CN103904784A - 一种电能无线过墙传输装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电能无线过墙传输装置,包括分别位于墙体两侧的发送端插座和接收端插座,发送端插座内设有依次连接的整流滤波稳压电路、高频逆变电路和含发送线圈的谐振发送电路,市电交流电源接入后,由发送线圈产生电能谐振脉冲;接收端插座内设有依次连接的带接收线圈的谐振接收电路、整流滤波稳压电路和低频逆变电路。利用磁谐振耦合原理,接收线圈将接收到的来源于发送端插座的电能谐振脉冲,通过整流滤波稳压,用低频逆变电路输出220V、50Hz的交流电能。本发明实现了稳定和有效的电能无线过墙传输,结构简单、成本低、应用广泛。

Description

一种电能无线过墙传输装置
技术领域
[0001] 本发明涉及电能的无线传输技术领域,具体说是一种电能无线过墙传输装置。
背景技术
[0002] 电能无线传输(WPT),指的是电能从电源到负载的一种没有经过电气直接接触的能量传输方式。根据传输机理的不同,电能无线传输可以大致分为三类。一是磁稱合感应式,机理类似于可分离变压器,气隙部分代替了铁芯,特点是传输效率高,但传输距离仅有几毫米,当距离增大后,传输效率急速下降,其实用性很低;二是以微波或激光形式,通过收发天线进行能量传输,传输距离较远,但效率极极低;三是谐振耦合式,利用谐振原理,在中等距离(一般为传输线圈直径的几倍)传输时,仍具有较高的效率和较大的功率。
[0003] 申请公布号为CN202888975U发明专利提出一种安全电能无线传输插座,包括安装于墙面上的固定电路部分与可手持的移动电路部分。但该专利的无线电能的传输是在空气介质,且接收端是移动的,并未表明和解决存在障碍物(墙体内)时电能的无线传输问题。
[0004] 申请公布号为CN102280941A的专利,涉及一种非接触式电能无线传输装置,尤其涉及一种通过发送电磁波原理实现无线传电的简易装置。但该专利主要是提出了一种电能无线传输的原理,并未给出具体装置方案和结构,也未明确提到能够在障碍物(墙体内)的传输。
[0005] 现有的资料表明,无线隔墙传输数据信号是成功的,且大量在使用着,如无线路由器等,但隔墙无线传输电能未见有资料介绍,没有见到实现的,也未见到相关的专利。
发明内容
[0006] 本发明的目的是针对上述现有技术中的不足,提供一种电能无线过墙传输装置。
[0007] 本发明利用谐振耦合式进行电能无线过墙的传输,一般墙体的厚度在30-50cm,由于墙体通常是非磁性的障碍物,采用谐振耦合式的电能无线传输原理,通过在墙的两侧采用阵列定位式的接收和发送线圈,在一定程度上兼顾了传输距离和传输效率的矛盾,有效的实现了隔墙无线传输电能的目的。
[0008] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
电能无线过墙传输装置包括分别位于墙体两侧的发送端插座和接收端插座,发送端插座内设有依次连接的AC/DC变换的整流滤波稳压电路、高频逆变电路和含发送线圈的谐振发送电路,市电交流电源接入后,高频逆变电路为线圈提供高频正弦波电流,在发送线圈上产生电能谐振脉冲;接收端插座内设有依次连接的带接收线圈的谐振接收电路、整流滤波稳压电路和低频逆变电路,所述接收线圈与所述发送线圈为具有相同频率的谐振体,接收线圈接收到的来源于发送端插座的电能谐振脉冲后,从低频逆变电路输出220V、50Hz的交流电能。从谐振耦合基本原理出发,当电源频率与收发线圈固有频率相同时,传输性能最佳。
[0009] 接收端插座可固定在墙体上,或在发送端插座直线距离小于I米的范围内移动。但是发送端插座与接收端插座直线距离越近,电能传输效率越高。因此,较优方案中,发送端插座固定在墙体一侧的墙壁上,接收端插座对应设于墙体另一侧。墙体为非磁性障碍物。
[0010] 主要技术包括:高频逆变、谐振补偿、谐振耦合和整流逆变四个方面的技术。
[0011] (I)高频逆变。将输入的交流电源通过整流电路转换成直流电,该直流电通过逆变转换成高频的交流电,要求该电路拥有稳定性高、安全性好、效率高、损耗小、抗干扰能力强、控制简单等特点。图2为本发明高频逆变电路基本结构原理框图。
[0012] (2)谐振耦合。空心线圈的谐振耦合是整个传输系统中最核心的部分,它是实现电能无线传输的基础。由于发送端线圈通过了高频交流电流,这种高频交变电流流经电能发送线圈时便向其周围发送电磁能量,在谐振耦合原理作用下,接收端线圈便与发送端线圈产生共振,并在接收端线圈中产生相同频率的感应电流。
