[发明专利]脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置

权利要求书

1.一种脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，包括低频脉冲 能量储存单元(1)、脉冲能量转移单元(2)、高频谐振发射单元(3)、接收端 谐振单元(4)；

直流电源(5)向低频脉冲能量储存单元(1)提供注入能量，低频脉冲能 量储存单元(1)与脉冲能量转移单元(2)相连接，再与高频谐振发射单元(3) 相连，高频谐振发射单元(3)通过发射线圈L_T(13)与接收线圈L_r(16)的耦 合谐振向接收端谐振单元(4)传输能量，接收端谐振单元(4)接收能量并向负载 电阻R_r(18)供电；

所述低频脉冲能量储存单元(1)包括开关管S₁(6)、吸收电容C₁(7)、耦 合电感L₁(8)，开关管S₁(6)连接在直流电源(5)和耦合电感L₁(8)之间；吸 收电容C₁(7)并联在开关管S₁(6)功率端两端；

所述的脉冲能量转移单元(2)包括耦合电感L₂(9)、二极管D₁(10)、开关 管S₂(11)、缓冲电容C₂(12)，耦合电感L₂(8)与耦合电感L₁(9)耦合连接，并和 二极管D₁(10)的正极相连接，开关管S₂(11)、缓冲电容C₂(12)都并联在二极管 D₁(10)的负极和接地端之间。

2.如权利要求1所述的一种脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征 在于，所述低频脉冲能量储存单元(1)和脉冲能量转移单元(2)的工作频率 相同，该工作频率远低于高频谐振发射单元(3)的谐振频率。

3.如权利要求1所述的一种脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征 在于，所述高频谐振发射单元(3)包括发射线圈L_T(13)、发射补偿电容C_T(14)、 发射线圈电阻R_T(15)；发射线圈L_T(13)、发射补偿电容C_T(14)、发射线圈电 阻R_T(15)组成串联谐振网络，并联在缓冲电容C₂(12)两端。

4.如权利要求1所述的一种脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征 在于，所述接收端谐振单元(4)包括接收线圈L_r(16)、接收补偿电容C_r(17)、 负载电阻R_r(18)；接收线圈L_r(16)、接收补偿电容C_r(17)、负载电阻R_r(18) 组成串联谐振网络，发射线圈L_T(13)与接收线圈L_r(16)的耦合系数为K。

5.如权利要求1所述的一种脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征 在于，所述低频脉冲能量储存单元(1)中的耦合电感L₁(8)匝数为耦合电感L₂(9)匝数的n倍，n大于等于2。

6.如权利要求1所述的一种脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征 在于，根据装置中开关状态的不同，电路工作过程具体包括四个模态，实现步 骤如下：

步骤A：开关管S₁(6)与开关管S₂(11)触发导通，左侧直流电源(5)为耦 合电感L₁(8)充电，右侧高频谐振发射单元(3)以自由振荡形式传输能量，此 为模态1；

步骤B：开关管S₁(6)断开，开关管S₂(11)保持导通，耦合电感L₁(8)中储存 的能量在极短时间内转移到耦合电感L₂(9)中，如果耦合电感L₁(8)与耦合电感 L₂(9)不是完全耦合，则需要利用吸收电容C₁(7)对漏感能量进行吸收，吸收掉 的漏感能量会沿着由吸收电容C₁(7)，直流电源(5)和耦合电感L₁(8)组成的谐振 回路向耦合电感L₁(8)释放，在耦合电感L₁(8)上会形成一个反向的电流，被吸 收电容C₁(7)吸收的能量被完全释放后，开关管S₁(6)内部的体二极管会导通， 耦合电感L₁(8)中的能量将回馈到直流电源(5)中去，此为模态2；

步骤C：断开开关管S₂(11)，耦合电感L₂(9)中的能量转移到高频谐振 发射单元(3)中，此为模态3，具体步骤如下：

步骤C1：耦合电感L₂(9)中的能量必须完全释放并转移到缓冲电容C₂(12) 和高频谐振发射单元(3)中，

步骤C2：缓冲电容C₂(12)与发射线圈L_T(13)、高频谐振发射单元(3)中 的发射补偿电容C_T(14)形成一个谐振网络，缓冲电容C₂(12)中的能量以振荡的 形式被转移到高频谐振发射单元(3)中，

上述C1、C2两个步骤实际是同时进行的，但是第一步必须比第二步提前完 成；

步骤D：缓冲电容C₂(12)中的能量完全释放后，将开关管S₂(11)导通，形 成发射线圈L_T(13)-发射补偿电容C_T(14)-发射线圈电阻R_T(15)-开关管 S₂(11)的发射谐振网络，并与接收端谐振单元(4)形成磁耦合谐振，此为模 态4。