一种基于负电阻的SS型电场耦合无线电能传输系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于负电阻的SS型电场耦合无线电能传输系统，包括负电阻、原边谐振器、副边谐振器、耦合电容金属极板和负载RL；原边谐振器包括串联连接的原边发射线圈和原边谐振电容C1，原边发射线圈包括串联连接的原边电感L1和原边线圈内阻R1；副边谐振器包括串联连接的副边接收线圈和副边谐振电容C2，副边接收线圈包括串联连接的副边电感L2和副边线圈内阻R2；耦合电容金属极板连接原边谐振器和副边谐振器，负电阻与原边谐振器相连，负载RL与副边谐振器相连。本发明专利技术系统的结构更加简单，工作频率更高，当传输距离发生变化时，系统的工作频率自动满足本征频率，在一定的较远传输距离内可实现恒定高水平的传输效率，同时保持输出功率恒定。

【技术实现步骤摘要】
一种基于负电阻的SS型电场耦合无线电能传输系统
本专利技术涉及无线电能传输的
，尤其是指一种基于负电阻的SS型电场耦合无线电能传输系统。
技术介绍
迄今为止，电能的主要传输方式是通过金属导线传输电能，通常需要两根及以上的导线为传导电流提供传输通道。传统的有线输电方式不仅需要大量的金属导线和复杂的架线工程，还不得不确保金属导线之间的绝缘要始终保持良好的状态，一旦发生短路等故障，就会因继电保护装置动作而造成停电事故，若保护装置失灵，则可能引起火灾、爆炸或触电等危险。而且这种有线输电方式还存在金属导体裸露、接触式电火花、老化、接触机构磨损等安全问题，在潮湿、水下、矿井、含易燃易爆气体的工作环境下，难以实现安全可靠的供电，且由于导线的束缚使得用电装置的灵活性大大降低。为了解决有线电能传输方式的局限性，无线电能传输的方式应运而生，不断被人们所重视，这种方式具有取电方便、节约金属资源和避免繁杂的架线工程等优点，同时解决了传统有线输电方式的缺陷。电场耦合无线电能传输技术是目前研究最广泛的无线电能传输技术之一，相比较感应耦合无线电能传输技术而言，电场耦合无线电能传输技术可以实现同样等级的传输距离、输出功率和传输效率，但其能量传输形式是交互电场，能量的传输是将金属障碍物作为耦合极板的一部分来传输能量，而不被其所阻断，且电场基本被限制在耦合极板之间而存在，电磁干扰被大大减少。目前，传统的空间电场耦合无线电能传输系统多采用IGBT和MOSFET管构成的桥式逆变器，同时配合不同的软开关算法来实现电能的无线传输，但其工作频率低、传输距离短。受功率开关管及电路拓扑结构等因素的制约，在现有的技术条件下，实现高频(MHz以上)、高可靠、大功率开关变换器还相当困难，且传统的空间电场耦合无线电能传输系统还存在系统的传输效率受传输距离的影响较大的问题，通常传输效率随着距离的增大而大大降低，不利于系统的实际应用。负电阻是一种满足欧姆定律和串并联法则的有源组件。和电阻相反，负电阻的电压、电流基波的相位差为π，在电路中的功率为负，即向电路释放电能。负电阻具有多种实现方式，如利用正电阻和运放构成。以往负电阻多被用来提高反相放大器的输入阻抗，中和LC振荡回路的正电阻等，而很少当作电源来为电路供电。负电阻相比较高频逆变器，具有系统结构简单、无需使用MOSFET、可以达到很高工作频率等优点，因此可以解决目前高频逆变器无法进一步高频化的难题。并且系统的工作频率由电路中组件的取值所决定，在一工作频率下，系统的传输效率可以保持在很高的水平，且输出功率和传输效率在很长一段范围内随着距离的改变保持基本恒定，实现了无线电能的稳定传输。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种基于负电阻的SS型电场耦合无线电能传输系统，该系统的结构更加简单，工作频率更高，同时保证了系统工作在本征频率下，当传输距离发生变化时，系统的工作频率自动满足本征频率，在一定的较远传输距离内可实现恒定高水平的传输效率，同时保持输出功率恒定，实现了稳定的电能传输。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：一种基于负电阻的SS型电场耦合无线电能传输系统，所述系统包括负电阻、原边谐振器、副边谐振器、耦合电容金属极板和负载RL；所述原边谐振器包括串联连接的原边发射线圈和原边谐振电容C1，所述原边发射线圈包括串联连接的原边电感L1和原边线圈内阻R1，所述原边谐振器的原边谐振场具有谐振角频率和原边内阻损耗系数Γ1＝R1/2L1；所述副边谐振器包括串联连接的副边接收线圈和副边谐振电容C2，所述副边接收线圈包括串联连接的副边电感L2和副边线圈内阻R2，所述副边谐振器的副边谐振场具有谐振角频率和副边内阻损耗系数Γ2＝R2/2L2；所述耦合电容金属极板连接原边谐振器和副边谐振器；所述负电阻与原边谐振器相连，利用负电阻产生能量的性质，实现对系统的供电；所述负载RL与副边谐振器相连，对应谐振场中负载损耗系数ΓL＝RL/2L2；所述原、副边谐振器通过它们之间的耦合电容金属极板产生的电场来实现相互耦合，电场耦合强度用电场耦合系数κ来表示。所述负电阻的电压、电流关系满足：vR＝-R0iR，相位关系满足：其中，iR为流过负电阻的电流基波，vR为负电阻两端的电压基波，R0为负电阻的阻值，为vR与iR之间的相位差；所述负电阻的功率满足：P为负电阻的功率，-表明负电阻向外放出能量。所述系统的本征角频率由原边内阻损耗系数、副边内阻损耗系数、负载损耗系数、电场耦合系数和原、副边谐振器的固有角频率确定。所述原边谐振器的品质因数Q1＝ω1/2Γ1至少大于100，所述副边谐振器的品质因数Q2＝ω2/2Γ2至少大于100。所述原、副边谐振器之间的耦合电容金属极板的电容量至少小于原边谐振电容C1和副边谐振电容C2的一个数量级。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：1、系统结构简单，负电阻的构造方式多种多样。2、利用负电阻替代串联-串联型无线电能传输系统的高频功率源，可以有效解决目前高频、大功率开关变换器难以实现的技术难题。3、系统工作频率由电路中组件值所决定。在这一工作频率下，系统可以保持很高的效率，实现稳定的无线电能传输。4、系统的输出功率和传输效率对传输距离的变化不敏感，可实现稳定的无线电能传输。附图说明图1为实施方式中提供的系统电路图。图2为系统本征频率与传输距离的关系图。图3为实施方式中原边谐振器电流与副边谐振器的电流波形图。图4为实施方式中原边谐振器电压与副边谐振器的电压波形图。图5为实施方式中原、副边之间耦合电容金属极板的电压波形图。图6为实施方案中传输效率和传输距离的关系图。图7为实施方案中输出功率和传输距离的关系图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。本专利技术所提供的基于负电阻的SS型电场耦合无线电能传输系统，其基本原理是利用负电阻对系统进行供电，使系统工作在本征频率下，当传输距离和负载发生变化时，系统的工作频率会自动满足本征频率，在一定的较远传输距离内实现恒定高水平的传输效率，同时保持输出功率恒定，实现了稳定的电能传输，不仅解决了传统的电场耦合无线电能传输系统的传输效率随距离的增大而迅速下降的问题，还保持了恒定的功率输出。如图1所示，所述的基于负电阻的SS型电场耦合无线电能传输系统，包括负电阻-R0、原边谐振器、副边谐振器、耦合电容金属极板C12和负载RL；所述原边谐振器包括串联连接的原边发射线圈和原边谐振电容C1，所述原边发射线圈包括串联连接的原边电感L1和原边线圈内阻R1，所述原边谐振器的原边谐振场具有谐振角频率和原边内阻损耗系数Γ1＝R1/2L1；所述副边谐振器包括串联连接的副边接收线圈和副边谐振电容C2，所述副边接收线圈包括串联连接的副边电感L2和副边线圈内阻R2，所述副边谐振器的副边谐振场具有谐振角频率和副边内阻损耗系数Γ2＝R2/2L2；所述耦合电容金属极板C12连接原边谐振器和副边谐振器；所述负电阻与原边谐振器相连，利用负电阻产生能量的性质，实现对系统的供电；所述负载RL与副边谐振器相连，对应谐振场中负载损耗系数ΓL＝RL/2L2；所述原、副边谐振器通过它们之间的耦合电容金属极板C12产生的电场来实现相互耦合，电场耦合强度用电场耦合系数κ来表示。所述原边谐振器的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于负电阻的SS型电场耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述系统包括负电阻、原边谐振器、副边谐振器、耦合电容金属极板和负载RL；所述原边谐振器包括串联连接的原边发射线圈和原边谐振电容C1，所述原边发射线圈包括串联连接的原边电感L1和原边线圈内阻R1，所述原边谐振器的原边谐振场具有谐振角频率

