CN105186706A - 一种自动扫频无线谐振电能传输装置及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动扫频无线谐振电能传输装置及运行方法，直流电源、逆变单元、第一谐振电容和第一电感线圈依次单向电连接，第二电感线圈、第二谐振电容、整流滤波单元、负载依次单向电连接，第一采集单元与直流电源并联，第二采集单元与负载并联，第一采集单元、主控制板、逆变单元信号依次单向传递，主控制板与第一通讯单元信号双向传递，第一通讯单元与第二通讯单元信号双向传递，第二通讯单元与第二采集单元信号双向传递。本发明可在连接不同负载的情况下，自动调节交流电频率到使系统达到最大工作效率的频率，使系统处于谐振状态，系统稳定，抗干扰能力强，传输距离大。

Description

一种自动扫频无线谐振电能传输装置及运行方法

技术领域

本发明涉及无线电力传输和接收技术领域，更具体的涉及在谐振的无线电力传输和接收装置中工作频率的自动调节以及如何使系统自动维持最高效率和负载所需电压电流。

背景技术

随着人类生活水平的提高，各种电子电气产品不断涌现，他们丰富着我们的生活，然而各种电线和电源插座也给我们带来了诸多困扰，同时一些特殊场合，如矿井、水下及体内等特殊环境中使用通过导线的直接接触式传输则存在许多问题。无线电能传输为上述问题的解决提供了一种新的方案。

目前为止，已经问世的无线输电技术，根据其电能传输原理大致分为三类：第一类是根据电磁感应原理，在传统变压器上进行改进，其传输功率大但距离较近。第二类应用电磁波可以发射和接收的原理，通过发射和接收天线实现能量传输，其传输距离远但传输效率低方向性强。第三类通过电磁谐振原理，根据具有相同谐振频率的谐振体以电场或磁场为媒介相互耦合，传递能量，特点是效率高，不具有敏感的方向性。

为了使系统获得较高的负载吸收功率和电路传输效率，需要选择合适的谐振频率，偏离此谐振频率功率和效率都会有所下降，而谐振频率的设定又必须考虑电路元器件的频率特性，如频率不当，可能导致元器件损坏，电路损耗也会比较多。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的发明目的在于提供一种自动扫频无线谐振电能传输装置及运行方法，实现在连接不同负载的情况下，自动使系统处于谐振状态，调节交流电频率到使系统达到最大工作效率的频率，且系统稳定，抗干扰能力强，传输距离大。

本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：

一种自动扫频无线谐振电能传输装置，包括：

直流电源，被构造为向逆变单元提供直流电；

逆变单元，被构造为转化直流电为高频交流电；

第一谐振电容、第二谐振电容，被构造为与第一电感线圈、第二电感线圈电感产生谐振电路并产生最大电流；

第一电感线圈，第二电感线圈，被构造为将交流电通过电磁转换从第一电感线圈传递到第二电感线圈；

整流滤波单元，被构造为转化高频交流电为直流电；

第一采集单元，被构造为采集直流电源两端电压、电流信息，并发送给主控制板；

主控制板，被构造为实时采集电压、电流信息，并计算驱动频率，控制逆变单元改变交流电频率，并向第二采集单元发送应答信号；

第二采集单元，被构造为实时采集负载两端电压、电流信息，将计算出的负载端电压电流平均值发送出去，并接收主控制板的应答信号；

第一通讯单元、第二通讯单元，被构造两个通讯单元彼此双向传递信号。

进一步的，直流电源、逆变单元、第一谐振电容和第一电感线圈依次单向电连接，第二电感线圈、第二谐振电容、整流滤波单元、负载依次单向电连接，第一采集单元与直流电源并联，第二采集单元与负载并联，第一采集单元、主控制板、逆变单元信号依次单向传递，主控制板与第一通讯单元信号双向传递，第一通讯单元与第二通讯单元信号双向传递，第二通讯单元与第二采集单元信号双向传递。

优选的是，第一电感线圈、第二电感线圈为铜芯电线密绕而成的叠绕螺旋线圈。

优选的是，第一谐振电容、第二谐振电容为多并联CBB薄膜电容。

进一步的，主控制板采用MSP430超低功耗单片机，且内含一个超级定时器。

优选的是，第一通讯单元、第二通讯单元为CC2530模块。

进一步的，谐振电容与和其相接的电感线圈构成的LC谐振回路谐振频率符合以下等式： $f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{LC}}.$

