CN102611206A - 一种千瓦级无线电能传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一个千瓦级无线电能传输装置，属于无线电能传输领域。千瓦级无线电能传输装置包括：千瓦级正弦波电能输送器，千瓦级电能接收器和频率控制器。本发明千瓦级无线电能传输装置可以实现千瓦级正弦波发生、千瓦级无线电能输送、千瓦级无线电能接收。千瓦级无线电能传输装置可以为多种设备提供无线电力能源，或者可用于无线充电或无线供电，特别适用于不适合通过导线供电的特殊场合。

Description

一种千瓦级无线电能传输装置

技术领域

本发明涉及无线电能传输领域，是一种中等距离的大功率无线电能传输装置，具体涉及一种千瓦级共振式无线电能传输装置，其可应用于无线电车充电或者特殊需要无线电能的场合，可以实现中等距离范围内千瓦级功率电能的无线传输。

背景技术

当前几乎所有的千瓦级用电设备都在使用有形介质(如：金属导线、电线电缆)作为主要连接才能进行电力能量传输，即使是短距离电力传输(如：机器人、电动汽车)，也要经过电源线连接，使得需要以电力作为动力的电器设备，其使用受到各个充电站或有线电源的影响。如果使用无线电能传输技术及装置，实现不受外物或周围环境影响的有效电力传输，就可以通过无线的传输方式来达到电力的传输，那么在使用这些电器设备时，就更加方便。另外，在一些特殊的应用场所，如水下作业、医用植入设备、无线传感器网络等不方便或不能使用导线供电的场合都具有非常实际的应用价值。

目前无线电能传输主要有三种方式：电磁感应式，电磁共振式和电磁辐射式。电磁感应式，一般采用带磁芯的变压器初级端和带磁芯的变压器次级端，通过两个磁芯电磁场的紧耦合进行电能传递，传递的电能能量等级高，电能传输距离短，在几个厘米范围内；电磁共振式，通过采用初级线圈和次级线圈的磁场松耦合进行电能传递，传输距离一般在几个厘米至几十个厘米之间，属于中等距离的电能传输，电能传输的能量等级较高；电磁辐射式，采用的频率等级很高，通常为几十MHz，传输的距离远，能达到米级，通常能够传递几十至几百瓦的电能。

中国专利申请CN200610124129.9提供了一种感应耦合式无线电能传输装置，其包括能量发送器，无接触变压器和能量接收器，所述能量发送器包括整流滤波电路、高频逆变电路和用于产生合适频率和脉宽信号的控制电路，输入的工频市电首先经整流滤波电路产生高压直流供给高频逆变电路，高频逆变电路将电能转换成高频交流电输出到无接触变压器初级端；无接触变压器的初、次级磁芯为彼此分隔，线圈分别绕制在对应磁芯上；能量接收器包括补偿电路、整流滤波电路和用于控制电流或电压稳定输出的PWM控制电路，补偿电路接收到无接触变压器次级端感应耦合的能量后经过整流滤波电路和PWM控制电路形成稳定输出。但其传输效果不佳。该专利中由于变压器带有磁芯，因此电能传输距离短，只能在几厘米范围内传输电能，无法实现中等距离的电能传输。

中国专利申请CN200910166188.6提供了一种不需要直接电导接触就可传输电能的系统，所述系统包括初级单元、与所述初级单元分离的至少一个次级装置、以及电能传输面，所述电能传输面被形成和设置为使得当所述系统在使用中时，次级装置可以被放置到在所述面上或靠近所述面以接收电能，其中：所述初级单元具有场生成装置，布置在所述电能传输面处或平行于所述电能传输面，用于在所述面的电能传输区域之上生成电磁场；所述次级装置或每个所述次级装置包括至少一个电导体，当所述次级装置处于所述电能传输面上或靠近所述电能传输面时，所述场生成装置生成的所述电磁场与所述至少一个电导体耦合，并感应出电流，在所述导体中流动；所述电能传输区域大于由所述次级装置覆盖的所述面的区域，所述场分布在所述电能传输区域上，使得当将次级装置以关于垂直于所述面的轴的至少一个旋转方位放置在电能传输区域内的任一位置的面上或沿通过所述电能传输区域内的任何这样的位置的所述面的法线放置在所述面附近时，该次级装置能够接收来自所述初级单元的电能；以及所述场生成装置包括一个或多个传导件，用于产生磁通量，并且还包括设置在基本上全部的所述电能传输区域处或之下的磁性材料，所述磁性材料用于与由所述传导件产生的磁通量进行耦合并将所述磁通量分布为平行于所述电能传输面，使得在所述面处或在距离所述面给定距离处且在可应用于有关位置的预定工作方向上测量的所述电磁场的场强在所述电能传输区域内的基本上所有的所述位置上均具有基本均匀的大小。该专利结构较为复杂，传输区域内的电流小，传输的电能能量等级低，无法实现中等距离范围内大功率的电能传输。

此外，无线电能传输技术是一种非接触式电能传输技术。根据电能传输理论，随着科技进步及社会需求，无线电能传输技术得到极大发展，共振式无线电能传输技术近年来越来越成为人们关注的焦点，国内外众多学者都在研究这个课题。2006年美国麻省理工学院物理系助理教授Marin Soljacic的研究小组，将相隔2.16米的一只60W灯泡点亮。该方案传输的距离比较远，但是能量等级比较低。

为了更加便利于生产及现实生活的需要，亟需一种能够承载大功率电能传输的设备或方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种千瓦级无线电能传输装置，该千瓦级无线电能传输装置可以实现千瓦级正弦波发生、千瓦级无线电能输送、千瓦级无线电能接收。千瓦级无线电能传输装置可以为多种设备提供无线电力能源，或者可用于无线充电或无线供电，特别适用于不适合通过导线供电的特殊场合。

