无线电能传输系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种无线电能传输系统及方法，该系统包括：发射模块，用于接收驱动电压生成驱动电流以产生交变磁场，与接收模块耦合，进行无线电能传输；接收模块，用于与发射模块耦合进行无线电能传输，并将反馈信息发送给控制模块；控制模块，用于根据反馈信息获得控制驱动电流的幅值和相位，并按照获得的幅值和相位使电源模块工作；电源模块，用于接收幅值和相位进行调整后向发射模块提供驱动电压，生成所需的驱动电流。本发明专利技术提供了一种基于三维线圈波束成形技术的无线电能传输系统及方法，通过控制流入线圈的电流幅值、相位来控制三维空间内磁感应强度的大小和方向，使其指向特定位置，并不断反馈信息，降低系统稳态误差，达到磁场定向的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力电子
，尤其涉及一种无线电能传输系统及方法。
技术介绍
目前，环境和能源问题日益成为全球的突出问题之一。如何有效地利用现有能源，已引起了各国学者的广泛关注。随着材料学、电力电子器件、功率变换和控制技术的发展，无线电能传输系统在电动汽车、航空航天、电力系统、新能源发电、医疗仪器、照明、便携式通讯设备等领域均有着广泛的应用前景。电磁耦合谐振无线电能传输技术属于电能输送领域的前沿课题，是一个全新的
，利用磁耦合谐振原理，通过两个具有相同谐振频率的线圈产生高频交变耦合磁场实现电能在一定距离范围内传输。相对于传统的接线式电能传输技术，该技术更加灵活、安全、可靠，能实现供电设备和用电设备之间的近、中程距离电能传输，具有通用性强、安全性高等优点。磁耦合谐振无线电能传输技术就是通过磁场的谐振耦合进行能量的传输，类似于物理中的共振现象，共振的两物体会产生强烈的相互作用；同样道理，两个谐振频率相同的谐振电路，它们的谐振线圈之间会产生较强的磁场耦合，这样两线圈就可以通过磁场耦合不断的交换能量，从而达到能量高效率的无线传输。随着国内无线电能传输技术研究的不断升温，影响系统传输特性的因素太多，系统在传输功率、效率和距离上离实际应用还有差距，为保证系统达到较好的传输效果，过去的很多研究一直专注于提高谐振器之间的品质因数，阻抗匹配精度和位置对准。虽然这些方法同样可以增加系统传输效率，但由于其形成的耦合
磁场是非定向场，所以在传输过程中能量会很容易地被浪费掉。因此，更多的人开始关注新的技术，如优化控制磁场成形。磁场成形技术可以使得磁场朝向一个特定的位置从而减少不必要的能量损失来增加能量的传输效率。而目前在非辐射磁耦合谐振无线电能传输系统中的能量波束成形技术的相关研究都只能在二维空间实现，这使得无线电力传输系统的传输范围大大受限。
技术实现思路
本专利技术提供一种无线电能传输系统及方法，用于解决现有技术中无线电力传输系统的传输范围大大受限的问题。第一方面，本专利技术提供一种无线电能传输系统，包括：发射模块，用于接收驱动电压生成驱动电流以产生交变磁场，与接收模块耦合，进行无线电能传输，所述发射模块包括发射线圈，所述发射线圈包括中心相互重合且所在平面相互垂直的三个线圈；接收模块，用于与发射模块耦合进行无线电能传输，并将反馈信息发送给控制模块，所述接收模块包括接收线圈，所述反馈信息包括接收线圈所获得的功率大小信息和接收线圈的方位角信息；控制模块，用于根据反馈信息获得控制驱动电流的幅值和相位，并根据获得的幅值和相位使电源模块工作；电源模块，用于接收幅值和相位进行调整后向发射模块提供驱动电压。优选地，所述发射线圈为多匝方形线圈，线圈的边长大小相同。优选地，所述发射模块还包括谐振电容，每个线圈均串联一个所述谐振电容。优选地，所述电源模块包括第一电源模块、第二电源模块和第三电源模块，每个电源模块分别向所述发射线圈中对应的线圈连接。优选地，所述接收线圈为多匝螺旋圆形线圈，一整流稳压电路连接于所述接收线圈的输出端，一负载连接于所述整流稳压电路的输出
端。优选地，每个电源模块均包括交流电压源、整流电路和逆变电路。第二方面，本专利技术提供一种无线电能传输方法，包括：在发射模块与接收模块进行无线电能传输时，获取接收模块当前功率大小信息和方位角信息，并将信息传递给控制模块；控制模块根据功率大小信息和方位角信息获得控制驱动电流的幅值和相位，并根据获得的幅值和相位使电源模块工作；电源模块接收到幅值和相位对交流电进行调整后产生变化后的驱动电压，并作用于发射模块以产生驱动电流；发射模块通过中心相互重合且所在平面相互垂直的三个线圈上的驱动电流产生交变磁场，将无线电能传递给接收模块。优选地，控制模块根据功率大小信息和方位角信息采用磁场波束成形算法获得控制驱动电流的幅值和相位，并根据获得的幅值和相位使电源模块工作。优选地，电源模块接收到幅值和相位对交流电进行调整后产生变化后的驱动电压，并作用于发射模块以产生驱动电流，具体包括：将三个电源模块同时接于同一单相工频交流电；每个电源模块将工频交流电通过整流和逆变形成高频交流电压，分别作用于发射模块的三个线圈上，以使得线圈内产生驱动电流。优选地，所述发射模块的三个线圈均为多匝正方形线圈，且线圈的边长大小相同。由上述技术方案可知，本专利技术提供了一种基于三维线圈波束成形技术的无线电能传输系统及方法，通过特定结构三维线圈和波束成形技术对无线电能传输系统中的耦合磁场进行塑造，本专利技术通过控制流入线圈的电流幅值、相位来控制三维空间内磁感应强度的大小和方向，使其能够指向任意位置，并不断反馈接收模块的功率及方位角信息，降低系统稳态误差，达到磁场定向的目的。一旦拥有相同谐振频率的感应线圈进入该磁场的范围，则可在其线圈上产生谐振耦合，并将耦
