CN110535251A - 输出电压具有负载无关性的无线电能传输***构造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种输出电压具有负载无关性的无线电能传输***构造方法,包括步骤:1)确定无线电能传输***的组成;2)确定***等效电路图,发射、接收线圈用互感模型等效,发射侧、接收侧二端口网络选择T型电路;3)确定发射侧、接收侧二端口网络的转移参数矩阵;4)根据转移参数矩阵,确定T型电路中各支路参数之间的关系;5)根据支路参数关系和谐振工作条件,确定发射侧、接收侧二端口网络的具体元件,进而得到输出电压具有负载无关性的无线电能传输***发射侧和接收侧拓扑。本发明构造的***输出电压具有负载无关性,且该特性不受线圈距离变化的影响。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输的技术领域,尤其是指一种输出电压具有负载无关性的无线电能传输***构造方法。
背景技术
无线电能传输技术摆脱了导线的束缚,具有低维护、可靠、灵活和环境友好等优良特性,已经广泛应用在消费电子产品、植入式医疗设备、电动汽车等领域。应用无线电能传输技术给设备供电时,***的输出电压随线圈距离和负载变化而变化,影响设备的可靠供电。目前,构造输出电压具有负载无关性的无线电能传输***主要通过补偿网络设计实现。但是,该方法在设计中把发射线圈和接收线圈用变压器模型等效,将发射侧补偿网络、发射线圈、接收线圈和接收侧补偿网络作为整体,用一个二端口网络表示,然后进行输出电压负载无关性的设计,使得补偿网络元器件参数跟传输距离有关。一旦传输距离变化,***不能保持输出电压的负载无关性,同时***没有工作在谐振状态,限制了***的传输距离。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足,提出了一种输出电压具有负载无关性的无线电能传输***构造方法,该方法在构造目标***时,等效电路图中发射线圈和接收线圈采用互感模型等效,设计时发射侧和接收侧各用一个二端口网络,使得T型电路具体元件参数跟传输距离无关,所构造出的***实现输出电压负载无关性的同时,输出电压的负载无关特性不受传输距离影响。在确定T型电路具体实现形式时,以***工作在谐振状态进行拓扑筛选,实现了所构造***工作在谐振状态,提高了***的传输距离。
为实现上述目的,本发明所提供的技术方案为:输出电压具有负载无关性的无线电能传输***构造方法,包括以下步骤:
1)确定无线电能传输***的组成,包括交流电压源、发射侧二端口网络、发射线圈、接收线圈、接收侧二端口网络和交流等效负载;其中,所述发射线圈与发射侧二端口网络的输出端连接,所述发射侧二端口网络的输入端与交流电压源连接,所述接收线圈与接收侧二端口网络的输入端连接,所述接收侧二端口网络的输出端与交流等效负载连接;
2)确定***等效电路图,具体是将发射线圈和接收线圈用互感模型等效,且发射侧二端口网络和接收侧二端口网络均选择T型电路,即有发射侧T型电路和接收侧T型电路;其中,所述互感模型中发射线圈自感为L1、接收线圈自感为L2,发射线圈与接收线圈互感为M;所述T型电路的支路1、支路2和支路3的一端连接,支路1的另一端和支路2的另一端与二端口网络的输入端口对应,支路2的另一端和支路3的另一端与二端口网络的输出端口对应;发射侧T型电路的支路1、支路2和支路3对应的参数分别为Zt1、Zt2、Zt3,接收侧T型电路的支路1、支路2和支路3对应的参数分别为Zr1、Zr2、Zr3;
3)以发射线圈电流具有恒流特性为目标,确定发射侧二端口网络的转移参数矩阵以交流等效负载上的电压与负载大小无关为目标,确定接收侧二端口网络的转移参数矩阵其中,αtmn表示发射侧二端口网络转移参数矩阵At中第m行第n列元素,αrmn表示接收侧二端口网络转移参数矩阵Ar中第m行第n列元素,m、n取值为1~2;
4)根据转移参数矩阵,确定T型电路中各支路参数之间的关系;
5)根据支路参数关系和谐振工作条件,确定发射侧二端口网络和接收侧二端口网络的具体元件,进而得到输出电压具有负载无关性的无线电能传输***发射侧和接收侧拓扑,将得到的发射侧拓扑和接收侧拓扑结合,即可构成输出电压具有负载无关性的无线电能传输***。
在步骤3)中,将发射侧T型电路的支路3和与其串联的发射线圈自感L1一起等效成支路3’,支路3’对应参数为Zt3’,且Zt3’=Zt3+jωL1,j为虚数单位,ω为***工作频率,也是发射侧和接收侧的谐振频率;以发射线圈电流具有恒流特性为目标,确定发射侧的支路1、支路2和支路3’构成的T型电路对应的二端口网络转移参数矩阵