依据本发明的技术方案，提供一种千瓦级无线电能传输装置，其包括千瓦级正弦波电能输送器、千瓦级电能接收器和频率控制器，其中千瓦级正弦波电能输送器从电网接收电能，向千瓦级电能接收器无线传递电能，千瓦级正弦波电能输送器和千瓦级电能接收器之间是通过互感发生联系；千瓦级电能接收器通过千瓦级正弦波电能输送器产生的磁场获取电能，供后续负载使用；频率控制器能够采集千瓦级正弦波电能输送器的频率和千瓦级电能接收器的频率，并根据调节流程对千瓦级正弦波电能输送器或千瓦级电能接收器进行调节，从而使千瓦级正弦波电能输送器的频率和千瓦级电能接收器的频率达到共振状态，使所述的千瓦级无线电能传输装置达到最优的电能传输。

其中千瓦级无线电能传输装置能够在中等距离范围内实现千瓦级的电能传输。

优选地，中等距离范围指代为1cm(厘米)至80cm之间，或者1cm至60cm之间、5cm至50cm之间、10cm至40cm之间。

更优选地，千瓦级正弦波电能输送器由电流源、谐振能量补充电路和谐振能量输出电路组成；谐振能量补充电路由开关元件一SW1和开关元件二SW2构成，按规定的频率与相位将电能补充给谐振能量输出电路；谐振能量输出电路由谐振输出电容、谐振输出线圈、可调谐振输出电容、可调谐振输出电感组成，谐振输出电容、谐振输出线圈、可调谐振输出电容、可调谐振输出电感构成谐振系统；该谐振系统用于设定千瓦级正弦波电能输送器频率，且实现能量分别在谐振输出电容、谐振输出线圈、可调谐振输出电容、可调谐振输出电感中以磁场和电场形式交换，在谐振输出线圈中产生规定频率的谐振电流，以及使谐振输出线圈中的谐振电流形成能够在电能传输范围内变换的交变磁场；千瓦级电能接收器，其用于接收经谐振输出线圈耦合过来的交变磁场的磁场能量；千瓦级电能接收器由谐振接收电容、谐振接收线圈、可调谐振接收电容和可调谐振接收电感组成，谐振接收电容、谐振接收线圈、可调谐振接收电容、可调谐振接收电感用于设定千瓦级电能接收器的频率；频率控制器用来调整千瓦级正弦波电能输送器的频率和千瓦级电能接收器的频率，使千瓦级正弦波电能输送器的频率和千瓦级电能接收器的频率相同，使千瓦级电能接收器在规定空间内接收到最优的谐振能量。

进一步地，通过所述电流源从电网获取电能，并且把能量传递给谐振能量补充电路，电流源的输出端为P点与Q点且P点和Q点同时为所述的谐振能量补充电路的输入点。

优选地，谐振能量补充电路通过P点与Q点从电流源获取电能，开关元件一连接于P点和T2点之间，开关元件二连接于P点和T点之间；谐振能量补充电路输出端为T与T2。

此外，谐振能量输出电路中的可调谐振输出电容与谐振输出电容是并联连接，且连接于T与T2之间，可调谐振输出电感与谐振输出线圈串联连接于T1点后与谐振输出电容并联连接于T与T2之间；千瓦级电能接收器中的可调谐振接收电容和谐振接收电容是并联连接，且连接于S1与S2之间，可调谐振接收电感与谐振接收线圈串联连接于S点后与谐振接收电容并联连接于S1与S2之间；谐振能量输出电路连接于所述的谐振能量补充电路的输出端T与T2。

本发明解决了中等距离范围内无线传递电能能量等级偏低的问题。千瓦级无线电能传输装置具有频率控制器，能调节两侧振荡状态，使装置稳定工作在最优谐振工作状态的优点，能够准确向千瓦级电能接收器传输千瓦级的大功率电能量，目前应用于无线电车充电，较大型移动机电设备供电及其他较大功率负载用电设备供电等应用场合。

附图说明

图1电路示意图；

图2千瓦级无线电能传输装置结构示意图；

图3并联谐振等效电路图；

图4可调谐振输出电容C12连接结构示意图；

图5谐振输出线圈L11波形图；

图6谐振接收线圈L21波形图；

图7频率控制器示意图；

图8频率采样板示意图；

图9有一个千瓦级电能接收器时信号发生器接线示意图

图10频率调节逻辑流程示意图；

图11有一个千瓦级电能接收器时频率具体调节流程示意图；

图12有n个千瓦级电能接收器时频率具体调节流程示意图；

图13逻辑控制器主单元接线示意图；

图14逻辑控制器扩展单元一接线示意图；

图15逻辑控制器扩展单元二接线示意图；

图16谐振输出线圈和谐振接收线圈示意图

具体实施方式

在本发明中，所述的千瓦级无线电能传输装置，由千瓦级正弦波电能输送器、千瓦级电能接收器和频率控制器构成，可以无线传输千瓦级电力能量，它们是通过互感发生联系的。

本发明电路示意图如图1所示。所述的千瓦级正弦波电能输送器从电网接收电能，向所述的千瓦级电能接收器无线传递电能，它们是通过互感发生联系的。千瓦级电能接收器通过千瓦级正弦波电能输送器产生的磁场获取电能，供负载使用。频率控制器能够采集千瓦级正弦波电能输送器的频率和千瓦级电能接收器的频率，并根据调节流程对千瓦级正弦波电能输送器或千瓦级电能接收器进行调节，从而使千瓦级正弦波电能输送器的频率和千瓦级电能接收器的频率达到共振状态，使所述的千瓦级无线电能传输装置达到最优的电能传输。

所述的千瓦级无线电能传输装置能够在中等距离范围内实现千瓦级的电能传输。在本发明中，中等距离范围指代为1cm至80cm之间。使用本发明，可以在22cm左右处实现传输10KW(千瓦)的电能，本发明优选使用在1-60cm，更优选地使用在5-50cm之间。根据最新研究及本领域技术知识可知，如果在越短的距离处使用，传输效果越好，但是电磁辐射将越强烈，将极大地对周围环境造成电磁污染。通过实验，在距离10-40cm之间，使用本发明的技术，不仅仅使对周围环境的电磁污染控制在国家规定的电磁污染数值之下，还能实现电能无线通畅传输。

