CN104810936A - 用于管道内负载的无线供电装置 - Google Patents

Abstract

用于管道内负载的无线供电装置，属于无线供电技术领域。本发明是为了解决现有管道内装置获取电能的方式受管道内诸多环境因素的影响，具有破坏性或者干扰因素较多的问题。它的PWM方波生成电路用于获得频率为79kHz的PWM方波，该PWM方波经半桥驱动电路进行功率放大，进而驱动能量发射电路发送电能；能量接收电路通过电磁耦合共振接收能量发射电路发送的电能，该电能再经整流滤波电路整流和滤波，然后通过稳压供电电路为管道内负载供电；能量发射电路中的能量发送线圈缠绕在管道外部，能量接收电路中的能量接收线圈设置在负载上。本发明用于为管道内负载供电。

Description

用于管道内负载的无线供电装置

技术领域

本发明涉及用于管道内负载的无线供电装置，属于无线供电技术领域。

背景技术

现有对管道内装置提供电能的方式主要有三种：1、线缆输电供能；2、电池供能；3、利用管道内的介质如流体供能。以上三种供能方式在实际应用中都存在着诸多问题。

线缆输电供能：使管道内装置的工作范围受线缆长度限制，工作不方便，一旦连接部位出现污物，将会导致接触不良，甚至电力连接失败，若在潮湿或存在导电介质的环境，也极易引起电路短路。线缆输电供能工作范围受限且管道内环境对其供电设备的干扰因素较多。

电池供能：电池供电的时间有限，对于一些耗电量大的设备需要频繁更换电池或对电池充电，对于一些很难从管道内取出的设备，更换电池会对管道造成破坏，带来不必要的麻烦。

利用管道内的介质如流体供能：利用流体动能充电，充电过程不可控，受流体流速、流量、流体种类等各种因素影响。且装置一旦电能耗尽，管道内又无流体流动时，装置将无法工作；同时，流体长时间的冲击容易对装置造成损伤。对于一些在没有流体流动的管道内工作的装置，该方法将不再适用。该充电方式需要配置涡轮机等发电装置，增加了装置所占的体积，因此不适用在管径比较小的管道内工作的装置。

发明内容

本发明目的是为了解决现有管道内装置获取电能的方式受管道内诸多环境因素的影响，具有破坏性或者干扰因素较多的问题，提供了一种用于管道内负载的无线供电装置。

本发明所述用于管道内负载的无线供电装置，它包括PWM方波生成电路、半桥驱动电路、能量发射电路、能量接收电路、整流滤波电路和稳压供电电路，

PWM方波生成电路用于获得频率为79kHz的PWM方波，该PWM方波经半桥驱动电路进行功率放大，进而驱动能量发射电路发送电能；

能量接收电路通过电磁耦合共振接收能量发射电路发送的电能，该电能再经整流滤波电路整流和滤波，然后通过稳压供电电路为管道内负载供电；

能量发射电路中的能量发送线圈缠绕在管道外部，能量接收电路中的能量接收线圈设置在负载上，能量发送线圈和能量接收线圈处于同一平面上，或者分别处于相互平行的平面上；能量发送线圈的直径大于能量接收线圈。

所述能量发送线圈在管道外部无缝隙缠绕。

所述能量发送线圈为多组，多组能量发送线圈均匀分散于管道外部，每一组能量发送线圈在管道外部无缝隙缠绕。

所述PWM方波生成电路由PWM控制芯片SG3525、电阻R1、电阻R2、变值电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、电容C2和电容C3组成，

PWM控制芯片SG3525的引脚IN-与引脚COMP之间连接电阻R1，电阻R1与电容C1并联；PWM控制芯片SG3525的引脚IN+与引脚VREF之间连接电阻R2，引脚IN+连接变值电阻R3的一端，变值电阻R3的另一端连接电源地；PWM控制芯片SG3525的引脚RT与电源地之间连接电阻R4，引脚CT与引脚DIS之间连接电阻R5，引脚CT与电源地之间连接电容C2，引脚SS与电源地之间连接电容C3；引脚SD与电源地之间连接电阻R6，引脚GND连接电源地，引脚VI连接电源VCC，引脚VC连接电源VCC，引脚OUTB作为电源输出P端，引脚OUTA作为电源输出Q端，电源输出P端和电源输出Q端输出频率为79kHz的PWM方波；

半桥驱动电路包括驱动芯片IR2110、电容C4、电容C5、电阻R7、电阻R8、电阻R9、二极管D1、NMOS晶体管D3和NMOS晶体管D4，

电源输出P端连接驱动芯片IR2110的引脚HIN，电源输出Q端连接驱动芯片IR2110的引脚LIN，引脚VDD与引脚VSS之间连接电容C4，引脚VDD连接电源VCC，引脚VSS连接电源地；

