CN102780275A - 磁谐振耦合无线能量传输系统 - Google Patents

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刘佳奇
王珑
李乐伟
廖余立
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Abstract

本发明公开了一种磁谐振耦合无线能量传输系统，主要解决了现有技术中存在的由于能量在传输过程中谐振频率不确定导致传输效率不高的问题。该磁谐振耦合无线能量传输系统，包括直流电源，还包括输入端与直流电源相连的驱动放大器，均与驱动放大器输出端相连的锁相环频率跟踪电路和谐振天线系统，与谐振天线系统输出端相连的接收电路，所述谐振天线系统还与锁相环频率跟踪电路的输入端相连。通过上述方案，本发明达到了减小能量在传输过程中的损耗的目的，具有很高的实用价值和推广价值。

Description

磁谐振耦合无线能量传输系统
技术领域
本发明涉及一种无线能量传输系统，具体地说，是涉及一种磁谐振无线能量传输系统。
背景技术
磁谐振耦合无线能量传输是一项仍处于起步阶段的新型能量传输技术，这一技术能够有效地克服有线供电方式存在的设备移动灵活性差、环境不美观、容易产生接触火花、供电线暴露等问题，由于在利用磁谐振耦合无线能量传输技术传输电能的过程中，外界障碍物、接收端负载及电路工作温度变化等会导致谐振电路中收发线圈电感量变化，从而引起谐振频率的变化，即失谐，这会严重影响电能的传输效率。
传统的谐振电路中，电能的传输效率随着谐振频率的上升逐渐增加，随着距离的增加而迅速降低，而发射线圈电感量的变化是影响电能无线传输效率的重要因素，当发射线圈的电感偏移理论值+/-2%时，传输效率会下降很多，因此，发明创造一种传输效率确定，即谐振频率确定，损耗较低的磁谐振耦合无线能量传输系统为技术发展所需。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁谐振耦合无线能量传输系统，主要解决现有技术中存在的由于谐振频率不确定导致传输效率不稳定，造成能量损耗的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
磁谐振耦合无线能量传输系统，包括直流电源，还包括输入端与直流电源相连的驱动放大器，均与驱动放大器输出端相连的锁相环频率跟踪电路和谐振天线系统，以及与该谐振天线系统输出端相连的接收电路，所述谐振天线系统还与锁相环频率跟踪电路的输入端相连。
具体地说，所述直流电源由交流电源及与交流电源输出端相连的交直流转换器组成，所述驱动放大器与交直流转换器的输出端相连；所述锁相环频率跟踪电路包括与驱动放大器输出端相连的PWM驱动电路，和与PWM驱动电路输入端相连的频率跟踪电路，所述谐振天线系统与频率跟踪电路的输入端相连；所述谐振天线系统包括与驱动放大器输出端相连的第一谐振补偿电路，与第一谐振补偿电路输出端相连的第一PCB感应天线，与第一PCB感应天线相对应的第二PCB感应天线，所述第一PCB感应天线与频率跟踪电路的输入端相连；所述接收电路包括与第二PCB感应天线输出端相连的第二谐振补偿电路，与第二谐振补偿电路输出端相连的整流滤波电路，与整流滤波电路输出端相连的稳压电路，以及与该稳压电路输出端相连的负载。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明通过简单的系统设计达到了提高能量传输效率，减小能量在传输过程中的损耗的目的，实施方便，具有很好的实用价值和推广价值。
（2）本发明中，我们选择在硬质基板上制作通过谐振原理产生交变磁场的发射和接受能量用的螺旋线圈，由此制成的PCB感应天线能够增强传输效率，且便于植入及在实际应用中批量生产，符合实际应用中的需求。
（3）本发明中，通过锁相环频率跟踪电路进行谐振补偿，通过谐振天线系统进行能量传输，充分保证了能量的传输效率，最大限度地降低了能量在传输过程中的损耗。
（4）本发明中，通过整流滤波电路和稳压电路对含大量纹波的直流信号进行处理，得到稳定的直流电压，之后再将该稳定的直流电压传输到负载，这样的处理方式充分保证了输出电能的稳定性，安全可靠，符合实际需求。
附图说明
图1为本发明的整体系统框图。
图2为本发明实施例中的锁相环电路图。
图3为本发明实施例中的信号转化电路图。
图4为本发明实施例的整体电路原理图。
图5为本发明实施例中接收电路的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1所示，磁谐振耦合无线能量传输系统，包括顺次连接的交流电源、交直流转换器、驱动放大器、第一谐振补偿电路、第一PCB感应天线、第二PCB感应天线、第二谐振补偿电路、整流滤波电路、稳压电路、负载，以及与驱动放大器输出端相连的PWM驱动电路，所述第一PCB感应天线通过频率跟踪电路与PWM驱动电路的输入端相连。 
其中，交流电源及与其输出端相连的交直流转换器构成了直流电源；与驱动放大器输出端相连的PWM驱动电路及连接于第一PCB感应天线输出端与PWM驱动电路输入端之间的频率跟踪电路构成了锁相环频率跟踪电路；直流电源，与直流电源输出端相连的驱动放大器，与驱动放大器输出端相连的锁相环频率跟踪电路构成了发射电路；顺次连接的第一谐振补偿电路、第一PCB感应天线、第二PCB感应天线构成了谐振天线系统；顺次连接的第二谐振补偿电路、整流滤波电路、稳压电路、负载构成了接收电路。
本发明中，交直流转换器将交流电源提供的220V交流电压转成直流电压，并为驱动放大器供电，锁相环频率跟踪电路提取驱动放大器产生的PWM信号和谐振天线系统固有的频率信号，同时将所采集的电压信号放大，并进行频率补偿，以获得最大的功率，然后将两种信号输入到锁相环中，当PWM信号频率小于谐振频率时，锁相环增大PWM信号频率，当PWM信号频率大于谐振频率时，锁相环减小PWM信号频率，通过这样的负反馈系统，PWM信号频率最终将保持在谐振频率附近，然后经由PWM驱动电路和驱动放大器放大PWM信号，之后将能量通过第一谐振补偿电路以最大的能量输入到第一PCB感应天线，通过磁耦合，将能量传输到第二PCB天线上，再通过第二谐振补偿电路，以最大的能量传输到整流滤波电路上。
本发明中，谐振天线系统通过第一谐振补偿电路，使得PWM信号以最大功率传输，当频偏存在时，虽然PWM信号传输到第一PCB感应天线不能达到最大功率，但是通过频率跟踪，最终PWM信号将以最大功率传输到第一PCB感应天线上。传输到第一PCB感应天线的能量通过磁耦合将能量传输到第二PCB感应天线上，然后再通过第二谐振补偿电路，以最大能量传输到接收电路中去，通过整流滤波电路获得含大量纹波的直流信号，提取出信号的幅值，再通过稳压电路得到稳定的直流电压，之后将该稳定的直流电压传输到负载。
作为优选，PCB感应天线是通过谐振的原理产生交变磁场的发射和接受能量用的螺旋线圈。为了增强传输效率，便于植入及在实际应用中批量生产，我们选择在硬质基板，例如PCB板上制作线圈。
如图2所示，此为我们提供的一种锁相环电路，包括与直流电源U1相连的驱动放大器U2，通过PCB感应天线U8与驱动放大器U2相连的接收电路U3，输入端均与驱动放大器U2相连的差分放大器U4和PWM驱动电路U5，与差分放大器输出端相连的相位补偿比较模块U6，该相位补偿比较模块U6还通过锁相环U7与PWM驱动电路U5相连。
在该锁相环电路中，采样而来的电压信号包含PWM信号，和谐振天线系统固有信号，通过差分放大器U4将信号放大，由于电压采样、频率跟踪、隔离驱动以及MOSFET通断等都需要时间，致使谐振电压与谐振电流之间存在相位差，为了保证信号以最大能量传输，我们在此加入相位补偿比较模块U6，经过相位补偿后，通过锁相环U7，产生一个PWM信号，这个信号频率通过PWM驱动电路U5逐渐逼近谐振天线系统固有的频率，由此大大地减小了传输损耗，提高了传输效率。
如图3所示，差分放大器采样的电压信号来自于第一谐振补偿电路和PWM驱动电路，差分放大器放大采集到的信号，同时将差分信号转化为单端信号，应用于系统中。该电路中，R2=R3；R4=R5。
如图4所示，在本发明中，各电路及模块均为现有的，作为优选，我们采用NE564芯片及其构成的基本电路来实现锁相环技术；采用IR2181芯片及其构成的基本电路作为PWM驱动电路；采用LM319芯片及其构成的基本电路作为频率跟踪电路；如图5所示，采用快恢复二级管1N5819组成的整流桥和电容滤波电路作为整流滤波电路；而采用TI公司的TPS5430芯片及其构成的基本电路作为稳压电路。
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。

