CN104659929B - 磁耦合谐振无线电能发射设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁耦合谐振无线电能发射设备和方法，包括：带有发射线圈的LC谐振网络、供能电源以及自谐振控制电路；供能电源与发射端LC谐振网络相连；供能电源向发射端的LC谐振网络充电；自谐振控制电路监视该充电过程，当充电完成后，自谐振控制电路控制断开供能电源的供电；LC谐振网络以自身固有频率自谐振振荡，并通过发射端LC谐振网络中的谐振线圈将能量以电磁波的形式传输出去；自谐振控制电路检测到发射端LC谐振网络在自谐振振荡过程中能量低于预定阈值时，闭合供电电源；供电电源开始给所述发射端LC谐振网络充电。通过本发明无需借助外部激励即可实现自谐振的间歇式无线电能发射。

Description

磁耦合谐振无线电能发射设备和方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术，特别是指一种磁耦合谐振无线电能发射设备和方法。

背景技术

中国在大力发展智能电网技术中，安装在输电杆塔上的设备没有工作电源，传统的办法是采用太阳能极板和蓄电池的组合来提供设备工作电源，这种供电方式的后期维护成本较高。而高压输电线路感应取电技术为等电位取电，可以给工作在线路上的设备提供工作电源。然而工作在杆塔上的设备仍然没有工作电源，如果由导线将电能传递至杆塔，等同将输电线路的高电位与地电位短路，不可实施。

无线电能传输(Wireless Power Transmission，WPT)，即无线输电是借助于电磁场或电磁波进行能量传递的一种新型技术。随着科技的发展，传统的输电方式很难满足其供电需求。因此，发展无线电能传输技术的重要性日益凸显出来。

现有的无线输电大致可分为：电磁感应式、电磁辐射式和电磁共振式。电磁感应式传输距离近、效率低。发电机、电动机的定转子之间的能量传递就是利用此原理，传输距离为毫米级。电磁辐射式传输距离远，但如果是全方向性辐射，传输电能的效率会十分低；而如果是定向辐射，要具有不问断可视的方位和十分复杂的追踪仪器设备，其研制难度很大。电磁共振式，主要利用磁耦合谐振式输能技术，是对感应式的突破，理论上可以在几米的范围内实现高效能量传输，一旦技术上取得突破将改变人们的用电方式，其应用前景广阔。

磁耦合谐振式输能技术思路最早由麻省理工学院(MIT)于2006年提出，并于2007年得到了初步的实验验证，实验结果发表在了《Science》杂志。该项技术本质上依靠磁场传递能量，它通过谐振线圈间磁场的耦合，借助发射和接收线圈产生的共振实现能量的无线传输。此项技术理论上可以在米级距离传输较大功率的能量，同时具有穿越非导磁性障碍物、对相对位置要求较低等突出优点。

该技术的基本实现方式主要是在发射端设置输能电源、驱动电路和发射电路；在接收端设置接收电路和稳压电路等。其中发射电路一般是由发射线圈和电容组成的LC振荡回路，接收电路是由接收线圈和电容组成的LC振荡回路。由输能电源给发射线圈提供持续的能量输出，由驱动电路产生驱动信号激励发射线圈谐振，产生交变磁场。交变磁场作用于接收线圈，使接收线圈产生谐振，由于接收线圈与发射线圈频率相同，因此二者产生共振，从而将输能电源的能量传输到接收线圈。

参见图1所示，为该现有技术一种典型实现方案的结构。包括直流电源、开关电路、发射电路、增强器、谐振接收电路五个部分。其中，直流电源、开关电路与发射电路串联连接，通过开关电路，作为产生驱动信号的驱动电路，控制开关管T的开通和关断，从而得到激励发射电路谐振的高频方波电压，使发射电路的LC回路产生高频振荡；接收电路的LC回路产生同频共振，接收发射电路发射的能量。

目前对该项技术的研究难点在于：为了提高传输效率和传输距离，使其达到可应用级别，都迫切要求提高发射电路的振荡频率。但是这样一方面要求提高发射电路的LC回路振荡频率，同时也要求驱动电路产生与之匹配的高频驱动信号，并且要求在高频率下该驱动信号与发射电路中的LC回路振荡频率保持完全同步。一般的做法是精确测定发射电路的固有振荡频率后，再设置驱动信号的发生频率，并且在设备工作时还需要调节该驱动信号频率与LC回路频率同步。但随着发射线圈振荡频率的提高，控制开关管T自身的器件所决定的开关频率和时机很难调节，因此难以实现精准控制，无法使线圈随时都振荡在谐振频率上。

