CN104993621A - 一种基于zvs谐振磁耦合式无线输电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于ZVS谐振磁耦合式无线输电装置，属于无线输电技术领域。该基于ZVS谐振磁耦合式无线输电装置包括电源、ZVS电路、发射线圈、接收线圈、整流滤波电路、检测电路、DCDC降压电路、12864液晶显示电路、MSP430F6638控制电路。本发明能在保持发射线圈和接收线圈相距1000mm距离，传输能量，完成移动设备的充电，MSP430F6638作为主控芯片，检测该装置的电流电压，并利用液晶显示屏显示这些数据与效率功率。

Description

一种基于ZVS谐振磁耦合式无线输电装置

技术领域

本发明涉及一种基于ZVS谐振磁耦合式无线输电装置，属于无线输电技术领域。

背景技术

目前，人们已经进入电气时代，其中电网，高压线，各种家用电气设备，电能的传输主要通过金属导线的点对点直接接触传输。由于存在摩擦、老化等问题，电能传输过程中很容易产生火花，从而影响到用电设备的寿命和用电安全。传统的有线电力传输方式不能满足所有场合的需要，如矿井、水中等特殊场合。随着人类社会经济的发展，各种电子设备得到了广泛的使用，但是太多的电线和插座给人们的生活带来不便。所以，一种脱离金属导线的电能传输方式，即无线电能传输，被人们所设计应用。实现无线电能传输将使人类应用电能更加宽广、更加灵活。

无线电能传输，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。早在1893年的哥伦比亚世博会上，美国科学家Nikola Tesla展示了他的无线磷光照明灯。Nikola Tesla利用无线电能传输原理，在没有任何导线连接的情况下点亮了灯泡。1968年，美国航空工程师Peter Glaser提出了建立空间太阳能电站的概念，利用在外太空的卫星，收集太阳能并传输到地球表面上来。随后，美国和日本等主要发达国家相继开展了空间太阳能电站的研究。人类向无线电能传输的梦想前进了一大步。2007年，美国麻省理工学院(Massachusett sInstituteof Technology，MIT)的Marin Soljacic教授等人在中等距离无线电能传输方面取得了新进展。他们“隔空”点亮了1盏离电源2m开外的60W灯泡，效率达到了40％。2008年9月美国内华达州的雷电实验室成功的将800W电力无线传输到5m远的距离，日本也研究出远距离提供30W功率的实验装置。

根据传输原理的不同，无线电能传输可以分成，电磁辐射式、电磁耦合式、磁场耦合式等方式，另外，磁场耦合式根据是否发生谐振以及传输距离相对于传输线圈直径的大小，可以分成感应式和谐振式两种。磁耦合谐振式无线电能传输(magnetically-coupled resonant wireless power transfer，MCR-WPT)则利用谐振原理，使得其在中等距离(传输距离一般为传输线圈直径的几倍)传输时，仍能得到较高的效率和较大的功率，并且电能传输不受空间非磁性障碍物的影响。相比于感应式，该方法传输距离较远；相比于辐射式，其对电磁环境影响较小，且功率较大。正是由于这些优点，MCR-WPT得到越来越多的研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种基于ZVS谐振磁耦合式无线输电装置，用ZVS电路作为驱动电路，在传输距离达到1000mm的情况下还能进行能量传输。

本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种基于ZVS谐振磁耦合式无线输电装置，包括电源、ZVS电路、发射线圈、接收线圈、整流滤波电路、检测电路、DCDC降压电路、12864液晶显示电路、MSP430F6638控制电路；所述电源输出端分别与ZVS电路、12864液晶显示电路和MSP430F6638控制电路的电源输入端相连接，ZVS电路的输出端与发射线圈相接，接收线圈的输出端与整流滤波电路相接，整流滤波电路的输出端与DCDC降压电路的输入端相接；检测电路的第一信号输入/输出端与ZVS电路的输入端相接，检测电路的第二信号输入/输出端与整流滤波电路的输出端相接，检测反馈模块的第三信号输入/输出端与MSP430F6638主控模块的第一信号输出/输入端对应相接，MSP430F6638主控模块的第二信号输入/输出端与数据显示装置的信号输出/输入端对应相接；工作时，电源供电，发射线圈发射电磁波传递能量，接收线圈将磁能转化成交流电，利用整流滤波电路，将交流电变成直流电，MSP430F6638主控模块根据检测电路反馈的电路电流电压等各类信息，通过检测电路进行控制和通过显数据显示装置示。

