一种多级多负载无线能量传输电路的制作方法

1.本实用新型涉及无线能量传输技术领域，尤其涉及一种多级多负载无线能量传输电路。


背景技术：

2.无线能量传输应用中，若需要携带多个负载(以下以三个负载、谐振网络为 lcc-s为例)，一般方法如图1、图2。
3.图1中，t1、t2、t3称为耦合机构，由左边的发射线圈和右边的接收线圈组成；lf1、cf1、cp1、cs1、lf2、cf2、cp2、cs2、lf3、cf3、cp3、cs3等电容组合称为谐振网络；接收线圈、对应的谐振网络、整流电路等称为接收端；发射线圈、对应的谐振网络与逆变电路等称为发射端；lcc-s是指发射端的谐振网络由lf、cf、cp呈t形分布，接收端谐振网络只有一个电容cs与接收线圈串联。这种系统拓扑存在明显不足：逆变电路及谐振网络器件过多，增加成本及占用空间。
4.图2与图1的区别在于发射端多个谐振网络共用一个逆变电路。这种系统拓扑存在明显不足：1)谐振网络器件仍然过多，增加成本及占用空间；2)多个谐振网络同时连接到一个逆变电路，实际应用过程中，各组发射端谐振网络参数不可避免地反射到其它组谐振网络中，即各组谐振网络互相影响，增加逆变器控制难度。