所述方法包括以下步骤：

步骤一：直流电源作为系统输入电源，由主控制板控制逆变单元将直流电变为高频交流电，该交流电经第一谐振电容后，由第一电感线圈通过电磁感应将交流电发送给第二电感线圈和第二谐振电容，最后经整流滤波单元整流成直流电后输出给负载供电；

步骤二：第二采集单元采集负载两端电压及电流信息，信息经AD转换变为数字信号后，通过第二通讯单元传送给第一通讯单元，第一通讯单元将信息传递到主控制板，并等待主控板的应答信号；

步骤三：第一采集单元亦将采集到的直流电源两端电压和电流信息经AD转换为数字信号后，发送给主控制板，主控制板根据采集到的电压、电流信息实时计算驱动频率，并利用高级定时器产生带死区PWM信号作为逆变单元驱动信号，使系统工作处在谐振状态，使系统达到最大工作效率，即为系统工作频率。

进一步的，步骤二中第二采集单元采集次后求取平均值，并将求得的负载端电压电流平均值通过第一通信单元、第二通信单元发送给主制控板，之后等待主控制板的应答信号，如应答错误则重新发送，如应答正确则开始下次采集。

进一步的，步骤三程序初始化包括模数转换初始化、串口初始化、PWM输出初始化，主控制板接收能量接收端电压电流数据并应答，之后接收第一采集单元发送来的电压电流数据，采用均值滤波算法，每采集次数据计算平均值，系统将采集到的电压电流数据送入PI控制器，计算PWM驱动信号频率，并判断电压电流数据是否符合标准，如不符合则判断为故障，关闭PWM输出并退出，如无故障则输出PWM驱动信号。

本发明的有益效果：本发明通过设计叠绕螺旋线圈，减少内阻，降低发射损耗，同时可在连接不同负载的情况下，自动调节交流电频率到使系统达到最大工作效率的频率，使系统处于谐振状态，系统稳定，抗干扰能力强，传输距离大。

附图说明

图1为本发明的一种自动扫频无线谐振电能传输装置的总体框图；

图2为本发明的一种自动扫频无线谐振电能传输装置的能量接收端流程图；

图3为本发明的一种自动扫频无线谐振电能传输装置的能量发送端流程图；

图4为本发明的一种自动扫频无线谐振电能传输装置的逆变电路图；

图5为本发明的一种自动扫频无线谐振电能传输装置的电压采集电路图；

图6为本发明的一种自动扫频无线谐振电能传输装置的电流采集电路图；

图7为本发明的一种自动扫频无线谐振电能传输装置的原边控制电路示意图；

图8为本发明的一种自动扫频无线谐振电能传输装置的副边控制电路示意图。

其中，1直流电源、2逆变单元、3第一谐振电容、4第一电感线圈、5第二电感线圈、6第二谐振电容、7整流滤波单元、8负载、8第二采集单元、10第二通讯单元、11第一通讯单元、12主控制板、13第一采集单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，一种自动扫频无线谐振电能传输装置，包括：

直流电源1，被构造为向逆变单元2提供直流电；

逆变单元2，被构造为转化直流电为高频交流电，其中，逆变电路如图4所示；

第一谐振电容3、第二谐振电容6，被构造为与线圈电感产生谐振电路并产生最大电流；

第一电感线圈4，第二电感线圈5，被构造为将交流电通过电磁转换从第一电感线圈4传递到第二电感线圈5；

整流滤波单元7，被构造为转化高频交流电为直流电；

第一采集单元13，被构造为采集直流电源1两端电压、电流信息，并将信息发送给主控制板12；

第二采集单元9，被构造为实时采集负载8两端电压、电流信息，将计算出的负载8端电压电流平均值发送出去，并接收主控制板12的应答信号；

电压采集电路参考图5、电流采集电路参考图6。

主控制板12，被构造为实时采集电压、电流信息，并计算驱动频率，控制逆变单元2改变交流电频率，并向第二采集单元9发送应答信号；

第一通讯单元11、第二通讯单元10，被构造两个通讯单元彼此双向传递信号。

进一步的，直流电源1、逆变单元2、第一谐振电容3和第一电感线圈4依次单向电连接，第二电感线圈5、第二谐振电容6、整流滤波单元7、负载8依次单向电连接，第一采集单元13与直流电源1并联，第二采集单元9与负载8并联，第一采集单元13、主控制板12、逆变单元2信号依次单向传递，主控制板12与第一通讯单元11信号双向传递，第一通讯单元11与第二通讯单元10信号双向传递，第二通讯单元10与第二采集单元9信号双向传递。

