[发明专利]一种对称耦合串联谐振的无线充电系统及充电装置

说明书

本发明公开了一种对称耦合串联谐振的无线充电系统及充电装置，设置两个相同的收发单元，该单元是由发射端子、发射机和接收端子、接收机以及各自的隔离网络、接地网络、调谐元件和屏蔽曲面组成，发射端子和接收端子通过电磁场耦合，构成可独立工作的串联谐振无线充电装置；在两个收发单元的发射端加载幅度相等、相位相反的驱动电压，接收端经负载网络按中心镜像对称方式连接负载，设置负载电流幅度相位比较及控制电路且合并接地线，构成对称耦合的无线充电系统；调整负载网络使接地线电流为零、接收端可以脱离地面工作；调整两个发射端的相互位置改变电场分布，控制充电范围。本发明不仅适合对地面固定设备、也适合对空中或运动中设备的无线充电。

技术领域

本发明涉及电能传输领域，属于能量及信息传输设备，更具体地说是一种对称耦合串联谐振无线充电的系统及装置。

背景技术

无线电能传输是利用电磁波进行能量传输，在航空航天、机器人、电动汽车、水下作业、家用电器等领域有着重要的应用价值。其传输方式可分为基于辐射场的远场充电和基于非辐射场的近场充电；离辐射源的距离L大于波长λ的范围通常称为远场，小于波长λ的范围则称为近场，实际应用一般小于λ/2π。

远场充电通常采用微波技术或激光技术，其优势在于方向性强、能量密度大，缺点是能量转换效率低、生物安全性差，应用范围受限。

近场充电最典型的有磁感应技术和磁共振技术；磁感应技术是利用电磁感应原理将能量从发射端的初级线圈耦合到接收端的次级线圈，两个线圈之间的距离小于线圈直径，通常用在厘米甚至毫米量级，该技术虽然在家用电器领域已得到广泛应用，但无法用于移动目标的无线充电；磁共振技术是将发射端和接收端的装置调谐到相同的工作频率，在近场范围内使两者“共振”，因其接收端所能够接收到的信号能量取决于线圈的直径和相互距离，当距离超过几倍线圈(的)直径时传输效率急剧下降，这是其传输机理所决定的，无法从根本上加以改变，该技术显然不能用于远距离无线充电。

针对近场充电，为了提高传输距离，公开号为CN106208413A的专利文献中公开了“一种利用空间共振电场的单导线与无线混合式电力传输系统”，它是一种单线传输技术。单线传输技术的发射端是升压变压器，接收端是降压变压器，两个变压器的一端用架空的单导线相连，另一端各自连接发射金属体和接收金属体，通过电场进行耦合，该技术通过“导引线”将发射端和接收端连接成“整体”，使系统在“近场区域”内可用集总参数分析；在理想环境下传输距离接近近场区域的半径，远远大于磁共振技术；但是，在有大地存在的环境下,理论分析、计算机仿真和试验结果都表明，其有效传输距离比磁共振技术只是略有提高，随着距离的增加传输效率仍然下降得很快，其原因有两个：一是由于发射金属体和接收金属体与导引线之间的电容以及这两个金属体与大地之间的电容对信号造成了分流损耗，二是由于导引线与大地之间的电容产生了大地感应电流损耗；这两种损耗造成系统Q值低、频率范围窄、参数调整困难；虽然这两种损耗可以通过提高设备的工作频率或架设高度去减少，但是，提高工作频率会使发射设备的近场范围即最大可传输距离变小，而提高设备高度则要接近一个波长才能脱离大地影响，1MHz信号在大气中的波长是300米，这使得工程实施极其困难、造价十分昂贵；此外，因存在导引线，单线传输技术不是真正意义上的“无线”充电方式，也不能用于移动物体充电。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种对称耦合串联谐振无线充电系统及充电装置，其充电范围比现有技术中的近场充电方式大，不仅适合对地面固定电子设备的无线电充电，也适合对空中或运动中电子设备的无线充电。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明对称耦合串联谐振的无线充电系统的特点是：

设置两个相同的收发单元，分别是左侧单元和右侧单元；所述收发单元为串联谐振无线充电装置，是由发射端和接收端构成，发射端中发射端子与接收端中接收端子之间通过电场耦合或磁场耦合，发射端和接收端的接地端接入大地，在工作频率下，各收发单元形成等效串联谐振回路，使得能量从发射端传递到接收端；