一种阻抗自动匹配的磁耦合无线电能传输充电装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种阻抗自动匹配的磁耦合无线电能传输充电装置，其包括信号发生器、功率放大器、L型阻抗匹配网络、可切换线圈、接收线圈和负载；信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与L型阻抗匹配网络相连，L型阻抗匹配网络与可切换线圈相连，可切换线圈与接收线圈间通过磁耦合进行无线电能传输，接收线圈与负载相连接。L型阻抗匹配网络包括一个电容阵列和一个电感阵列，控制器可通过阻抗匹配网络各个支路的支路开关控制电容阵列或电感阵列中的相应支路的电容或电感的通断，从而改变L型阻抗匹配网络的电容值和电感值。本发明专利技术通过在负载阻抗和发射线圈内阻之间设置阻抗匹配网络，从而使得该无线输电线圈能够适应不同负载的不同功率需求。的不同功率需求。的不同功率需求。

【技术实现步骤摘要】
一种阻抗自动匹配的磁耦合无线电能传输充电装置


[0001]本专利技术涉及无线充电
，尤其涉及一种阻抗自动匹配的磁耦合无线电能传输充电装置。

技术介绍

[0002]随着时代的发展，电力设备的发展也日新月异，电力设备应用在各种各样复杂的场合中。传统的有线电能传输由于存在输电线路容易破损老化而产生电火花的问题，严重影响了电气设备的寿命甚至影响人们的人身安全，已经不能满足人们对于高品质生活水平的需求。磁耦合谐振传输技术具有传输功率适中、效率高、距离适中的特点，具有重要的研究价值和应用意义。
[0003]虽然无线传能有很多优点，但是在工程应用中仍存在很多问题。在许多应用场景中，例如生物医学中的生物电子设备、电动汽车、无人机和移动电子设备的充电，都需要灵活的转移位置和较高的充电效率。移动设备充电时，接收线圈偏移系统的充电效率会急剧下降，不同的充电终端由于所需功率不同，需要不同的充电平台。理想情况下，充电平台应该具有通用性，并能实现功率自适应和距离自适应。为解决移动无线充电的上述问题，许多方法被提出，例如自适应频率跟踪、阻抗匹配法、线圈结构设计。
[0004]频率跟踪技术是通过WPT/MRC系统中附加高频电流检测器、差分放大器、相位补偿器、锁相环等一系列复杂的电路来实现对发射回路谐振频率的跟踪控制。但是，这些附加的电路会使系统变得复杂，影响了系统的可靠性和效率，系统在水平与偏移方向上的抗偏移能力不够。
[0005]阻抗匹配法是在WPT系统中发射端加入阻抗匹配电路使以实现系统的阻抗匹配，从而来提高系统的效率，然而，单纯的阻抗匹配法也无法提高线圈之间的输电效率。