将接收侧T型电路的支路1和与其串联的接收线圈自感L2一起等效成支路1’,支路1’对应参数为Zr1’,且Zr1’=Zr1+jωL2,以交流等效负载上的电压与负载大小无关为目标,确定接收侧的支路1’、支路2和支路3构成的T型电路对应的二端口网络转移参数矩阵
在步骤4)中,用T型电路参数表示的转移参数矩阵由αt11=0确定的发射侧T型电路参数满足Zt1/Zt2=-1;用T型电路参数表示的转移参数矩阵由αr12=0确定的接收侧T型电路参数满足
进一步,根据实际接收侧参数Zr1’有零、容性、感性三种情况,分别如下:
第一种情况,Zr1’为零,选择Zr1’对应电容C2和接收线圈自感L2串联,且参数满足为保证接收侧谐振,选择Zr2为开路,Zr3为零;
第二种情况,Zr1’为感性,选择Zr1’对应接收线圈自感L2,Zr2、Zr3分别对应电感L3和电容C2,且参数满足或选择Zr1’对应接收线圈自感L2,Zr2、Zr3分别对应电容C2和电感L3,且参数满足或选择Zr1’对应接收线圈自感L2,Zr2、Zr3分别对应电容C2和电容C3,且参数满足
第三种情况,Zr1’为容性,选择Zr1’对应电容C2和接收线圈自感L2串联,等效电容C'2满足Zr2和Zr3分别对应电感L3和电容C3,且参数满足或选择Zr1’对应电容C2和接收线圈自感L2串联,等效电容C'2满足Zr2和Zr3分别对应电容C3和电感L3,且参数满足或选择Zr1’对应电容C2和接收线圈自感L2串联,等效电容C'2满足Zr2和Zr3分别对应电感L3和电感L4,且参数满足
在步骤5)中,根据步骤4)确定的发射侧参数关系Zt1/Zt2=-1,选择参数Zt1对应电感Lt,Zt2对应电容Ct,且参数满足同时为了保证发射线圈工作在谐振状态,Zt3’采用电容C1与线圈自感L1串联谐振,即
本发明与现有技术相比,具有如下优点与有益效果:
本发明方法在构造无线电能传输***时,等效电路图中采用互感模型等效发射线圈和接收线圈,设计时发射侧和接收侧各用一个二端口网络,使得T型电路具体元件参数跟传输距离无关,所实现的输出电压负载无关性不受传输距离影响。以***工作在谐振状态为条件确定T型电路具体实现形式,实现了所构造***工作在谐振状态,提高了***的传输距离。通过本发明方法所构造的无线电能传输***,更能适应传输距离变化的实际应用情况。
附图说明
图1是无线电能传输***框图。
图2是无线电能传输***等效电路图。
图3是输出电压具有负载无关性的无线电能传输***发射侧拓扑结构示意图。
图4是输出电压具有负载无关性的无线电能传输***接收侧拓扑结构示意图。
图5是互感分别为0.052μH、0.07μH、0.085μH时,负载在500Ω~1600Ω变化时输出电压幅值|Uo|曲线。
图6是负载1200Ω,互感0.07μH时输入电压uin、发射线圈电流il1、输出电压uo波形。
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。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。
本实施例所提供的输出电压具有负载无关性的无线电能传输***构造方法,包括以下步骤:
1)确定无线电能传输***的组成,如图1所示,包括交流电压源uin、发射侧二端口网络、发射线圈、接收线圈、接收侧二端口网络和交流等效负载RE;其中,所述发射线圈与发射侧二端口网络的输出端连接,所述发射侧二端口网络的输入端与交流电压源uin连接,所述接收线圈与接收侧二端口网络的输入端连接,所述接收侧二端口网络的输出端与交流等效负载RE连接。
2)确定***等效电路图,如图2所示,将发射线圈和接收线圈采用互感模型等效,发射线圈自感为L1,感抗为jωL1、接收线圈自感为L2,感抗为jωL2,发射线圈与接收线圈互感为M,I1和I2分别为发射线圈和接收线圈电流,-jωMI2是发射线圈上的互感电压,jωMI1是接收线圈上的互感电压,j为虚数单位,ω为***工作频率,也是发射侧和接收侧的谐振频率;发射侧和接收侧二端口网络均选择T型电路,即有发射侧T型电路和接收侧T型电路,T型电路的支路1、支路2和支路3的一端连接,支路1的另一端和支路2的另一端与二端口网络的输入端口对应,支路2的另一端和支路3的另一端与二端口网络的输出端口对应;发射侧T型电路支路1、支路2和支路3对应的参数分别为Zt1、Zt2、Zt3,接收侧T型电路支路1、支路2和支路3对应的参数分别为Zr1、Zr2、Zr3。
