[发明专利]基于SS拓扑的磁谐振无线能量传输系统

说明书

本发明提出一种基于SS拓扑的无线能量传输系统，用于解决现有技术中负载较大时效率较低和系统复杂的技术问题，包括由市电输入模块和DC_DC降压模块共同组成的输入电源模块、初级逆变模块、初级阻抗匹配模块、WPT模块、次级阻抗匹配模块和次级整流滤波模块，通过设计WPT模块中初级与次级线圈为导线螺旋缠绕在两个开口相对放置的U型磁芯底部的结构，并设计次级阻抗匹配模块将WPT模块的输出阻抗匹配到最佳负载点，提高了系统传输效率，此外设计初级阻抗匹配模块提升初级逆变模块的输出阻抗，令DC_DC降压模块与市电输入模块组成的输入电源模块得以适用，替代复杂的直流稳压电源或含变压器的开关电源模块，简化了系统。

技术领域

本发明属于无线能量传输技术领域，涉及一种磁谐振无线能量传输系统，具体涉及一种基于SS拓扑的磁谐振无线能量传输系统，用于较大负载的无线供电。

背景技术

无线能量传输(Wireless Power Transmission，WPT)技术一直是人类研究的热门话题，主要是以非接触的方式对供电设备进行电能传输。与有线能量传输相比，它避免了用电设备之间主要通过导线连接获取能量过程中产生电火花、导线裸露、磨损等不安全供电因素。无线能量传输技术的出现为某些特殊场合：比如，密封环境、旋转部件、水下监测等的供电开辟了新的供电途径；同时开拓了在感应电动汽车、高速磁悬浮列车馈电、医疗设备、消费电子及传感器网络等方面的应用。

无线能量传输系统主要分为电波辐射式、感应耦合式和磁谐振式三种类型，其中磁谐振式主要是利用两个线圈在电磁场近场范围内的磁场共振实现电能-磁能-电能的无线能量传输。无线能量传输系统与电波辐射式无线能量传输系统相比，具有传输功率大、传输效率高和无方向性的特点，且传输功率从以前的毫瓦级提高到千瓦级，传输效率也得到大大的提升，与感应耦合式无线能量传输系统相比，传输距离大大提高，突破了感应耦合式无线能量传输系统的无线传输距离仅在毫米等级以内的限制。

现有常见磁谐振无线能量传输系统主要由输入电源模块、初级逆变模块、WPT模块和次级整流滤波模块构成，其系统传输效率和复杂度等是衡量一个系统好坏的重要指标。其WPT模块采用的最基本的是双线圈结构，其根据初级发射线圈和次级接收线圈分别与其初级谐振补偿电容和次级谐振补偿电容的连接方式不同，可分为串联—串联(SS)拓扑、串联—并联(SP)拓扑、并联—串联(PS)拓扑、并联—并联(PP)拓扑。其中SS拓扑具有其初级反射阻抗与负载无关、适用于小负载系统等良好特性，得到了大量的研究和应用。例如，申请公布号为CN 107681791 A,名称为“一种半桥谐振无线能量传输系统”的专利申请，公开了一种半桥谐振无线能量传输系统，包括直流电源、BUCK电路、半桥逆变电路、第一谐振器、第二谐振器和辅助电路，该发明主要通过BUCK电路以及辅助电路的控制实现系统谐振状态的维持，以此实现较为高效的电能传输。但是其第一谐振器与第二谐振器中的线圈结构简单，其第二谐振器与负载直接相连，导致两个线圈之间的无线能量传输效率提升有限。

另外，对于SS拓扑，由于其自身特性的原因，对于较大负载而言，其对应的初级反射阻抗很小，这意味着在满足一定功率输出下其只需要很小的供电电压，直流稳压电源体积庞大，不易于无线能量系统集成与产品化，但如果从接入市电开始自己设计一个无线能量传输系统，其前级也需要设计含变压器的较为复杂的开关电源模块作为输入电源模块才能满足应用。综上所述，针对于较大负载情况，如何考虑从无线能量传输系统的各个部分进行优化，设计一个完整的从接入市电开始的高效且构造简单的SS拓扑磁谐振无线能量传输系统是一个有待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于SS拓扑的磁谐振无线能量传输系统，用于解决现有技术中存在的负载较大时效率较低和系统复杂的技术问题。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案包括顺次连接的输入电源模块1、初级逆变模块2、WPT模块3和次级整流滤波模块4，其中：

所述输入电源模块1，用于将输入的交流市电转化为可调直流电输出；