一种基于阻抗压缩的无线电能接收装置

1.本发明涉及无线电能传输领域，特别是指一种基于阻抗压缩的无线电能接收装置。


背景技术：

2.无线功率传输(wpt)技术是指一种无需有线连接的电能传输方式。自2007年麻省理工学院首次演示了灯泡的电磁谐振式无线供电技术，无线功率传输技术便由于其高可靠性、灵活性和良好的安全性能，近年来越来越受到人们的重视。它已被应用于许多不同的领域，如低功率植入医疗设备，大功率电动汽车和恶劣环境下的设备。
3.无线电能技术的研究主要集中在传输功率的增强和传输效率的提高。传统的基于桥式整流的接收侧等效交流阻抗随直流负载线性变化，当直流负载变化较大时，其原副边线圈耦合效率会迅速下降，并且当直流负载较小时，输送到二次侧的功率较小。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种基于阻抗压缩的无线电能接收装置，该接收装置利用电阻压缩网络的非线性阻抗变换特性，解决了现有的基于传统桥式整流的接收方案中，宽负载范围下输出功率不足，传输效率不高的问题。
5.本发明采用如下技术方案：
6.一种基于阻抗压缩的无线电能接收装置，包括：谐振网络、电阻压缩网络、整流网络和负载网络，所述谐振回路由第一谐振电容和接收线圈串联构成，所述电阻压缩网络由第二谐振电容和谐振电感并联构成；所述整流网络包括六个整流二极管，所述负载网络由滤波电容以及直流负载并联构成，具体为：
7.所述接收线圈的一端与所述第一谐振电容的一端相连；所述第一谐振电容的另一端与所述谐振电感的一端，所述第一谐振电容的另一端与所述第二谐振电容的一端相连；所述第二谐振电容另一端与第一整流管的阳极、所述第四整流管的阴极相连；所述谐振电感另一端与第二整流管的阳极、第五整流管的阴极相连；第一整流管的阴极与第二整流管的阴极、第三整流管的阴极、滤波电容的一端以及直流负载的一端相连；所述直流负载的另一端与所述滤波电容的另一端、第四整流管的阳极、第五整流管的阳极、以及第六整流管的阳极相连；第六整流管的阴极与所述接收线圈的另一端相连。
8.具体地，所述电阻压缩网络的谐振电感和第二谐振电容的数值，需满足如下条件：
[0009][0010]
其中，f为谐振网络的谐振频率，lr谐振电感，cr为第二谐振电容。
[0011]
具体地，当电流正向流入时，第一正向电流回路为接收线圈、第一谐振电容、第二谐振电容、第一整流管、负载网络、第六整流管和接收线圈，第二正向电流回路为：接收线圈、第一谐振电容、谐振电感、第二整流管、负载网络、第六整流管和接收线圈；
[0012]
当电流反向流入时，第一反向电流回路为：接收线圈、第三整流管、负载网络、第五整流管、谐振电感、第一谐振电容、接收线圈；
[0013]
第二反向电流回路为：接收线圈、第三整流管、负载网络、第四整流管、第二谐振电容、第一谐振电容和接收线圈。
[0014]
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0015]
(1)本发明提出的基于阻抗压缩的无线电能接收装置，包括：谐振网络、电阻压缩网络、整流网络和负载网络，所述谐振回路由第一谐振电容和接收线圈串联构成，所述电阻压缩网络由第二谐振电容和谐振电感并联构成；所述整流网络包括六个整流二极管，所述负载网络由滤波电容以及直流负载并联构成，本发明提出的基于阻抗压缩的无线电能接收装置，利用电阻压缩网络的非线性阻抗变换特性，解决了现有的基于传统桥式整流的接收方案中，宽负载范围下输出功率不足，传输效率不高的问题。
[0016]
(2)本发明提出的基于阻抗压缩的无线电能接收装置，电阻压缩网络非线性的阻抗变换特性，使得在直流负载变化范围较大时，可以抑制其等效的接收端交流阻抗变化范围，从而提高线圈耦合效率。在直流负载较小时，可以增大其等效交流负载，从而可以增加从原边传输到接收侧的功率
[0017]
(3)本发明提出的基于阻抗压缩的无线电能接收装置，在整个阻抗变换过程中没有引入额外的虚部阻抗，不会改变其前端电路传输特性。
附图说明
[0018]
图1为基于所述无线电能接收装置的无线电能传输系统原理图；
[0019]
图2为本发明所述用于无线电能传输接收装置的电流模态图，其中(a)为电流正向流入时的电流模态图，(b)为电流反向流入时的电流模态图；
[0020]
图3为本发明所述rcn网络的等效电路图；
[0021]
图4为本发明所述rcn网络在给定负载范围和参数条件下的等效阻抗曲线；
[0022]
图5为本发明所述rcn网络在给定负载范围和参数条件下的输出功率曲线。
[0023]
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。
具体实施方式
[0024]
