一种谐振式无线电能传输系统及其传输距离的计算方法技术方案

本发明专利技术公开了一种谐振式无线电能传输系统及其传输距离的计算方法，该传输系统包括依次连接的直流稳压电源、驱动电路、逆变电路、发射线圈与接收线圈，连接在发射端回路上的电阻检测装置。该传输距离的计算方法，包括以下步骤：(1)根据基尔霍夫电压理论得到反射阻抗与互感系数之间的关系；(2)根据步骤(1)得到的关系及互感系数与传输距离之间的关系，得到反射阻抗与传输距离之间的关系；(3)根据检测到的反射阻抗值及反射阻抗与传输距离之间的关系，即可获得传输距离。本发明专利技术的系统能够精确获知传输距离，本发明专利技术的方法避免了复杂的控制以及对接收端参数的测量，能够简单可靠的计算出传输距离。

A resonant radio energy transmission system and the calculation method of its transmission distance

【技术实现步骤摘要】
一种谐振式无线电能传输系统及其传输距离的计算方法
本专利技术涉及一种电能传输系统及其传输距离的计算方法，尤其涉及一种谐振式无线电能传输系统及其传输距离的计算方法。
技术介绍
电能的传输主要是以输电线的方式供电，随着科技的发展，家庭和工业的用电设备的种类和数量不断增加，用电需求大幅度提高，传统有线供电的缺点也突显出来，如：插拔过程中容易产生电火花导致安全问题；导线在防爆、防火、水下作业、采矿等领域使用过程中摩擦和老化会衰减用电设备的寿命和使用特性；医学上的医疗植入式电池对体内医疗器材的供电等。无线电能传输技术的出现，弥补了传统供电方式的缺陷。近年来，磁耦合谐振无线电能传输(MCR-WPT)系统的应用引起了广泛的关注和研究，但该系统只有当其传输距离处于一个特殊值时，系统的传输效率才能达到最高，而且当实际传输距离偏离最佳传输距离时，系统的传输效率会出现大幅度下降。这些都是由于实际传输距离未知造成的，当系统传输距离已知时，就可以通过调整发射线圈位置使得传输距离达到最佳传输距离，所以系统传输距离测量方法是必要的。CN110445231A公开了一种基于反射阻抗的无线电能传输稳压控制装置，该装置能够自适应负载动态切换并确保副边侧的电压不变来维持负载的正常工作，从而提高了无线电能传输的可靠性，但是该装置只是利用发射阻抗实现了负载切换时，原边侧及副边侧输出电压的稳定，没有解决传输距离未知情况下的效率下降问题。CN109756034A公开了一种传输距离自适应且可重构接收线圈，在发射线圈和接收线圈之间的传输距离发生变化时，对接收线圈的磁通进行削弱或补偿，维持收发线圈互感的恒定，从而保证了系统传输功率的恒定。该结构需要对发射接收线圈的传输距离进行人工测量，然而在大部分的应用场合下，传输距离是很难测量的，所以该装置在实际应用中有很大的局限性。CN108173361A公开了一种无线供配电插座最大传输效率匹配传输距离系统及方法，利用控制系统获取发射端与接收端之间的距离，并根据距离计算出接收端与各个发射端之间的传输效率。选择传输效率最高的能量发射端进行能量传输；当传输距离发生变化时，接收端控制系统再重新测量接收端与发射端之间的距离，重新进行发射端的选择或调整发射端与接收端之间的匹配频率，实现最大传输效率匹配。本方法利用控制系统实现传输距离测量，并利用发射接收端的通讯模块进行通信控制，但是控制系统以及通讯模块连接至发射端接收端均需要耗费电能，会对实际能量传输效率造成影响，且该结构较为繁杂，不利于控制。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的第一个目的是提供一种能够精获知传输距离从而防止系统传输效率下降的谐振式无线电能传输系统；本专利技术的第二目的是提供一种谐振式无线电能传输系统的传输距离的计算方法。技术方案：本专利技术的谐振式无线电能传输系统，包括依次连接的直流稳压电源、驱动电路、逆变电路、发射线圈与接收线圈，还包括连接在发射端回路上的电阻检测装置。本专利技术的谐振式无线电能传输系统的传输距离的计算方法，包括以下步骤：(S1)由所搭建的系统结合基尔霍夫电压理论可以得到下式：其中R1为发射线圈内阻，Uin为输入电压源，C1为发射端补偿电容，R2为接收线圈内阻，C2为接收端补偿电容，RL为负载，L1为发射线圈电感，L2为接收线圈电感，I1为发射端电流，I2为接收端电流，M为发射和接收端的互感系数，ω为谐振角频率。(S2)通过式(1)(2)可以计算得到发射端阻抗：由式(3)可以看出属于发射线圈原阻抗，为接收线圈对发射线圈的反射阻抗；发射端和接收端选取相同的线圈参数，在谐振条件下，所述谐振角频率ω与电感及电容之间满足如下关系：其中，f为谐振频率。(S3)综合式(3)(4)，可以得到简化的反射阻抗Rref表达式为(5)：发射线圈和接收线圈之间的互感M为式(6)：其中μ0为真空磁导率，n1为发射线圈匝数，n2为接收线圈匝数，r1为接收线圈半径，r2为接收线圈半径，d为发射线圈和接收线圈的距离。(S4)综合互感M与传输距离d以及反射阻抗Rref与互感M的关系，可以得到反射阻抗与传输距离的表达式如下所示。其中μ0＝4π*10-7H/m，由公式(7)可知在发射线圈和接收线圈匝数半径已知的条件下，仅传输距离为未知，故可通过此关系计算系统的传输距离。有益效果：本专利技术与现有技术相比，能够取得下列有益效果：l、本专利技术的系统能够精确获知传输距离，从而防止系统传输效率下降；2、本专利技术的方法避免了复杂的控制以及对接收端参数的测量，能够简单可靠的计算出传输距离；3、为制定更好的供电策略提供了解决思路。附图说明图1为本专利技术的谐振式无线电能传输系统的结构示意图；图2为仿真情况下及利用本专利技术方法计算的传输距离的对比情况图；图3为实验环境下及利用本专利技术方法计算的传输距离的对比情况图。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术作进一步详细描述。实施例1如图1所示，本专利技术公开了一种谐振式无线电能传输系统，包括依次连接的直流稳压电源l、驱动电路2、逆变电路3、发射线圈4、接收线圈5，电阻检测装置6连接在直流稳压电源l与发射线圈4之间的电路上。本实施例的直流稳压电源1采用的是PS-305D-1龙威直流稳压电源，且输出电压为15V。驱动电路2使用的是两个IR2103搭建的半桥驱动电路，用以产生驱动逆变电路3的驱动信号。本实施例的逆变电路3采用4个IRF450MOSFET交替导通实现直流信号的逆变。本实施例的电阻检测装置为Fluke312高精度钳形万用表，用于采集发射端电压和电流，从而计算出阻抗值，电阻检测装置6也可以是其他能够获取到电阻值的装置。驱动电路2将驱动信号传输至逆变电路3，逆变电路3在驱动信号的作用下将直流稳压电源1输入的直流电逆变成交流电，交流电传输至发射线圈4产生交变磁场，交变磁场通过空气介质将能量传送至接收线圈5。本实施例的工作频率为44.24kHz，负载端为大小为10Ω纯电阻负载，线圈内阻均为0.2Ω，发射接收线圈的直径均为10cm，线圈匝数均为30匝。实施例2本专利技术谐振式无线电能传输系统的传输距离的计算方法包括以下步骤：步骤1：由所搭建的系统结合基尔霍夫电压理论得到公式(1)、(2)；步骤2：通过式(1)(2)计算得到反射阻抗与互感系数之间满足的关系，如公式(3)所示；由式(3)可以看出属于发射线圈原阻抗，为接收线圈对发射线圈的反射阻抗；当发射端和接收端选取相同的线圈参数，在谐振条件下得到公式(4)；步骤3：综合公式(3)(4)，得到简化的反射阻抗的表达式，如公式(5)所示；发射线圈和接收线圈之间的互感M之间的关系如公式(6)所示；步骤4：综合互感M与传输距离d以及反射阻抗Rref与互感M的关系，得到反射阻抗与传输距离的表达式，如公式(7)所示；由(7)可知当发射线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种谐振式无线电能传输系统，包括依次连接的直流稳压电源(1)、驱动电路(2)、逆变电路(3)、发射线圈(4)与接收线圈(5)，其特征在于，还包括连接在发射端回路上的电阻检测装置(6)。/n