优选的，所述发射线圈与接收线圈间距离至少为1000mm，在直流电的输入情况下，利用ZVS电路产出高频正弦波，再进行无线电传输；到接收端后，将交流电变换成直流，给移动设备或者电动车进行充电。

优选的，所述装置的电能转换电路，需要整流，滤波，调制，DCDC降压，使得电压，电流波形满足要求，使得装置整体更加稳定，可靠。

有益效果：

1、本发明利用了目前三大主流无线输电方式中的电磁谐振耦合谐振无线输电方式，电磁谐振耦合无线电能传输技术是基于电磁谐振耦合原理，利用非辐射磁场实现电能高效的无线传输。是极具潜力的无线电能传输技术之一，它能高效、灵活地实现电能的无线传输。本发明能在保持发射线圈和接收线圈相距1000mm距离，传输能量，完成移动设备的充电，MSP430F6638作为主控芯片，检测该装置的电流电压，并利用液晶显示屏显示这些数据与效率功率。

2、该装置是保持发射线圈与接收线圈间距离至少为1000mm，在直流电的输入情况下，利用ZVS电路产出高频正弦波，再进行无线电传输；到接收端后，将交流电变换成直流，给移动设备或者电动车进行充电。

3、经过比较场效应管驱动和ZVS电路两者的驱动能力。两者都能提供足够大的电流，但在实际使用中发现场效应管的驱动更加容易发热，有部分能量都损耗在驱动电路上，而ZVS电路，ZVS即零电压开关，在高频上的表现，损耗要比场效应管小的许多，而且比场效应管稳定、安全、可靠。

附图说明

下面结合附图对本发明的作进一步说明。

图1为发射线圈和接收线圈示意图

图2为半桥ZVS电路电路图

图3为整流滤波电路电路图

图4为MSP430F6638最小系统图

图5为12864液晶显示电路图

图6为DCDC降压电路图

图7为本发明装置的结构示意图

具体实施方式

本实施例的基于ZVS谐振磁耦合式无线输电装置是保持发射线圈与接收线圈间距离至少为1000mm，在直流电的输入情况下，利用ZVS电路产出高频正弦波，再进行无线电传输；到接收端后，将交流电变换成直流，给移动设备或者电动车进行充电。

经过比较场效应管驱动和ZVS电路两者的驱动能力。两者都能提供足够大的电流，但在实际使用中发现场效应管的驱动更加容易发热，有部分能量都损耗在驱动电路上，而ZVS电路，ZVS即零电压开关，在高频上的表现，损耗要比场效应管小的许多，而且比场效应管稳定、安全、可靠。

磁耦合谐振能量无限传输的系统由发射端和接收端两部分组成。发射端由源线圈以及向输送提供供给的高频电源结构。接收端由接收线圈以及负载构成。

源线圈与负载线圈均可看做是电容与电感连接而成的谐振体，谐振体的能量在磁场与电场间以线圈作为中心的时变磁场。与该谐振体具有相同谐振频率离谐振体间隔一定距离的感应磁场也能在磁场和电场之间以自谐振频率进行自由振荡。与此同时两谐振体之间进行磁场能变换产生以空气为传输媒介并将两个线圈作为中心的时变磁场。两谐振体之间进行着能量交换的同时各自内部电场能与磁场能振荡交换进而构成耦合谐振系统。

谐振频率的计算，谐振时间电容或电感两端电压变化一个周期的时间称为谐振周期，谐振周期的倒数称为谐振频率。所谓谐振频率就是这样定义的。它与电容C和电感L的参数有关，即：

空芯多层线圈电感量的近似计算公式：

L(μH)＝(0.08×D²×N²)÷(3×D+9×W+10÷H)

D线圈的平均直径(cm)  W线圈的宽度(cm)