所述的千瓦级正弦波电能输送器，具有电流源、谐振能量补充电路和谐振能量输出电路。谐振能量补充电路按规定的频率与相位将电能补充给谐振能量输出电路；谐振能量输出电路由谐振输出电容、谐振输出线圈、可调谐振输出电容、可调谐振输出电感组成，谐振输出电容、谐振输出线圈、可调谐振输出电容、可调谐振输出电感构成谐振系统，用于设定千瓦级正弦波电能输送器频率，能量分别在谐振输出电容、谐振输出线圈、可调谐振输出电容、可调谐振输出电感中以磁场和电场形式交换，在谐振输出线圈中产生规定频率的谐振电流；谐振输出线圈中的谐振电流形成在电能传输范围内的交变磁场。

所述的千瓦级电能接收器，用于接收谐振输出线圈耦合过来的磁场能量；千瓦级电能接收器由谐振接收电容、谐振接收线圈、可调谐振接收电容和可调谐振接收电感组成；谐振接收电容、谐振接收线圈、可调谐振接收电容、可调谐振接收电感用于设定千瓦级电能接收器的频率。

所述的千瓦级正弦波电能输送器通过电流源从电网获取电能，并且把能量传递给谐振能量补充电路。谐振能量输出电路中的可调谐振输出电容与谐振输出电容是并联连接，可调谐振输出电感与谐振输出线圈采用串联连接后与谐振输出电容并联连接；千瓦级电能接收器中的可调谐振接收电容和谐振接收电容是并联连接，可调谐振接收电感与谐振接收线圈采用串联连接后与谐振接收电容并联连接。千瓦级无线电能传输装置中可以有多个千瓦级电能接收器。

频率控制器用来调整频率，使千瓦级正弦波电能输送器的频率和千瓦级电能接收器的频率相同，在规定空间内，使千瓦级电能接收器接收到最优的谐振能量。

在千瓦级无线电能传输装置中，谐振输出线圈和谐振接收线圈采用铜管(或铜线)绕制，为单匝或多个单匝并联结构，谐振输出线圈和谐振接收线圈中线圈尺寸为10cm～45cm，匝间距离为0.1-5cm，谐振输出线圈和谐振接收线圈为圆形、方形、多边形等形状；经过简单变形的结构在权利要求范围内。千瓦级无线电能传输装置中，千瓦级正弦波电能输送器频率与千瓦级电能接收器频率范围在50KHZ-1MHZ，传输的电能功率范围0-30KW，谐振输出线圈与谐振接收线圈间空间距离5-50cm。

以下结合附图来详细说明本发明的千瓦级无线电能传输装置，下面仅仅作为示例来说明，本领域技术人员清楚地知晓，只要符合本发明思想的方法及系统均落入本发明之中；另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至千瓦级无线电能传输装置的具体结构或部件的具体参数。

图2是千瓦级无线电能传输装置结构示意图。

千瓦级无线电能传输装置，由千瓦级正弦波电能输送器、千瓦级电能接收器和频率控制器构成。千瓦级正弦波电能输送器中通过电流源从电网获取电能，并且把能量传递给谐振能量补充电路，电流源的输出端为P点与Q点且P点和Q点同时为所述的谐振能量补充电路的输入点。千瓦级无线电能传输装置中可以有多个千瓦级电能接收器。千瓦级正弦波电能输送器，包括电流源、谐振能量补充电路和谐振能量输出电路。谐振能量补充电路由开关元件一SW1和开关元件二SW2构成，按规定的频率与相位将电能补充给谐振能量输出电路；谐振能量输出电路由谐振输出电容C11、谐振输出线圈L11、可调谐振输出电容C12、可调谐振输出电感L12组成，C11、L11、C12、L12共同构成谐振系统并设定千瓦级正弦波电能输送器频率fs。能量分别在谐振系统中以磁场和电场形式交换，谐振输出线圈中的谐振电流在电能传输范围内产生交变磁场。

千瓦级正弦波电能输送器经电流源将从电网获取电能传递给谐振能量补充电路。电流源的输出端为P点与Q点，P点与Q点连接谐振能量补充电路的输入端。通过调节P点与Q点的输出电压可以调节谐振能量补充电路输出电能的能量大小。通过检测谐振能量输出电路中谐振输出线圈L11两侧的频率，谐振能量补充电路确定补充能量的频率与相位时刻，使能量不停地由谐振输出线圈向谐振接收线圈输送。谐振能量补充电路的输出连接于T和T2。

所述的谐振能量补充电路通过P点与Q点从电流源获取电能，谐振能量补充电路包括开关元件一SW1和开关元件二SW2。谐振能量补充电路输出端为T点与T2点，开关元件一SW1连接于P点和T2点之间，开关元件二SW2连接于P点和T点之间。开关元件一SW1与开关元件二SW2交替轮流工作，重叠时间为纳秒(ns)级，本发明重叠时间范围是100-450ns。

谐振能量补充过程：当开关元件二SW2导通时，开关元件一SW1断开，此时电能直接注入谐振能量输出电路中；当开关元件一SW1导通时，开关元件二SW2断开，此时电能经SW1回流至电流源。开关元件SW1和开关元件SW2导通和关断有一定的重叠时间，确保电流源的正常工作。

千瓦级电能接收器，用于接收谐振输出线圈耦合过来的磁场能量，由谐振接收电容C21、谐振接收线圈L21、可调谐振接收电容C22和可调谐振接收电感L22组成，C21、L21、C22、L22构成谐振系统并用于设定千瓦级电能接收器的频率fr。