技术实现思路

[0006]针对现有的无线电能传输系统难以适应不同负载的不同功率需求的问题，本专利技术公开了一种阻抗自动匹配的磁耦合无线电能传输充电装置，包括信号发生器、功率放大器、L型阻抗匹配网络、可切换线圈、接收线圈和负载。功率放大器的内阻为R
s
，发射线圈n的内阻为R
n
，发射线圈n的补偿电容为C
n
，接收线圈L
RX
包含寄生电阻和补偿电容C
RX
，寄生电阻的阻值为R
RX
，可切换线圈包含N0个可用于无线电能传输的发射线圈。接收线圈的电感为L
RX
，负载的电阻为R
L
，可切换线圈的电感为L
n
。信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与L型阻抗匹配网络相连，L型阻抗匹配网络与可切换线圈相连，可切换线圈与测距模块相连，测距模块和L型阻抗匹配网络均与控制器相连，信号发生器、功率放大器、可切换线圈、L型阻抗匹配网络、测距模块位于无线电能传输的发射端，可切换线圈与接收线圈间通过磁耦合进行无线电能传输，接收线圈与负载相连接，接收线圈与负载位于无线电能传输的接收端。
[0007]当负载阻抗和发射线圈的内阻相等时，激励源输出功率最大，负载可以获得最大功率输出。Z
in
为该磁耦合无线电能传输线圈的输入阻抗，其计算公式为：
[0008][0009]当线圈发生偏移时，互感M1变化，当切换线圈时，R
n
变化，当电池充电时，R
L
会变化，所以为了使接收端功率达到最大，应该加入匹配网络使
[0010]Z
in，opt
＝R
s
；
[0011]L型阻抗匹配网络包括一个电容阵列和一个电感阵列，电容阵列中的每个电容支路均包含一个支路开关，电感阵列中的每个电感支路均包含一个支路开关，控制器可通过各个支路的支路开关控制电容阵列或电感阵列中的相应支路的电容或电感的通断，从而改变L型阻抗匹配网络的电容值和电感值。
[0012]发射端测距模块测量接收线圈与发射线圈的水平偏移距离h与垂直偏移距离d并将测量的距离发送给控制器，控制器根据收到的距离，计算发射线圈与接收线圈的互感M
n
和发射线圈内阻R
n
，进而计算该磁耦合无线电能传输线圈的输入阻抗Z
in
，其计算公式为：
[0013][0014]控制器判断计算Z
in
是否等于R
s
，若Z
in
≠R
s
，控制器计算接收线圈与发射线圈处于当前位置时实现该磁耦合无线电能传输线圈的阻抗匹配，阻抗匹配网络的电容阵列的所需的电容值X1和电感阵列的所需的电感值X2，控制器根据此电容值X1和电感值X2分别计算电容阵列和电感阵列中的每个支路开关的通断状态，并根据计算结果，控制阻抗匹配网络中的电容阵列和电感阵列中的每个支路开关设置到相应的通断状态，从而使阻抗匹配网络调节到所需的电容值和电感值。
[0015]当功率放大器的内阻R
s
＞R
L
时，为实现该磁耦合无线电能传输线圈的阻抗匹配，阻抗匹配网络的电容阵列的所需的电容值X1和电感阵列的所需的电感值X2的计算公式分别为：
[0016][0017][0018]控制器根据此电容值X1和电感值X2分别计算电容阵列和电感阵列中的每个支路开关的通断状态。
[0019]控制器利用基于人工神经网络的机器学习方法，计算电容阵列和电感阵列中的每个支路开关的通断状态，将阻抗匹配网络的所有支路开关的通断状态用通断矩阵T表示，T＝[t
11
，t
12
，...，t
1N
；t
21
，t
22
，...，t
2N
]，其中，N为电感阵列或电容阵列中所包含的电感或电容的数量，通断矩阵T的第一行向量表示电容阵列的所有支路开关的通断状态，通断矩阵T的第二行向量表示电感阵列的所有支路开关的通断状态，对于t
ij
＝1，表示该电感阵列或电容阵列中的第j个支路开关为接通状态，对于t
ij
＝0，表示该电感阵列或电容阵列中的第j个支路开关为断开状态，i＝1，2，j＝1，2，...，N；该人工神经网络的输入为接收线圈与发射线圈之间的水平偏移距离和垂直偏移距离，其输出为通断矩阵T；利用接收线圈与发射线圈之间的不同的水平偏移距离和垂直偏移距离，以及对应位置下该磁耦合无线电能传输线圈实
现阻抗匹配时阻抗匹配网络的通断矩阵T，作为训练样本数据，输入到该人工神经网络中对其进行训练，待完成训练后，控制器利用该完成训练的人工神经网络，计算接收线圈与发射线圈之间处于当前距离时阻抗匹配网络的通断矩阵T，进而得到电容阵列和电感阵列中的每个支路开关的通断状态。
[0020]对于发射线圈，控制器计算发射线圈与接收线圈的互感M
n
，互感M
n
的计算公式为：
[0021][0022]其中，N1、N2分别为发射线圈与接收线圈的每层匝数，r1为发射线圈的半径，r2为接收线圈的半径，μ0为真空磁导率，R
QN
为两线圈上任意两点间距离本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种阻抗自动匹配的磁耦合无线电能传输充电装置，其特征在于，其包括信号发生器、功率放大器、L型阻抗匹配网络、可切换线圈、接收线圈和负载；功率放大器的内阻为R
s
，发射线圈n的内阻为R
n
，接收线圈L
RX
包含寄生电阻，其阻值为R
RX
，可切换线圈包含N0个可用于无线电能传输的发射线圈，负载的电阻为R
L
；信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与L型阻抗匹配网络相连，L型阻抗匹配网络与可切换线圈相连，可切换线圈与测距模块相连，测距模块和L型阻抗匹配网络均与控制器相连，信号发生器、功率放大器、可切换线圈、L型阻抗匹配网络、测距模块位于无线电能传输的发射端，可切换线圈与接收线圈间通过磁耦合进行无线电能传输，接收线圈与负载相连接，接收线圈与负载位于无线电能传输的接收端。2.如权利要求1所述的阻抗自动匹配的磁耦合无线电能传输充电装置，其特征在于，L型阻抗匹配网络包括一个电容阵列和一个电感阵列，电容阵列中的每个电容支路均包含一个支路开关，电感阵列中的每个电感支路均包含一个支路开关，控制器可通过各个支路的支路开关控制电容阵列或电感阵列中的相应支路的电容或电感的通断，从而改变L型阻抗匹配网络的电容值和电感值。3.如权利要求2所述的阻抗自动匹配的磁耦合无线电能传输充电装置，其特征在于，发射端测距模块测量接收线圈与发射线圈的水平偏移距离h与垂直偏移距离d并将测量的距离发送给控制器，控制器根据收到的距离，计算发射线圈与接收线圈的互感M
n
和发射线圈内阻R
n
，进而计算该磁耦合无线电能传输线圈的输入阻抗Z
in
，其计算公式为：控制器判断计算Z
in
是否等于R
s
，若Z
in
≠R
s
，控制器计算接收线圈与发射线圈处于当前位置时实现该磁耦合无线电能传输线圈的阻抗匹配，阻抗匹配网络的电容阵列的所需的电容值X1和电感阵列的所需的电感值X2，控制器根据此电容值X1和电感值X2分别计算电容阵列和电感阵列中的每个支路开关的通断状态，并根据计算结果，控制阻抗匹配网络中的电容阵列和电感阵列中的每个支路开关设置到相应的通断状态，从而使阻抗匹配网络调节到所需的电容值和电感值。4.如权利要求3所述的阻抗自动匹配的磁耦合无线电能传输充电装置，其特征在于，当功率放大器的内阻R
s
>R
L
时，为实现该磁耦合无线电能传输线圈的阻抗匹配，阻抗匹配网络的电容阵列的所需的电容值X1和电感阵列的所需的电感值X2的计算公式分别为：配网络的电容阵列的所需的电容值X1和电感阵列的所需的电感值X2的计算公式分别为：控制器根据此电容值X1和电感值X2分别计算电容阵列和电感阵列中的每个支路开关的通断状态。5.如权利要求3所述的阻抗自动匹配的磁耦合无线电能传输充电装置，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：王长富，张航，鲁长波，徐万里，王旭东，周友杰，陈今茂，安高军，王耀辉，周维贵，
申请(专利权)人：军事科学院系统工程研究院军事新能源技术研究所，
类型：发明
国别省市：