基于传输线的无线电能传输系统技术方案

基于传输线的无线电能传输系统，属于电能无线传输领域，解决了现有磁耦合谐振式无线电能传输系统因采用集中参数电路网络来进行阻抗匹配而导致自身结构复杂的问题。所述无线电能传输系统：基于长线的主传输单元与高频电源相连，所述主传输单元、基于无损短线的阻抗匹配单元、滤波单元与磁耦合谐振单元依次相连，磁耦合谐振单元与负载相连。所述主传输单元用于电能的远距离传输，所述阻抗匹配单元用于使所述主传输单元与磁耦合谐振单元实现阻抗匹配，滤波单元用于滤除高次谐波，磁耦合谐振单元用于实现高频电源与负载之间的无线电能传输。本发明专利技术所述的基于传输线的无线电能传输系统适用于电能的高效无线传输以及稳定电源和负载的功率。

【技术实现步骤摘要】
基于传输线的无线电能传输系统
本专利技术涉及一种无线电能传输系统，属于电能无线传输领域。
技术介绍
磁耦合谐振式无线电能传输作为一项新兴的电能无线传输方式，因具有安全性好、可靠性高、环境亲和性强和维护费用低等诸多优点，正越来越多地应用于电动汽车、生物医学、仪器仪表、智能服装及家用电器等领域。磁耦合谐振式无线电能传输系统的原理为：通过具有相同谐振频率的发射线圈与接收线圈之间的强电磁耦合效应来实现电能的无线传输。在理论上，磁耦合谐振式无线电能传输系统能够在米级范围内实现电能的高效传输。为了实现高频电能的无反射传输以及稳定电源和负载的功率，现有的磁耦合谐振式无线电能传输系统通常采用由变压器或者电抗元件构成的集中参数电路网络来实现阻抗匹配。然而，对于高频电能的无线传输来说，这种集中参数电路网络导致磁耦合谐振式无线电能传输系统的结构过于复杂，制造难度大。从另一方面来说，这种集中电路网络的体积较大，进而导致磁耦合谐振式无线电能传输系统的体积较大，从而对磁耦合谐振式无线电能传输系统的适用范围产生了一定的影响。
技术实现思路
本专利技术为解决现有磁耦合谐振式无线电能传输系统因采用集中参数电路网络来进行阻抗匹配而导致自身结构复杂的问题，提出了一种基于传输线的无线电能传输系统。本专利技术所述的基于传输线的无线电能传输系统包括基于长线的主传输单元1、基于无损短线的阻抗匹配单元2、滤波单元3和磁耦合谐振单元4；所述主传输单元1与高频电源US相连，所述主传输单元1、所述阻抗匹配单元2、滤波单元3和磁耦合谐振单元4依次相连，磁耦合谐振单元4与负载RL相连；所述主传输单元1用于电能的远距离传输；所述阻抗匹配单元2用于使所述主传输单元1与磁耦合谐振单元4实现阻抗匹配；滤波单元3用于滤除高次谐波；磁耦合谐振单元4用于实现高频电源US与负载RL之间的无线电能传输。作为优选的是，所述主传输单元1包括第一传输线W1和第二传输线W2，所述阻抗匹配单元2包括第三传输线W3和第四传输线W4，第一传输线W1和第二传输线W2均为长线且等长，第三传输线W3和第四传输线W4均为无损短线且等长；第一传输线W1的第一端和第二传输线W2的第一端分别与高频电源US的两端相连，第一传输线W1的第二端和第二传输线W2的第二端分别与第三传输线W3的第一端和第四传输线W4的第一端相连；磁耦合谐振单元4包括原边线圈LP和副边线圈LQ；滤波单元3的第一端同时与第三传输线W3的第二端和原边线圈LP的第一端相连，滤波单元3的第二端同时与第四传输线W4的第二端和原边线圈LP的第二端相连；副边线圈LQ的两端分别与负载RL的两端相连。作为优选的是，滤波单元3包括滤波电感L和滤波电容C；滤波电感L的第一端与滤波电容C的第一端的公共端为滤波单元3的第一端，滤波电感L的第二端与滤波电容C的第二端的公共端为滤波单元3的第二端。