谐振能量输出电路由谐振输出电容C11、谐振输出线圈L11、可调谐振输出电容C12、可调谐振输出电感L12组成。谐振能量输出电路中的C12与C11是并联连接，C12与C11连接于T和T2之间，L12与L11采用串联连接后与C11并联连接，L12连接于T和T1之间，L11连接于T1和T2之间；千瓦级电能接收器，由谐振接收电容C21、谐振接收线圈L21、可调谐振接收电容C22、可调谐振接收电感L22和接收频率控制电路组成。其中，千瓦级电能接收器中的C22和C21是并联连接，C22与C21连接于S1和S2之间，L22与L21采用串联连接后与C21并联连接，L22连接于S和S1之间，L21连接于S和S2之间。

在LC并联谐振电路中，等效电路图如图3所示。设R₁＝R′₁+R_L，则并联电路总导纳

$Y=Y_L+Y_C=\frac{1}{R_1+{\mathrm{j\ω}}_{0}L}+\frac{1}{R_2-j\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{0}C}}$

$=(\frac{1}{R_1^2+{{\mathrm{\ω}}_0}^2{L}^2}+\frac{1}{R_2^2+\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_0}^2{C}^2}})-j(\frac{{\mathrm{\ω}}_{0}L}{R_1^2+{{\mathrm{\ω}}_0}^2{L}^2}-\frac{\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{0}C}}{R_2^2+\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_0}^2{C}^2}})$

则谐振条件是： $(\frac{{\mathrm{\ω}}_{0}L}{R_1^2+{{\mathrm{\ω}}_0}^2{L}^2}-\frac{\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{0}C}}{R_2^2+\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_0}^2{C}^1}})=0---\left(1\right)$

由公式(1)解得： ${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}}\sqrt{\frac{\frac{L}{C}-R_1^2}{\frac{L}{C}-R_2^2}}---\left(2\right)$

公式(2)为实际谐振圆频率，且由(2)可知：R₁、R₂必须同时大于(或同时小于)

为并联谐振的必要条件，且仅有R₁＝R₂时，谐振圆频率才是

由于R₂为电容损耗阻抗，R_L为电感线圈铜损阻抗，可近似不变，而R₁为负载反射等效阻抗，R₁损耗是随负载大小和耦合情况而变的，因而ω₀总是要变化的。在本发明中设计了频率控制器，频率控制器通过调整L12、C12、L22、C22，使千瓦级正弦波电能输送器和千瓦级电能接收器的频率相一致。

在千瓦级无线电能传输装置中频率控制器能对千瓦级正弦波电能输送器的频率fs和千瓦级电能接收器的频率fr进行调整。调节原则是固定其中一侧的频率，调节另一侧电感或电容，使之与固定侧频率相同，两者不能同时调整。可通过频率控制器调整千瓦级电能接收器的频率fr，使之与千瓦级正弦波电能输送器的频率fs同步。同理，也可以通过频率控制器调整千瓦级正弦波电能输送器的频率fs，使之与千瓦级电能接收器的频率fr同步。当谐振输出频率与谐振接收频率不一致时，可先调节可调谐振电容使两个频率接近，再调节可调谐振电感使之一致。

可调谐振输出电容与可调谐振接收电容可由N个电容构成，本实施例中可调谐振输出电容C12由C121、C122、C123三个电容并联组成，可调谐振接收电容C22由C221、C222、C223等三个电容并联组成。

可调谐振输出电容与可调谐振接收电容调节频率的原理与结构相同，以输出频率控制电路调节可调谐振输出电容C12为例说明频率调节过程，可调谐振输出电容C12连接结构如图4所示。可调谐振输出电容C12由C121、C122、C123三个电容并联组成，C121、C122、C123分别通过K1、K2、K3进行开通和关断切换。C121连接于T和11之间，C122连接于T和12之间，C123连接于T和13之间；K1连接于11和T2之间，K2连接于12和T2之间，K3连接于13和T2之间。其中C121的电容值为单位1，C122的电容值为单位2，C123的电容值为单位4，当需要调节谐振输出频率时，只需要切换开关K1、K2、K3的接通与断开状态即可实现改变C12的电容值，电容值的等级为0、1、2、3、4、5、6、7，进而改变千瓦级正弦波电能输送器频率。这种变电容改变频率的办法属于分段频率调节方法，可调节的范围相对较大，通常不大于30％。

可调谐振输出电感与可调谐振接收电感的调节方法类似，可调谐振输出电感与可调谐振接收电感内部有铁芯，通过调节铁芯在电感垂直方向上与电感的重合程度可以实现电感量的改变。这种电感变化属于连续调节频率方法，调节的范围较小，通常不大于10％。

如图5所示，谐振输出线圈L11上电压波形为高频正弦波，图6所示谐振接收线圈L21上电压波形也为高频正弦波。谐振输出线圈与谐振接收线圈的电压波形同频率，幅值不同。谐振接收线圈电压波形的幅值与线圈间的距离有关，距离越接近幅值越大，距离越远，幅值越小。

谐振输出线圈L11和谐振接收线圈L21采用铜管(或铜线)绕制，为单匝或多个单匝并联结构，谐振输出线圈L11和谐振接收线圈L21中线圈尺寸为10cm～45cm，匝间距离为0.1-5cm，谐振输出线圈L11和谐振接收线圈L21为圆形、方形、多边形等形状；经过简单变形的结构在权利要求范围内。在千瓦级无线电能传输装置中，千瓦级正弦波电能输送器的频率fs与千瓦级电能接收器的频率fr范围在50KHZ-1MHZ，千瓦级无线电能传输装置传输的电能功率范围0-30KW，谐振输出线圈与谐振接收线圈间空间距离5-50cm。

谐振能量输出电路中接收到的电能可以供给负载使用。如果负载R是交流负载，可以连接在图2中R的位置；如果负载R是直流负载，须经过AC/DC整流后供给负载R。

谐振输出线圈和谐振接收线圈之间设置5cm至50cm的距离(此后，称为“线圈间距离”)。千瓦级无线电能传输装置是以无线方式从谐振输出线圈向谐振接收线圈传输电能的装置。由于传递的功率等级比较高，采用铜管绕制。用铜管绕制两个线圈：一个谐振输出线圈，一个谐振接收线圈。