[0013] (3)谐振补偿。谐振耦合式电能无线传输系统通过发送端与接收端线圈的强耦合,实现了电能的无线传输,但由于空心线圈自身结构的固有特性,使得系统磁路耦合机构的漏磁现象很严重,系统中的无功功率太大,从而严重的制约了系统的传输能力和传输效率。谐振补偿技术能够有效的补偿电能传输网络中的无功功率,而且能够减少电源的电压和电流应力,减少甚至消除整个系统的无功功率,提高系统的传输能力和传输效率。因此有必要对系统的发送端和接收端线圈电感进行补偿。
[0014] (4)整流逆变。将接收到的高频交流电转换成适当的直流电,再逆变成220V/50HZ的交流电。普通的整流滤波电路都是将低频的交流电进行整流滤波,而电能无线传输系统接收端接收到的往往都是高频交流电,系统的工作频率较高,所以普通的整流管并不能满足要求,采用快恢复型的肖特基二极管是比较好的选择。滤波电容不宜采用电解电容,因为电解电容能应用的最大频率一般在500KHZ左右,适合用在低频滤波电路中。而瓷片电容的等效电感小,工作频率高,适用于高频滤波电路。
[0015] 谐振耦合式电能传输技术是通过两个具有相同频率的“谐振体”进行电磁耦合产生谐振来实现能量传输的。通常情况下,相距一定的距离的两个带电物体相互之间的耦合为弱耦合,但是一旦两带电物体的自身的谐振频率达到一致,两者之间将会产生强的磁场耦合,发送端源源不断为系统提供电能,而接收端将不断消耗电能,这样就实现了相对长距离的稳定和有效的电能无线传输。且抗干扰能力强,收发端之间可以有非磁性障碍物,方便的实现了不用导线直接相连,就能隔墙传送电能的效果。
[0016] 本发明具有以下突出的有益效果:
1、有效地解决了钻墙打洞和穿线问题,由于不需要钻墙打洞,给人们的生活带来了方便,在一些不适合钻墙打洞的位置,或者是难以钻墙打洞的情况,通过使用本项目的电能无线过墙连接装置,就可以为房间里提供电源。
[0017] 2、安全,电源侧和负载侧没有电线直接相连,起到了一定程度的隔离作用,电源侧和负载侧出现故障都不会导致两端设备损坏。
[0018] 3、抗干扰能力强,在30_50cm墙体范围内,不受墙体的影响,能有效地传送电能。
[0019] 4、结构简单、成本低、应用广泛,电磁辐射值极小,对环境及人体的危害几乎为零,应用前景广泛,具有很高的经济和社会价值。
附图说明[0020] 图1是本发明电能无线过墙传输装置结构示意图;
图2为本发明中高频逆变电路原理框图;
图3为电能谐振发送接收电路图;
图4为低频逆变电路图 图5为电能无线过墙传输安装示意图;
图中,1-发送端插座,2-整流滤波稳压电路,3-高频逆变电路,4-谐振发送电路,5-发送线圈,6-接收线圈,7-谐振接收电路,8-整流滤波稳压电路,9-低频逆变电路,10-接收端插座,A-墙体。
具体实施方式
[0021] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明:
实施例
参见附图1:一种电能无线过墙传输装置,该电能无线过墙传输装置包括分别位于墙体两侧的发送端插座I和接收端插座10,发送端插座I内设有依次连接的整流滤波稳压电路2、高频逆变电路3、谐振发送电路4和发送线圈5,外接电源接入整流滤波稳压电路2后,由发送线圈5产生电能谐振脉冲;接收端插座10内设有依次连接的带接收线圈6的谐振接收电路7、整流滤波稳压电路8和低频逆变电路9,接收线圈6与所述发送线圈5为具有相同频率的谐振体,接收线圈6接收到的来源于发送端插座I的电能谐振脉冲后,通过低频逆变电路9输出220V、50Hz的交流电能。
[0022] 外接电源接入发送端插座I后,经整流滤波稳压电路2整流滤波成直流电,通过高频逆变电路3产生高频交流电流,经谐振发送电路4提供高频谐振脉冲,由发送线圈5与接收端插座10的接收线圈6之间的电磁场谐振耦合,将发送线圈5传送的电磁能量谐振耦合到接收线圈6,此时电流仍是高频电流,接收侧将接收的电能经过解调、整流滤波和逆变,将220V、50Hz的交流电能输出提供给用电设备。接收线圈6的位置在发送端插座直线距离小于I米的范围内是可以改变的,这和开关电源中的变压器有很大的不同。此外,接收线圈6可以保持相对静止或运动的状态,可适用于不同的应用场合。