并且随着温度、湿度等外部环境的改变，离散电感参数也在随之发生变化，并且由于无线传能装置离散参数复杂，线圈容易受到外围电路干扰，造成频点漂移。而现有技术驱动信号的频率却不能随之自适应地改变，从而将严重影响无线能量传输的可靠性以及效率。从而对无线输电技术在工程上特别是高压输电领域实际应用和推广造成了很大障碍。目前始终没有一个方案能很好地解决此问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种磁耦合谐振无线电能发射设备和方法，以解决传统无线传能方案高频控制难，自适应性差等难题。

基于上述目的本发明提供的一种磁耦合谐振无线电能发射设备，包括：带有发射线圈的发射端LC谐振网络、供能电源以及自谐振控制电路；

供能电源与发射端LC谐振网络相连；供能电源向发射端LC谐振网络充电；自谐振控制电路监视充电过程，当充电完成后，自谐振控制电路控制断开供能电源的供电；发射端LC谐振网络以自身固有频率自谐振振荡，并通过发射端LC谐振网络中的谐振线圈将能量以电磁波的形式传输出去；自谐振控制电路检测到发射端LC谐振网络在自谐振振荡过程中能量低于预定阈值时，闭合供能电源；供能电源开始给所述发射端LC谐振网络充电。

可选的，所述发射设备中自谐振控制电路包括：发射端电流检测装置、发射控制模块、发射开关模块；

所述供能电源、发射开关模块及发射端LC谐振网络串联连接；所述发射端电流检测装置用于检测发射端LC谐振网络上的电流并将检测到的电流值传输给发射控制模块；所述发射控制模块用于控制发射开关断开或闭合；

发射开关模块闭合后，供能电源开始给所述发射端LC谐振网络充电，当发射端电流检测装置检测到电流值高于预定的电流最大值时，发射控制模块控制发射开关模块断开，使发射端LC谐振网络开始自振荡并向外传能；当所述发射端电流检测装置检测到所述发射端LC谐振网络上的电流值低于预定的电流最小值时，发射控制模块控制发射开关模块闭合。

可选的，所述当所述发射端电流检测装置检测到所述发射端LC谐振网络上的电流值低于预定的电流最小值时，还检测电流是否过零点，当电流过零点时，发射控制模块控制发射开关模块闭合。

可选的，该发射设备所述发射端电流检测装置包括：穿心电流互感器、整流滤波模块、电流最大值比较器、电流最小值比较器以及电压过零比较器，其中电压过零比较器通过检测所述开关模块两端电压差判断电流是否过零点；

所述控制模块为RS触发器；

穿心电流互感器感应发射端LC谐振网络电流振荡，产生的感应电流传输到整流滤波模块，经整流滤波后同时传输到电流最大值比较器和电流最小值比较器，电流最大值比较器判断电流值超过预定的最大电流值时，向所述RS触发器发送信号，RS触发器触发开关模块断开；电流最小值比较器判断电流值低于预定的最小值时，向所述电压过零比较器发送信号，触发电压过零比较器检测并比较所述开关模块两端的电压差，如果所述开关模块两端电压差达到零，则该电压过零比较器向所述RS触发器发送信号，RS触发器触发开关模块闭合。

可选的，该发射设备所述供能电源为直流电源；或感应式取电装置，用于从高压输电线上感应取得能量并整流滤波形成稳定的直流电压源。

可选的，该发射设备所述发射开关模块为耐高压高频开关模块。

在本发明的另一方面还提供了一种磁耦合谐振无线电能发射方法，包括：

供能电源向发射端LC谐振网络充电；

监视充电过程，当充电完成后，断开供能电源的供电；发射端LC谐振网络以自身固有频率自谐振振荡，并通过发射端LC谐振网络中的谐振线圈将能量以电磁波的形式传输出去；

当检测到发射端LC谐振网络在自谐振振荡过程中能量低于预定阈值时，闭合供能电源；供能电源开始给所述发射端LC谐振网络充电。

可选的，该方法预先设定发射端LC谐振网络的电流最大值和电流最小值；

所述供能电源向发射端LC谐振网络充电时，检测该发射端LC谐振网络的电流值，当电流值高于所述电流最大值时，供能电源停止供电；

在发射端LC谐振网络在自身固有频率下自谐振振荡过程中，检测该发射端LC谐振网络的电流值，当电流值低于所述电流最小值时，供能电源开始给所述发射端LC谐振网络充电。

可选的，该方法当检测到所述发射端LC谐振网络上的电流值低于预定的电流最小值时，进一步检测电流是否过零点，当电流过零点时，供能电源开始给所述发射端LC谐振网络充电。

