一种带阻抗匹配的可重构电流型无线电能传输系统

1.本实用新型属于无线可充电传感器网络能量供应技术领域，具体涉及一种带阻抗匹配的可重构电流型无线电能传输系统。


背景技术：

2.因为电压谐振式系统和电流谐振式系统分别适用在耦合距离或负载值较小和较大，即接收端电压较大和较小的场景。而在植入式医疗、传感器、无线射频识别和无线充电设备等的应用背景下，都会面临由于线圈的耦合条件(包括相对距离和相对方向等)、电路谐振状态或者负载的改变导致的接收端接收功率变化的问题。而可重构电流型系统基于对接收端电压幅值的检测，使得系统在接收端电压较大时工作在电压谐振式，接收端电压较小时工作在电流谐振式，分别使系统获得更高的能量传输效率(power transfer efficiency，pte)和电压转换效率(voltage conversion efficiency，vce)，同时拓展了系统的传输距离和负载范围，使得系统可以应用在传输距离和负载变化较大的场景。
3.但可重构电流型系统也会面临当工作在电压谐振式时，由于不同负载的差异使得系统传递至不同负载的能量(power deliveredto load，pdl)以及能量传输效率pte并不能保持最优的问题，甚至pdl和pte都为一个极小值，因而并不能满足负载所需系统提供的能量。而为了解决这一问题，本文提出了基于可重构电流型系统工作在电压谐振式时与阻抗匹配技术相结合的技术方案和电路结构，使得在系统以电压谐振式运行时，在任意负载下均能使得系统输出最大功率，保证最大功率传输效率，并且同时不会影响系统以电流谐振式运行时的性能。


技术实现要素：

4.本实用新型提供一种带阻抗匹配的可重构电流型无线电能传输系统。
5.本实用新型包括发送端和接收端。所述的接收端包括接收线圈l2、匹配电感ls、匹配电容cp、开关管m1、开关管m2、开关管m3、开关管m4和电容c2。所述接收线圈l2的一端通过开关管m4连接到负载rl的第一输入端，通过串联的匹配电感ls和开关管m3连接到负载rl的第一输入端；接收线圈l2的另一端连接到负载rl的第二输入端。串联的匹配电容cp、开关管m1并联在接收线圈l2、匹配电感ls的两端或并联在接收线圈l2的两端。串联的电容c2、开关管m2并联在接收线圈l2的两端。
6.作为优选，所述匹配电感ls的电感值、匹配电容cp的电容值根据各项工作参数确定，使得无线电能传输功率达到最大。
7.作为优选，所述的发送端包括串联的信号源、补偿电容c1和发送线圈l1。
8.本实用新型的有益效果如下：
9.1、本实用新型在可重构电流型无线电能传输系统中引入l型阻抗匹配网络，使得可重构电流型无线电能传输系统能够工作在最大传输功率附近。
10.2、本实用新型基于可重构电流型无线电能传输系统，通过结合阻抗匹配网络，使
得系统以电压模式工作时只需要调整阻抗匹配网络的元器件参数，就能在不同负载条件下均实现最大功率传输。
附图说明
11.图1为本实用新型的电路原理图；
12.图2为本实用新型以电压模式工作的等效电路图；
13.图3为本实用新型以电流模式工作的等效电路图。
具体实施方式
14.以下结合附图对本实用新型进一步说明。
15.如图1所示，一种带阻抗匹配的可重构电流型无线电能传输系统，包括发送端和接收端。发送端包括串联的信号源、补偿电容c1和发送线圈l1；接收端包括接收线圈l2、匹配电感ls、匹配电容cp、开关管m1、开关管m2、开关管m3、开关管m4、电容c2和负载r
l
。发送线圈l1的寄生电阻记为电阻r1。发送线圈l2的寄生电阻记为电阻r2；负载rl的寄生电容记为电容cl。接收线圈l2的一端通过开关管m4连接到负载rl的第一输入端，通过串联的匹配电感ls和开关管m3连接到负载rl的第一输入端；接收线圈l2的另一端连接到负载rl的第二输入端。串联的匹配电容cp、开关管m1并联在接收线圈l2、匹配电感ls的两端或并联在接收线圈l2的两端(图1中为并联在接收线圈l2、匹配电感ls的两端，仅表示其中一种方案，并非必选方案)。串联的匹配电容c2、开关管m2并联在接收线圈l2的两端。匹配电感ls和匹配电容cp形成一个l型的阻抗匹配网络。匹配电感ls的电感值、匹配电容cp的电容值根据各项工作参数确定，使得无线电能传输功率达到最大。开关管m1、开关管m2、开关管m3、开关管m4由外部的控制电路来控制开闭；控制电路中的控制器可以选用单片机。
16.通过调整匹配电感ls和匹配电容cp的参数值，即可使得不同的负载rl工作在最大功率附近。
17.该带阻抗匹配的可重构电流型无线电能传输系统的工作原理为：
18.首先通过包络检测电路对接收端线圈两端电压v
r
幅值进行检测，通过模式选择电路判断接收线圈输出的电压v
r
相对于参考电压(v
ref
)的小或大来决定系统将工作在电流模式(current mode，cm)或者是电压模式(voltage mode，vm)，当工作在电流模式时，会通过电流模式的控制电路去产生相应的开关信号cm_gate和cm_charge，以控制开关管m2和开关管m4的导通与关断；开关管m2会以设定的周期(n*t
p
，t
p
为系统工作周期，n一般取值为3～20)循环通断；当开关管m2导通时，开关管m4断开，此时l2c2网络进行能量积累，当经过(n
‑
1/4)*t
p
时间积累后，所有能量都储存在电感l2上，此时cm_gate控制开关管m2断开，cm_charge控制关管m4导通，由于电感l2上电流不能突变且通过开关管m4流向负载是其唯一的放电通路，所以l2c2以等效电流源的形式向负载供电，充电阶段会在t
p
/4时间内完成；当工作在电压模式时，m2和m4均导通，l2c2网络以等效电压源的形式向负载传递能量。
19.而在可重构电流型谐振式无线供电系统的基础上结合l型阻抗匹配网络，可将任意负载值匹配为最优值，从而实现了系统以电压模式工作时在任意负载条件下的最大功率传输，由于在实际应用中r
l
>r
eqr,opt
更为普遍；本实用新型采用l
‑
ii型阻抗匹配结构。其工作原理为：首先通过包络检测电路对接收端电压幅值v
r
进行检测，再经模式选择电路将v
r
与参
考电压v
ref
(一般为3v)进行比较，当v
r
>v
ref
时，系统将以vm模式运行，开关管m1导通，开关管m2和m4截止，其等效电路如图2所示；当v
r
<v
ref
时，系统将以cm模式运行，开关管m2导通，开关管m1和m3截止，其等效电路如图3所示。而当系统以vm模式工作时，此时vm_gate为高电平，m1导通，m2、m4截止，同时会触发vm模式控制电路，当补偿电容c
p
两端电压v
cp
大于负载两端电压v
l
时，m3导通给负载供电。
20.当系统接收端电压幅值v
r
较小，系统将以cm模式工作，此时会触发cm模式控制电路，开关管m1、m3截止，当m2断开且v
r
跳变的过程中大于v
l
时，会使得cm_charge为低电平，m4导通以给负载供电。