一种基于双e类功放的谐振式无线电能传输系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种基于双E类功放的谐振式无线电能传输系统，尤其涉及一种 添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统。
【背景技术】
[0002] 双E类功率放大电路，即双E类功放，工作频率可以达到MHz以上，电路结构相对 简单，容易实现软开关，电能转换效率理论上可以达到1〇〇%，而且输出功率是同等条件下 普通E类功放的4倍，因此特别适合作为谐振式无线电能传输系统的高频功率源。当双E 类功放内部各元件参数设计恰当的时候，双E类功放不仅可以工作在零电压开关（ZVS)状 态，而且可以实现零电压导数开通（ZDS)状态，这时双E类功放将工作在最佳状态，此时双 E类功放的输出电阻就是最佳电阻R。
[0003] 谐振式无线电能传输技术具有传输距离远、传输效率相对较高、非辐射性等特点， 特别适合于中等距离的无线电能传输。其主要组成部分是传输线圈和负载，传输线圈一般 靠自谐振或者外接电容达到谐振状态，从而实现电能的有效传输。但在实际应用中，传输线 圈并不是理想线圈，要考虑其内阻，负载电阻也不是越大越好，它存在一个最佳值使得系统 传输效率最高。
[0004] 但是在实际的系统中，传输线圈位置容易发生变化，这将引起线圈间的互感发生 变化，进而引起系统的综合性能恶化，具体表现在两个方面，即：第一，双E类功放外部传输 效率最高时对应的最佳负载值发生变化，引起传输效率大幅下降；第二，双E类功放外部的 等效电阻发生变化，不等于其最佳输出电阻R，导致双E类功放内阻无法实现ZDS (零电压 导数开通），甚至无法实现ZVS (零电压开通），使得开关管电压、电流应力增大，损耗增加， 甚至烧坏开关管。
[0005] 为了解决以上问题，提出了如参考图1所示的一种添加双端阻抗变换网络的谐振 式无线电能传输系统。通过在发射端和接收端分别添加适当的阻抗变换网络，本系统不仅 可以保证在传输线圈位置发生变化的情况下双E类功放处于最佳工作状态，即满足ZVS和 ZDS工作条件，而且可以使得双E类功放外部的谐振式无线电能传输效率达到最高，从而使 得整个系统的性能最佳。并且在同等条件，双E类功放的输出功率是普通E类功放的4倍， 这将大大提高谐振式无线电能传输系统的输出功率。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型的目的在于克服目前基于普通E类功放的谐振式无线电能传输系统 输出功率较小的问题，以及解决目前基于双E类功放的谐振式无线电能传输系统存在几种 实际问题，具体表现在：由于系统原来参数设计不合理，或者传输线圈位置发生变化时，双 E类功放电路实际工作状态不佳，如开关管电压或者电流应力大，双E类功放内部损耗较 大，以及外部的谐振式无线电能传输效率低下的问题。通过在发射线圈和接收线圈两侧分 别添加适当的阻抗变换网络，不仅可以保证在线圈位置发生变化时双E类功放仍处于最佳 工作状态，同时保证双E类功放外部的传输效率最高，从而使得整个系统的工作性能最佳， 另外系统的输出功率也增加为基于普通E类功放的谐振式无线电能传输系统的4倍，负载 获得功率大大增加。
[0007] 本实用新型的目的至少通过如下技术方案之一实现：
[0008] -种基于双E类功放的谐振式无线电能传输系统，包括双E类功放模块、传输线圈 模块、原边阻抗变换网络、副边阻抗变换网络及负载；其中双E类功放模块由直流电压源、 第一扼流电感、第二扼流电感、第一驱动信号、第二驱动信号、第一开关管、第二开关管、第 一反向续流二极管、第二反向续流二极管、第一并联旁路电容、第二并联旁路电容、滤波电 感、滤波电容组成，双E类功放模块的输出端产生高频正弦交流电，作为谐振式无线电能传 输系统的高频功率源；传输线圈模块包括发射线圈和接收线圈，其中发射线圈等效为由发 射线圈内阻、发射线圈电感和发射线圈谐振电容形成的RLC串联谐振模式，接收线圈等效 为由接收线圈内阻、接收线圈电感和接收线圈谐振电容形成的串联谐振模式；原边阻抗变 换网络的输入端与双E类功放模块的输出端相连，输出端与传输线圈模块中的发射线圈相 连；副边阻抗变换网络的输入端与传输线圈模块中的接收线圈相连，输出端与负载相连。
[0009] 进一步地，双E类功放模块工作在最佳状态时，即满足零电压开通（ZVS)和零电压 导数开通（ZDS)条件，此时双E类功放模块的等效输出电阻就是其对应的最佳输出电阻；双 E类功放模块内部的第一开关管由高频驱动信号来驱动；第二开关管由高频驱动信号来驱 动，第一开关管和第二开光管各自驱动信号的作用下互补导通，交替关断；高频驱动信号的 频率即系统频率f的范围为0. 5MHz-50MHz之间，开关管的占空比D = 0. 5。
[0010] 进一步地，双E类功放模块中的滤波支路由滤波电感、滤波电容、等效输出电阻串 联组成；滤波支路的品质因数Q -般在5-20范围内。
[0011] 进一步地，发射线圈内阻和接收线圈内阻均包括欧姆内阻和辐射内阻；发射线圈 和接收线圈满足关系：
ω为系统角频率，满足ω = 2 π f，L4为发 射线圈电感，C4为发射线圈谐振电容，L5为接收线圈电感，C5为接收线圈谐振电容，即发射 线圈和接收线圈在系统频率下发生串联谐振，另外发射线圈和接收线圈之间的互感大小为 M，互感随着发射线圈和接收线圈之间的相对位置即传输线圈位置的变化而变化。
