一种基于容感集成式自共振线圈的无线供电系统

本发明属于无线电能传输领域，尤其是涉及一种基于容感集成式自共振线圈的无线供电系统。

背景技术：

1、无线电能传输有多种形式，其中应用和研究最广泛的是电感式无线电能传输和电容式无线电能传输。为了达到最优的传输性能，电感式无线电能传输和电容式无线电能传输都会采用合适的谐振拓扑，利用谐振电容或谐振电感作为补偿，以达到理想谐振状态。

2、lc谐振为最基本的谐振电路，也是无线电能传输各种高阶谐振拓扑的基础。在lc谐振拓扑中，电感式无线电能传输采用谐振电容作为补偿元件，电容式无线电能传输采用谐振电感作为补偿元件。在谐振补偿结构上，电感式无线电能传输和电容式无线电能传输呈对偶结构。

3、电感式无线电能传输和电容式无线电能传输通常只考虑电场耦合或磁场耦合，也就是只利用空间电场能或磁场能，但无线电能传输中电场和磁场相伴相生，只利用其中的电场能或磁场能，必然存在部分能量的损失，空间电磁能量利用率低。另外空间电场能和磁场能具有不同的衰减特性，电场能和磁场能的综合利用，针对不同的传输距离，调节电场能和磁场能的比例，到达最佳系统传输性能，尚未有相关研究。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种基于容感集成式自共振线圈的无线供电系统，以期解决上述部分问题其中至少之一。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种基于容感集成式自共振线圈的无线供电系统，包括：

4、源端变换电路，将市电或直流电接入供电系统，并变换为高频交流电；

5、电磁耦合机构，包括发射端和接收端，使用电磁变换的方式，将发射端接收到的高频交流电，非接触式的传递至接收端；

6、负载端变换电路，将接收端接收到的高频交流电变换为适合用电目标使用的电能；

7、所述源端变换电路输出高频交流电的频率可调节，调节范围包含容感集成式自共振线圈的自共振频率；

8、通过源端变换电路输出电压和电流，调节电场能和磁场能的占比。

9、进一步的，所述电磁耦合机构，由发射端的容感集成式自共振线圈和接收端的容感集成式自共振线圈构成；

10、所述电磁耦合机构呈对称结构，发射端的容感集成式自共振线圈与接收端的容感集成式自共振线圈的尺寸与结构相互对应。

11、进一步的，所述容感集成式自共振线圈包括通电线圈、前向极板、背向极板；

12、所述前向极板与背向极板构成极板组，通电线圈的等效电感与极板组间等效电容构成谐振；

13、所述发射端的容感集成式自共振线圈中的通电线圈，与接收端的容感集成式自共振线圈中的通电线圈，构成磁场能量传输通道；

14、所述发射端的容感集成式自共振线圈中的前向极板，与接收端的容感集成式自共振线圈中的前向极板，构成电场能量传输通道。

15、进一步的，所述极板组间的等效电容与通电线圈中的等效电感组成谐振电路，谐振电路的谐振频率即容感集成式自共振线圈(6)的自共振频率；

16、所述通电线圈两端均有一条引出线，所述前向极板与背向极板分别有一条引出线；

17、所述通电线圈与前向极板和背向极板串联或并联：

18、通电线圈与前向极板和背向极板串联时，所述通电线圈一端的引出线与前向极板或背向极板的引出线连接，另一端与未连接通电线圈的前向极板或背向极板的引出线构成引出线组；

19、通电线圈与前向极板和背向极板并联时，所述通电线圈一端的引出线与背向极板的引出线连接，另一端的引出线与前向极板的引出线连接，构成引出线组；

20、所述发射端的容感集成式自共振线圈中引出线组作为电能输入引线，在接收端的容感集成式自共振线圈中引出线组作为电能输出引线。

21、进一步的，所述前向极板为平面中空式结构，中空部分的尺寸大于对应通电线圈外形尺寸；

22、所述后向极板为平面非中空式结构，后向极板外形形状与前向极板外形形状相同，后向极板外形尺寸不小于前向极板外形尺寸。

23、进一步的，所述容感集成式自共振线圈还包括绝缘介质、高磁导率板；

24、所述高磁导率板外形形状与通电线圈外形形状和前向极板中空部分形状相对应，高磁导率板外形尺寸大于通电线圈外形尺寸，小于前向极板中空部分尺寸；

25、所述绝缘介质结构包括平面中空式结构与平面非中空式结构；

26、当绝缘介质为平面中空式结构，高磁导率板位于线圈和背向极板之间；

27、当绝缘介质为平面非中空式结构时，高磁导率板位于线圈和绝缘介质之间。

28、进一步的，所述容感集成式自共振线圈中，通电线圈、前向极板、背向极板、绝缘介质、高磁导率板之间相互绝缘，其中通电线圈位于最上层，前向极板位于通电线圈之下，绝缘介质位于前向极板之下，背向极板位于最下层；

29、所述电磁耦合机构中，通电线圈位于最内侧，背向极板位于最外侧。

30、进一步的，当绝缘介质为平面中空式结构时，绝缘介质中空部分形状与通电线圈外形形状和前向极板中空部分形状相对应，绝缘介质中空部分尺寸大于通电线圈外形形状，小于前向极板中空部分尺寸；

31、当绝缘介质为平面中空式结构时，高磁导率板外形形状与绝缘介质中空部分形状对应，高磁导率板外形尺寸小于绝缘介质中空部分尺寸。

32、进一步的，当需要提升传输距离和效率时，在发射端的容感集成式自共振线圈和接收端的容感集成式自共振线圈之间添加中继容感集成式自共振线圈；

33、所述中继容感集成式自共振线圈，包括通电线圈、前向极板、背向极板、绝缘介质；

34、所述前向极板、背向极板、绝缘介质均为平面中空式结构，背向极板中空部分的形状与中继容感集成式自共振线圈中通电线圈外形形状、绝缘介质中空部分形状和前向极板中空部分形状相对应；

35、所述中继容感集成式自共振线圈中前向极板和后向极板中空部分形状、尺寸完全一致，中空部分的尺寸大于对应通电线圈外形尺寸；

36、所述绝缘介质中空部分形状尺寸大于对应通电线圈外形尺寸。

37、进一步的，所述中继容感集成式自共振线圈中，前向极板位于最上层，绝缘介质位于前向极板之下，背向极板位于最下层，通电线圈根据具体需要放置于前向极板、绝缘介质、背向极板三者之一的中空部分内。

38、相对于现有技术，本发明所述的一种基于容感集成式自共振线圈的无线供电系统具有以下有益效果：

39、(1)容感集成式自共振线圈同时构建磁场能量传输通道和电场能量传输通道，实现双通道无线电能传输，提升单位能量密度。

40、(2)基于磁场式无线电能传输和电场式无线电能传输补偿拓扑的对偶性，利用极板组的等效电容和线圈等效电感相互补偿，消除了补偿电感和补偿电容，减小的磁耦合机构的体积和重量，节省成本。

41、(3)通过电压和电流的调节，实现电场能和磁场能占比的多模式调节，综合利用电场能和磁场能在空间衰减特性，应对不同传输距离，实现最佳传输性能。