容可调器模块、接收线圈模块、整流滤波模块及系统负载。本发明在系统正常传输电能时，根据系统负载的变化，以系统的能量传输效率最优为目标，调节第一补偿电容C_R，优化系统的能量传输效率，解决因系统负载变化导致的三线圈系统能量传输效率降低的问题，并且无需在能量接收端增加额外的电路，无需改变系统的工作频率，其步骤简单，对系统的能量传输效率提升效果显著。

技术领域

本发明涉及一种基于中继线圈补偿电容切换的三线圈无线电能传输系统及方法，属于无线电能传输领域。

背景技术

无线电能传输技术，又称非接触电能传输技术，是指借助于空间介质(例如电场、磁场、微波、辐射等)将电能从电源端传输到用电设备的一种供电技术。相比于传统的充电方式，无线电能传输技术具有安全性、可靠性、灵活性等优点，尤其适用于煤炭、水下等电气环境恶劣的场合。此外，无线电能传输技术在电动汽车和消费类电子产品领域发展迅速，可以满足快速性和安全性的充电要求，具有极大的应用前景。

在相同的能量传输距离下，相比于传统的两线圈无线电能传输系统，三线圈无线电能传输系统的发射线圈回路电流较小，可以减小高频逆变器的损耗，在接收线圈发生横向偏移时，三线圈无线电能传输系统可有效减缓系统能量传输效率的降低程度，并且在负载切出时有效减小功率损耗。

假设三线圈无线电能传输发射线圈与接受线圈距离较近，它们之间的互感不可忽略不计，即使系统的工作频率等于三个线圈的固有谐振频率，系统的输入阻抗依旧存在虚部，会导致三线圈无线电能传输系统的能量传输效率降低。

此外，无线电能传输系统的主要负载为电池，在充电过程中电池的等效电阻值是不断变化的，在系统参数保持不变的情况下，因三线圈无线电能传输系统的效率最优负载值固定，系统负载发生变化，势必会对系统的能量传输效率产生影响，造成系统能量传输效率的降低。

发明内容

发明目的：为了解决因系统负载变化而导致的系统能量传输效率降低的问题，本发明提供一种基于中继线圈补偿电容的三线圈无线电能传输系统及方法，本发明可以在系统工作频率保持固定时，根据系统负载的阻值实时调整中继线圈补偿电容C_R的容值，提升三线圈无线电能传输系统的能量传输效率，实现步骤简单，无需复杂的硬件电路，并且对三线圈无线电能传输系统的能量传输效率提升效果显著。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于中继线圈补偿电容的三线圈无线电能传输系统，包括直流电源、高频逆变器、发射线圈模块、中继线圈模块、接收线圈模块、整流滤波模块、系统负载、信号采集及发送模块、信号接收及处理模块，其中：

直流电源与高频逆变器的输入端相连接，高频逆变器的输出端与发射线圈模块的输入端相连，发射线圈模块的输出端与中继线圈模块的输入端相对设置，中继线圈模块的输出端与接收线圈模块的输入端相对设置，接收线圈模块的输出端与整流滤波模块的输入端相连，整流滤波模块的输出端与系统负载相连，信号采集及发射模块用于采集系统负载的瞬时电压和瞬时电流，将其处理并发送给信号接收及处理模块。所述中继线圈模块包括中继线圈和第一补偿电容C_R，所述第一补偿电容C_R为可调电容器，中继线圈与第一补偿电容C_R串联，组成单独回路。信号接收及处理模块将信号处理得到系统负载的阻值，同时得到系统能量传输效率最优时所需的中继线圈补偿电容，通过可调电容器调节第一补偿电容C_R到达系统能量传输效率最优时所需的所需的中继线圈补偿电容使系统传输效率最优化。

优选的：搭建三线圈无线电能传输系统的等效电路，根据等效电路得到系统能量传输效率η₃与第一补偿电容C_R的关系式：