一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统技术方案

本发明专利技术涉及无线电能传输技术领域，具体公开了一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统，其耦合结构包括发射线圈和第1～第A级接收线圈，A≥2；第2～A级接收线圈由同轴放置的第1～第A

【技术实现步骤摘要】
一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统


[0001]本专利技术涉及无线电能传输
，尤其涉及一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统。

技术介绍

[0002]无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)又称无线电力传输，是通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量(如电磁场能、激光、微波及机械波等)，隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能，实现无线电能传输。利用电磁场的谐振方式，通过两个或多个具有相同谐振频率的电磁耦合系统进行无线传能，可以实现数米范围内的无线供电，并且存在障碍物时也能高效传输，极具潜力。其中，多负载WPT系统是指原边电能发射部分只有一组，而副边电能接收部分有多组的系统。该系统能实现一个供电源对多个用电设备的非接触式供电，有着越来越广泛的用途。
[0003]近年来，国内外对多负载WPT系统的研究取得了很多新成果：研究了多负载条件下WPT系统的多频控制策略，可以实现对多个负载进行有效辨识；运用了阻抗匹配、补偿电抗、加屏蔽体、负载隔离等方案来解决多个线圈之间的交叉耦合问题；研究了多负载WPT系统输出控制策略，以实现对多路输出的功率控制；针对多负载恒压输出问题展开研究，实现了系统在接收端数量和负载发生变化时仍能保持恒压输出特性。但这些成果大多只是研究了单纯的“一对多”WPT系统，对于一类既需要多级输出又需要延长传输距离的应用场合，例如为无人超市中多个叠放的智能购物篮无线充电，却研究较少。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统，解决的技术问题在于：如何在传输距离较长的情况下实现多级稳定输出。
[0005]为解决以上技术问题，本专利技术提供一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统，其耦合结构包括发射线圈和第1～第A级接收线圈，A≥2；所述第2～A级接收线圈由同轴放置的第1～第A-1级中继线圈和第1～第A-1级拾取线圈组成；所述发射线圈、所述第1级接收线圈、所述第1～第A-1级中继线圈依次同轴放置且尺寸相同；第1～第A负载分别串接于所述第1级接收线圈和所述第1～第A-1级拾取线圈所在的谐振回路中。
[0006]优选的，所述第1～第A负载的电阻相等，所述第1级接收线圈、所述第1～第A-1级中继线圈和所述第1～第A-1级拾取线圈相对的两级线圈之间的互感相等。
[0007]优选的，所述发射线圈与所述第1级接收线圈相距d1，所述第1～第A级接收线圈中相邻的两级接收线圈相距d2，d1＝d2＝d。
[0008]优选的，所述发射线圈包括第一磁芯，以及紧贴所述第一磁芯且正对所述第1级接收线圈的第一线圈；
[0009]所述第1级接收线圈及所述第1～第A-1级中继线圈均包括按照传输方向顺序设置的第二线圈、第二磁芯、铝板、第三磁芯、第三线圈；
[0010]所述第1～第A-1级拾取线圈包括第四磁芯，以及紧贴所述第四磁芯的第四线圈，所述第四线圈贴近其对应的中继线圈的第三线圈；
[0011]所述第一～第四线圈、所述第一～第四磁芯、所述铝板均同轴设置，所述第一～第三线圈尺寸相同，所述第四线圈与所述第一～第三线圈形状相同但尺寸更小，所述第一～第四磁芯尺寸相同。
[0012]优选的，当A＝2时，该系统的KVL方程为：
[0013][0014]其中，为全桥逆变电路输出的等效交流电压向量，L0为所述发射电路的谐振电感，L1为所述发射线圈的自感，L2、L3、L4分别代表所述第1级接收线圈、所述第1级中继线圈和所述第1级拾取线圈的自感，C0、C1为LCC原边发射电路中的两个谐振电容，C2、C3、C4分别为L2、L3、L4各自所在谐振回路中的谐振电容，为所述全桥逆变电路输出的电流向量，为所述LCC原边发射电路流向所述发射线圈的电流向量，分别为L2、L3、L4各自所在谐振回路的电流向量，R1、R2、R3、R4分别为L1、L2、L3、L4的内阻，M
i(i+1)
(i∈{1,2,3})为线圈L
i
和L
(i+1)
之间的互感，RL1、RL2为两级负载的等效电阻，ω为该系统的工作角频率。
[0015]优选的，该无线电能传输系统的工作角频率ω满足：
[0016][0017]其中，ω0为L0、L1、L2、L3、L4各自所在谐振回路的谐振角频率；
[0018]若RL1＝RL2且M
23
＝M
34