本装置以千瓦级无线电能传输装置中有一个千瓦级电能接收器为例进行说明，如果有多个千瓦级电能接收器，只需增加频率采样板和相应的调节控制即可。

频率控制器由频率采样板一、频率采样板二和逻辑控制器构成，如图7所示。本实施例中电容C12、C22分别由三个电容构成。U1表示L11两侧的电压，U2表示R两侧的电压，A1表示可调谐振输出电感的进，A2表示可调谐振输出电感的退，A3表示可调谐振输出电容一的开关，A4表示可调谐振输出电容二的开关，A5表示可调谐振输出电容三的开关，A6表示可调谐振接收电感的进，A7表示可调谐振接收电感的退，A8表示可调谐振接收电容一的开关，A9表示可调谐振接收电容二的开关，A10表示可调谐振接收电容三的开关。图中序号没有定义具体位置，只是功能的描述。

频率采样板一与频率采样板二功能相同，其功能为将正弦波信号转换为方波信号。频率采样板一有两个输入端，两个输出端，其输入端连接于谐振输出线圈L11的两端，用于检测L11两侧的电压U1，其输出端连接至逻辑控制器，逻辑控制器计量千瓦级正弦波电能输送器的频率fs。频率采样板二有两个输入端，两个输出端，其输入端连接于负载R的两端，用于检测R两侧的电压U2，其输出端连接至逻辑控制器，逻辑控制器计量千瓦级正弦波电能接收器的频率fr。以频率采样板一为例进行说明，如图8所示，输入端为1和2，输出端为3和4，谐振输出线圈L11两端的电压U1连接至1和2，输出端3和4连接至逻辑控制器。U1经降压电路后，连接到频率转换电路，频率转换电路的功能为将降压后的高频率正弦波信号U1转换为高频率的方波信号；高频率的方波信号再经过分频电路，分频电路将高频率的方波信号降频后变为较低频率的方波信号，方便PLC采集；较低频率的方波信号经过信号隔离后，连接至输出端3和4。分频电路的使用方便了逻辑控制器进行频率的信号采集。

频率采样板中器件的参数参考范围：

C1容值范围为10nf-4.7uf，本实施选用100nf；

C2容值范围为10pf-470pf，本实施选用68pf；

C3容值范围为10pf-220pf，本实施选用33pf；

R1阻值范围为100Ω-500Ω，本实施选用250Ω；

R2阻值范围为47Ω-470Ω，本实施选用100Ω；

R3阻值范围为47Ω-470Ω，本实施选用100Ω；

R4阻值范围为47Ω-470Ω，本实施选用100Ω；

R5阻值范围为47Ω-470Ω，本实施选用100Ω；

R6阻值范围为470Ω-47KΩ，本实施选用2.2KΩ；

R7阻值范围为470Ω-47KΩ，本实施选用2.2KΩ；

R8阻值范围为100KΩ-2MΩ，本实施选用680KΩ；

R9阻值范围为100Ω-8.2KΩ，本实施选用1.1KΩ；

R10阻值范围为1KΩ-20KΩ，本实施选用4.7KΩ；

R11阻值范围为330Ω-4.7KΩ，本实施选用1KΩ；

R12阻值范围为330Ω-4.7KΩ，本实施选用1KΩ；

R13阻值范围为82KΩ-1MΩ，本实施选用470KΩ；

R14阻值范围为100Ω-4.7KΩ，本实施选用470Ω；

D4-D7为二极管，本实施选用IN4148。

逻辑控制器通过A1与A2控制可调谐振输出电感中铁芯与可调谐振输出电感的相对位置来调节可调谐振输出电感L12的电感量，通过A3、A4、A5选择对应电容开关的接通与断开来调节可调谐振输出电容C12的电容值，从而通过L12、C12的调节改变千瓦级正弦波电能输送器的频率fs；通过A6与A7控制可调谐振接收电感中铁芯与可调谐振接收电感的相对位置来调节可调谐振接收电感L22的电感量，通过A8、A9、A10选择对应电容开关的接通与断开来调节可调谐振接收电容C22的电容值，从而通过L22、C22的调节改变千瓦级正弦波电能接收器的频率fr。

逻辑控制器通过对千瓦级正弦波电能输送器的频率fs与千瓦级正弦波电能接收器的频率fr的调整，使频率fs和fr趋于一致，从而使无线电能传输装置两侧达到谐振频率状态，实现无线电能的最优传递。

频率调节时，信号发生器需要接入电路中，有一个千瓦级电能接收器时信号发生器接线如图9。信号发生器一连接于千瓦级正弦波电能输送器中L11的两端，信号发生器二连接于S1和S2之间。

逻辑控制器的频率调节逻辑流程示意图如图10所示。

第一步：频率预调节准备

第二步：频率逻辑判断

第三步：频率可调节器件动作过程

第四步：报警处理过程

第五步：频率调整结束

以上五个步骤为频率调节逻辑流程的流程示意，每一个步骤都包含不同动作内容，部分内容如下所示：

在第一步频率预调节准备中，

1、通过外部频率预调节按钮进行程序选择。

2、将主回路电源断开。

3、将信号发生器接入回路中。

4、将影响频率的可变单元调节到合适的位置。

5、设定谐振允许偏差频率范围和电容阀值。

6、采集回路中的两个频率，计算频率误差。

在第二步频率逻辑判断中，

1、当两个频率的差值较大时，通过可调谐振电容进行调节匹配。

2、当两个频率的差值较小时，通过可调谐振电感进行调节匹配。

3、当两个频率的差值小于谐振允许偏差时，认为两频率为谐振状态。

4、有大于两个的频率时，可以先调节相关器件使输出侧频率小于接收侧的任意一个频率，然后再调节接收侧的频率，使两侧的频率误差在谐振误差允许的范围内。也可以采用相反的方法或采用向中间频率值靠近的调节方法。本环节目的是制定以哪个频率为调节依据，从而确定频率可调器件相对应调节的方向。