技术实现要素：

5.本实用新型提供一种多级多负载无线能量传输电路，解决的技术问题在于：如何在不增加逆变器且谐振网络不互相影响的情况下实现为多个负载进行无线供电。
6.为解决以上技术问题，本实用新型提供一种多级多负载无线能量传输电路，包括发射模块、第1级负载接收模块至第n级负载接收模块，n≥2；
7.所述发射模块包括顺序连接的直流电压源、逆变电路、原边补偿网络、原边发射线圈；第i级负载接收模块包括顺序连接的第i级接收线圈、第i级接收补偿网络、第i级发射补偿网络、第i级中继发射线圈，还包括并联在所述第i级接收补偿网络与所述第i级发射补偿网络之间且顺序连接的第i级整流电路及第i级负载， 1≤i≤n-1；第n级负载接收模块包括顺序连接的第n级接收线圈、第n级接收补偿网络、第n级整流电路及第n级负载；
8.原边发射线圈与第1级接收线圈耦合构成第1级耦合机构，第i级中继发射线圈与第i 1级接收线圈耦合构成第i 1级耦合机构。
9.优选的，原边补偿网络采用lcc补偿网络。
10.优选的，第i级发射补偿网络采用lcc补偿网络，1≤i≤n-1。
11.优选的，所述lcc补偿网络为t型网络。
12.优选的，第n级接收补偿网络采用第n级接收串联补偿电容(c
sn
)，1≤ n≤n。
13.优选的，第1级中继发射线圈至第n-1级中继发射线圈采用相同的线圈。
14.优选的，第1级中继发射线圈至第n-1级中继发射线圈采用至少两种不同的线圈。
15.优选的，第1级接收线圈至第n级接收线圈采用相同的线圈。
16.优选的，第1级接收线圈至第n级接收线圈采用至少两种不同的线圈。
17.优选的，第1级中继发射线圈至第n-1级中继发射线圈朝向至少两个方向。
18.本实用新型提供的一种多级多负载无线能量传输电路，相比现有技术，其有益效果在于：
19.1、在发射端采用一个逆变电路和一个原边补偿网络，在后续传能过程中，针对每个负载采用一个接收线圈及一个接收补偿网络进行电能接收，同时采用与整流电路并联的发射补偿网络将交流电源中继到下一级负载接收模块中，不存在谐振网络之间相互影响的问题，实现了仅用单个逆变器同时为多个负载供电，还具有稳定的恒压输出；
20.2、通过多级耦合机构和谐振网络设计，减弱每级谐振网络参数之间相关性，使得每一级的发射线圈电流可以根据系统功率要求，独立控制电流值大小；
21.3、每个负载的增大、减小或移除，不会影响每一级发射线圈的电流，表现为每个负载都能独立运行。
附图说明
22.图1是本实用新型背景技术提供的多逆变器携带多谐振网络的多负载无线能量传输电路的拓扑图；
23.图2是本实用新型背景技术提供的单逆变器携带多谐振网络的多负载无线能量传输电路的拓扑图；
24.图3是本实用新型实施例提供的一种多级多负载无线能量传输电路的拓扑图；
25.图4是本实用新型实施例提供的图3的逐级等效拓扑图，其中图4(a)为图3 所示拓扑图，图4(b)为第1级接收线圈l
s1
与第1级接收补偿网络等效为一个交流源后图4(a)的等效图，图4(c)为前n级接收线圈与前n级接收补偿网络等效为一个交流源后图4(a)的等效图；
26.图5是本实用新型实施例提供的图3的最终等效拓扑图。
具体实施方式
27.下面结合附图具体阐明本实用新型的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本实用新型的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本实用新型专利保护范围的限制，因为在不脱离本实用新型精神和范围基础上，可以对本实用新型进行许多改变。
28.基于简单易控制、减少成本及空间体积和多负载的需求，本实用新型实施例提供一种多级多负载无线能量传输电路，如图3所示，包括发射模块、第1级负载接收模块至第n级负载接收模块，n≥2。
29.所述发射模块包括顺序连接的直流电压源、逆变电路、原边补偿网络、原边发射线圈l
p1
；第i级负载接收模块包括顺序连接的第i级接收线圈l
si
、第i级接收补偿网络、第i级发射补偿网络、第i级中继发射线圈l
pi
，还包括并联在所述第i 级接收补偿网络与所述第i级发射补偿网络之间且顺序连接的第i级整流电路(整流电路i)及第i级负载(负载i)，1≤i≤n-1；第n级负载接收模块包括顺序连接的第n级接收线圈l
sn
、第n级接收补偿网络、第n级整流电路(整流电路n) 及第n级负载(负载n)。
30.原边发射线圈l
p1
与第1级接收线圈l
s1
耦合构成第1级耦合机构t1，第i级中继发射线圈l
pi
与第i 1级接收线圈l
s(i 1)
耦合构成第i 1级耦合机构t(i 1)， 1≤i≤n-1，总共构成了n级耦合机构t1～tn。
31.图3中，逆变电路只携带一个谐振网络，避免系统存在多组谐振网络参数互相干扰反馈到逆变器的问题。由lcc谐振网络特性可知，直流电压源向高频逆变电路注入能量时，将直流电转换为高频交流电，高频交流电加载于带谐振网络的发射线圈上激发出交变磁场，接收线圈在交变磁场中获得磁能后利用谐振网络电路变换为高频交流电，产生一个恒压电动势，通过整流电路将交流电转换为直流电，为负载提供能量，同时通过中继发射线圈激发出交变磁场，以耦合到下一级负载接收模块中。
32.原边补偿网络及第i级发射补偿网络均采用lcc补偿网络，1≤i≤n-1。所述lcc补偿网络为t型网络。第n级接收补偿网络采用第n级接收串联补偿电容c
sn
，1≤n≤n。
33.第n级接收线圈l
sn
与第n级接收补偿网络(即第n级接收串联补偿电容c
sn
) 完全谐振后，第n级整流电路前的电路等效为一个交流源，1≤n≤n。逐级等效的过程如图4所示，耦合机构t1的接收线圈与第1级接收串联补偿电容c
s1
完全谐振后，电抗为0，则电路等效图如图4(b)所示；同理，耦合机构t2的接收线圈与第1级接收串联补偿电容c
s2
完全谐振后，可进一步等效，最后等效为图4(c)。
34.为了分析，将第n-1级整流电路前的电路包括负载部分等效为1个交流源则第n-1级发射补偿网络包括第n-1级发射串联补偿电感l
fn
、第n
‑ꢀ
1级发射串联补偿电容c
pn
、第n-1级发射并联补偿电容c
fn
，如图5所示。基于谐振关系，则：
[0035][0036][0037]
其中ω为谐振角频率，c
s(n-1)
表示第n级接收串联补偿电容，l
sn
表示第n级接收线圈。进一步可得：
[0038][0039]
表示所述第n-1级中继发射线圈l
pn
的电流。
[0040]
由式(3)可以看出，lcc网络的输出电流与反射阻抗无关，该拓扑具有恒流特性，其恒流值只与输入电压大小和发射线圈电感有关。若要提高输入功率因数，满足lcc拓扑输入电压与电流相位一致的条件，需满足：
[0041][0042]
式中，xr为反射阻抗zr的电抗部分，当第n-1级中继发射线圈l
pn
与第n级接收线圈l
sn
满足谐振条件时，xr＝0。所以，为了提高功率因数，通常将第n-1 级发射串联补偿电容c
pn
设置为：
[0043][0044]
第n级接收线圈l
sn
获得的感应电压为：
[0045][0046]
m表示第n-1级中继发射线圈l
pn
与第n级接收线圈l
sn
之间的互感。
[0047]
由式(6)可以看出，接收线圈的感应电压具有负载无关性，无论是阻性、容性还是感性负载，均具有恒压输出特性。
[0048]
还需说明的是，在具体的实施中，根据实际需求，第1级中继发射线圈至第 n-1级中继发射线圈可采用相同的线圈，也可采用两种以上不同的线圈，第1 级接收线圈至第n级接收线圈可采用相同的线圈，也可采用两种以上不同的线圈，具体如何设置根据实际需求而定。
[0049]
综上，本实用新型实施例提供的一种多级多负载无线能量传输电路，相比现有技术，其有益效果在于：
[0050]
1、在发射端采用一个逆变电路和一个原边补偿网络，在后续传能过程中，针对每个负载采用一个接收线圈及一个接收补偿网络进行电能接收，同时采用与整流电路并联的发射补偿网络将交流电源中继到下一级负载接收模块中，不存在谐振网络之间相互影响的问题，实现了仅用单个逆变器同时为多个负载供电，还具有稳定的恒压输出；
[0051]
2、通过多级耦合机构和谐振网络设计，减弱每级谐振网络参数之间相关性，使得每一级的发射线圈电流可以根据系统功率要求，独立控制电流值大小；
[0052]
3、每个负载的增大、减小或移除，不会影响每一级发射线圈的电流，表现为每个负载都能独立运行。
[0053]
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。