[0023] 附图2为高频逆变电路基本工作原理框图:高频逆变电路3由直流电源输入、直流逆变和逆变控制三部分组成,其中关键部分为SPWM驱动,脉冲宽度调制技术。
[0024] 附图3为电能谐振发送接收电路图:驱动电路将交流方波信号送入由发送线圈5、MOS管Q4、电容C2及变压器Tl构成初级线圈,初级线圈把能量谐振耦合发送给次级线圈,通过匝数比为1:500的变压器Tl进行电压放大,后经二极管D3,D4、D5及D6构成桥式整流电路整流和C3平滑滤波,所获得的直流电压送至供电设备。驱动电路采用12V直流电源供电,当方波信号为高电平时,三极管Ql导通,Ql的VCE较小,以致三极管Q2、Q3均截止。因此MOS管Q4的栅极处于高阻状态(M0S管Q4处于截止状态),即电子开关不导通,发送线圈5不能往外发送电能。方波为低电平时,三极管Ql截止,Ql的C极处为高电平,此时,三极管Q2、Q3均导通。因此MOS管Q4的栅极处于高电平,则MOS管Q4处于导通状态,即电子开关导通,发送线圈5往外发送电能。
[0025] 附图4中为低频逆变器电路,采用的是以TL494为核心的逆变器电路,图4中VTl、VT2、VD3、VD4构成灌电流驱动电路,驱动两路各两只60V/30A的MOSFET开关管。第1、2脚构成稳压取样、误差放大系统,正相输入端I脚输入逆变器次级取样绕组整流输出的12V直流电压,经Rl、R2分压,使第I脚在逆变器正常工作时有近4.7〜5.6V取样电压。反相输入端2脚输入5V基准电压(由14脚输出)。当输出电压降低时,I脚电压降低,误差放大器输出低电平,通过PWM电路使输出电压升高。正常时I脚电压值为5.4V,2脚电压值为5V,3脚电压值为0.06V。此时输出AC电压为235V (方波电压)。第4脚外接R6、R4、C2设定死区时间。正常电压值为0.01V。第5、6脚外接CT、RT设定振荡器三角波频率为100Hz。正常时5脚电压值为1.75V,6脚电压值为3.73V。第7脚为共地。第8、11脚为内部驱动输出三极管集电极,第12脚为TL494前级供电端,第9、10脚为内部驱动级三极管发送极,输出两路时序不同的正脉冲。正常时电压值为1.8V。第13、14、15脚其中14脚输出5V基准电压,使13脚有5V高电平,控制门电路,触发器输出两路驱动脉冲,用于推挽开关电路。第15脚外接5V电压,构成误差放大器反相输入基准电压,以使同相输入端16脚构成高电平保护输入端。此接法中,当第16脚输入大于5V的高电平时,可通过稳压作用降低输出电压,或关断驱动脉冲而实现保护。在它激逆变器中输出超压的可能性几乎没有,故该电路中第16脚未用,由电阻R8接地。
[0026] 参见附图5:在使用时,发送端插座I和接收端插座10分别在房间墙体A的两侧,两个插座之间通过谐振耦合式进行电能的无线传输,具体负载如照明或电器的插头可直接连到接收端插座10上即可用电。
[0027] 以上是本发明的较佳实施例,凡依本发明技术方案所作的改变,所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时,均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电能无线过墙传输装置,其特征在于,该电能无线过墙传输装置包括分别位于墙体两侧的发送端插座(1)和接收端插座(10),所述发送端插座(1)内设有依次连接的整流滤波稳压电路(2)、高频逆变电路(3)、谐振发送电路(4)和发送线圈(5),外接电源接入所述整流滤波稳压电路(2)后由所述发送线圈(5)产生电能谐振脉冲;所述接收端插座(10)内设有依次连接的带接收线圈(6)的谐振接收电路(7)、整流滤波稳压电路(8)和低频逆变电路(9),所述接收线圈(6)与所述发送线圈(5)为具有相同频率的谐振体,接收线圈(6)接收到的来源于所述发送端插座(1)的电能谐振脉冲后从所述低频逆变电路(9)输出。
2.根据权利要求1所述的电能过墙无线传输装置,其特征在于,所述接收端插座(10)固定在墙体上,或在所述发送端插座(1)直线距离小于I米的范围内移动。
3.根据权利要求2所述的电能过墙无线传输装置,其特征在于,所述发送端插座(1)固定在墙体一侧的墙壁上,所述接收端插座(10)对应设于墙体另一侧。
4.根据权利要求1所述的电能过墙无线传输装置,其特征在于,所述墙体为非磁性障碍物。
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