在第三步频率可调节器件动作过程中，

1、对可调谐振电容的调节：通过两频率的差值与电容阀值的倍数关系，对相应的电容进行调节；调节方式为选择相对应的电容开关进行关断或接通动作。

2、对可调谐振电感的调节：当两频率的差值小于电容阀值，同时又大于允许偏差时，对可调谐振电感进行调节；调节方法为将电感内铁芯的相对垂直位置进或退。

3、可调器件可以为自动调节方式或手动调节方式。

在第四步报警处理过程中，

1、设电容开关的数目为N，当两频率的差值大于电容阀值的(2^N-1)倍时，频率差值太大，频率超限报警。

2、当有多个接收器时，如果输出侧的频率无法调节至小于任何一个接收侧频率时，频率超限报警。

3、当可调电感的退限位和进限位动作时，频率超限报警。

4、其他报警处理。

在第五步频率调整结束过程中，

通常当有频率报警或频率调整后小于允许偏差时进入频率调整结束过程。当有报警时，需要对装置进行手动调整，使频率误差小于允许误差；当频率调整后的频率误差小于允许的偏差认为，两侧处于谐振状态，可以高效的传递无线电能。

在频率调节逻辑流程中，以上的描述为功能性描述，没有严格的指明步骤内容，步骤的具体内容可根据具体情况调节。

频率调整流程具体实施方式一：以本装置中只有一个千瓦级电能接收器为实施例来说明频率调整流程，如图11所示。假设谐振能量输出电路的频率为fs，千瓦级电能接收器的频率为fr，K11(也称为输出电容一开关)、K12(也称为输出电容二开关)、K13(也称为输出电容三开关)为C12(也称为输出电容)的电容开关，K21(也称为接收电容一开关)、K22(也称为接收电容二开关)、K23(也称为接收电容三开关)为C22(也称为接收电容)的电容开关。频率控制器的作用是使fr基本等于fs，设Δf＝|fr-fs|，F1为设定允许误差，Δf≤F1时认为两侧频率达到谐振状态。F2为设定电容阀值，是指电容的开关组合逻辑每变化1个单位时频率的变化值。

在图11中，选择频率预调节后，电流源、SW1和SW2均不能工作，此时信号发生器1和信号发生器2开始接通并工作，再将K11、K12、K13、K21、K22、K23全部断开，然后将L12(也称为输出电感)和L22(也称为接收电感)内部的可调铁芯全部移至线圈外部，此时，两侧的频率为最高值；两侧的最高频率经过频率采集板被逻辑控制器采集，首先进行频率比较并判断出哪一侧的频率高，哪一侧的频率高就调节哪一侧的电容的开关或电感内铁芯的位置。假设fs高，若Δf≤F1，认为不存在偏差，结束调节；若Δf＞F2时，计算Δf为F2的多少倍，取整数，设倍数为N1，当N1为4、5、6、7时，K13闭合，当N1为2、3、6、7时K12闭合，当N1为1、3、5、7时K11闭合，当N1大于7时，频率超过调节范围报警；若F2＞Δf＞F1，则调节fs侧的可调谐振输出电感进行频率调节，调节后返回频率比较，当电感内铁芯超过限位(进限位和退限位)时报警。假设fr高，若Δf≤F1，认为不存在偏差，结束调节；若Δf＞F2时，计算Δf为F2的多少倍，取整数，设倍数为N2，当N2为4、5、6、7时，K23闭合，当N2为2、3、6、7时K22闭合，当N2为1、3、5、7时K21闭合，当N2大于7时，频率超过调节范围报警；若F2＞Δf＞F1，则调节fr侧的可调谐振接收电感进行频率调节，调节后返回频率比较，当电感内铁芯超过限位(进限位和退限位)时报警。

频率调整流程具体实施方式二：当本装置有n个千瓦级电能接收器为实施例来说明频率调整流程，如图12所示。假设谐振能量输出电路中的频率为fs，有n个千瓦级电能接收器其频率分别为fr1、fr2、…、frn，假设Ks1、Ks2、Ks3为C12的电容开关；同时假设Kr11、Kr12、Kr13为第1个千瓦级电能接收器中可调接收谐振电容的电容开关，Krn1、Krn2、Knr3为第n个千瓦级电能接收器中可调接收谐振电容的电容开关。Ls2为电能接收侧可调谐振输出电感，Lrn2为电能接收侧第n个可调谐振接收电感，谐振能量输出电能接收器数量为n，其结构相同，其频率相差很小。频率控制器的作用使frn基本等于fs，设Δfn＝|frn-rs|，F1为设定允许误差，Δfn≤F1时认为两侧频率达到谐振状态。F2为设定电容阀值，是指电容的开关组合逻辑每变化1个单位时频率的变化值。

在图12中，选择频率预调节后，电流源、SW1和SW2均不能工作，此时信号发生器1和信号发生器2开始接通并工作，再将Ks1、Ks2、Ks3、Kr11、Kr12、Kr13、…、Krn1、Krn2、Krn3全部断开，然后将Ls2(电能输出侧可调电感)和Lrn2(电能接收侧第n个可调电感)内部的铁芯全部移至线圈外部，此时两侧的频率为最高值。所有的频率经过频率采集板被逻辑控制器采集，首先调节Ks1、Ks2、Ks3和Ls2使fs小于任何一个frn(调节fs后，如果有frn大于fs，则频率超过调节范围报警)，然后对n个电能接收侧频率frn与fs做差，即Δfn＝|frn-fs|，以第n个电能接收器frn为例进行说明，若Δfn≤F1，认为不存在偏差，结束调节；若Δfn＞F2时，计算Δfn为F2的多少倍，取整数，设倍数为Nn，当Nn为4、5、6、7时，Kn3闭合，当Nn为2、3、6、7时Kn2闭合，当Nn为1、3、5、7时Kn1闭合，当Nn大于7时，频率超过调节范围报警；若F2＞Δfn＞F1，则调节第n个电能接收器的可调谐振电感内铁芯位置进行频率调节，调节后返回频率比较，当电感内铁芯位置超过限位(进限位和退限位)时报警。