从上面所述可以看出，本发明提供一种磁耦合谐振无线电能发射设备和方法，没有采用外部的驱动信号来控制发射电路的振荡，而是突破了原有的思维模式，利用发射电路中LC回路固有频率实现能量传输。不再关心驱动信号的频率是否能够保持与发射电路的频率一致且同步，而只关注发射电路中的能量是否达到传输要求。在接收端通过自适应的方式，使接收电路频率与发射电路的频率始终保持一致。从而很好地实现了能量传输，有效提高了传输效率。使本发明的方案具有以下优点：

1、设备可靠性和自适应性有效提升，发射端的电路拓扑结构简单，不需要产生驱动信号的驱动电路，避免了为实现驱动信号频率与发射电路频率一致且同步的复杂控制。此外，由于控制过程简单，频率自适应都用基本电路搭建，逻辑简单，没有软件编程，提升了可靠性和反应速度，可实现高频率下的自我调节，有较强的自适应能力。特别是当使用在高压输电线路取电时，由于发射设备临近高压输电线，其电磁辐射很强，容易对发射设备造成干扰，产生频点漂移，甚至损坏发射设备中的控制芯片，本发明发射端由于拓扑结构简单且可以不需要芯片实现控制，因此能够有效提升设备可靠性。

2、传输效率显著提高，本发明利用发射电路直接构成选频网络，使系统震荡频率永远震荡在发射电路的谐振频率上，解决了发射电路中频率匹配问题。并且通过对接收电路采取自适应调节方式，使接收电路也工作在谐振频率上，即使外部环境等因素造成发射频率变化，接收端也能够很好地实现频率匹配，使发射端和接收端始终保持同步，产生共振效应，从而传输效率显著提高。此外，本发明中发射端由于无需受到驱动信号控制电路的限制，发射信号的振荡频率可以大幅提高，高频率可以有效避免电子波传输过程中能量耗散，能够有效提高无线传能的效率和传能距离。一般情况下，本发明不需要增强器，即可实现无线能量的有效传输。

3、设备的安全性、实用性高，大大降低成本。比起传统的多开关直流逆变电路控制，由于本发明间歇式传能的特点，本发明中发射端的开关频率明显减少，开关频率远远低于振荡频率，有效避免了因开关频率过高而引起的一些列难题，如驱动芯片难找，很少有兆赫兹级别的MOS驱动芯片；对MOS管上升沿和下降沿延时有极高的要求，若谐振频率为1M赫兹，开关的上升下降沿时要控制在50ns以内；高频情况下开关自身的节电容，导线之间的互感已经无法忽视，实际制作难度很大等。此外，由于本发明方案对发射电路和接收电路的自身频率均没有很高的精度要求，使发射线圈和接收线圈的加工工艺变得简单，极大降低了生产成本。

本发明的无线输电系统经过实际现场测试，可靠性、传能效率和传能距离均明显高于现有技术，使该项技术脱离了实验室阶段，达到实际应用的水平。利用本发明无线电能传输系统，可以将电能转换为电磁波传输能量，中间由空气绝缘，可以有效避免短路问题。在高压输电线取能、无线充电等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为现有技术磁耦合谐振式输能无线电能传输系统结构示意图；

图2为本发明实施例磁耦合谐振式无线电能传输系统的结构示意图；

图3为本发明实施例磁耦合谐振式无线电能传输发射设备的结构框图；

图4为本发明发射设备一个具体实施例的结构示意图；

图5为本发明实施例磁耦合谐振式无线电能传输接收设备的结构框图；

图6为本发明接收设备一个具体实施例的结构示意图；

图7为本发明实施例接收设备的自适应匹配控制流程图；

图8为本发明实施例无线电能传输系统在高压输电线上的应用示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明磁耦合谐振无线电能发射设备的一个实施例，包括：带有发射线圈的发射端LC谐振网络、供能电源以及自谐振控制电路；

供能电源与发射端LC谐振网络相连；供能电源向发射端LC谐振网络充电；自谐振控制电路监视充电过程，当充电完成后，自谐振控制电路控制断开供能电源的供电；发射端LC谐振网络以自身固有频率自谐振振荡，并通过发射端LC谐振网络中的谐振线圈将能量以电磁波的形式传输出去；自谐振控制电路检测到发射端LC谐振网络在自谐振振荡过程中能量低于预定阈值时，闭合供能电源；供能电源开始给所述发射端LC谐振网络充电。

参见图2所示，为本发明实施例中磁耦合谐振无线电能发射设备与接收设备所组成的电能传输系统。具体如下：

在发射设备中包括有发射端LC谐振网络、供能电源以及自谐振控制电路；供能电源向发射端LC谐振网络充电，自谐振控制电路在充电完毕后，断开供能电源的供电；发射端LC谐振网络在自身固有频率下自谐振振荡，并通过该发射端LC谐振网络中的谐振线圈将能量以电磁波的形式传输出去；