3)将发射侧T型电路的支路3和与其串联的发射线圈自感L1一起等效成支路3’,支路3’对应参数为Zt3’,且Zt3’=Zt3+jωL1,发射侧支路1、支路2和支路3’构成的T型电路对应的二端口网络转移参数矩阵为αtmn表示发射侧二端口网络转移参数矩阵At中第m行第n列元素,m、n取值为1~2;将接收侧T型电路的支路1和与其串联的接收线圈自感L2一起等效成支路1’,支路1’对应参数为Zr1’,且Zr1’=Zr1+jωL2,接收侧支路1’、支路2和支路3构成的T型电路对应的二端口网络转移参数矩阵为αrmn表示接收侧二端口网络转移参数矩阵At中第m行第n列元素,m、n取值为1~2;基于二端口理论,发射侧用转移参数矩阵At表示的方程为推导得到为了使发射线圈电流具有恒流特性,αt11=0,所以确定接收侧用转移参数矩阵Ar表示的方程为推导得为了使交流等效负载上的电压与负载大小无关,αr12=0,所以确定
4)发射侧T型电路参数表示的发射侧二端口网络转移参数矩阵为接收侧T型电路参数表示的接收侧二端口网络转移参数矩阵为结合步骤3),得到发射侧T型电路参数关系为由得到接收侧T型电路参数关系为
5)根据步骤4)确定的T型电路参数关系选择参数Zt1对应电感Lt,Zt2对应电容Ct,且参数满足同时为了保证发射线圈工作在谐振状态,Zt3’采用电容C1与线圈自感L1串联谐振,即所得到的输出电压具有负载无关性的无线电能传输***发射侧拓扑结构如图3所示。根据步骤3)确定的T型电路参数关系Zr1’有零、容性、感性三种情况,分别如下:
第一种情况:Zr1’等于零,Zr1’对应电容C2和接收线圈自感L2串联,且参数满足Zr3等于零,对应导线,为保证接收侧工作于谐振状态,Zr2开路,所得到输出电压具有负载无关性的无线电能传输***接收侧拓扑结构如图4中(a)所示。
第二种情况:Zr1’为感性,对应接收线圈自感L2。若将Zr2、Zr3分别对应电感L3和电容C2,参数满足所得到接收侧拓扑结构如图4中(b)所示;若将Zr2、Zr3分别对应电容C2和电感L3,参数满足所得到接收侧拓扑结构如图4中(c)所示;若Zr2、Zr3分别对应电容C2和电容C3,参数满足所得到输出电压具有负载无关性的无线电能传输***接收侧拓扑结构如图4中(d)所示。
第三种情况:Zr1’为容性,对应电容C2与接收线圈自感L2串联,且两者等效为电容C2’,参数满足若Zr2和Zr3分别对应电感L3和电容C3,且参数满足所得到接收侧拓扑结构如图4中(e)所示;若Zr2和Zr3分别对应电容C3和电感L3,且参数满足所得到接收侧拓扑结构如图4中(f)所示;若Zr2和Zr3分别对应电感L3和电感L4,且参数满足所得到输出电压具有负载无关性的无线电能传输***接收侧拓扑结构如图4中(g)所示。
将得到的发射侧拓扑和接收侧拓扑结合,构成输出电压具有负载无关性的无线电能传输***,***的输出电压
下面以图3和图4中(c)所示拓扑构成的输出电压具有负载无关性的无线电能传输***为例,进行仿真验证,该***输出的电压表达式为设定输入电压幅值13V,目标输出电压幅值|Uo|为5V,设定***工作频率为6.78MHz,耦合线圈参数:发射线圈自感L1=4.4uH,内阻600mΩ,接收线圈自感L2=1.22uH,内阻80mΩ,M=0.07uH,电容比值C2/C3取10。其他参数计算如下:
C2=10C3=410.61pF。
仿真波形图如图5和图6所示,图5是互感分别为0.052μH、0.07μH、0.085μH时,负载在500Ω~1600Ω变化时输出电压幅值|Uo|曲线,图6是互感为0.07μH,负载为1200Ω时输入电压uin、发射线圈电流il1、输出电压uo波形。可以看出负载从500Ω变化到1600Ω,输出电压基本不变,即输出电压具有负载无关性,而且互感发生变化,虽然输出电压大小发生变化,但输出电压的负载无关性不受影响。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、简化,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.输出电压具有负载无关性的无线电能传输***构造方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)确定无线电能传输***的组成,包括交流电压源、发射侧二端口网络、发射线圈、接收线圈、接收侧二端口网络和交流等效负载;其中,所述发射线圈与发射侧二端口网络的输出端连接,所述发射侧二端口网络的输入端与交流电压源连接,所述接收线圈与接收侧二端口网络的输入端连接,所述接收侧二端口网络的输出端与交流等效负载连接;