逻辑控制器，由PLC作为核心单元，按照频率调节流程进行程序编制，实现频率调节，以下说明以一个千瓦级电能接收器为例。PLC包括输入单元和输出单元。输入单元包括频率采集，电容开关手动按钮，可调电感限位开关以及手动自动切换，其中每一个电容开关设置一个手动按钮，每一个可调电感有进限位和退限位开关；输出单元包括电容开关开通关断控制，可调电感的进退控制及报警输出，其中，每一个电容开关单独控制，每一个可调电感设有进控制和退控制，详细如图13、14、15所示。自动/手动按钮用来切换频率调节方式。当输入为1时为手动状态，通过外部电容和电感手动按钮，对频率进行调节。当输入为0时，为自动状态，逻辑控制器根据程序流程进行自动调节。

逻辑控制器的具体实施例：以本装置带有一个千瓦级电能接收器为例，来表明逻辑控制器的输入信号和输出信号连接，如图13、图14、图15所示。如果有多个千瓦级电能接收器，输入信号和输出信号连接可以本实施例为依据进行类似扩展。

图13中，输入信号：IN1表示输出频率计数fs通过X0通道进入PLC进行数据采集；IN2表示输出频率计数fr通过X1通道进入PLC进行数据采集；IN3表示频率预调节选择按钮，连接X2端子；IN4表示自动/手动选择按钮，连接于X3端子；IN5表示手动频率跟踪，连接于X4端子；IN6表示可调谐振输出电容一的开关手动调节按钮，连接于X5端子；IN7表示可调谐振输出电容二的开关手动调节按钮，连接于X6端子；IN8表示可调谐振输出电容三的开关手动调节按钮，连接于X7端子。输出信号：OUT1表示通过Y0对可调谐振输出电感的进进行控制，OUT2表示通过Y1对可调谐振输出电感的退进行控制，OUT3表示通过Y2对可调谐振接收电感的进进行控制，OUT4表示通过Y3对可调谐振接收电感的退进行控制。

图14中，输入信号：IN9表示可调谐振输出电感的进手动调节按钮，连接X10端子；IN10表示可调谐振输出电感的退手动调节按钮，连接X11端子；IN11表示可调谐振接收电容一的开关手动调节按钮，连接X12端子；IN12表示可调谐振接收电容二的开关手动调节按钮，连接X13端子；IN13表示可调谐振接收电容三的开关手动调节按钮，连接X14端子；IN14表示可调谐振接收电感的进手动调节按钮，连接X15端子，IN15表示可调谐振接收电感的退手动调节按钮，连接X16端子。输出信号：OUT5表示通过端子YI0对可调谐振输出电容一的开关进行接通和断开控制，OUT6表示通过端子Y11对可调谐振输出电容二的开关进行接通和断开控制，OUT7表示通过端子Y12对可调谐振输出电容三的开关进行接通和断开控制，OUT8表示通过端子Y13对可调谐振接收电容一开进行接通和断开控制，OUT9表示通过端子Y14对可调谐振接收电容二开进行接通和断开控制，OUT10表示通过端子Y15对可调谐振接收电容三开进行接通和断开控制。

在图15中，IN16表示可调谐振输出电感进限位，连接于X20端子；IN17表示可调谐振输出电感退限位，连接于X21端子；IN18表示可调谐振接收电感进限位，连接于X22端子；IN19表示可调谐振接收电感退限位，连接于X23端子。

在实施例中，主要参数参考范围：

开关元件SW1与SW2，可以为IGBT或POWER MOSFET，每一个开关元件可以为单只，也可采用多只并联。本实施选用型号为IRF460，24只并联；

谐振输出电容C11，可以为单只也可以为多只串并联，参数范围0.01μF-10μF，本实施选用0.66μF，耐压值为600V；

可调谐振输出电容C12，参数范围0.01μF-5μF，本实施选用0.33μF，耐压值为600V；

谐振输出电感L11，参数范围0.01μH-20μH，本实施选用0.3μH；

可调谐振输出电感L12，参数范围0.01μH-20μH，本实施选用0.2μH；

谐振接收电容C21，可以为单只也可以为多只串并联，参数范围0.01μF-10μF，本实施选用0.33μF，耐压值为600V；

可调谐振接收电容C22，参数范围0.01μF-5μF，本实施选用0.33μF，耐压值为600V；

谐振接收电感L21，参数范围0.01μH-20μH，本实施选用0.6μH；

可调谐振接收电感L22，参数范围0.01μH-20μH，本实施选用0.3μH；

应用实例1

本例中谐振输出线圈和谐振接收线圈用直径φ10的铜管绕制，线圈为方形，谐振输出线圈和谐振接收线圈均为一个单匝线圈，线圈边长均为25cm，线圈间距离为20cm，两线圈平面平行且同心。以8只200W灯泡为负载。本例中，电源变换电路输出PQ间电压为150V，谐振输出线圈频率为270KHz时，灯泡正常发光，传输功率达到1.6KW。

应用实例2

本例中谐振输出线圈和谐振接收线圈用直径φ10的铜管绕制，线圈为正六边形，谐振输出线圈为2个单匝线圈并联结构，谐振接收线圈为2个单匝线圈并联结构，匝间距为0.3cm，线圈边长均为18cm，线圈间距离为24cm，两线圈平面平行且同心。以12只200W灯泡为负载。本例中，电源变换电路输出PQ间电压为150V，谐振输出线圈频率为600KHz时，灯泡正常发光，传输功率达到2.4KW。