引脚HO与NMOS晶体管D3的栅极之间连接电阻R7，NMOS晶体管D3的漏极连接控制电压，NMOS晶体管D3的源极连接引脚VS，引脚VS与引脚VB之间连接电容C5，引脚VB连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接引脚VCC，引脚VCC连接电源VCC；

引脚LO连接电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接NMOS晶体管D4的栅极，NMOS晶体管D4的漏极连接NMOS晶体管D3的源极，NMOS晶体管D4的源极连接引脚COM，引脚COM连接电源地；

能量发射电路包括电容C6、电容C7、电阻R10和能量发送线圈L1，

NMOS晶体管D4的漏极和源极之间连接电容C7，电容C6、电阻R10和能量发送线圈L1串联后与电容C7并联。

能量接收电路包括能量接收线圈L2、电容C8和电阻R11；

整流滤波电路包括整流桥、电阻R12、电解电容C9、电解电容C10和电容C11；

能量接收线圈L2的一端连接电容C8的一端，电容C8的另一端连接电阻R11的一端，电阻R11的另一端连接整流桥的一个输入端，整流桥的另一个输入端连接能量接收线圈L2的另一端；整流桥的一个输出端连接电阻R12的一端，电阻R12的另一端连接电解电容C10的正极，电解电容C10的负极连接整流桥的另一个输出端；整流桥的一个输出端还连接电解电容C9的正极，电解电容C9的负极连接整流桥的另一个输出端；电解电容C10与电容C11关联；

稳压供电电路包括三端稳压集成电路LM7805和电容C12，电解电容C10的正极连接三端稳压集成电路LM7805的引脚Vin，电解电容C10的负极连接三端稳压集成电路LM7805的引脚GND，三端稳压集成电路LM7805的引脚GND和引脚Vout之间连接电容C12，三端稳压集成电路LM7805的引脚GND和引脚Vout之间输出的电压用作管道内负载供电。

本发明的优点：本发明通过磁耦合共振无线输电的方式给管道内工作的装置进行供电，它可以很方便地对管道内的装置提供电能，并且不受管道内诸多环境因素的影响，也无需对管道造成破坏。具有对管道内装置充电达到安全、可靠、操作简单、环境适应性强的优势。

本发明采用的无线供电方式不仅扩大了供电装置的工作范围，摆脱了位移限制，同时，彻底避免了接触供电方式带来的原件损耗，能更好的实现装置的使用，延长用电装置使用寿命；非接触供电方式，还可以保证用电装置电量的持续性，避免了电量突然耗尽，影响装置工作的状况发生，同时，保证了管道的正常结构形态不受破坏；针对流体动能转化充电装置，本装置电力供给更加稳定，不受外界环境因素影响，可以持续输出稳定的电压，保证负载的正常工作。

本发明装置的能量发送线圈的直径大于能量接收线圈，在采用磁耦合共振原理发送电能时，能使能量接收效率大大提高。

本发明能使电能的输出频率稳定在79kHz，输出稳定电压和稳定功率，以支持管道内部传感器等元件的正常工作。具有便利性强，可靠性高，适用范围广，成本低廉的优势。

附图说明

图1是本发明所述用于管道内负载的无线供电装置的原理框图；

图2是本发明所述用于管道内负载的无线供电装置的电路原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述用于管道内负载的无线供电装置，它包括PWM方波生成电路、半桥驱动电路、能量发射电路、能量接收电路、整流滤波电路和稳压供电电路，

PWM方波生成电路用于获得频率为79kHz的PWM方波，该PWM方波经半桥驱动电路进行功率放大，进而驱动能量发射电路发送电能；

能量接收电路通过电磁耦合共振接收能量发射电路发送的电能，该电能再经整流滤波电路整流和滤波，然后通过稳压供电电路为管道内负载供电；

能量发射电路中的能量发送线圈缠绕在管道外部，能量接收电路中的能量接收线圈设置在负载上，能量发送线圈和能量接收线圈处于同一平面上，或者分别处于相互平行的平面上；能量发送线圈的直径大于能量接收线圈。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述能量发送线圈在管道外部无缝隙缠绕。

线圈缠绕在管道外部，利用管道自身结构支撑线圈，将线圈密排缠绕，彼此间无缝隙，管道内接收端的线圈与管道外部线圈处于同一平行的平面上，以保证能量传输的效率。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述能量发送线圈为多组，多组能量发送线圈均匀分散于管道外部，每一组能量发送线圈在管道外部无缝隙缠绕。