作为优选的是，磁耦合谐振单元4还包括原边补偿电容CP、原边电阻RP、副边补偿电容CQ和副边电阻RQ；滤波单元3的第一端通过原边电阻RP与原边线圈LP的第一端相连，滤波单元3的第二端通过原边补偿电容CP与原边线圈LP的第二端相连；副边线圈LQ的第一端通过副边电阻RQ与负载RL的第一端相连，副边线圈LQ的第二端通过副边补偿电容CQ与负载RL的第二端相连；原边线圈LP的第一端与副边线圈LQ的第一端为同名端。作为优选的是，高频电源US的工作频率f为50kHz。作为优选的是，所述无线电能传输系统满足：Zin＝Zc2＝Z′in(一)公式(一)中，Zin为磁耦合谐振单元4的输入阻抗，Zc2为所述阻抗匹配单元2的波阻抗，Z′in为所述阻抗匹配单元2的输入阻抗；公式(二)中，RP为原边电阻RP的阻值，RQ为副边电阻RQ的阻值，RL为负载RL的阻值，M为磁耦合谐振单元4的互感系数，ω为谐振角频率；公式(三)中，ZL为负载阻抗，j为虚数单位，β为相位常数，第三传输线W3和第四传输线W4的长度均为l2。作为优选的是，原边补偿电容CP满足：公式(四)中，CP为原边补偿电容Cp的电容值，LP为原边线圈LP的电感值；副边补偿电容CQ满足：公式(五)中，CQ为副边补偿电容CQ的电容值，LQ为副边线圈LQ的电感值。本专利技术所述的基于传输线的无线电能传输系统，通过基于无损短线的阻抗匹配单元来实现基于长线的主传输单元与负载的阻抗匹配，即所述基于传输线的无线电能传输系统的传输线的输出端处于阻抗匹配状态，以提高高频电能的无线传输效率。所述阻抗匹配单元基于无损传输线理论，相对于由变压器或者电抗元件构成的集中参数电路网络，所述阻抗匹配单元的结构简单，使得所述基于传输线的无线电能传输系统的制造难度较低。相应地，所述基于传输线的无线电能传输系统的体积也较小，在一定程度上拓宽了其适用范围。附图说明在下文中将基于实施例并参考附图来对本专利技术所述的基于传输线的无线电能传输系统进行更详细的描述，其中：图1为实施例所述的基于传输线的无线电能传输系统的结构框图；图2为实施例所述的基于传输线的无线电能传输系统的电路原理图；图3为实施例提及的磁耦合谐振单元的电路拓扑图；图4为实施例提及的有无阻抗匹配单元作用下的高频电源功率随耦合系数的变化曲线图；图5为实施例提及的阻抗匹配单元的波阻抗随耦合系数的变化曲线图；图6为实施例提及的第三传输线的长度随耦合系数的变化曲线图；图7为实施例提及的传输效率随耦合系数的变化曲线图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术所述的基于传输线的无线电能传输系统作进一步说明。实施例：下面结合图1至图7详细地说明本实施例。本实施例所述的基于传输线的无线电能传输系统包括基于长线的主传输单元1、基于无损短线的阻抗匹配单元2、滤波单元3和磁耦合谐振单元4；所述主传输单元1与高频电源US相连，所述主传输单元1、所述阻抗匹配单元2、滤波单元3和磁耦合谐振单元4依次相连，磁耦合谐振单元4与负载RL相连；所述主传输单元1用于电能的远距离传输；所述阻抗匹配单元2用于使所述主传输单元1与磁耦合谐振单元4实现阻抗匹配；滤波单元3用于滤除高次谐波；磁耦合谐振单元4用于实现高频电源US与负载RL之间的无线电能传输。