应用实例3

本例中谐振输出线圈和谐振接收线圈用直径φ10的铜管绕制，线圈为圆形，谐振输出线圈和谐振接收线圈如图16所示：谐振输出线圈为5个单匝线圈并联结构，谐振接收线圈为1个单匝线圈。谐振输出线圈直径为26cm，匝间距为0.4cm，谐振接收线圈直径为27cm，线圈间距离为30cm，两线圈平面平行且同心。以32只200W灯泡为负载。本例中，电源变换电路输出PQ间电压为190V，谐振输出线圈频率为300KHz时，灯泡亮度不够，通过频率控制器调整可调谐振接收电感后，电源变换电路输出PQ间电压为190V，灯泡正常发光，无线传输功率为6.4KW。

应用实例4

本例中谐振输出线圈和谐振接收线圈用直径φ10的铜管绕制，线圈为圆形，谐振输出线圈为6个单匝线圈并联结构，谐振接收线圈为1个单匝线圈。谐振输出线圈直径为24.5cm，匝间距为0.4cm，谐振接收线圈直径为25.5cm，线圈间距离为29cm，两线圈平面平行且同心。以35只200W灯泡为负载。本例中，电源变换电路输出PQ间电压为190V，谐振输出线圈频率为300KHz时，灯泡亮度不够，通过频率控制器调整可调谐振输出电容和可调谐振输出电感后，灯泡正常发光，电能接收功率达到7KW。此时在距谐振输出线圈35cm处再增加一个谐振接收线圈二，经接收频率控制电路调整可调谐振接收电感和可调谐振输出电容后，点亮6只灯泡。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。

Claims (10)

1.一种千瓦级无线电能传输装置，其包括千瓦级正弦波电能输送器、千瓦级电能接收器和频率控制器，其中千瓦级正弦波电能输送器从电网接收电能，向千瓦级电能接收器无线传递电能，千瓦级正弦波电能输送器和千瓦级电能接收器之间是通过互感发生联系；千瓦级电能接收器通过千瓦级正弦波电能输送器产生的磁场获取电能，供后续负载使用；频率控制器能够采集千瓦级正弦波电能输送器的频率和千瓦级电能接收器的频率，并根据调节流程对千瓦级正弦波电能输送器或千瓦级电能接收器进行调节，从而使千瓦级正弦波电能输送器的频率和千瓦级电能接收器的频率达到共振状态，使所述的千瓦级无线电能传输装置达到最优的电能传输。

2.根据权利要求1所述的千瓦级无线电能传输装置，其中千瓦级无线电能传输装置能够在中等距离范围内实现千瓦级的电能传输。

3.根据权利要求2所述的千瓦级无线电能传输装置，其中中等距离范围指代为1cm至80cm之间。

4.根据权利要求2所述的千瓦级无线电能传输装置，其中中等距离范围指代为1cm至60cm之间。

5.根据权利要求2所述的千瓦级无线电能传输装置，其中中等距离范围指代为5cm至50cm之间。

6.根据权利要求2所述的千瓦级无线电能传输装置，其中中等距离范围指代为10cm至40cm之间。

7.根据权利要求1所述的千瓦级无线电能传输装置，其中，千瓦级正弦波电能输送器由电流源、谐振能量补充电路和谐振能量输出电路组成；谐振能量补充电路由开关元件一(SW1)和开关元件二(SW2)构成，按规定的频率与相位将电能补充给谐振能量输出电路；谐振能量输出电路由谐振输出电容、谐振输出线圈、可调谐振输出电容、可调谐振输出电感组成，谐振输出电容、谐振输出线圈、可调谐振输出电容、可调谐振输出电感构成谐振系统；该谐振系统用于设定千瓦级正弦波电能输送器频率，且实现能量分别在谐振输出电容、谐振输出线圈、可调谐振输出电容、可调谐振输出电感中以磁场和电场形式交换，在谐振输出线圈中产生规定频率的谐振电流，以及使谐振输出线圈中的谐振电流形成能够在电能传输范围内变换的交变磁场；

千瓦级电能接收器，其用于接收经谐振输出线圈耦合过来的交变磁场的磁场能量；千瓦级电能接收器由谐振接收电容、谐振接收线圈、可调谐振接收电容和可调谐振接收电感组成，谐振接收电容、谐振接收线圈、可调谐振接收电容、可调谐振接收电感用于设定千瓦级电能接收器的频率；

频率控制器用来调整千瓦级正弦波电能输送器的频率和千瓦级电能接收器的频率，使千瓦级正弦波电能输送器的频率和千瓦级电能接收器的频率相同，使千瓦级电能接收器在规定空间内收接到最优的谐振能量。

8.根据权利要求7所述的千瓦级无线电能传输装置，其特征在于：通过所述电流源从电网获取电能，并且把能量传递给谐振能量补充电路，电流源的输出端为P点与Q点且P点和Q点同时为所述的谐振能量补充电路的输入点。

9.根据权利要求8所述的千瓦级无线电能传输装置，其特征在于：谐振能量补充电路通过P点与Q点从电流源获取电能，开关元件一连接于P点和T2点之间，开关元件二连接于P点和T点之间；谐振能量补充电路输出端为T与T2。

10.根据权利要求8或权利要求9所述的千瓦级无线电能传输装置，其特征在于：谐振能量输出电路中的可调谐振输出电容与谐振输出电容是并联连接，且连接于T与T2之间，可调谐振输出电感与谐振输出线圈串联连接于T1点后与谐振输出电容并联连接于T与T2之间；千瓦级电能接收器中的可调谐振接收电容和谐振接收电容是并联连接，且连接于S1与S2之间，可调谐振接收电感与谐振接收线圈串联连接于S点后与谐振接收电容并联连接于S1与S2之间；谐振能量输出电路连接于所述的谐振能量补充电路的输出端T与T2。

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