为满足实际使用要求，线圈外部线圈可根据工况具体情况，每隔一定距离布置一组线圈。

具体实施方式四：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一、二或三作进一步说明，所述PWM方波生成电路由PWM控制芯片SG3525、电阻R1、电阻R2、变值电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、电容C2和电容C3组成，

PWM控制芯片SG3525的引脚IN-与引脚COMP之间连接电阻R1，电阻R1与电容C1并联；PWM控制芯片SG3525的引脚IN+与引脚VREF之间连接电阻R2，引脚IN+连接变值电阻R3的一端，变值电阻R3的另一端连接电源地；PWM控制芯片SG3525的引脚RT与电源地之间连接电阻R4，引脚CT与引脚DIS之间连接电阻R5，引脚CT与电源地之间连接电容C2，引脚SS与电源地之间连接电容C3；引脚SD与电源地之间连接电阻R6，引脚GND连接电源地，引脚VI连接电源VCC，引脚VC连接电源VCC，引脚OUTB作为电源输出P端，引脚OUTA作为电源输出Q端，电源输出P端和电源输出Q端输出频率为79kHz的PWM方波；

半桥驱动电路包括驱动芯片IR2110、电容C4、电容C5、电阻R7、电阻R8、电阻R9、二极管D1、NMOS晶体管D3和NMOS晶体管D4，

电源输出P端连接驱动芯片IR2110的引脚HIN，电源输出Q端连接驱动芯片IR2110的引脚LIN，引脚VDD与引脚VSS之间连接电容C4，引脚VDD连接电源VCC，引脚VSS连接电源地；

引脚HO与NMOS晶体管D3的栅极之间连接电阻R7，NMOS晶体管D3的漏极连接控制电压，NMOS晶体管D3的源极连接引脚VS，引脚VS与引脚VB之间连接电容C5，引脚VB连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接引脚VCC，引脚VCC连接电源VCC；

引脚LO连接电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接NMOS晶体管D4的栅极，NMOS晶体管D4的漏极连接NMOS晶体管D3的源极，NMOS晶体管D4的源极连接引脚COM，引脚COM连接电源地；

能量发射电路包括电容C6、电容C7、电阻R10和能量发送线圈L1，

NMOS晶体管D4的漏极和源极之间连接电容C7，电容C6、电阻R10和能量发送线圈L1串联后与电容C7并联。

PWM控制芯片SG3525能够实现互补输出频率为79kHz的PWM波信号。IR2110半桥驱动电路，它的主要功能是将SG3525传递过来的波信号进行功率的放大；电容C7具有滤波的作用。

具体实施方式五：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，能量接收电路包括能量接收线圈L2、电容C8和电阻R11；

整流滤波电路包括整流桥、电阻R12、电解电容C9、电解电容C10和电容C11；

能量接收线圈L2的一端连接电容C8的一端，电容C8的另一端连接电阻R11的一端，电阻R11的另一端连接整流桥的一个输入端，整流桥的另一个输入端连接能量接收线圈L2的另一端；整流桥的一个输出端连接电阻R12的一端，电阻R12的另一端连接电解电容C10的正极，电解电容C10的负极连接整流桥的另一个输出端；整流桥的一个输出端还连接电解电容C9的正极，电解电容C9的负极连接整流桥的另一个输出端；电解电容C10与电容C11关联；

稳压供电电路包括三端稳压集成电路LM7805和电容C12，电解电容C10的正极连接三端稳压集成电路LM7805的引脚Vin，电解电容C10的负极连接三端稳压集成电路LM7805的引脚GND，三端稳压集成电路LM7805的引脚GND和引脚Vout之间连接电容C12，三端稳压集成电路LM7805的引脚GND和引脚Vout之间输出的电压用作管道内负载供电。

电阻R12、电解电容C9和电解电容C10形成pi型滤波器，起到在电能接收端滤波的作用。稳压供电电路为接收端稳压整流电路，能实现5V电压的恒定输出，进而带动后面的用电装置运行。

本发明所述无线供电装置主要由发射端和接收端两部分组成。它利用磁耦合共振的方法，发射端通过芯片SG3525激励出频率约为79kHz的PWM方波，然后通过芯片IR2110组成的半桥驱动电路将SG3525所激励出的交流信号进行功率放大，匹配上一定的电容值的电容，再根据谐振原理计算发射端线圈的电感值。

接收端采用与发射端相同电感值的线圈和相同电容值的电容通过磁耦合共振，从发射端接收电能，后接整流、滤波、稳压模块，即可给管道内的装置进行供电。

接收端和发射端通过电磁耦合共振原理传递能量，这种方式需要接收端和发射端的固有频率相同，使传输效率最大。与感应式传递能量相比，本发明传输功率的效率大大提高。使发射端和接收端选取相同电感值的线圈和相同电容值的电容，保证了发射端和接收端的固有频率相同。