优选的是，第一电感线圈4、第二电感线圈5为铜芯电线密绕而成的叠绕螺旋线圈，此设计可以减少内阻，降低发射损耗。

优选的是，第一谐振电容3、第二谐振电容6为多并联CBB薄膜电容，用以最大程度地减小高频工作下谐振电容的介质损耗。

进一步的，主控制板12采用MSP430超低功耗单片机，主控制板12用一个高级定时器产生带死区PWM信号作为逆变单元2驱动信号。谐振电容与电感线圈构成的LC谐振回路谐振频率为：主控制器控制系统以此谐振频率为基准，在此频率附近通过调节PWM信号的频率改变系统驱动频率，同时采集电压电流信息，系统达到最大工作效率时的频率即为系统工作频率。主控制板12根据采集到的电压、电流信息实时计算驱动频率，使系统工作在谐振状态，获得较高的工作效率。

优选的是，第一通讯单元11、第二通讯单元10采用的是基于TI公司的CC2530模块，采用了2.4GDSS扩频技术和加强型的Zigbee协议，模块内集成了微处理器和射频收发器，是一款工业级产品。它具有低功耗、延时短、抗干扰能力强、串口应用灵活、性能稳定可靠、自组织网络等特点。在闭环通信中，能量发射端是反馈数据接收端，能量接收端是反馈数据发射端。模块间通讯时，两个无线模块必须有一个为中心节点，将数据发射端配置中心节点，由于本系统只有两个模块通讯，可以采用最简洁的透明传输方式，数据源地址簿输出，主站发送模式为广播、从站发送模式为主从，可以提高数据发送效率。

进一步的，所述方法包括以下步骤：

步骤一：直流电源1作为系统输入电源，由主控制板12控制逆变单元2将直流电变为高频交流电，该交流电经第一谐振电容3后，由第一电感线圈4通过电磁感应将交流电发送给第二电感线圈5和第二谐振电容6，最后经整流滤波单元7整流成直流电后输出给负载8供电；

步骤二：如图8所示，第二采集单元9采集负载8两端电压及电流信息，信息经AD转换变为数字信号后，通过第二通讯单元10传送给第一通讯单元11，第一通讯单元11将信息传递到主控制板12，并等待主控板的应答信号；

步骤三：如图7所示，第一采集单元13亦将采集到的直流电源1两端电压和电流信息经AD转换为数字信号后，发送给主控制板12，主控制板12根据采集到的电压、电流信息实时计算驱动频率，并利用高级定时器产生带死区PWM信号作为逆变单元2驱动信号，使系统工作处在谐振状态，使系统达到最大工作效率，即为系统工作频率。

进一步的，如图3所示，步骤二中由于能量接收端的高频整流滤波输出存在高频纹波，并且能量发射端逆变输出电压为方波，里面也含有丰富的高次谐波成分，该高次谐波会对传感器采集到的电压电流信息产生干扰，故最终传感器采集到的信息还存在明显的高频干扰，为正确提取电压电流信息，这里采用平均值滤波方法。每采集10次后求取平均值，并将求得的负载8端电压电流平均值通过无线通信单元发送给能量发射端的主控制板12。之后等待能量发送端主控制板12的应答信号，如应答错误则重新发送，如应答正确则开始下次采集。

进一步的，如图2所示，步骤三程序初始化包括模数转换初始化、串口初始化、PWM输出初始化，主控制器接收能量接收端电压电流数据并应答，之后接收第一采集单元13发送来的电压电流数据，采用均值滤波算法，每采集10次数据计算平均值，系统将采集到的电压电流数据送入PI控制器，计算PWM驱动信号频率，并判断电压电流数据是否符合标准，如不符合则判断为故障，关闭PWM输出并退出，如无故障则输出PWM驱动信号。