【技术特征摘要】
1.一种基于负电阻的SS型电场耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述系统包括负电阻、原边谐振器、副边谐振器、耦合电容金属极板和负载RL；所述原边谐振器包括串联连接的原边发射线圈和原边谐振电容C1，所述原边发射线圈包括串联连接的原边电感L1和原边线圈内阻R1，所述原边谐振器的原边谐振场具有谐振角频率和原边内阻损耗系数Γ1＝R1/2L1；所述副边谐振器包括串联连接的副边接收线圈和副边谐振电容C2，所述副边接收线圈包括串联连接的副边电感L2和副边线圈内阻R2，所述副边谐振器的副边谐振场具有谐振角频率和副边内阻损耗系数Γ2＝R2/2L2；所述耦合电容金属极板连接原边谐振器和副边谐振器；所述负电阻与原边谐振器相连，利用负电阻产生能量的性质，实现对系统的供电；所述负载RL与副边谐振器相连，对应谐振场中负载损耗系数ΓL＝RL/2L2；所述原、副边谐振器通过它们之间的耦合电容金属极板产生的电场来实现相互耦合，电场耦合强度用电场耦合系数κ来表示。2.根据权利要求1所述的一种基于负电...

【专利技术属性】
技术研发人员：张波，疏许健，刘功俊，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44