H线圈的厚度(cm)      N线圈的匝数

最大效率＝(Umax×Imax)/(Uin×Iin)×100％

效率计算，输入电压×输入电流＝输出电压×输出电流×效率

接收电路由于距离发射电路位置的不同，输出的电压波动很大，导致很大程度上电源需要整流，稳压才能够使用。在不同的负载情况，不同的输入电压情况，不同的输出电压要求以及可用的工艺条件下，需要选择不同的电路来使其达到最优的性能。该装置的电能转换电路，需要整流，滤波，调制，DCDC降压，使得电压，电流波形满足要求，使得装置整体更加稳定，可靠。

利用ZVS电路作为驱动电路，在传输距离达到1000mm的情况下还能进行能量传输。通过MSP430F6638作为主控芯片，检测得该装置的电压、电流、效率、功率，并通过液晶显示屏出来，让装置更加安全，稳定。

如图1所示，是发射线圈和接收线圈，有尝试用不同直径的漆包线，硅胶线，护套线，在利用ZVS电路来驱动时，会有许多能量需要消耗在线圈上，所以利用护套线绕制线圈，并将多个线圈并联，减小线圈内阻，减小能量的损失，并且能提高无线电传输装置的效率。

如图2所示，是半桥ZVS电路。零电压开关(Zero Voltage Switch)，PWM开关电源按硬开关模式工作(开/关过程中电压下降/上升和电流上升/下降波形有交叠)，因而开关损耗大。高频化虽可以缩小体积重量，但开关损耗却更大了。为此，必须研究开关电压/电流波形不交叠的技术，即所谓零电压开关(ZVS)/零电流开关(ZCS)技术，或称软开关技术，小功率软开关电源效率可提高80％～85％。

如图3所示，是整流滤波电路。整流电路是利用二极管的单向导电性将正负变化的交流电压变为单向脉动电压的电路。在交流电源的作用下，整流二极管周期性地导通和截止，使负载得到脉动直流电。在电源的正半周，二级管导通，使负载上的电流与电压波形形状完全相同；在电源电压的负半周，二极管处于反向截止状态，承受电源负半周电压，负载电压几乎为零。滤波电路尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。

如图4所示，MSP430F6638主控模块是超低功耗微控制器，采用五种低功率模式的架构经过优化，延长了电池的使用寿命。

如图5所示，数据显示装置即12864液晶显示器，显示检测电压，电路，和计算到的效率。

如图6所示，利用LM2596，作为DCDC降压电路的芯片，将得到的电压降压到，所需电压。

本发明的不局限于上述各实施例。凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于ZVS谐振磁耦合式无线输电装置，其特征在于：包括电源、ZVS电路、发射线圈、接收线圈、整流滤波电路、检测电路、DCDC降压电路、12864液晶显示电路、MSP430F6638控制电路；所述电源输出端分别与ZVS电路、12864液晶显示电路和MSP430F6638控制电路的电源输入端相连接，ZVS电路的输出端与发射线圈相接，接收线圈的输出端与整流滤波电路相接，整流滤波电路的输出端与DCDC降压电路的输入端相接；检测电路的第一信号输入/输出端与ZVS电路的输入端相接，检测电路的第二信号输入/输出端与整流滤波电路的输出端相接，检测反馈模块的第三信号输入/输出端与MSP430F6638主控模块的第一信号输出/输入端对应相接，MSP430F6638主控模块的第二信号输入/输出端与数据显示装置的信号输出/输入端对应相接；工作时，电源供电，发射线圈发射电磁波传递能量，接收线圈将磁能转化成交流电，利用整流滤波电路，将交流电变成直流电，MSP430F6638主控模块根据检测电路反馈的电路电流电压等各类信息，通过检测电路进行控制和通过显数据显示装置示。

2.根据权利要求1所述基于ZVS谐振磁耦合式无线输电装置，其特征在于：所述发射线圈与接收线圈间距离至少为1000mm，在直流电的输入情况下，利用ZVS电路产出高频正弦波，再进行无线电传输；到接收端后，将交流电变换成直流，给移动设备或者电动车进行充电。

3.根据权利要求1所述基于ZVS谐振磁耦合式无线输电装置，其特征在于：所述装置的电能转换电路，需要整流，滤波，调制，DCDC降压，使得电压，电流波形满足要求。