接收设备中包括有接收端LC谐振网络以及自适应调节电路；接收端LC谐振网络的谐振线圈感应所述电磁波并产生谐振振荡；所述自适应调节电路通过调节该接收端LC谐振网络的固有频率，使该接收端LC谐振网络与所述发射端LC谐振网络产生共振。

此外，所述发射端LC谐振网络在自身固有频率下自谐振振荡过程中，自谐振控制电路检测到发射端LC谐振网络中能量低于预定阈值时，闭合供能电源开始给所述发射端LC谐振网络充电。

本发明提供的无线电能发射设备一个实施例的结构参见图3所示，包括：直流电源401、由发射线圈和电容并联组成的发射端LC谐振网络402、发射端电流检测装置303、发射控制模块302、发射开关模块408；

所述直流电源401、发射开关模块408及发射端LC谐振网络402串联连接；所述发射端电流检测装置303用于检测发射端LC谐振网络402上的电流并将检测到的电流值传输给发射控制模块302；所述发射控制模块302用于控制发射开关断开或闭合；

发射开关模块408闭合后，直流电源401开始给所述发射端LC谐振网络402充电，当发射端电流检测装置303检测到电流值高于预定的电流最大值时，发射控制模块302控制发射开关模块408断开，使发射端LC谐振网络402开始自振荡并向外传能；当所述发射端电流检测装置303检测到所述发射端LC谐振网络402上的电流值低于预定的电流最小值时，发射控制模块302控制发射开关模块408闭合。

其中，所述当所述发射端电流检测装置303检测到所述发射端LC谐振网络402上的电流值低于预定的电流最小值时，为了保护发射开关模块408，还可以进一步检测电流是否过零点，当电流过零点时，发射控制模块302控制发射开关模块408闭合。

作为一个实施例，所述直流电源401为感应式取电装置，用于从高压输电线上感应取得能量并整流滤波形成稳定的直流电压源。

该感应式取电装置包括取能线圈、整流滤波、取电功率调节、充电稳压电路、锂电池组，充电稳压电路的正负极输出端串联连接至所述发射端LC谐振网络402及发射开关模块408。由此，感应取电装置由高压输电线上感应取得能量，经过整流滤波电路转换成稳定的电压源，为间歇式谐振无线能量传输装置的发射部分供能。而间歇式谐振无线能量传输装置将感应取电装置从高压输电线上取得的能量以电磁感应的方式将能量无线输送回杆塔，给杆塔上的设备供能。

参见图4所示，作为一个实施例，所述发射端电流检测装置303包括：穿心电流互感器409、整流滤波模块403、电流最大值比较器404、电流最小值比较器405以及电压过零比较器407，其中电压过零比较器407通过检测所述开关模块408两端电压差判断电流是否过零点。所述控制模块为RS触发器406。

穿心电流互感器409感应发射端LC谐振网络402电流振荡，产生的感应电流传输到整流滤波模块403，经整流滤波后同时传输到电流最大值比较器404和电流最小值比较器405，电流最大值比较器404判断电流值超过预定的最大电流值时，向所述RS触发器406发送信号，RS触发器406接收到该信号后即触发开关模块408，此时开关模块408处于闭合，因此开关模块408接收到RS触发器406的触发信号后断开。电流最小值比较器405判断电流值低于预定的最小值时，向所述电压过零比较器407发送信号，触发电压过零比较器407检测并比较所述开关模块408两端的电压差，如果所述开关模块408两端电压差达到零，则该电压过零比较器向所述RS触发器406发送信号，RS触发器406触发开关模块408，此时开关模块408处于断开状态(由于开关模块408的内阻因此在给发射端LC谐振网络402充电状态下，该开关模块408两端的电压差不会为零)，因此接收到RS触发器406的触发信号后开关模块408闭合，直流电源401开始为发射端LC谐振网络402充电。

在另一方面，本发明还提供了一种磁耦合谐振无线电能发射方法，作为一个实施例该方法主要包括：

供能电源向发射端LC谐振网络充电；

监视充电过程，当充电完成后，断开供能电源的供电；发射端LC谐振网络以自身固有频率自谐振振荡，并通过发射端LC谐振网络中的谐振线圈将能量以电磁波的形式传输出去；

当检测到发射端LC谐振网络在自谐振振荡过程中能量低于预定阈值时，闭合供能电源；供能电源开始给所述发射端LC谐振网络充电。

该发射方法中，可预先设定发射端LC谐振网络的电流最大值和电流最小值；

所述供能电源向发射端LC谐振网络充电时，检测该发射端LC谐振网络的电流值，当电流值高于所述电流最大值时，供能电源停止供电；

在发射端LC谐振网络在自身固有频率下自谐振振荡过程中，检测该发射端LC谐振网络的电流值，当电流值低于所述电流最小值时，供能电源开始给所述发射端LC谐振网络充电。

当检测到所述发射端LC谐振网络上的电流值低于预定的电流最小值时，进一步检测电流是否过零点，当电流过零点时，供能电源开始给所述发射端LC谐振网络充电。

本发明与发射设备配合使用的无线电能接收设备的一个实施例的结构参见图5所示，包括：接收端LC谐振网络501、能量检测装置502、反馈控制电路504、自适应谐振调节装置503、能量采集输出电路；

