一种宽频整流输出的无线电能传输系统设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种宽频整流输出的无线电能传输系统设计方法，包括激励源，电磁发射端、电磁接收端和负载。电磁发射端包括发射端电路拓扑结构和发射线圈，电磁接收端包括接收线圈、宽频结构和接收侧整流单元。本发明专利技术还公布了宽频整流输出的无线电能传输系统设计方法，包含以下步骤：（1）建立系统的电路方程，（2）求出系统的幅

【技术实现步骤摘要】
一种宽频整流输出的无线电能传输系统设计方法


[0001]本专利技术属于无线电能传输
，具体涉及一种宽频整流输出的无线电能传输系统设计方法。

技术介绍

[0002]无线电能传输(WPT)是一种新兴技术，使非接触式从微波到千瓦的电力传输电力水平。无线电能传输意味着来自发射端的电源被传输到接收端，而不需要机械接触。WPT技术利用时变电磁场，通过磁场耦合或电场耦合给电子设备供电。WPT技术已经吸引了很多研究人员的兴趣，因为它可以方便地提供电源，而不使用电源线，同时保持与插件充电相同的性能。如今无线电能传输方法越来越受到国际研究界的关注。基于磁耦合谐振的无线能量传输技术打破了电磁感应方式传输效率依赖于耦合系数的传统思路，为无线能量传输技术带来了突破。该系统依靠线圈磁耦合谐振强耦合实现能量的高效率、大距离传输，并不依赖于发送与接收线圈间的耦合系数。它的应用显著受益的包括生物医学植入物、消费电子、机器人、无人机和电动汽车的供电。

