电容调谐电路的制作方法

本实用新型涉及电能无线传输技术领域，具体涉及一种应用于电能无线传动的电容调谐电路。

背景技术：

随着磁共振式无线电能传输技术和感应式无线电能传输技术的进一步发展，国内外基于该技术的各项实际应用已经涉及电动汽车无线充放电与电网互动“无尾”智能家居、植入式医疗设备供电以及特定工业场合的设备供电等多个领域。然而由于系统的工作频率对系统传输线圈的电感等参数的变化十分敏感，系统传输效率对频率选择性较强，传输效率很容易受谐振频率变化的影响。因此研究系统的稳定性已成为该技术应用研究中的一个热点问题。

有相关研究人员对同一批次生产的若干传输线圈与电容组成调谐电路的固有频率进行了统计，发现在实际的应用中，电容的参数一般较为稳定，但是由于线圈制作工艺、环境变化、安装条件的限制以及高频电路杂散电感和电容等因素的影响，线圈参数偏移情况时有发生。系统实际工作时传输线圈参数的变化，常导致发射和接收线圈的固有频率不能完全匹配。系统传输效率与线圈品质因数关系紧密，因此即使是在传输距离固定、接收端获取的电能向固定负载供电的应用中，较小的线圈参数变化，也有可能明显降低系统的传输效率和稳定性。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种结构合理、并能有效调整无线电能传输系统频率的电容调谐电路，该电容调谐电路可有效提高无线电能传输系统频率无线电能的传输效率和传输温度性。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种电容调谐电路，该电容调谐电路应用于无线电能传输系统；该无线电能传输系统包括电源、发射端及接收端；所述电源与发射端连接；所述接收端与发射端通过磁共振式进行电量无线传输；其特征在于：所述电容调谐电路包括n级电容电路；所述n为自然数；各级电容电路相互串联；所述接收端及发射端分别设置有所述n级电容电路。

优选地，各级所述电容电路分别包括第一电容及第一控制开关；所述第一电容与第一控制开关并联；该第一控制开关用于控制相应第一电容接通与断开。

优选地，所述电容调谐电路还包括电感电路；所述电感电路与电容电路串联。

优选地，所述电感电路包括第一电感及第二控制开关；所述第一电感与第二控制开关并联；所述第二控制开关用于控制第一电感的接通与断开。

优选地，所述第二控制开关包括第二双路单刀双掷继电器、第二三极管及第一控制器；所述第二双路单刀双掷继电器、第二三极管、第二控制器及相应的第一电感串联；所述第二控制器通过控制第二三极管的高低电平控制第二三极管是否导通；所述第二三极管根据其自身的导通状态控制第二双路单刀双掷继电器接通的挡位。

优选地，所述电感电路与电容电路串联形成所述电容调谐电路；所述发射端及接收端分别串联所述电容调谐电路。

优选地，所述发射端包括第一电阻、第三电感和第二电容，所述第一电阻、第三电感、第二电容与电源相互串联形成发射端回路。

优选地，所述接收端包括第二电阻、第四电感和第三电容；所述第二电阻、第四电感和第三电容相互串联形成接收端回路。

优选地，所述接收端还包括纯阻性负载，该纯阻性负载串联于第二电阻与第四电感之间。

本实用新型的有益效果：

本实用新型所述的电容调谐电路，通过设置n级电容电路，可根据调节的需要将0-n个电容电路接入或断开，即可满足调整发射端及接收端的谐振频率。而且各级电容电路的电容值为确定的，所以在调整谐振频率的过程中稳定性较高，进而提高无线电量传输系统的电量传输稳定性。因为可以调整发射端及接收端的谐振频率从而可有效的提高无线电量传输系统的电量传输效率。

另外，为了更好地提高无线电量传输系统的电量传输效率和稳定性，本实用新型的电容调谐电路还可以串联电感电路。

附图说明

图1为本实用新型的实施例中一种无线电量传输系统的示意图；

图2为本实用新型的实施例中一种电容调谐电路的示意图；

图3为本实用新型的实施例中一种电容调谐电路的电路图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述：

参照图1与图2，本实施例所述的一种电容调谐电路，包括n级电容电路1。所述n为自然数。各级电容电路相互串联。该电容调谐电路应用于无线电量传输系统，该无线电量传输系统包括电源Us、发射端101及接收端102。所述电源Us与发射端101连接。所述接收端101与发射端102通过磁共振式进行电量无线传输。所述接收端 102及发射端101分别设置有所述电容调谐电路。

各级所述电容电路1分别包括第一电容11及第一控制开关12。所述第一电容11与第一控制开关12并联。该第一控制开关12用于控制相应第一电容11接通与断开。所述第一控制开关12的数量为n 个，即每一级所述电容电路1可分别通过一个第一控制开关12控制。所述第一控制开关12包括第一双路单刀双掷继电器121、第一三极管122及第一控制器123。所述第一双路单刀双掷继电器121、第一三极管122、第一控制器123及相应的第一电容11串联。所述第一控制器123通过控制第一三极管122的高低电平控制第一三极管122 是否导通。所述第一三极管122根据其自身的导通状态控制第一双路单刀双掷继电器121接通的挡位。

作为优选的实施例，所述电容调谐电路还可以包括电感电路2。所述电感电路2与电容电路1串联。所述电感电路2与电容电路1串联形成所述电容调谐电路。所述发射端101及接收端102分别串联所述电容调谐电路。本实施例中在无线电能传输系统中，发射端101和接收端102均包含电感电路2和n级电容电路1组成的电容调谐电路，电容调谐电路的谐振频率计算公式为：