接收端LC谐振网络501接收发射设备传输来的电磁波并产生谐振振荡，能量检测装置502检测该接收端LC振荡网络501上的电流并将电流值输出给反馈控制电路504，反馈控制电路504根据电流值的变化向自适应谐振调节装置503发送控制信号，自适应调节装置503调节所述接收端LC振荡网络501的固有频率，以使接收端LC振荡网络501上的电流值最大化；能量采集输出电路将所述接收端LC振荡网络501中的电流采集处理后输出。

作为一个实施例，所述能量采集输出电路中包括：匹配网络602、整流稳压模块603、蓄电池605以及用电负载606。

接收端LC谐振网络501的输出端连接至所述匹配网络602，匹配网络602用于使接收端LC谐振网络501内阻与接收端等效负载阻抗匹配，并将LC谐振网络501上的电流输出至整流稳压模块，用于使接收端LC谐振网络501内阻与接收端等效负载阻抗匹配，以使接收端负载的接收能量最大化。可选的，所述匹配网络602可以是L型、T型、π型等的LC式匹配网络；也可以是变压器阻抗变换电路等其它类型匹配网络。经整流稳压处理后的电流分别输出至蓄电池605和负载606，所述蓄电池605同时也向负载606供电。

作为一个实施例，无线电能接收设备具体可以采用如图7所示的结构：

通过设置一个可调电容并联在接收端LC谐振网络501的耐压电容610上，通过电机611来控制该可调电容，从而实现对接收端LC谐振网络501自身固有频率的调谐。

具体地，所述能量检测装置502包括：穿心电流互感器612和整流稳压模块607。

所述反馈控制电路504主要包括一个控制芯片MCU 608。

所述自适应谐振调节装置503包括电机驱动模块609、电机611以及与接收端LC谐振网络501中的耐压电容610并联的可调电容。

穿心电流互感器612感应接收端LC谐振网络501中的电流，将感应电流输出至整流稳压模块607，整流稳压后输入给MCU 608中的AD(模数转换)模块；MCU根据电容调节前后电流值的变化，发出调节信号至电机驱动模块609；电机驱动模块609控制电机611转动调节所述可调电容的电容值。作为一个实施例，所述电机611可以为异步电机，通过旋转调节可调电容的电容值。

所述能量采集输出电路包括：匹配网络602、整流稳压模块603、充电控制电路604、蓄电池605。

接收端LC谐振网络501的输出端连接至所述匹配网络602，匹配网络602用于使接收端LC谐振网络501的内阻与接收端等效负载阻抗匹配，并将LC谐振网络501上的电流输出至整流稳压模块；经整流稳压处理后的电流分别输出至蓄电池605和负载606，所述蓄电池605同时向负载606供电。

所述充电控制电路604检测蓄电池605两端电压，当电压值低于预定阈值时，充电控制电路604开启向蓄电池605充电，并继续检测蓄电池605两端电压；当电压值达到蓄电池605满电电压值(可以通过预先设定一个最大阈值来实现该判断过程)时，充电控制电路604停止向蓄电池605充电。

另外，可选的，所述稳压电路603与负载606之间以及充电控制电路604与负载606之间分别连接有用于防止回流的二极管。

当然，本领域技术人员应该知道，上面只是本发明的一种具体实施例而已，还可以通过其他方式实现接收端LC谐振网络501上的电容调谐，例如：可以直接采用高压可调电容作为接收端LC谐振网络501上的耐压电容，这样无需并联一个可调电容，而直接调节该LC谐振网络501上的耐压电容即可；对于并联的可调电容，或者接收端LC谐振网络501上的高压可调电容，除了上述通过电机调谐电容值的方式之外，也可以采取其他方式来实现电容值调谐。

为了尽量比较峰值，调节所述接收端LC振荡网络的固有频率可以采用二分法，即如果所述能量检测装置检测到LC接收振荡回路上的电流值增加的趋势发生逆转，则对下一次电感的调节量值减半，直至检测到的LC接收振荡回路上的电流波出现最大峰值。该二分法方式可以单独使用，也可以与上面所述每次增加或减少的所述调节量为一个微小值的方式结合使用，即在上面实施例中，若所述能量检测装置检测到LC接收振荡回路上的电流值增加的趋势发生逆转时，进一步采用二分法，每次对电感的调节量值减半，从而可进行精确的峰值定位。