[0012] 进一步地，所述负载为纯阻性质、阻感性质或者阻容性质。
[0013] 进一步地，原边阻抗变换网络和副边阻抗变换网络中均由储能元件组成，不消耗 电能，储能元件包括电容和电感，原边阻抗变换网络和副边阻抗变换网络的电路形式为L 型、T型或Π 型。其中，L型阻抗变换网络可以分为两种，即正L型和倒L型，正L型具有放 大等效电阻的作用，倒L型具有减小等效电阻的作用。
[0014] 进一步地，双E类功放模块外部的传输效率η在线圈位置确定的情 况下存在一个最优负载Rmnal，使得传输效率最高，这个最优负载电阻满足
[0015] 进一步地，当负载&不等于最优负载Rny时，通过接收线圈和负载I之间添加 的副边阻抗变换网络，使得从接收线圈输出端向负载看进去的等效电阻值为Rupt_1;由于 副边阻抗变换网络N2不消耗电能，则等效电阻Ruptinijg耗的电能就等于负载R 耗的电 能，即此时系统可以实现最高效率传输。
[0016] 进一步地，双E类功模块外部的等效电阻Req满足：
，当传输线圈位置发生变化时，等效电阻Rq也将发生变化，当 Rq不等于双E类功放模块最佳输出电阻R时，通过在双E类功放模块输出端和发射线圈 的输入端之间添加原边阻抗变换网络，使得从高频功率源模块输出端向发射线圈看进去的 等效电阻V %满足%= R，则此时双E类功放模块的将工作在最佳状态，即满足ZVS 和ZDS条件；由于原边阻抗变换网络由储能元件电容和电感构成，并不消耗电能，因此双E 类功放模块输出的电能等于发射线圈的输入端消耗的电能。
[0017] 与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和技术效果：
[0018] 对于基于双E类功放的谐振式无线电能传输系统，通过在发射线圈和接收线圈两 侧分别添加适当的阻抗变换网络，可以使得系统在传输线圈位置发生变化的情况下，一方 面保证E类功放工作在最佳条件下，即满足ZVS和ZDS条件；另一方面，保持E类功放外部 的电能传输效率最高，从而使得整个系统的性能最佳；此外，系统的输出功率是同等条件下 基于普通E类功放系统的4倍，大大地提高了系统的输出功率。
【附图说明】
[0019] 图1是本实用新型的基于双E类功放的谐振式无线电能传输系统。
[0020] 图2a、图2b为阻抗变换网络的两种内部结构图（以L型为例）。
[0021] 图3a、图3b分为为系统添加双端阻抗变换网络前后的仿真波形图。
【具体实施方式】
[0022] 以下结合附图对实用新型的具体实施作进一步描述，但本实用新型的实施和保护 不限于此。
[0023] 如图1所示，一种基于双E类功放的谐振式无线电能传输系统包括双E类功放模 块I、传输线圈模块Π 、原边阻抗变换网络N1、副边阻抗变换网络N2及负载其中双E类 功放模块I由直流电压源Vee、第一扼流电感L1、第二扼流电感L2、第一驱动信号Vgl、第二 驱动信号Vg2、第一开关管S1、第二开关管S2、第一反向续流二极管VD1、第二反向续流二极 管VD2、第一并联旁路电容C1、第二并联旁路电容C2、滤波电感L3、滤波电容C3组成，可以 在输出端11'产生高频正弦交流电，作为谐振式无线电能传输系统的高频功率源；传输线 圈模块II包括发射线圈TX和接收线圈RX，其中发射线圈TX等效为由发射线圈内阻Rw、发 射线圈电感L4和发射线圈谐振电容C4形成的RLC串联谐振模式，接收线圈RX等效为由接 收线圈内阻I、接收线圈电感L5和接收线圈谐振电容C5形成的RLC串联谐振模式，发射 线圈TX和接收线圈RX之间的互感大小为Μ ;原边阻抗变换网络N1的输入端与E类功放的 输出端相连，输出端与模块II中的发射线圈ΤΧ相连；副边阻抗匹配网络Ν2的输入端与模 块II中的接收线圈RX相连，输出端与负载&相连。
[0024] 双Ε类功放模块的输出端口为11' ；发射线圈ΤΧ的端口为33'，接收线圈RX的端 口为44'，负载&的接入端为22'。原边阻抗变换网络N1的输入端接端口 11'，输出端接发 射线圈TX端口 33';副边阻抗变换网络N2的输入端接接收线圈RX端口 44'，输出端接负载 端口 22'。
[0025] 双E类功放模块I为整个谐振式无线电能传输系统提供电能，其输出波形为高频 正弦波。副边阻抗变换网络N2通过设计合适的参数，可以使得从端口 44'向右看进去的等 效电阻值最佳负载值Ruptinial，Ruptinial满足表达式
，从而使 得双E类功放模块外部的传输效率最高。在线圈位置发生变化，导致线圈互感改变的情况 下，通过添加原边阻抗变换网络N1，可以使得从端口 11'向右看进去的等效电阻等于双E类 功放模块最佳输出电阻R，从而使得双E类功放模块工作在最佳状态，即可以实现零电压 开通（ZVS)和零电压导数开通（ZDS)条件，从而使得整个基于双E类功放的谐振式无线电 能传输系统工作性能最佳。
[0026] 传输线圈的结构主要有平面盘式和空间螺旋式两种。平面盘式线圈的优点是占用 空间小，便于实际安装，其实际应用较广；空间螺旋式线圈可以产生较为均匀的磁场。任何 线圈均可等效为其内阻和其电感的串联形式，其内阻包括欧姆电阻和辐射电阻。如要实现 线圈的谐振式无线电能传输，则一般需要串联