技术实现思路

[0003]目前，在无线电能传输系统中传输的带宽有限，本专利技术解决的技术问题是提出了一种宽频整流输出的无线电能传输系统设计方法，该方法有效解决了无线电能传输系统传输带宽有限的问题。
[0004]本专利技术通过以下技术方案予以实现：一种宽频整流输出的无线电能传输系统设计方法，其特征在于：所述无线电能传输系统由激励源、电磁发射端、电磁接收端和负载组成，其中电磁发射端包括相互串联的发射端电路拓扑结构和发射线圈，用于将激励源提供的电能转化成磁能发射到电磁接收端，电磁接收端包括相互串联的接收线圈、宽频结构和接收侧整流单元，用于通过接收线圈接收发射线圈发射的磁能并给负载供电，发射侧电路拓扑结构包含补偿电容和电阻；
[0005]所述宽频结构由两个反串联二极管D组成，其等效电容用C2表示，宽频结构的电路设计方法如下：
[0006]步骤一：建立系统的电路方程，将电磁发射端等效到电磁接收端可得到等效后电路的激励源V
th
、等效后的电感L和等效后的电阻R，整流电路两端电压用V
d
表示，根据基尔霍夫电压定律，系统电路方程可表示为：
[0007]LQ
″
+RQ
′
+v
c
+V
d
＝V
th
cos(ωt)
[0008]其中
[0009][0010]式中，Q为等效电容C2的电荷量，Q
″
为电荷求二阶导数，Q
′
为电荷求一阶导数，v
c
为等效电容C2两端电压，谐振频率和激励频率相同，激励频率为ω，k1和k3分别为电荷量Q的一
次项和三次项系数，Q被表示为一个余弦函数，幅值为q，即Q＝qcos(ωt)，将v
c
的表达式代入系统电路方程得到细化的系统电路方程：
[0011][0012]步骤二：求出系统的幅
‑
频曲线方程，将v
c
进一步等效为即与等效，又因为Q＝qcos(ωt)，可得到以下等式：
[0013][0014]求解上式可得到将v
c
的表达式代入到步骤一中的细化的系统电路方程，该细化的系统电路方程的向量形式表示为：
[0015][0016]将上式展开，得：
[0017][0018]将上式两边取模的平方，并将k
eff
的表达式代入，得到如下的幅
‑
频曲线方程：
[0019][0020]由上式可以得到在等效后电感L、等效后电阻R以及V
th
和V
d
固定时，幅值q与k1、k3的大小有关，根据幅
‑
频曲线方程求出在幅值q取最大值的时候，k1和k3的取值，方法如下：
[0021]首先，将k3看成常数，k1为未知数，上述幅
‑
频曲线方程两边分别对k1求导，并令导数等于零，可以得到当幅值q取最大值时k1的取值；
[0022]然后，将k1看成常数，k3为未知数，上述幅
‑
频曲线方程两边分别对k3求导，并令导数等于零，可以得到当幅值q取最大值时k3的取值；
[0023]最后，通过上述两步得到k1和k3的值；
[0024]步骤三：根据反串联二极管结构，确定k1和k3与二极管结电压V
j
和结电容C
j
以及分级系数n的关系，从而确定二极管的选择；
[0025]一个二极管的C
‑
V曲线关系为：
[0026][0027]式中，C
j
为结电容，V
r
为反向偏置电压，V
j
为结电压，C
p
为很小的量可忽略，上式可
以用麦克劳林展开表示为：
[0028][0029]上式的前三阶次可以表示为：
[0030]a0＝C
s
(0)＝C
j
[0031][0032][0033]式中，n为分级系数，不同的反串联二极管组成的等效电容的分级系数n不同，忽略高于三次的阶数，可以得到C(v)≈a0+a1v+a2v2，式中，v是二极管两端电压；
[0034]根据以上各式，将两个二极管进行反串联，可以得到：
[0035]C(v1)＝a0‑
a1v1+a2v
12
[0036]C(v2)＝a0+a1v2+a2v
22
[0037]式中，v1和v2分别是两个二极管两端电压，对两个二极管求电荷量，得：
[0038][0039][0040]假设两个二极管完全相同，令q1(v1)＝q2(v2)＝Q，根据级数反演法，得到v1和v2的表达式为：
[0041][0042][0043]将v1和v2相加，得到：
[0044][0045]式中，v
c
为反串联二极管构成的等效电容C2两端电压；
[0046]最后，联立与得：
[0047][0048][0049]又因为：
[0050]a0＝C
s
(0)＝C
j
[0051][0052][0053]可得：
[0054][0055][0056]通过步骤二确定的k1和k3的取值大小可以得到结电压V
j
、结电容C
j
和分级系数n，从而确定二极管的选择。
[0057]本专利技术的有益效果是：本专利技术提出一种宽频整流输出的无线电能传输系统设计方法，可以在提高传输带宽的同时，整流输出。
附图说明
[0058]图1是本专利技术无线电能系统示意图；
[0059]图2是反串联二极管组成的等效电容的结构图；
[0060]图3是传统无线电能传输系统的幅
‑
频曲线与本专利技术的幅
‑
频曲线对比图。
[0061]图中：1
‑
激本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽频整流输出的无线电能传输系统设计方法，其特征在于：所述无线电能传输系统由激励源、电磁发射端、电磁接收端和负载组成，其中电磁发射端包括相互串联的发射端电路拓扑结构和发射线圈，用于将激励源提供的电能转化成磁能发射到电磁接收端，电磁接收端包括相互串联的接收线圈、宽频结构和接收侧整流单元，用于通过接收线圈接收发射线圈发射的磁能并给负载供电，发射侧电路拓扑结构包含补偿电容和电阻；所述宽频结构由两个反串联二极管D组成，其等效电容用C2表示，宽频结构的电路设计方法如下：步骤一：建立系统的电路方程，将电磁发射端等效到电磁接收端可得到等效后电路的激励源V
th
、等效后的电感L和等效后的电阻R，整流电路两端电压用V
d
表示，根据基尔霍夫电压定律，系统电路方程可表示为：LQ”+RQ'+v
c
+V
d
＝V
th
cos(ωt)其中式中，Q为等效电容C2的电荷量，Q”为电荷求二阶导数，Q'为电荷求一阶导数，v
c
为等效电容C2两端电压，谐振频率和激励频率相同，激励频率为ω，k1和k3分别为电荷量Q的一次项和三次项系数，Q被表示为一个余弦函数，幅值为q，即Q＝q cos(ωt)，将v
c
的表达式代入系统电路方程得到细化的系统电路方程：步骤二：求出系统的幅
‑
频曲线方程，将v
c
进一步等效为即与等效，又因为Q＝q cos(ωt)，可得到以下等式：求解上式可得到将v
c
的表达式代入到步骤一中的细化的系统电路方程，该细化的系统电路方程的向量形式表示为：将上式展开，得：将上式两边取模的平方，并将k
eff
的表达式代入，得到如下的幅
‑
频曲线方程：
由上式可以得到在等效后电感L、等效后电阻R以及V
th
和V
d
固定时，幅值q与k1、k3的大小有关，根据幅
‑
频曲线方程求出在幅值q取最大值的时候，k1和k3的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王萌，任莉，施艳艳，杨林，刘文强，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：