本發(fā)明涉及無線電能傳輸領(lǐng)域，具體涉及一種添加三極中繼線圈的無線電能傳輸系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、無線電能傳輸技術(shù)由于無需物理接觸、安全性高等特點(diǎn)在植入式醫(yī)療器械、電動(dòng)汽車無線充電等領(lǐng)域受到應(yīng)用。目前研究和應(yīng)用最為廣泛的無線電能傳輸系統(tǒng)為使用兩個(gè)磁能線圈組的兩線圈系統(tǒng)，并且在發(fā)射側(cè)、接收側(cè)分別使用補(bǔ)償電容使發(fā)射側(cè)和接收側(cè)同時(shí)工作在自諧振狀態(tài)（傅文珍,張波,丘東元.基于諧振耦合的電能無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[j].機(jī)電工程,2011,28(06):746-749.），以提高無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率。但是兩線圈傳輸系統(tǒng)的傳輸性能對(duì)發(fā)射線圈與接收線圈的相對(duì)位置高度敏感。一般將發(fā)射線圈和接收線圈軸向?qū)?zhǔn)的擺放狀態(tài)稱為正對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)，此時(shí)線圈之間的耦合系數(shù)高，系統(tǒng)傳輸性能良好。而當(dāng)接收線圈的位置在擺放平面內(nèi)發(fā)生變化時(shí)，線圈之間的耦合系數(shù)隨之下降，線圈電流上升，導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低、漏磁通密度升高，這阻礙了無線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用和推廣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服目前無線電能傳輸系統(tǒng)因接收線圈平面偏移導(dǎo)致的系統(tǒng)傳輸效率降低、漏磁通密度提高的問題，提供一種添加三極中繼線圈的無線電能傳輸系統(tǒng)，同時(shí)通過參數(shù)設(shè)計(jì)使系統(tǒng)具備負(fù)載無關(guān)的恒流輸出以及輸入電壓和輸入電流之間零相位差的特性。

2、為了解決以上問題，本發(fā)明提出了一種添加三極中繼線圈的無線電能傳輸系統(tǒng)。在發(fā)射線圈上方使用包含三個(gè)子線圈的三極中繼線圈，當(dāng)接收線圈發(fā)生位置偏移時(shí)，它與不同的中繼線圈的互感發(fā)生不同的變化。通過對(duì)中繼線圈電抗的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)與接收線圈互感更大的中繼線圈流過更大的電流，其它中繼線圈流過相對(duì)較小的電流，從而減小線圈的寄生電阻產(chǎn)生的損耗，并降低充電區(qū)域周圍的漏磁通密度，提高了系統(tǒng)的抗偏移能力。同時(shí)，通過對(duì)發(fā)射線圈和接收線圈的電抗的參數(shù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載無關(guān)的恒流輸出以及輸入電流和輸入電壓的零相位差，保證了系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性和高功率因數(shù)。

3、本發(fā)明的目的至少通過如下技術(shù)方案之一實(shí)現(xiàn)。

4、一種添加三極中繼線圈的無線電能傳輸系統(tǒng)，包括功率源模塊、逆變模塊、傳輸線圈模塊、整流模塊及負(fù)載；

5、功率源模塊包括理想電壓源，為逆變模塊、傳輸線圈模塊、整流模塊及負(fù)載提供電能；

6、當(dāng)理想電壓源通電后，電能經(jīng)逆變模塊轉(zhuǎn)化為交流電，并輸入到傳輸線圈模塊的發(fā)射線圈；在傳輸線圈模塊中，由于發(fā)射線圈、三極中繼線圈和接收線圈之間有電磁耦合關(guān)系，發(fā)射線圈中的電能經(jīng)三極中繼線圈傳輸?shù)浇邮站€圈，同時(shí)，部分電能從發(fā)射線圈直接傳輸?shù)浇邮站€圈；三極中繼線圈中三個(gè)子線圈的電流強(qiáng)度與子線圈和接收線圈之間的耦合強(qiáng)度正相關(guān)；接收線圈的交流電經(jīng)整流模塊轉(zhuǎn)化為直流電，為負(fù)載供能。

7、進(jìn)一步地，逆變模塊包括第一電容、第二電容、第一橋臂和第二橋臂；

8、傳輸線圈模塊包括電磁耦合的發(fā)射線圈、三極中繼線圈和接收線圈，發(fā)射線圈中的電能經(jīng)三極中繼線圈傳輸?shù)浇邮站€圈；發(fā)射線圈等效為包括發(fā)射線圈內(nèi)阻、發(fā)射線圈電感和發(fā)射線圈補(bǔ)償電容（或外加電感器）的串聯(lián)電路，三極中繼線圈等效為三個(gè)包括中繼線圈內(nèi)阻、中繼線圈電感和中繼線圈補(bǔ)償電容（或外加電感器）的串聯(lián)電路，接收線圈等效為包括接收線圈內(nèi)阻、接收線圈電感和接收線圈諧振電容（或外加電感器）的串聯(lián)電路；