Claims (5)

1.一种用于管道内负载的无线供电装置，其特征在于，它包括PWM方波生成电路、半桥驱动电路、能量发射电路、能量接收电路、整流滤波电路和稳压供电电路，

PWM方波生成电路用于获得频率为79kHz的PWM方波，该PWM方波经半桥驱动电路进行功率放大，进而驱动能量发射电路发送电能；

能量接收电路通过电磁耦合共振接收能量发射电路发送的电能，该电能再经整流滤波电路整流和滤波，然后通过稳压供电电路为管道内负载供电；

能量发射电路中的能量发送线圈缠绕在管道外部，能量接收电路中的能量接收线圈设置在负载上，能量发送线圈和能量接收线圈处于同一平面上，或者分别处于相互平行的平面上；能量发送线圈的直径大于能量接收线圈。

2.根据权利要求1所述的用于管道内负载的无线供电装置，其特征在于，所述能量发送线圈在管道外部无缝隙缠绕。

3.根据权利要求1所述的用于管道内负载的无线供电装置，其特征在于，所述能量发送线圈为多组，多组能量发送线圈均匀分散于管道外部，每一组能量发送线圈在管道外部无缝隙缠绕。

4.根据权利要求1、2或3所述的用于管道内负载的无线供电装置，其特征在于，所述PWM方波生成电路由PWM控制芯片SG3525、电阻R1、电阻R2、变值电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、电容C2和电容C3组成，

PWM控制芯片SG3525的引脚IN-与引脚COMP之间连接电阻R1，电阻R1与电容C1并联；PWM控制芯片SG3525的引脚IN+与引脚VREF之间连接电阻R2，引脚IN+连接变值电阻R3的一端，变值电阻R3的另一端连接电源地；PWM控制芯片SG3525的引脚RT与电源地之间连接电阻R4，引脚CT与引脚DIS之间连接电阻R5，引脚CT与电源地之间连接电容C2，引脚SS与电源地之间连接电容C3；引脚SD与电源地之间连接电阻R6，引脚GND连接电源地，引脚VI连接电源VCC，引脚VC连接电源VCC，引脚OUTB作为电源输出P端，引脚OUTA作为电源输出Q端，电源输出P端和电源输出Q端输出频率为79kHz的PWM方波；

半桥驱动电路包括驱动芯片IR2110、电容C4、电容C5、电阻R7、电阻R8、电阻R9、二极管D1、NMOS晶体管D3和NMOS晶体管D4，

电源输出P端连接驱动芯片IR2110的引脚HIN，电源输出Q端连接驱动芯片IR2110的引脚LIN，引脚VDD与引脚VSS之间连接电容C4，引脚VDD连接电源VCC，引脚VSS连接电源地；

引脚HO与NMOS晶体管D3的栅极之间连接电阻R7，NMOS晶体管D3的漏极连接控制电压，NMOS晶体管D3的源极连接引脚VS，引脚VS与引脚VB之间连接电容C5，引脚VB连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接引脚VCC，引脚VCC连接电源VCC；

引脚LO连接电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接NMOS晶体管D4的栅极，NMOS晶体管D4的漏极连接NMOS晶体管D3的源极，NMOS晶体管D4的源极连接引脚COM，引脚COM连接电源地；

能量发射电路包括电容C6、电容C7、电阻R10和能量发送线圈L1，

NMOS晶体管D4的漏极和源极之间连接电容C7，电容C6、电阻R10和能量发送线圈L1串联后与电容C7并联。

5.根据权利要求4所述的用于管道内负载的无线供电装置，其特征在于，能量接收电路包括能量接收线圈L2、电容C8和电阻R11；

整流滤波电路包括整流桥、电阻R12、电解电容C9、电解电容C10和电容C11；

能量接收线圈L2的一端连接电容C8的一端，电容C8的另一端连接电阻R11的一端，电阻R11的另一端连接整流桥的一个输入端，整流桥的另一个输入端连接能量接收线圈L2的另一端；整流桥的一个输出端连接电阻R12的一端，电阻R12的另一端连接电解电容C10的正极，电解电容C10的负极连接整流桥的另一个输出端；整流桥的一个输出端还连接电解电容C9的正极，电解电容C9的负极连接整流桥的另一个输出端；电解电容C10与电容C11关联；

稳压供电电路包括三端稳压集成电路LM7805和电容C12，电解电容C10的正极连接三端稳压集成电路LM7805的引脚Vin，电解电容C10的负极连接三端稳压集成电路LM7805的引脚GND，三端稳压集成电路LM7805的引脚GND和引脚Vout之间连接电容C12，三端稳压集成电路LM7805的引脚GND和引脚Vout之间输出的电压用作管道内负载供电。