一种对称耦合串联谐振的无线充电系统及充电装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种对称耦合串联谐振的无线充电系统及充电装置，设置两个相同的收发单元，该单元是由发射端子、发射机和接收端子、接收机以及各自的隔离网络、接地网络、调谐元件和屏蔽曲面组成，发射端子和接收端子通过电磁场耦合，构成可独立工作的串联谐振无线充电装置；在两个收发单元的发射端加载幅度相等、相位相反的驱动电压，接收端经负载网络按中心镜像对称方式连接负载，设置负载电流幅度相位比较及控制电路且合并接地线，构成对称耦合的无线充电系统；调整负载网络使接地线电流为零、接收端可以脱离地面工作；调整两个发射端的相互位置改变电场分布，控制充电范围。本发明专利技术不仅适合对地面固定设备、也适合对空中或运动中设备的无线充电。

【技术实现步骤摘要】
一种对称耦合串联谐振的无线充电系统及充电装置
本专利技术涉及电能传输领域，属于能量及信息传输设备，更具体地说是一种对称耦合串联谐振无线充电的系统及装置。
技术介绍
无线电能传输是利用电磁波进行能量传输，在航空航天、机器人、电动汽车、水下作业、家用电器等领域有着重要的应用价值。其传输方式可分为基于辐射场的远场充电和基于非辐射场的近场充电；离辐射源的距离L大于波长λ的范围通常称为远场，小于波长λ的范围则称为近场，实际应用一般小于λ/2π。远场充电通常采用微波技术或激光技术，其优势在于方向性强、能量密度大，缺点是能量转换效率低、生物安全性差，应用范围受限。近场充电最典型的有磁感应技术和磁共振技术；磁感应技术是利用电磁感应原理将能量从发射端的初级线圈耦合到接收端的次级线圈，两个线圈之间的距离小于线圈直径，通常用在厘米甚至毫米量级，该技术虽然在家用电器领域已得到广泛应用，但无法用于移动目标的无线充电；磁共振技术是将发射端和接收端的装置调谐到相同的工作频率，在近场范围内使两者“共振”，因其接收端所能够接收到的信号能量取决于线圈的直径和相互距离，当距离超过几倍线圈(的)直径时传输效率急剧下降，这是其传输机理所决定的，无法从根本上加以改变，该技术显然不能用于远距离无线充电。针对近场充电，为了提高传输距离，公开号为CN106208413A的专利文献中公开了“一种利用空间共振电场的单导线与无线混合式电力传输系统”，它是一种单线传输技术。单线传输技术的发射端是升压变压器，接收端是降压变压器，两个变压器的一端用架空的单导线相连，另一端各自连接发射金属体和接收金属体，通过电场进行耦合，该技术通过“导引线”将发射端和接收端连接成“整体”，使系统在“近场区域”内可用集总参数分析；在理想环境下传输距离接近近场区域的半径，远远大于磁共振技术；但是，在有大地存在的环境下,理论分析、计算机仿真和试验结果都表明，其有效传输距离比磁共振技术只是略有提高，随着距离的增加传输效率仍然下降得很快，其原因有两个：一是由于发射金属体和接收金属体与导引线之间的电容以及这两个金属体与大地之间的电容对信号造成了分流损耗，二是由于导引线与大地之间的电容产生了大地感应电流损耗；这两种损耗造成系统Q值低、频率范围窄、参数调整困难；虽然这两种损耗可以通过提高设备的工作频率或架设高度去减少，但是，提高工作频率会使发射设备的近场范围即最大可传输距离变小，而提高设备高度则要接近一个波长才能脱离大地影响，1MHz信号在大气中的波长是300米，这使得工程实施极其困难、造价十分昂贵；此外，因存在导引线，单线传输技术不是真正意义上的“无线”充电方式，也不能用于移动物体充电。
技术实现思路
本专利技术是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种对称耦合串联谐振无线充电系统及充电装置，其充电范围比现有技术中的近场充电方式大，不仅适合对地面固定电子设备的无线电充电，也适合对空中或运动中电子设备的无线充电。本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案：本专利技术对称耦合串联谐振的无线充电系统的特点是：设置两个相同的收发单元，分别是左侧单元和右侧单元；所述收发单元为串联谐振无线充电装置，是由发射端和接收端构成，发射端中发射端子与接收端中接收端子之间通过电场耦合或磁场耦合，发射端和接收端的接地端接入大地，在工作频率下，各收发单元形成等效串联谐振回路，使得能量从发射端传递到接收端；在所述左侧单元和右侧单元的两个发射端加载幅度相等、相位相反的驱动电压，所述左侧单元和右侧单元的两个发射端的接地端接入大地或通过导线相连，通过选择工作频率、地理位置以及调整两个发射端的高度和相互距离，改变两个发射端所共同形成的具有对称形式的电场分布及走向，从而控制作用范围以满足能量传递距离的需要；所述左侧单元和右侧单元的两个接收端子相互隔离，两个接收端的输出端口通过负载网络接到各自的负载，所述负载网络用于抵消两个接收端输出端口参数之间的不一致，负载及负载网络按中心镜像对称的方式相连接，两个接收端的接地线合并；在所述左侧单元和右侧单元的两个接收端之间设置输出电流的幅度相位比较电路和幅度相位控制电路；在两个发射端加载幅度相等、相位相反的驱动电压条件下，分别调整两个收发单元中各自的调谐元件，使得每个收发单元均等效为串联谐振回路；利用所述幅度相位比较电路和幅度相位控制电路分别调整两个收发单元在接收端的负载网络，使得流经左侧单元和右侧单元两个负载的电流大小相等方向相反、合并后接收端的接地线电流为零，视为开路，使接收端可以脱离地面而移动。