此外，作为一个实施例，所述自适应调节装置调节所述接收端LC振荡网络的固有频率可以通过如下调谐过程实现：

上电初始化后，检测接收端LC谐振网络上的电流值，判断是否为零，若是，则返回继续检测；若不为零则调节接收端LC谐振网络上的电容值增加或减小一个ΔC；

判断电容调节后的电流值是否大于调节前的电流值，若是则继续同方向增加或减小一个ΔC，否则反方向增加或减小一个ΔC；

沿电流增大的趋势继续增加或减小一个ΔC，直到检测到电流增大趋势逆转；则对当前电容值回调一个ΔC后，锁定该电容值，并记录当前的该最大电流值；

继续检测接收端LC谐振网络的电流值，如果当前电流值于记录的最大电流值且超过设定阈值，则返回检测接收端LC谐振网络上的电流值，判断是否为零的初始步骤。

参见图7所示，本发明一个实施例的MCU自适应控制流程包括如下步骤：

步骤701，设备上电初始化；

步骤702，检测当前采集的电流值，即AD值并存储为D1；

步骤703，判断D1是否等于0，若是，则说明发射端没有正常工作，接收端未产生感应振荡，返回步骤702继续检测AD值；若否，则进入步骤704；

步骤704，将电容值增大一个预先设定好的固定值ΔC；本步骤中可以通过电机调节所述可调电容实现；

步骤705，检测电容增大后的当前AD值，并将其存储为D2；

步骤706，判断D2-D1是否大于0，若是说明当前电容值的调节方向正确，则进入步骤707；否则进入步骤709；

步骤707，继续将电容值增大一个ΔC；

步骤708，检测当前AD值，并存储为D2，进入步骤713；

步骤713，判断D2-D1是否大于0，若是，则将当前D2设置为D1返回步骤707，继续正向增大电容值；否则，将当前D2设置为D1进入步骤714；

步骤714，将当前的电容值减小一个ΔC并暂时稳定下来当前的电容调谐，存储当前电流值为D1，进入步骤715；

本步骤的目的是，经过步骤713的判断，在步骤707的电容调整后，对接收端LC谐振网络的调谐应该已经超过最大值顶点了，因此需要反向回调一个ΔC。当然因为经过步骤707的电容调整后，实际上接收端LC谐振网络已经处在最大值顶点附近，因此也可以去掉本步骤，或者将向回调整的电容值设置为比ΔC更小的一个固定值。

步骤709，将电容值减小一个ΔC；

步骤710，检测AD的值并存储为D2；

步骤711，判断D2-D1是否大于0，若是则将当前D2设置为D1，返回步骤709；否则，将当前D2设置成D1进入步骤712；

步骤712，将当前电容值增大一个ΔC并暂时稳定下来当前的电容调谐，存储当前电流值为D1，进入步骤715；

本步骤的目的是，经过步骤710的判断，在步骤709的电容调整后，对接收端LC谐振网络的调谐应该已经超过最大值顶点了，因此需要反向回调一个ΔC。当然因为经过步骤707的电容调整后，实际上接收端LC谐振网络已经处在最大值顶点附近，因此也可以去掉本步骤，或者将向回调整的电容值设置为比ΔC更小的一个固定值。

步骤715，检测当前AD的值并存储为D2；

步骤716，判断D2与D1相差是否超过D1的一个预定百分比，例如10％，若是，则说明已经产生严重偏差，返回步骤2重新进行调谐；若否，则返回步骤715。

与上面系统相对应的，本发明还提供了一种磁耦合谐振式无线电能传输方法，包括：

在发射设备中，供能电源向发射端LC谐振网络充电，当充电完毕后，供能电源停止供电；发射端LC谐振网络在自身固有频率下自谐振振荡，并通过该发射端LC谐振网络中的谐振线圈将能量以电磁波的形式传输出去；

在接收设备中，接收端LC谐振网络的谐振线圈感应所述电磁波并产生谐振振荡；调节该接收端LC谐振网络的固有频率，使该接收端LC谐振网络与所述发射端LC谐振网络产生磁耦合共振。

作为一个实施例，在发射设备中，该方法进一步包括：所述发射端LC谐振网络在自身固有频率下自谐振振荡过程中，检测发射端LC谐振网络中能量，当该能量低于预定阈值时，供能电源开始给所述发射端LC谐振网络充电。