9、整流模塊包括第一二極管、第二二極管、第三二極管、第四二極管和濾波電容；

10、逆變模塊ⅰ的第一電容和第二電容串聯(lián)，第一橋臂和第二橋臂串聯(lián)，電容串聯(lián)支路、橋臂串聯(lián)支路和理想電壓源并聯(lián)；逆變模塊ⅰ的第一電容、第二電容之間，以及第一橋臂和第二橋臂之間分別引出線與傳輸線圈模塊中的發(fā)射線圈的兩端相連；

11、整流模塊的第一二極管和第二二極管串聯(lián)，第三二極管和第四二極管串聯(lián)，濾波電容、負(fù)載和串聯(lián)的第一二極管、第二二極管，以及串聯(lián)的第三二極管、第四二極管并聯(lián)；第一二極管、第二二極管之間，以及第三二極管、第四二極管之間，分別引出線與傳輸線圈模塊中的接收線圈的兩端相連。

12、進(jìn)一步地，所述三極中繼線圈為由三個(gè)子線圈疊放而成的圓形結(jié)構(gòu)；

13、三極中繼線圈中，將該圓形結(jié)構(gòu)以120°的圓心角進(jìn)行劃分，形成3個(gè)子線圈放置區(qū)域；三個(gè)子線圈為類扇形形狀，且形狀、面積相同；將三個(gè)子線圈分別放置在劃分的子線圈放置區(qū)域中，且互相重疊放置，以實(shí)現(xiàn)任意兩個(gè)子線圈之間的磁解耦；

14、由于三個(gè)子線圈在平面內(nèi)的位置不同，三個(gè)子線圈和接收線圈的電磁耦合強(qiáng)度也不同；在電能經(jīng)三極中繼線圈傳輸?shù)浇邮站€圈的過程中，與接收線圈耦合強(qiáng)度高的子線圈流過更大的電流，傳輸更多的電能，以此實(shí)現(xiàn)在接收線圈位置改變的情況下傳輸線圈磁場(chǎng)的定向跟隨。

15、進(jìn)一步地，三極中繼線圈中的三個(gè)子線圈各自單獨(dú)形成閉合回路，不與其它模塊相連。

16、進(jìn)一步地，負(fù)載為純阻性質(zhì)。

17、進(jìn)一步地，所述第一橋臂和第二橋臂均由開關(guān)管和反向并聯(lián)二極管構(gòu)成。

18、進(jìn)一步地，無線電能傳輸系統(tǒng)的輸入阻抗為實(shí)數(shù)，以實(shí)現(xiàn)輸入電壓和輸入電流的零相位差，通過以下參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)：

19、忽略所有線圈的寄生電阻時(shí)，傳輸線圈模塊中的接收線圈的電抗?jié)M足關(guān)系：；

20、其中，三極中繼線圈的子線圈的電抗分別為、、，接收線圈的電抗為，為虛數(shù)單位，為角頻率，滿足，為系統(tǒng)工作頻率；、分別為三極中繼線圈的第個(gè)子線圈的自感和補(bǔ)償電容，，、分別為接收線圈的自感和補(bǔ)償電容；三極中繼線圈和接收線圈的互感抗分別為、、，為三極中繼線圈的第個(gè)子線圈與接收線圈之間的互感，。

21、進(jìn)一步地，輸出電流具有負(fù)載無關(guān)的恒流特性，通過以下參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)：

22、忽略所有線圈的寄生電阻時(shí)，發(fā)射線圈的電抗?jié)M足關(guān)系：，其中，發(fā)射線圈的電抗為，、分別為發(fā)射線圈的自感和補(bǔ)償電容；發(fā)射線圈和三極中繼線圈的互感抗分別為、、，為三極中繼線圈的第個(gè)子線圈與發(fā)射線圈之間的互感，。

23、進(jìn)一步地，若傳輸線圈模塊的所有線圈中，存在有線圈的補(bǔ)償電容計(jì)算值為負(fù)值，則該線圈的補(bǔ)償電容替換為外加電感器，將外加電感器與該線圈串聯(lián)，并根據(jù)確定外加電感器的取值。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：

25、本發(fā)明中，三極中繼線圈的電抗影響了系統(tǒng)的電流分布，通過設(shè)置中繼線圈的電抗數(shù)值，可實(shí)現(xiàn)在接收線圈偏移范圍內(nèi)系統(tǒng)的總體效率最優(yōu)。

26、三極中繼線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電抗數(shù)值設(shè)計(jì)提高了無線電能傳輸系統(tǒng)的抗偏移能力。三極中繼線圈的子線圈分布在二維平面內(nèi)的不同位置，因此，當(dāng)接收線圈發(fā)生平面偏移時(shí)，其與三極中繼線圈的子線圈之間的互感有著不同的變化趨勢(shì)。以接收線圈偏移范圍內(nèi)系統(tǒng)的總體效率最優(yōu)為目標(biāo)設(shè)計(jì)中繼線圈的電抗數(shù)值，實(shí)現(xiàn)三極中繼線圈的子線圈的電流根據(jù)其與接收線圈的互感進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，與接收線圈的互感更大的子中繼線圈流過更大的電流，其它線圈流過相對(duì)較小的電流，從而提高系統(tǒng)效率，減少充電區(qū)域的漏磁通密度。同時(shí)，系統(tǒng)具備負(fù)載無關(guān)的恒流輸出以及輸入電流和輸入電壓之間零相位差的特性。