本专利技术串联谐振无线充电装置，由发射端和接收端构成，其特点是：所述发射端由发射端子、发射机、发射隔离网络、发射接地网络、发射调谐元件以及发射屏蔽曲面组成，所述发射机由驱动电路、发射耦合电路和发射匹配网络组成；所述接收端由接收端子、接收机、接收隔离网络、接收接地网络、接收调谐元件以及接收屏蔽曲面组成，所述接收机由负载网络、接收耦合电路和接收匹配网络组成；所述发射屏蔽曲面和接收屏蔽曲面用于削弱发射端子和接收端子对地的耦合强度、减小对地分布电容；所述发射隔离网络、发射接地网络、接收隔离网络和接收接地网络均为单端口网络，用于补偿所在空间的分布电抗参数，使所述单端口网络在工作频率下呈现并联谐振特性，目的是切断由发射端子和接收端子经大地和各自屏蔽曲面所形成的耦合回路；所述发射匹配网络和接收匹配网络均为双端口网络，用于补偿所在空间的分布电抗参数，使所述双端口网络在工作频率下呈现并联谐振特性，目的是减少发射机和接收机的内部损耗；所述接收端子和发射端子之间通过电场或磁场进行耦合；在所述收发单元中分别调整发射调谐元件和接收调谐元件，使得所述收发单元形成串联谐振回路，所述串联谐振回路是指：由发射耦合电路次级依次经过：发射匹配网络、发射端子、接收端子、接收匹配网络、接收耦合电路初级、接收调谐元件、大地和发射调谐元件，并返回至发射耦合电路次级，以此将来自发射端的输入能量通过所述收发单元的串联谐振回路传递到负载。本专利技术串联谐振无线充电装置的特点也在于在所述发射端中：所述发射端子用于发送射频信号；所述驱动电路的输入端口外接作为能量输入端的供电电源，其输出端口连接耦合电路的初级线圈；所述发射耦合电路用于电压变换和阻抗变换，其初级线圈连接驱动电路的输出端口，其次级线圈连接发射匹配网络输入端口；所述发射匹配网络是由LC元件组成的双端口网络，其输入端口连接发射耦合电路的次级线圈，其输出端口连接发射端子和地线，用于在耦合电路的输出端口与发射端子之间的阻抗匹配；所述发射隔离网络是由LC元件组成的单端口网络，用于消除发射机与屏蔽曲面之间的耦合，其一端连接发射匹配网络地端，另一端连接发射屏蔽曲面，通过补偿所在空间的分布电抗参数，使得所述发射隔离网络在工作频率下呈现并联谐振特性；所述发射接地网络是由LC元件组成的单端口网络，用于防止发射信号通过大地耦合直接返回到屏蔽曲面，所述发射接地网络一端连接屏蔽曲面，另一端连接大地，通过补偿所在空间的分布电抗参数，使得所述发射接地网络在工作频率下呈现并联谐振特性；所述发射调谐元件一端连接发射耦合电路的次级、另一端接地；发射端中的调谐元件与接收端中的调谐元件共同作用，用于抵消发射端和接收端之间的耦合电抗，使收发单元形成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种对称耦合串联谐振的无线充电系统，其特征是：设置两个相同的收发单元，分别是左侧单元和右侧单元；所述收发单元为串联谐振无线充电装置，是由发射端和接收端构成，发射端中发射端子与接收端中接收端子之间通过电场耦合或磁场耦合，发射端和接收端的接地端接入大地，在工作频率下，各收发单元形成等效串联谐振回路，使得能量从发射端传递到接收端；在所述左侧单元和右侧单元的两个发射端加载幅度相等、相位相反的驱动电压，所述左侧单元和右侧单元的两个发射端的接地端接入大地或通过导线相连，通过选择工作频率、地理位置以及调整两个发射端的高度和相互距离，改变两个发射端所共同形成的具有对称形式的电场分布及走向，从而控制作用范围以满足能量传递距离的需要；所述左侧单元和右侧单元的两个接收端子相互隔离，两个接收端的输出端口通过负载网络接到各自的负载，所述负载网络用于抵消两个接收端输出端口参数之间的不一致，负载及负载网络按中心镜像对称的方式相连接，两个接收端的接地线合并；在所述左侧单元和右侧单元的两个接收端之间设置输出电流的幅度相位比较电路和幅度相位控制电路；在两个发射端加载幅度相等、相位相反的驱动电压条件下，分别调整两个收发单元中各自的调谐元件，使得每个收发单元均等效为串联谐振回路；利用所述幅度相位比较电路和幅度相位控制电路分别调整两个收发单元在接收端的负载网络，使得流经左侧单元和右侧单元两个负载的电流大小相等方向相反、合并后接收端的接地线电流为零，视为开路，使接收端可以脱离地面而移动。...