此外，可预先设定发射端LC谐振网络的电流最大值和电流最小值；

所述供能电源向发射端LC谐振网络充电时，检测该发射端LC谐振网络的电流值，当电流值高于所述电流最大值时，供能电源停止供电；

在发射端LC谐振网络在自身固有频率下自谐振振荡过程中，检测该发射端LC谐振网络的电流值，当电流值低于所述电流最小值时，供能电源开始给所述发射端LC谐振网络充电。

作为一个实施例，在接收端设备中，接收端LC谐振网络接收发射设备传输来的电磁波并产生谐振振荡后，逐步调节所述接收端LC振荡网络的固有频率，在调节过程中检测该接收端LC振荡网络上的电流，直至LC振荡网络上的电流值最大化。

上面过程中，可通过调节接收端LC谐振网络上的电容值来调节所述固有频率。

所述调节接收端LC振荡网络的固有频率的过程可以包括：

上电初始化后，检测接收端LC谐振网络上的电流值，判断是否为零，若是，则返回继续检测；若不为零则调节接收端LC谐振网络上的电容值增加或减小一个ΔC；

判断电容调节后的电流值是否大于调节前的电流值，若是则继续同方向增加或减小一个ΔC，否则反方向增加或减小一个ΔC；

沿电流增大的趋势继续增加或减小一个ΔC，直到检测到电流增大趋势逆转；则对当前电容值回调一个ΔC后，锁定该电容值，并记录当前的该最大电流值；

继续检测接收端LC谐振网络的电流值，如果当前电流值于记录的最大电流值且超过设定阈值，则返回检测接收端LC谐振网络上的电流值，判断是否为零的初始步骤。

从上面所述内容可以看出，本发明实施例的方案电路拓扑结构简单，安装便捷，传输功率大，效率高，有很强的自适应能力。比起传统的多开关直流逆变电路控制，减少了开关损耗，而只有一个开关控制，提升了安全性和实用性，大大的降低了工程成本。且由于间歇式传能的特点，开关频率远远低于振荡频率，有效避免了因开关频率过高而引起的包括：高频开关、控制芯片、LC谐振网络等在内的一系列难题。利用发射线圈直接构成选频网络，使系统震荡频率永远震荡在谐振频率上，效率最大化。其频率自适应都用基本电路搭建，逻辑简单，没有软件编程，提升了可靠性和反应速度，可实现高频率下的自我调节，有较强的自适应能力。

本发明中，由于发射端LC谐振网络和接收端LC谐振网络频率具有很好的匹配性，在设备安装时，发射线圈与接收端LC谐振网络中的接收线圈的轴线不一定要求完全重合在一条直线上。当然为了保证较佳的磁耦合性，优选发射线圈与接收线圈轴线尽量不宜偏差太多；如果发射线圈与接收线圈之间的距离在2～5米，接收线圈轴线相对发射线圈轴线的夹角可以在±30°以内。另外，发射线圈与接收线圈二者的轴线也可以平行但相错开一定较小距离，错开距离不超出发射线圈直径2倍，一般情况下都是可以接受的。

本发明技术无线传能效率高，设备结构简单，对传能线圈的工艺也没有太高要求。通过目前的实验，只要对线圈稍加设置，即可实现2～5米范围内的无线能量传输，传输效率可以达到40％。因此本发明的应用十分广泛，即可以用于电力线上的无线传能，也可以用于各种需要的无线传能、无线输电、无线充电等场景。

图8为本发明无线电能传输系统的一个具体应用实现方式。本发明的无线电能的发射设备设置在电力线的塔杆上，通过感应式取电装置，从高压输电线上感应取得能量并整流滤波形成稳定的直流电压源，给发射端LC谐振网络供电。发射端LC谐振网络通过自身固有频率振荡，间歇式地将电能转换为电磁波向外传输。接收设备中的接收端LC谐振网络感应到该电磁波后，开始随之振荡，通过接收设备内部的自适应调谐电路调谐接收端LC谐振网络的固有频率，使接收端LC谐振网络与发射端LC谐振网络产生共振，以此实现磁耦合，从而将发射端LC谐振网络所发射的能量接收下来，实现本地供电和能量存储等需求。由于空气的绝缘特性，这种无线传能方式可以有效避免高压取电过程中的短路问题。在高压输电线取能、无线充电等领域具有广泛的应用前景。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种磁耦合谐振无线电能发射设备，其特征在于，包括：带有发射线圈的发射端LC谐振网络、供能电源以及自谐振控制电路；

供能电源与发射端LC谐振网络相连；供能电源向发射端LC谐振网络充电；自谐振控制电路监视充电过程，当充电完成后，自谐振控制电路控制断开供能电源的供电；发射端LC谐振网络以自身固有频率自谐振振荡，并通过发射端LC谐振网络中的谐振线圈将能量以电磁波的形式传输出去；自谐振控制电路检测到发射端LC谐振网络在自谐振振荡过程中能量低于预定阈值时，闭合供能电源；供能电源开始给所述发射端LC谐振网络充电；