本发明提出的基于阻抗压缩的无线电能接收装置，利用电阻压缩网络的非线性阻抗变换特性，解决了现有的基于传统桥式整流的接收方案中，宽负载范围下输出功率不足，传输效率不高的问题。
[0025]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0026]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解
为指示或暗示相对重要性。
[0027]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0028]
参见图1，所实施实例中包含一个所述无线电能传输装置，包括一个无线电能发射端与一个无线电能接收端。所述发射端采用通用的串联谐振网络，由电源v
dc
，输入滤波电容c
in
，组成半桥逆变器的两个开关管s1和s2，发射线圈l
p
，以及谐振电容c
p
构成。所述接收装置中，包括：
[0029]
谐振网络、电阻压缩网络、整流网络和负载网络，所述谐振回路由第一谐振电容cs和接收线圈ls串联构成，所述电阻压缩网络由第二谐振电容cr和谐振电感lr并联构成；所述整流网络包括六个整流二极管，所述负载网络由滤波电容以及直流负载并联构成，具体为：
[0030]
所述接收线圈ls的一端与第一谐振电容cs的一端相连；
[0031]
所述第一谐振电容cs的另一端与谐振电感lr的一端，以及第二谐振电容cr的一端相连；
[0032]
所述第二谐振电容cr另一端与第一整流管d1的阳极、第四整流管d4的阴极相连；
[0033]
所述谐振电感lr另一端与第二整流管d2的阳极、第五整流管d5的阴极相连；
[0034]
所述第一整流管d1的阴极与第二整流管d2的阴极、第三整流管d3的阴极、滤波电容co的一端以及所述直流负载r
l
的一端相连；
[0035]
所述直流负载r
l
的另一端与滤波电容co的另一端相连、第四整流管d4的阳极、第五整流管d5的阳极、以及第六整流管d6的阳极相连；
[0036]
第六整流管d6的阴极与接收线圈ls的另一端相连；
[0037]
该装置存在其他多种等效接法：cs与ls互换位置，lr与cr互换位置，c0与r
l
互换位置均不影响该装置的正常实施。
[0038]
电阻压缩网络在选择电感lr和电容cr的数值时，应满足如下条件：
[0039][0040]
其中，f为所述电感ls与电容cs构成的谐振网络的谐振频率,公式如下
[0041][0042]
参见图2，一个周期内所述无线电能发射装置包含2个模态：
[0043]
如图2(a)，当接收侧电流正向流入时，其第一正向电流回路为：l
s-c
s-c
r-d
1-负载(co//r
l
)-d
6-ls，第二正向电流回路为：l
s-c
s-l
r-d
2-负载(co//r
l
)-d
6-ls；如图2(b)当接收侧电流反向流入时，其第一反向电流回路为：l
s-d
3-负载(co//r
l
)-d
5-l
r-c
s-ls，第二反向电流回路为：l
s-d
3-负载(co//r
l
)-d
4-c
r-c
s-ls。
[0044]
参见图3中等效电路，其rcn网络的等效交流输入阻抗r
eq
与直流侧阻抗关系式r
l
可表示为
[0045][0046]
其中x为lr或cr在谐振频率f下的阻抗值。
[0047]
参见图4和图5的仿真结果和实验结果，其电阻压缩网络非线性的阻抗变换特性可以得到验证，在直流负载变化范围较大时，可以抑制其等效的接收端交流阻抗变化范围，从而提高线圈耦合效率。在直流负载较小时，可以增大其等效交流负载，从而可以增加从原边传输到接收侧的功率。
[0048]
本发明提出的基于阻抗压缩的无线电能接收装置，包括：谐振网络、电阻压缩网络、整流网络和负载网络，所述谐振回路由第一谐振电容cs和接收线圈ls串联构成，所述电阻压缩网络由第二谐振电容cr和谐振电感lr并联构成；所述整流网络包括六个整流二极管，所述负载网络由滤波电容以及直流负载并联构成，本发明提出的基于阻抗压缩的无线电能接收装置，利用电阻压缩网络的非线性阻抗变换特性，解决了现有的基于传统桥式整流的接收方案中，宽负载范围下输出功率不足，传输效率不高的问题。
[0049]
本发明提出的基于阻抗压缩的无线电能接收装置，电阻压缩网络非线性的阻抗变换特性，使得在直流负载变化范围较大时，可以抑制其等效的接收端交流阻抗变化范围，从而提高线圈耦合效率。在直流负载较小时，可以增大其等效交流负载，从而可以增加从原边传输到接收侧的功率
[0050]
本发明提出的基于阻抗压缩的无线电能接收装置，在整个阻抗变换过程中没有引入额外的虚部阻抗，不会改变其前端电路传输特性。
[0051]
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围行为。