基于铁氧体聚磁结构的单中继无线电能传输系统

本发明涉及无线电能传输电路与控制，具体涉及基于铁氧体聚磁结构的单中继无线电能传输系统。

背景技术：

1、近年来，随着无线电能传输（wireless power transfer，wpt）技术在电动汽车充电、消费电子设备及工业供电等领域的广泛应用，其高效性、便捷性和安全性受到广泛关注，现有无线电能传输系统通常通过发射线圈与接收线圈之间的磁耦合实现能量传递，为提高传输距离和系统效率，常在发射端与接收端之间设置中继线圈，形成多线圈耦合结构，然而，在该类系统中，除相邻线圈之间的主耦合外，还会产生发射线圈与接收线圈之间的非邻近耦合，即交叉耦合。

2、交叉耦合会改变系统的等效耦合关系，使部分能量沿非期望路径传输，并对系统谐振状态产生干扰，导致传输效率下降、输出特性波动以及系统稳定性降低，尤其在引入中继线圈以提高传输距离和传输能力时，交叉耦合问题更加突出，从而降低传输效率和整体性能，且当线圈间距或负载发生变化时，交叉耦合会进一步引起输出电压和传输功率波动，降低系统稳定性和鲁棒性，限制其在复杂工况下的应用；

3、另外，现有技术通常通过增加补偿电路或复杂调谐网络来抑制交叉耦合，但这类方法往往会增加系统复杂度和额外损耗，且传统线圈结构难以实现对非邻近耦合的有效削弱，为此，提出了基于铁氧体聚磁结构的单中继无线电能传输系统。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供基于铁氧体聚磁结构的单中继无线电能传输系统。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：基于铁氧体聚磁结构的单中继无线电能传输系统，包括发射组件、单中继组件和接收组件；所述发射组件包括逆变驱动电路与发射线圈，所述逆变驱动电路与发射线圈连接，所述逆变驱动电路用于将输入的直流电转换为交流电，所述发射线圈用于发射无线电能；所述单中继组件包括复合中继线圈，所述复合中继线圈用于接收并发射由发射线圈发出的无线电能；所述接收组件包括接收线圈、整流电路和负载，所述接收线圈通过整流电路连接至负载，所述接收线圈用于接收复合中继线圈发射的无线电能。

3、优选的，还包括发射端补偿组件，所述发射端补偿组件包括主电容，所述主电容与逆变驱动电路以及发射线圈串联，所述主电容与发射线圈形成固有谐振频率，在固有谐振频率下发射无线电能。

4、优选的，还包括复合中继线圈补偿组件，所述复合中继线圈补偿组件包括补偿电容，所述补偿电容与复合中继线圈串联，所述补偿电容与复合中继线圈形成固有谐振频率，在固有谐振频率下发射无线电能。

5、优选的，还包括接收端补偿组件，所述接收端补偿组件包括补偿电容，所述补偿电容与接收线圈串联，所述补偿电容与接收线圈与整流电路并联。

6、优选的，所述接收线圈包括滤波网络，所述滤波网络包括滤波电容，所述滤波电容并联在负载两端。

7、优选的，所述发射线圈与复合中继线圈之间、复合中继线圈与接收线圈之间分别形成用于能量传输的磁耦合通道；所述复合中继线圈包括第一线圈部和第二线圈部，所述第一线圈部和第二线圈部由一根导线连续绕制形成，所述第一线圈部面向发射线圈，所述第二线圈部面向接收线圈，所述第一线圈部与第二线圈部反向绕制，使同一交流电流流经时二者对应工作面上的等效环向电流方向相反；所述复合中继线圈内部设置有铁氧体磁性件，所述铁氧体磁性件与第一线圈部和第二线圈部共同形成磁通调控结构，用于聚集并引导有效磁通，减少非工作区域的漏磁；所述第一线圈部和第二线圈部的反向绕制结构与所述铁氧体磁性件的聚磁作用相配合，形成用于抑制发射线圈与接收线圈 之间直接磁耦合的磁场分布，使发射线圈与接收线圈之间的直接互感 减小至近似可忽略，同时保持发射线圈与复合中继线圈之间以及复合中继线圈与接收线圈之间的有效磁耦合，从而使电能主要沿、、的单中继路径进行传输。

8、优选的，所述复合中继线圈通过上下两层子线圈的电流方向、绕组方向、磁场极性配置，在空间中形成磁场抵消区域，使得发射线圈与接收线圈之间的非邻近耦合项满足以下条件：

9、；

10、其中，为发射线圈和接收线圈之间的互感系数；

11、所述发射线圈、复合中继线圈与接收线圈的耦合关系满足以下条件：

12、；

13、其中，为发射线圈与接收线圈之间的交叉耦合系数，为发射线圈与复合中继线圈的耦合系数，为复合中继线圈与接收线圈的耦合系数。

14、优选的，所述发射线圈、复合中继线圈与接收线圈之间的耦合系数满足以下条件：

15、；

16、其中，为第个线圈与第个线圈之间的互感系数，、分别为对应线圈的自感。

17、优选的，所述发射端补偿组件与发射线圈构成发射侧谐振支路，所述复合中继线圈补偿组件与复合中继线圈构成中继谐振支路，所述接收端补偿组件与接收线圈构成接收侧谐振支路，在预设工作角频率下，各线圈电路满足以下谐振条件：

18、；

19、其中，l为对应支路的等效电感，c为对应支路的补偿电容；

20、通过对补偿电容参数、线圈电感参数及负载参数进行预先设计与匹配，使系统在预设工作条件下保持谐振工作状态。

21、优选的，所述复合中继线圈在抑制发射线圈与接收线圈之间非邻近耦合的条件下，系统的等效电路中发射端与接收端之间的直接耦合项趋于忽略，使系统由发射线圈与复合中继线圈之间的耦合以及复合中继线圈与接收线圈之间的耦合决定，以此使系统在线圈间距变化条件下仍能维持稳定的能量传输状态，在忽略发射线圈与接收线圈之间非邻近耦合的情况下，所述整流电路输出的电压满足以下条件：

22、；

23、其中，为整流器接收端输出电压，为发射端逆变器等效电压，为复合中继线圈与接收线圈的互感系数，为发射线圈与复合中继线圈的互感系数；

24、使得整流电路输出的电压与负载变化无关，无线电能传输系统呈现恒压输出特性。

25、与现有技术比较本发明的有益效果在于：

26、1、本发明通过一个复合中继线圈延伸发射线圈与接收线圈之间的有效耦合距离，实现中长距离无线电能传输，同时减少中继单元及谐振参数数量，无需引入复杂的控制单元，简化了系统结构，且各部分均可由常规线圈、电容、整流及滤波电路构成，无需特殊材料或复杂结构设计，适用于中距离无线供电、消费电子供电及工业设备供电等多种应用场景，具有良好的工程推广价值；

27、2、本发明通过复合中继线圈形成的磁场抵消作用，使发射线圈与接收线圈之间的非邻近耦合显著降低，即满足，从而避免能量沿非期望路径传输，使系统主要通过主耦合通道传输能量，提高能量利用效率，改善系统整体传输性能，同时，使系统对线圈间距变化及负载变化的敏感性降低，从而提高输出稳定性和系统鲁棒性；

28、3、本发明通过对谐振参数进行预先匹配，无需引入复杂的主动调节电路或附加解耦网络，即可在保持系统结构相对简单的前提下，提高无线电能传输系统的稳定性、传输效率以及工程适用性，实现稳定的无线电能传输，降低系统设计难度。