，忽略R1、R2、R3、R4的大小不计，则该系统的输出电压为：
[0019][0020]其中，U1、U2分别代表RL1、RL2所在谐振回路的输出电压。
[0021]优选的，当A>2时，若RL1＝RL2＝
…
＝RL
A
且M
23
＝M
34
＝
…
＝M
(2A-1)(2A)
，M
i(i+1)
(i∈{2,
…
,2A-1})为所述第1级接收线圈、所述第1～第A-1级中继线圈和所述第1～第A-1级拾取线圈相对的两级线圈L
i
和L
(i+1)
之间的互感，与式(1)、(2)、(5)相同过程进行推导，则该系统的输出电压为：
[0022][0023]其中，U1、U2…
U
A
分别代表RL1、RL2…
RL
A
所在谐振回路的输出电压。
[0024]优选的，基于Neumann公式进行推导，任意两同轴载流圆环之间的互感计算式如下：
[0025][0026]其中，μ0为真空磁导率，a、b分别为该两圆环的半径，D为该两圆环间的距离，γ＝2ab/(a2+b2+D2)；
[0027]对于两同轴平面螺旋线圈L
I
和L
J
，两者之间的互感为：
[0028][0029]当该两线圈的形状均为圆形时，ρ＝1；N1、N2分别为该两平面螺旋线圈的匝数。
[0030]本专利技术提供的一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统，采用了多线圈多负载的耦合机构，通过设置多级等效负载电阻相等并且耦合机构互感满足一定关系，以两级线圈两个负载推导了两段传输距离下双路恒压输出的实现条件。实验证明，本专利技术所述系统可以实现多级负载端的恒压输出，在负载变化时也能拾取到较为一致的功率，同时还提升了总的无线传能距离。
附图说明
[0031]图1是本专利技术实施例提供的三线圈双负载无线电能传输系统的耦合结构图；
[0032]图2是本专利技术实施例提供的三线圈双负载无线电能传输系统的电路原理图；
[0033]图3是不同线圈间距下拾取线圈L4的匝数与半径关系图；
[0034]图4是线圈互感随间距d变化的曲线图；
[0035]图5是带屏蔽体结构的耦合机构示意图；
[0036]图6是加入屏蔽体后线圈互感随间距变化的曲线图；
[0037]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统，其特征在于，其耦合结构包括发射线圈和第1～第A级接收线圈，A≥2；所述第2～A级接收线圈由同轴放置的第1～第A-1级中继线圈和第1～第A-1级拾取线圈组成；所述发射线圈、所述第1级接收线圈、所述第1～第A-1级中继线圈依次同轴放置且尺寸相同；第1～第A负载分别串接于所述第1级接收线圈和所述第1～第A-1级拾取线圈所在的谐振回路中。2.如权利要求1所述的一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统，其特征在于：所述第1～第A负载的电阻相等，所述第1级接收线圈、所述第1～第A-1级中继线圈和所述第1～第A-1级拾取线圈相对的两级线圈之间的互感相等。3.如权利要求2所述的一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统，其特征在于：所述发射线圈与所述第1级接收线圈相距d1，所述第1～第A级接收线圈中相邻的两级接收线圈相距d2，d1＝d2＝d。4.如权利要求3所述的一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统，其特征在于：所述发射线圈包括第一磁芯，以及紧贴所述第一磁芯且正对所述第1级接收线圈的第一线圈；所述第1级接收线圈及所述第1～第A-1级中继线圈均包括按照传输方向顺序设置的第二线圈、第二磁芯、铝板、第三磁芯、第三线圈；所述第1～第A-1级拾取线圈包括第四磁芯，以及紧贴所述第四磁芯的第四线圈，所述第四线圈贴近其对应的中继线圈的第三线圈；所述第一～第四线圈、所述第一～第四磁芯、所述铝板均同轴设置，所述第一～第三线圈尺寸相同，所述第四线圈与所述第一～第三线圈形状相同但尺寸更小，所述第一～第四磁芯尺寸相同。5.如权利要求4所述的一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统，其特征在于，当A＝2时，该系统的KVL方程为：其中，为全桥逆变电路输出的等效交流电压向量，L0为所述发射电路的谐振电感，L1为所述发射线圈的自感，L2、L3、L4分别代表所述第1级接收线圈、所述第1级中继线圈和所述第1级拾取线圈的自感，C0、C1为LCC原边发射电路中的两个谐振电容，C2、C3、C4分别为L2、L3、L4各自所在谐振回路中的谐振电容，为所述全桥逆变电路输出的电流向量，为所述LCC原边发射电路流向所述发射线圈的电流向量，分别为L2、L3、L4各自所在谐振回路的电流向量，R1、R2、R3、R4分别为L1、L2、...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷勇，许庆强，王成亮，肖宇华，杨庆胜，徐妍，王智慧，左志平，贾亚辉，
申请(专利权)人：江苏方天电力技术有限公司重庆大学，
类型：发明
国别省市：