【技术特征摘要】
1.一种对称耦合串联谐振的无线充电系统，其特征是：设置两个相同的收发单元，分别是左侧单元和右侧单元；所述收发单元为串联谐振无线充电装置，是由发射端和接收端构成，发射端中发射端子与接收端中接收端子之间通过电场耦合或磁场耦合，发射端和接收端的接地端接入大地，在工作频率下，各收发单元形成等效串联谐振回路，使得能量从发射端传递到接收端；在所述左侧单元和右侧单元的两个发射端加载幅度相等、相位相反的驱动电压，所述左侧单元和右侧单元的两个发射端的接地端接入大地或通过导线相连，通过选择工作频率、地理位置以及调整两个发射端的高度和相互距离，改变两个发射端所共同形成的具有对称形式的电场分布及走向，从而控制作用范围以满足能量传递距离的需要；所述左侧单元和右侧单元的两个接收端子相互隔离，两个接收端的输出端口通过负载网络接到各自的负载，所述负载网络用于抵消两个接收端输出端口参数之间的不一致，负载及负载网络按中心镜像对称的方式相连接，两个接收端的接地线合并；在所述左侧单元和右侧单元的两个接收端之间设置输出电流的幅度相位比较电路和幅度相位控制电路；在两个发射端加载幅度相等、相位相反的驱动电压条件下，分别调整两个收发单元中各自的调谐元件，使得每个收发单元均等效为串联谐振回路；利用所述幅度相位比较电路和幅度相位控制电路分别调整两个收发单元在接收端的负载网络，使得流经左侧单元和右侧单元两个负载的电流大小相等方向相反、合并后接收端的接地线电流为零，视为开路，使接收端可以脱离地面而移动。2.一种串联谐振无线充电装置，由发射端和接收端构成，其特征是：所述发射端由发射端子、发射机、发射隔离网络、发射接地网络、发射调谐元件以及发射屏蔽曲面组成，所述发射机由驱动电路、发射耦合电路和发射匹配网络组成；所述接收端由接收端子、接收机、接收隔离网络、接收接地网络、接收调谐元件以及接收屏蔽曲面组成，所述接收机由负载网络、接收耦合电路和接收匹配网络组成；所述发射屏蔽曲面和接收屏蔽曲面用于削弱发射端子和接收端子对地的耦合强度、减小对地分布电容；所述发射隔离网络、发射接地网络、接收隔离网络和接收接地网络均为单端口网络，用于补偿所在空间的分布电抗参数，使所述单端口网络在工作频率下呈现并联谐振特性，目的是切断由发射端子和接收端子经大地和各自屏蔽曲面所形成的耦合回路；所述发射匹配网络和接收匹配网络均为双端口网络，用于补偿所在空间的分布电抗参数，使所述双端口网络在工作频率下呈现并联谐振特性，目的是减少发射机和接收机的内部损耗；所述接收端子和发射端子之间通过电场或磁场进行耦合；在所述收发单元中分别调整发射调谐元件和接收调谐元件，使得所述收发单元形成串联谐振回路，所述串联谐振回路是指：由发射耦合电路次级依次经过：发射匹配网络、发射端子、接收端子、接收匹配网络、接收耦合电路初级、接收调谐元件、大地和发射调谐元件，并返回至发射耦合电路次级，以此将来自发射端的输入能量通过所述收发单元的串联谐振回路传递到负载。3.根据权利要求书2所述的串联谐振无线充电装置，其特征是在所述发射端中：所述发射端子用于发送射频信号；所述驱动电路的输入端口外接作为能量输...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨景曙，胡熠，刘书良，
申请(专利权)人：杨景曙，
类型：发明
国别省市：安徽,34