合得到的电能不断供给给负载，而其他未达到谐振频率或未放置于定向磁场波束中的物体则不能感应磁场、产生能量。本专利技术具有传输范围广、效率高、指向性强、能量损耗小、成本低、操作简便等优点。附图说明图1为本专利技术实施例1提供的无线电能传输系统的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的三维线圈结构示意图；图3为本专利技术实施例三维线圈磁场波束成形技术实现示意图；图4为无线电能传输系统的原理图；图5为本专利技术实施例2提供的无线电能传输系统的流程示意图；图6为具体案例中t＝0T时的磁场分布；图7为具体案例中t＝0.125T时的磁场分布；图8为具体案例中t＝0.25T时的磁场分布；图9为具体案例中t＝0.375T时的磁场分布；图10为具体案例中t＝0.5T时的磁场分布；图11为具体案例中t＝0.625T时的磁场分布；图12为具体案例中t＝0.75T时的磁场分布；图13为具体案例中t＝0.875T时的磁场分布；图14为具体案例中t＝T时的磁场分布。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。图1示出了本专利技术实施例1提供的一种无线电能传输系统，包括：发射模块1，用于接收驱动电压生成驱动电流以产生交变磁场，与接收模块耦合，进行无线电能传输。其中，所述发射模块包括发射线圈和谐振电容，所述发射线圈采用三维线圈结构，其包括中心相互重合且所在平面相互垂直的三个线圈。每个线圈均与一个谐振电容串联连接，谐振电容根据驱动电流频率和线圈电感选取。如图2所示为所述发射线圈的三维结构示意图。以图中结构进行解释说明：以三维XYZ坐标系为参考，线圈A位于XOZ平面，线圈B位于YOZ平面，线圈C位于XOY平面，线圈A与线圈B垂直，线圈A与线圈C垂直，线圈B与线圈C垂直；线圈A的一边B与线圈B的一边F平分且垂直，线圈A的一边D与线圈B的一边H平分且垂直，线圈A的一边A与线圈C的一边L平分且垂直，线圈A的一边C与线圈C的一边J平分且垂直，线圈B的一边E与线圈C的一边I平分且垂直，线圈B的一边G与线圈C的一边K平分且垂直；线圈A、线圈B和线圈C相互独立且绝缘，分别由第一电源模块、第二电源模块和第三电源模块分别供电，如图中所示的第一整流器、第一逆变器和交流电压源形成第一电源模块，第二整流器、第二逆变器和交流电压源形成第二电源模块，第三整流器、第三逆变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线电能传输系统，其特征在于，包括：发射模块，用于接收驱动电压生成驱动电流以产生交变磁场，与接收模块耦合，进行无线电能传输，所述发射模块包括发射线圈，所述发射线圈包括中心相互重合且所在平面相互垂直的三个线圈；接收模块，用于与发射模块耦合进行无线电能传输，并将反馈信息发送给控制模块，所述接收模块包括接收线圈，所述反馈信息包括接收线圈所获得的功率大小信息和接收线圈的方位角信息；控制模块，用于根据反馈信息获得驱动电流的幅值和相位，并根据获得的幅值和相位使电源模块工作；电源模块，用于接收驱动电流的幅值和相位进行调整后向发射模块提供驱动电压，生成所需的驱动电流。

【技术特征摘要】
1.一种无线电能传输系统，其特征在于，包括：发射模块，用于接收驱动电压生成驱动电流以产生交变磁场，与接收模块耦合，进行无线电能传输，所述发射模块包括发射线圈，所述发射线圈包括中心相互重合且所在平面相互垂直的三个线圈；接收模块，用于与发射模块耦合进行无线电能传输，并将反馈信息发送给控制模块，所述接收模块包括接收线圈，所述反馈信息包括接收线圈所获得的功率大小信息和接收线圈的方位角信息；控制模块，用于根据反馈信息获得驱动电流的幅值和相位，并根据获得的幅值和相位使电源模块工作；电源模块，用于接收驱动电流的幅值和相位进行调整后向发射模块提供驱动电压，生成所需的驱动电流。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射线圈为多匝方形线圈，线圈的边长大小相同。3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述发射模块还包括谐振电容，每个线圈均串联一个所述谐振电容。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电源模块包括第一电源模块、第二电源模块和第三电源模块，每个电源模块分别与所述发射线圈中对应的线圈连接。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接收线圈为多匝螺旋圆形线圈，一整流稳压电路连接于所述接收线圈的输出端，一负载连接于所述整流稳压电路的输出端。6.根据权利要求4所述的系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱奇，粟梅，孙尧，杨建，马昂，赵梓亦，宁思捷，但汉兵，邓书豪，俞璐，邓慧，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43