CN109149791A - 一种有源中继装置及其构成的无线电能传输*** - Google Patents

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夏能弘
朱益民
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Shanghai University of Electric Power
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02J50/50—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using additional energy repeaters between transmitting devices and receiving devices

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Abstract

本发明涉及一种有源中继装置及其构成的无线电能传输***，所述有源中继装置包括分布式电源、一个发射线圈、至少一个中继线圈和一个接收线圈，所述分布式电源由多个分布设置于发射线圈和中继线圈中的逆变电源组成。与现有技术相比，本发明具有将电源分布于发射线圈和中继线圈上，简化了逆变电源的设计，减小了电源到空间任意分布的各个负载的等效距离，提高了传输效率。

Description

一种有源中继装置及其构成的无线电能传输***
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其是涉及一种有源中继装置及其构成的无线电能传输***。
背景技术
随着科学技术的发展，无线电能传输技术已经得到越来越多的人的关注，尤其是利用磁耦合谐振原理的无线电能传输的提出，成功点亮了一个距离电源约2m远的60W电灯泡，激起了人们对无线电能传输技术的研究热潮。随着对磁耦合谐振技术研究的深入，各国专家学者相继开发了各种功率等级的无线电能传输装置，例如磁悬浮列车、无尾家电、植入式医疗设备、电动汽车以及移动设备等方面。
当前基于磁耦合原理的无线充电***充电距离有限，无法满足许多工作环境对充电距离和效率的要求。中继线圈的使用可以极大提升无线电能传输***的传输距离。中继线圈虽然提高了远距离传输时相邻线圈之间的耦合，但是还存在如下不足：
1、目前广泛采用的无源中继线圈结构，如图1所示，RE为无源中继线圈，随着中继线圈数量的增加，***损耗增大，导致***效率降低。
2、在保证负载充电功率恒定前提下，介入中继线圈所带来的附加功率损耗，导致为相同负载供电所需的逆变电源的额定功率增加，增大了逆变电源设计的困难。
3、无源中继线圈***在发射线圈发生故障时，整个***即无法工作，***可靠性较低。
上述不足限制了无线电能传输***效率的提高且给逆变电源的设计带来很多困难。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种有源中继装置及其构成的无线电能传输***。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于无线充电的有源中继装置，包括分布式电源、一个发射线圈、至少一个中继线圈和一个接收线圈，所述分布式电源由多个分布设置于发射线圈和中继线圈中的逆变电源组成。
进一步地，所述发射线圈和中继线圈的结构相同。
进一步地，所述中继线圈与接收线圈处于临界耦合时，有源中继装置具有最优效率。
进一步地，所述发射线圈、中继线圈和接收线圈在同一水平轴上。
进一步地，所述中继线圈设有一个时，有源中继装置的最优效率ηopt为：
其中，ω0为谐振频率，L1、L2、L3分别为发射线圈、中继线圈和接收线圈的线圈自感，r1、r2、r3分别为发射线圈、中继线圈和接收线圈的线圈电阻，Rs为电源内阻，RL为负载电阻，k12为发射线圈、中继线圈之间的耦合系数。
本发明还提供一种无线电能传输***，包括所述的有源中继装置。
进一步地，该***还包括一整流电路，所述接收线圈通过该整流电路与负载设备连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明实现一种高效的有源中继***，将发射线圈逆变电源的功率需求分布于各个中继线圈的逆变电源，此时有源中继线圈既作为分布式发射线圈，同时也作为中继线圈，使逆变电源的设计得到简化，同时提高了***运行的可靠性。
2)本发明将电源分布于发射线圈和中继线圈上，减小了电源到空间任意分布的各个负载的等效距离，提高了传输效率。
3)本发明应用分布式电源，提高了***运行的可靠性。
4)理论分析得到本发明的有源中继装置的最优效率与对应无中继***相同，且比对应无源中继***高。
附图说明
图1为传统型无源中继线圈***等效电路示意图；
图2为本发明有源中继线圈***等效电路示意图；
图3为耦合系数k23与中继线圈与接收线圈距离d23的关系示意图；
图4为有源中继***效率的频率特性示意图，其中，(4a)为小型接收线圈(SmallRX)，(4b)为中型接收线圈(Medium RX)，(4c)为大型接收线圈(Large RX)；
图5为***效率与传输距离d13的关系示意图，其中，(5a)为小型接收线圈(SmallRX)，(5b)为中型接收线圈(Medium RX)，(5c)为大型接收线圈(Large RX)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