所述发射设备中自谐振控制电路包括：发射端电流检测装置、发射控制模块、发射开关模块；

所述发射端电流检测装置包括：穿心电流互感器、整流滤波模块、电流最大值比较器、电流最小值比较器以及电压过零比较器，其中电压过零比较器通过检测所述发射开关模块两端电压差判断电流是否过零点；

所述发射控制模块为RS触发器；

穿心电流互感器感应发射端LC谐振网络电流振荡，产生的感应电流传输到整流滤波模块，经整流滤波后同时传输到电流最大值比较器和电流最小值比较器，电流最大值比较器判断电流值超过预定的电流最大值时，向所述RS触发器发送信号，RS触发器触发发射开关模块断开；电流最小值比较器判断电流值低于预定的电流最小值时，向所述电压过零比较器发送信号，触发电压过零比较器检测并比较所述发射开关模块两端的电压差，如果所述发射开关模块两端电压差达到零，则该电压过零比较器向所述RS触发器发送信号，RS触发器触发发射开关模块闭合。

2.根据权利要求1所述的发射设备，其特征在于，

所述供能电源、发射开关模块及发射端LC谐振网络串联连接；所述发射端电流检测装置用于检测发射端LC谐振网络上的电流并将检测到的电流值传输给发射控制模块；所述发射控制模块用于控制发射开关模块断开或闭合；

发射开关模块闭合后，供能电源开始给所述发射端LC谐振网络充电，当发射端电流检测装置检测到电流值高于预定的电流最大值时，发射控制模块控制发射开关模块断开，使发射端LC谐振网络开始自振荡并向外传能；当所述发射端电流检测装置检测到所述发射端LC谐振网络上的电流值低于预定的电流最小值时，发射控制模块控制发射开关模块闭合。

3.根据权利要求2所述的发射设备，其特征在于，所述当所述发射端电流检测装置检测到所述发射端LC谐振网络上的电流值低于预定的电流最小值时，还检测电流是否过零点，当电流过零点时，发射控制模块控制发射开关模块闭合。

4.根据权利要求1所述的发射设备，其特征在于，所述供能电源为直流电源；或感应式取电装置，用于从高压输电线上感应取得能量并整流滤波形成稳定的直流电压源。

5.根据权利要求2所述的发射设备，其特征在于，所述发射开关模块为耐高压高频开关模块。

6.一种磁耦合谐振无线电能发射方法，其特征在于，包括：

供能电源向发射端LC谐振网络充电；

监视充电过程，当充电完成后，断开供能电源的供电；发射端LC谐振网络以自身固有频率自谐振振荡，并通过发射端LC谐振网络中的谐振线圈将能量以电磁波的形式传输出去；

当检测到发射端LC谐振网络在自谐振振荡过程中能量低于预定阈值时，闭合供能电源；供能电源开始给所述发射端LC谐振网络充电；

具体的，

发射设备中自谐振控制电路包括：发射端电流检测装置、发射控制模块、发射开关模块；所述发射端电流检测装置包括：穿心电流互感器、整流滤波模块、电流最大值比较器、电流最小值比较器以及电压过零比较器，其中电压过零比较器通过检测所述发射开关模块两端电压差判断电流是否过零点；

所述发射控制模块为RS触发器；

穿心电流互感器感应发射端LC谐振网络电流振荡，产生的感应电流传输到整流滤波模块，经整流滤波后同时传输到电流最大值比较器和电流最小值比较器，电流最大值比较器判断电流值超过预定的电流最大值时，向所述RS触发器发送信号，RS触发器触发发射开关模块断开；电流最小值比较器判断电流值低于预定的电流最小值时，向所述电压过零比较器发送信号，触发电压过零比较器检测并比较所述发射开关模块两端的电压差，如果所述发射开关模块两端电压差达到零，则该电压过零比较器向所述RS触发器发送信号，RS触发器触发发射开关模块闭合。

7.根据权利要求6所述的发射方法，其特征在于，

所述供能电源向发射端LC谐振网络充电时，检测该发射端LC谐振网络的电流值，当电流值高于所述预定的电流最大值时，供能电源停止供电；

在发射端LC谐振网络在自身固有频率下自谐振振荡过程中，检测该发射端LC谐振网络的电流值，当电流值低于所述预定的电流最小值时，供能电源开始给所述发射端LC谐振网络充电。

8.根据权利要求7所述的发射方法，其特征在于，当检测到所述发射端LC谐振网络上的电流值低于预定的电流最小值时，进一步检测电流是否过零点，当电流过零点时，供能电源开始给所述发射端LC谐振网络充电。