本实施例的主传输单元1包括第一传输线W1和第二传输线W2，本实施例的阻抗匹配单元2包括第三传输线W3和第四传输线W4，第一传输线W1和第二传输线W2均为长线且等长，第三传输线W3和第四传输线W4均为无损短线且等长；第一传输线W1的第一端和第二传输线W2的第一端分别与高频电源US的两端相连，第一传输线W1的第二端和第二传输线W2的第二端分别与第三传输线W3的第一端和第四传输线W4的第一端相连；磁耦合谐振单元4包括原边线圈LP和副边线圈LQ；滤波单元3的第一端同时与第三传输线W3的第二端和原边线圈LP的第一端相连，滤波单元3的第二端同时与第四传输线W4的第二端和原边线圈LP的第二端相连；副边线圈LQ的两端分别与负载RL的两端相连。本实施例的滤波单元3包括滤波电感L和滤波电容C；滤波电感L的第一端与滤波电容C的第一端的公共端为滤波单元3的第一端，滤波电感L的第二端与滤波电容C的第二端的公共端为滤波单元3的第二端。本实施例的磁耦合谐振单元4还包括原边补偿电容CP、原边电阻RP、副边补偿电容CQ和副边电阻RQ；滤波单元3的第一端通过原边电阻RP与原本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于传输线的无线电能传输系统，其特征在于，所述无线电能传输系统包括基于长线的主传输单元(1)、基于无损短线的阻抗匹配单元(2)、滤波单元(3)和磁耦合谐振单元(4)；所述主传输单元(1)与高频电源US相连，所述主传输单元(1)、所述阻抗匹配单元(2)、滤波单元(3)和磁耦合谐振单元(4)依次相连，磁耦合谐振单元(4)与负载RL相连；所述主传输单元(1)用于电能的远距离传输；所述阻抗匹配单元(2)用于使所述主传输单元(1)与磁耦合谐振单元(4)实现阻抗匹配；滤波单元(3)用于滤除高次谐波；磁耦合谐振单元(4)用于实现高频电源US与负载RL之间的无线电能传输。

【技术特征摘要】
1.基于传输线的无线电能传输系统，其特征在于，所述无线电能传输系统包括基于长线的主传输单元(1)、基于无损短线的阻抗匹配单元(2)、滤波单元(3)和磁耦合谐振单元(4)；所述主传输单元(1)与高频电源US相连，所述主传输单元(1)、所述阻抗匹配单元(2)、滤波单元(3)和磁耦合谐振单元(4)依次相连，磁耦合谐振单元(4)与负载RL相连；所述主传输单元(1)用于电能的远距离传输；所述阻抗匹配单元(2)用于使所述主传输单元(1)与磁耦合谐振单元(4)实现阻抗匹配；滤波单元(3)用于滤除高次谐波；磁耦合谐振单元(4)用于实现高频电源US与负载RL之间的无线电能传输。2.如权利要求1所述的基于传输线的无线电能传输系统，其特征在于，所述主传输单元(1)包括第一传输线W1和第二传输线W2，所述阻抗匹配单元(2)包括第三传输线W3和第四传输线W4，第一传输线W1和第二传输线W2均为长线且等长，第三传输线W3和第四传输线W4均为无损短线且等长；第一传输线W1的第一端和第二传输线W2的第一端分别与高频电源US的两端相连，第一传输线W1的第二端和第二传输线W2的第二端分别与第三传输线W3的第一端和第四传输线W4的第一端相连；磁耦合谐振单元(4)包括原边线圈LP和副边线圈LQ；滤波单元(3)的第一端同时与第三传输线W3的第二端和原边线圈LP的第一端相连，滤波单元(3)的第二端同时与第四传输线W4的第二端和原边线圈LP的第二端相连；副边线圈LQ的两端分别与负载RL的两端相连。3.如权利要求2所述的基于传输线的无线电能传输系统，其特征在于，滤波单元(3)包括滤波电感L和滤波电容C；滤波电感L的第一端与滤波电容C的第一端的公共端...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐超，葛经纬，徐汉卿，齐赛，岳琪，宋剑英，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23