Claims (5)

1.磁谐振耦合无线能量传输系统，包括直流电源，其特征在于，还包括输入端与直流电源相连的驱动放大器，均与驱动放大器输出端相连的锁相环频率跟踪电路和谐振天线系统，以及与该谐振天线系统输出端相连的接收电路，所述谐振天线系统还与锁相环频率跟踪电路的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的磁谐振耦合无线能量传输系统，其特征在于，所述直流电源由交流电源及与交流电源输出端相连的交直流转换器组成，所述驱动放大器与交直流转换器的输出端相连。
3.根据权利要求2所述的磁谐振耦合无线能量传输系统，其特征在于，所述锁相环频率跟踪电路包括与驱动放大器输出端相连的PWM驱动电路，和与PWM驱动电路输入端相连的频率跟踪电路，所述谐振天线系统与频率跟踪电路的输入端相连。
4.根据权利要求3所述的磁谐振耦合无线能量传输系统，其特征在于，所述谐振天线系统包括与驱动放大器输出端相连的第一谐振补偿电路，与第一谐振补偿电路输出端相连的第一PCB感应天线，与第一PCB感应天线相对应的第二PCB感应天线，所述第一PCB感应天线与频率跟踪电路的输入端相连。
5.根据权利要求4所述的磁谐振耦合无线能量传输系统，其特征在于，所述接收电路包括与第二PCB感应天线输出端相连的第二谐振补偿电路，与第二谐振补偿电路输出端相连的整流滤波电路，与整流滤波电路输出端相连的稳压电路，以及与该稳压电路输出端相连的负载。
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