其中所述f为谐振频率，L为电感电路2的等效亨值，C为电容电路1的等效电容值。

所述电感电路2包括第一电感21及第二控制开关22。所述第一电感21与第二控制开关22并联。所述第二控制开关22的数量为一个，即该电感电路2可通过一个所述第二控制开关22进行控制。所述第二控制开关22用于控制第一电感21的接通与断开。所述第二控制开关22包括第二双路单刀双掷继电器221、第二三极管222及第一控制器223。所述第二双路单刀双掷继电器221、第二三极管222 及第一控制器223及相应的第一电感21串联；所述第二控制器223 通过控制第二三极管222的高低电平控制第二三极管222是否导通；所述第二三极管222根据其自身的导通状态控制第二双路单刀双掷继电器221接通的挡位。

参照图2，本实施例中n级电容电路1与电感电路2共同组成n+1 级电容调谐电路，可线性调节的挡位为2n+1-1个，通过调整第一控制开关12和第二控制开关22的状态即可控制n级电容电路1中的第一电容11和电感电路2中的第一电感21是否串联接入主电路中。

电容串联的计算公式为：

其中，C1和C2为相互串联的两个电容的电容值，C为串联后的电容值，C要比C1和C2的值都小。

电感的串联计算公式为：

L＝L₁+L₂ (3)

其中L1和L2为相互串联的两个电感的亨值，L为串联后的电容值，L要比L1和L2的值都大。

由公式(1)、(2)、(3)，当第一控制开关12断开时第一电容11接入，整个电容调谐电路的电容值会降低，从而提高整个电容调谐电路的谐振频率。当第二控制开关22断开有第一电电感21接入时，整个电容调谐电路的亨值会升高，从而降低整个电容调谐电路的谐振频率。

以n+1级调谐电路为例对本实用新型的电容调谐电路的工作原理进行描述。该电容调谐电路有n级第一电容11和第一电感12，可单向覆盖2n-1个线性调节挡位，正负双向覆盖2n+1-1个线性调节挡位，第一电容11和第一电感12全部串联的总值满足。该电容调谐电路全部的第一电容11和第一电感12串联后谐振频率与主电路相同，即全部接入电路后，不影响主电路频率。所有第一控制开关21和第二控制开关22的挡位均接入和均不接入时，此为该调谐电路的初始状态。当需要增大频率时，先将电容调谐电路全部的第一电容11和第一电感12均断开，所有第一控制开关21和第二控制开关22均闭合，即调节到0挡。然后将第一级电容的第一控制开关12闭合为第一挡，该亨值应满足闭合后调节频率减小值应大于系统要求的调节精度。第一级电容的第一控制开关12断开，闭合第二级电容的第一控制开关12为第二挡，该亨值应满足接入后调节频率增大值应小于系统要求的调节精度。同时闭合第一电感21的第二控制开关22为第三挡，此为第三挡。依此类推，直到n级电容配合一级电感能覆盖的 2n-1个挡位。当需要反向调解时，先将第一电容11和第一电感21 全部断开，即调节到0挡。再将第一级电容接入为负一挡，第一级电容接入，接入第二级电容为负二挡，同时接入电容为负三挡，以此类推，直到n级电容能覆盖的-(2n-1)个挡位。

n+1级调谐电路的2n+1-1个挡位调节逻辑下表所示。图中1表示该级电容电路的电容或电感电路的电感接入电路，0表示不接入。

n+1级调谐电路的2n+1个挡位调节逻辑列表：

该电容调谐电路可以直接串联接入无线电能传输系统的电容调谐电路中，通过电容调谐电路的参数调整，从而改变整个电路的谐振频率。

现以一个实际的无线电能传输系统为例进行参数分析。

由于电容的参数一般较为稳定，频率值得测量也较为准确，而亨值较为难以准确的测量，因此可以测得的电容的实际值Cr和实际的谐振频率值fr，再通过公式(1)即可计算出实际的亨值Lr。

设在一个实际的系统中，某个谐振的谐振频率需要调整的范围为 fr-fs～fr+fs，频率调节精度要求为F，则需要的单向调节挡位N应有：

则电容调节级数n应满足：

2ⁿ-1≥N (5)

第n级电容接入后该调谐电路为-(2n-1)挡，则第n级电容的电容值计算式为：

通过公式(3)可计算出n级电容的总亨值为Ct，则电感的亨值得计算式为：

该调谐电路可根据实际需求设计响应的调节等级。现以如图3所示的4+1级调谐电路拓扑结构为例进行电路设计。

参照图3，图3中的J1和J2表示为电容调谐电路的输入输出端，用于串联入主电路(发射端或接收到端的电路中)中。其中U1到 U4为1到4级用于控制电容电路的第一双路单刀双掷继电器，用于控制电容是否串入电路；U5为用于控制电感电路2的第二双路单刀双掷继电器，从而控制第一电感是否串入电路。Q1到Q5为控制继电器状态的nPn三极管，D1到D5为控制端，由高低电平控制三极管是否导通。L1到L4为调谐电感，C为调谐电容。

所述发射端包括第一电阻Rs、第三电容Ls和第二电容Cs，所述第一电阻Rs、第三电感Ls、第二电容Cs与电源相互串联形成发射端回路。图1中所述第一电阻Rs、第三电容Ls和第二电容Cs分别为发射端的等效电阻、等效电容和电感。所述接收端包括第二电阻Rd、第四电容Ld和第三电容Gd。所述第二电阻Rd、第四电容Ld和第三电容Gd相互串联形成接收端回路。所述接收端还包括纯阻性负载Rw，该纯阻性负载Rw串联于第二电阻Rd与第四电容Ld之间。图 1中所述第二电阻Rd、第四电容Ld和第三电容Gd分别为接收端的等效电阻、等效电容和电感。发射端的发射线圈和接收端的接收线圈之间的耦合用互感进行等效，互感为M。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本实用新型权利要求的保护范围之内。