中继线圈通过增强相邻线圈之间的耦合作用及自身较高的品质因数提高远距离传输时的效率。在远距离传输时，发射与接收线圈之间需要放置多个中继线圈构成多米诺结构，多个中继线圈的损耗大大降低了***的效率并且对逆变电源的功率提出了更高的要求。本发明提供一种用于无线充电的有源中继装置，包括分布式电源、一个发射线圈、至少一个中继线圈和一个接收线圈，分布式电源由多个分布设置于发射线圈和中继线圈中的逆变电源组成。该有源中继装置将电源分布于发射线圈和中继线圈上，中继线圈既作为分布式发射线圈，同时也作为中继线圈，***效率高。
本实施例以单中继结构为例采用等效电路模型(ECM)进行了理论分析。
有源中继线圈***的等效电路如图2所示，图中，TX为发射线圈，AR为有源中继线圈，RX为接收线圈，Vs为高频电源，L1、L2、L3分别为发射线圈、中继线圈和接收线圈的线圈自感，r1、r2、r3分别为发射线圈、中继线圈和接收线圈的线圈电阻，Rs为电源内阻，C1、C2、C3为补偿电容，RL为负载电阻，k12、k13、k23为线圈之间的耦合系数。
有源中继线圈***回路电流方程如下：
其中，
忽略TX与RX之间的交叉耦合，则各回路电流为：
其中
谐振状态下，***效率为：
其中表示线圈品质因数。
由于***存在频率***，因此在临界耦合时，***的效率最高。
令得到
将式(7)代入式(5)，得到***的最优效率
若发射线圈与中继线圈完全相同，即Q1＝Q2＝Q，则式(8)变为：
无源中继***分析：
其中
忽略TX与RX之间的交叉耦合，则各回路电流为：
其中
谐振状态下，***效率为：
其中
对比分析
由式(9)、(13)，由于Q'2＞Q2，有
k23opt＞k′23opt (15)
相比于无源中继***，有源中继***中接收线圈的最高效率位置更靠近中继线圈(d23opt较小)且接收线圈的品质越低，d23opt越小。
由于发射线圈与有源中继线圈参数完全相同，有
则式(16)简化为
与传统无源中继***相比，若中继线圈与负载线圈结构相同，则将有源中继***的接收线圈放置于靠近中继线圈的位置更加高效，且此时较高的耦合系数对能量传输有利。而式(18)说明了对于同样参数的有源中继线圈及无源中继线圈***，有源中继***的效率较高。
***的耦合系数k23与中继线圈与接收线圈之间的距离的关系如图3所示。图4为对应三种接收线圈尺寸的有源中继***效率的频率特性。每种情况下对应三种耦合状态：欠耦合，临界耦合，过耦合。三种情况下，***由欠耦合进入临界耦合时，效率均上升；而由临界耦合进入过耦合时，由于频率***，效率均降低。与一般无源中继***相似，有源中继***临界耦合时在谐振频率处的效率最高，且在过耦合时产生频率***。
***效率与传输距离的关系如图5所示。
相比于无源中继***，有源中继***中接收线圈最优位置d23opt较小且接收线圈的品质因数越低，d23opt越小。有源中继***的接收线圈的最优位置更接近中继线圈，两者之间的耦合作用更强，有利于能量传输。同时，当d23较小时，有源中继***的最优效率高于无源中继***；而当d23较大时，情况相反。因此有源中继***适用于较近距离传输以提高传输效率而无源中继***可用于提升传输距离。在传输距离特别小且接收线圈较大时，例如图(5c)中d13＝15cm时，无中继***的效率高于相应的无源中继***及有源中继***。这主要是由于此时中继***中的中继线圈与接收线圈之间过耦合，***发生了频率***，导致效率急剧降低。因此，使用中继线圈不一定能够提升***效率。由图(5a)、(5b)、(5c)的曲线可以看出，各种有源中继***的最优效率均与对应无中继***相同且高于对应无源中继***。
本发明的另一实施例中，提供一种无线电能传输***，包括上述有源中继装置。该无线电能传输***还可以包括一整流电路，接收线圈通过该整流电路与负载设备连接。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于无线充电的有源中继装置，其特征在于，包括分布式电源、一个发射线圈、至少一个中继线圈和一个接收线圈，所述分布式电源由多个分布设置于发射线圈和中继线圈中的逆变电源组成。
2.根据权利要求1所述的用于无线充电的有源中继装置，其特征在于，所述发射线圈和中继线圈的结构相同。
3.根据权利要求1所述的用于无线充电的有源中继装置，其特征在于，所述中继线圈与接收线圈处于临界耦合时，有源中继装置具有最优效率。
4.根据权利要求1所述的用于无线充电的有源中继装置，其特征在于，所述发射线圈、中继线圈和接收线圈在同一水平轴上。
5.根据权利要求1所述的用于无线充电的有源中继装置，其特征在于，所述中继线圈设有一个时，有源中继装置的最优效率ηopt为：
其中，ω0为谐振频率，L1、L2、L3分别为发射线圈、中继线圈和接收线圈的线圈自感，r1、r2、r3分别为发射线圈、中继线圈和接收线圈的线圈电阻，Rs为电源内阻，RL为负载电阻，k12为发射线圈、中继线圈之间的耦合系数。
6.一种无线电能传输***，其特征在于，包括如权利要求1-5任一所述的有源中继装置。
7.根据权利要求6所述的无线电能传输***，其特征在于，包括一整流电路，所述接收线圈通过该整流电路与负载设备连接。
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