【技术特征摘要】
1.一种谐振式无线电能传输系统，包括依次连接的直流稳压电源(1)、驱动电路(2)、逆变电路(3)、发射线圈(4)与接收线圈(5)，其特征在于，还包括连接在发射端回路上的电阻检测装置(6)。


2.一种权利要求1所述谐振式无线电能传输系统的传输距离的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
(S1)根据基尔霍夫电压理论得到反射阻抗与互感系数之间的关系；
(S2)根据步骤(S1)得到的关系及互感系数与传输距离之间的关系，得到反射阻抗与传输距离之间的关系；
(S3)根据检测到的反射阻抗值及反射阻抗与传输距离之间的关系，即可获得传输距离。


3.根据权利要求2所述谐振式无线电能传输系统的传输距离的计算方法，其特征在于，步骤(S1)中反射阻抗与互感系数之间满足如下关系：



其中，R1为发射线圈内阻，Uin为输入电压源，C1为发射端补偿电容，R2为接收线圈内阻，C2为接收端补偿电容，RL为负载，L1为发射线圈电感，L2为接收线圈电感，I1为发射端电流，I2为接收端电流，M为发射和接收端的互感系数，ω为谐振角频率。


4.根据权利要求3...

【专利技术属性】
技术研发人员：江兵，谈龙照，朱靖宇，祝美灵，陈岩，俞子豪，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32