2)确定***等效电路图,具体是将发射线圈和接收线圈用互感模型等效,且发射侧二端口网络和接收侧二端口网络均选择T型电路,即有发射侧T型电路和接收侧T型电路;其中,所述互感模型中发射线圈自感为L1、接收线圈自感为L2,发射线圈与接收线圈互感为M;所述T型电路的支路1、支路2和支路3的一端连接,支路1的另一端和支路2的另一端与二端口网络的输入端口对应,支路2的另一端和支路3的另一端与二端口网络的输出端口对应;发射侧T型电路的支路1、支路2和支路3对应的参数分别为Zt1、Zt2、Zt3,接收侧T型电路的支路1、支路2和支路3对应的参数分别为Zr1、Zr2、Zr3;
3)以发射线圈电流具有恒流特性为目标,确定发射侧二端口网络的转移参数矩阵以交流等效负载上的电压与负载大小无关为目标,确定接收侧二端口网络的转移参数矩阵其中,αtmn表示发射侧二端口网络转移参数矩阵At中第m行第n列元素,αrmn表示接收侧二端口网络转移参数矩阵Ar中第m行第n列元素,m、n取值为1~2;
4)根据转移参数矩阵,确定T型电路中各支路参数之间的关系;
5)根据支路参数关系和谐振工作条件,确定发射侧二端口网络和接收侧二端口网络的具体元件,进而得到输出电压具有负载无关性的无线电能传输***发射侧和接收侧拓扑,将得到的发射侧拓扑和接收侧拓扑结合,即可构成输出电压具有负载无关性的无线电能传输***。
2.根据权利要求1所述的输出电压具有负载无关性的无线电能传输***构造方法,其特征在于:在步骤3)中,将发射侧T型电路的支路3和与其串联的发射线圈自感L1一起等效成支路3’,支路3’对应参数为Zt3’,且Zt3’=Zt3+jωL1,j为虚数单位,ω为***工作频率,也是发射侧和接收侧的谐振频率;以发射线圈电流具有恒流特性为目标,确定发射侧的支路1、支路2和支路3’构成的T型电路对应的二端口网络转移参数矩阵
将接收侧T型电路的支路1和与其串联的接收线圈自感L2一起等效成支路1’,支路1’对应参数为Zr1’,且Zr1’=Zr1+jωL2,以交流等效负载上的电压与负载大小无关为目标,确定接收侧的支路1’、支路2和支路3构成的T型电路对应的二端口网络转移参数矩阵
在步骤4)中,用T型电路参数表示的转移参数矩阵由αt11=0确定的发射侧T型电路参数满足Zt1/Zt2=-1;用T型电路参数表示的转移参数矩阵由αr12=0确定的接收侧T型电路参数满足
3.根据权利要求2所述的输出电压具有负载无关性的无线电能传输***构造方法,其特征在于:根据实际接收侧参数Zr1’有零、容性、感性三种情况,分别如下:
第一种情况,Zr1’为零,选择Zr1’对应电容C2和接收线圈自感L2串联,且参数满足为保证接收侧谐振,选择Zr2为开路,Zr3为零;
第二种情况,Zr1’为感性,选择Zr1’对应接收线圈自感L2,Zr2、Zr3分别对应电感L3和电容C2,且参数满足或选择Zr1’对应接收线圈自感L2,Zr2、Zr3分别对应电容C2和电感L3,且参数满足或选择Zr1’对应接收线圈自感L2,Zr2、Zr3分别对应电容C2和电容C3,且参数满足
第三种情况,Zr1’为容性,选择Zr1’对应电容C2和接收线圈自感L2串联,等效电容C'2满足Zr2和Zr3分别对应电感L3和电容C3,且参数满足或选择Zr1’对应电容C2和接收线圈自感L2串联,等效电容C'2满足Zr2和Zr3分别对应电容C3和电感L3,且参数满足或选择Zr1’对应电容C2和接收线圈自感L2串联,等效电容C'2满足Zr2和Zr3分别对应电感L3和电感L4,且参数满足
4.根据权利要求1所述的输出电压具有负载无关性的无线电能传输***构造方法,其特征在于:在步骤5)中,根据步骤4)确定的发射侧参数关系Zt1/Zt2=-1,选择参数Zt1对应电感Lt,Zt2对应电容Ct,且参数满足同时为了保证发射线圈工作在谐振状态,Zt3’采用电容C1与线圈自感L1串联谐振,即
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GR01 | Patent grant | ||
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