[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

摘要

本发明提供了一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统。系统包括高频功率源模块、原边阻抗变换网络、副边阻抗变换网络、传输线圈模块、负载。其中高频功率源模块由理想电源及内阻构成，为整个系统提供电能。传输线圈模块由发射线圈和接收线圈组成，实现电能的无线传输。原边阻抗匹配网络分别与高频功率源模块和发射线圈相连，可以实现高频功率源的最大功率输出；副边阻抗变换网络分别与接收线圈和负载相连，可以实现高频功率源外部传输效率最高。本发明通过在谐振式无线电能传输系统的原边和副边分别添加适当的阻抗变换网络，可以实现高频功率源输出最大功率，同时系统获得最高传输效率，从而保证负载获得的功率最大。

主权项

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RL；其中高频功率源模块I由理想电压源US与内阻RS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RL1、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RL2、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RL相连；发射线圈内阻RL1和接收线圈内阻RL2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US和等效电源内阻RS的串联或等效为一理想电流源IS与等效电源内阻RS的并联形式，两者满足US＝RS·IS的关系，当高频功率源外部的等效电阻为Req，且Req＝RS时，高频功率源模块I输出最大功率Pmax,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RL.Optimal，满足高频功率源模块外部的等效电阻Req满足：若Req≠RS,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＝RS，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P22′＝P11′·η，P22′为负载消耗的功率，P11′为高频功率源模块输出的功率，此时负载电阻RL获得的功率最大。