该装置在传输距离70cm内，根据传输距离远近和负载8变化，发射端主控制板12自动调整系统驱动频率，同时采集单元采集负载8端电压、电流信息，通过CC2530Zigbee协议第一通信单元、第二通信单元反馈给主控制板12。主控制板12根据反馈回电压、电流信息计算系统接收端功率及系统效率，当效率与功率最大时的驱动频率即为系统工作频率。主控制板12根据接收到的电压电流信息在系统设计工作频率附近自动微调逆变单元2的驱动频率，使系统保持谐振状态，维持负载8端功率最大、系统效率最高状态。

Claims (10)

1.一种自动扫频无线谐振电能传输装置，其特征在于，包括：

直流电源(1)，被构造为向逆变单元(2)提供直流电；

逆变单元(2)，被构造为转化直流电为高频交流电；

第一谐振电容(3)、第二谐振电容(6)，被构造为与第一电感线圈(4)、第二电感线圈(5)产生谐振电路并产生最大电流；

第一电感线圈(4)，第二电感线圈(5)，被构造为将交流电通过电磁转换从第一电感线圈4传递到第二电感线圈(5)；

整流滤波单元(7)，被构造为转化高频交流电为直流电；

第一采集单元(13)，被构造为采集直流电源(1)两端电压、电流信息，并发送给主控制板(12)；

主控制板(12)，被构造为实时采集电压、电流信息，并计算驱动频率，控制逆变单元(2)改变交流电频率，并向第二采集单元(9)发送应答信号；

第二采集单元(9)，被构造为实时采集负载(8)两端电压、电流信息，将计算出的负载(8)端电压电流平均值发送出去，并接收主控制板(12)的应答信号；

第一通讯单元(11)、第二通讯单元(10)，被构造两个通讯单元彼此双向传递信号。

2.根据权利要求1所述的一种自动扫频无线谐振电能传输装置，其特征在于，直流电源(1)、逆变单元(2)、第一谐振电容(3)和第一电感线圈(4)依次单向电连接，第二电感线圈(5)、第二谐振电容(6)、整流滤波单元(7)、负载(8)依次单向电连接，第一采集单元(13)与直流电源(1)并联，第二采集单元(9)与负载(8)并联，第一采集单元(13)、主控制板(12)、逆变单元(2)信号依次单向传递，主控制板(12)与第一通讯单元(11)信号双向传递，第一通讯单元(11)与第二通讯单元(10)信号双向传递，第二通讯单元(10)与第二采集单元(9)信号双向传递。

3.根据权利要求1所述的一种自动扫频无线谐振电能传输装置，其特征是：第一电感线圈(4)、第二电感线圈(5)为铜芯电线密绕而成的叠绕螺旋线圈。

4.根据权利要求1所述的一种自动扫频无线谐振电能传输装置，其特征是：第一谐振电容(3)、第二谐振电容(6)为多并联CBB薄膜电容。

5.根据权利要求1所述的一种自动扫频无线谐振电能传输装置，其特征是：主控制板(12)采用MSP430超低功耗单片机，且内含一个超级定时器。

6.根据权利要求1所述的一种自动扫频无线谐振电能传输装置，其特征是：第一通讯单元(11)、第二通讯单元(10)为CC2530模块。

7.根据权利要求1所述的一种自动扫频无线谐振电能传输装置，其特征是：第一谐振电容(3)、第二谐振电容(6)分别与第一电感线圈(4)，第二电感线圈(5)构成的LC谐振回路谐振频率符合以下等式：

8.根据权利要求1-7任意一项所述的装置实现自动扫频无线谐振电能运行方法，其特征是：所述方法包括以下步骤：

步骤一：直流电源(1)作为系统输入电源，由主控制板(12)控制逆变单元(2)将直流电变为高频交流电，该交流电经第一谐振电容(3)后，由第一电感线圈(4)通过电磁感应将交流电发送给第二电感线圈(5)和第二谐振电容(6)，最后经整流滤波单元(7)整流成直流电后输出给负载(8)供电；

步骤二：第二采集单元(9)采集负载(8)两端电压及电流信息，信息经AD转换变为数字信号后，通过第二通讯单元(10)传送给第一通讯单元(11)，第一通讯单元(11)将信息传递到主控制板(12)，并等待主控板的应答信号；

步骤三：第一采集单元(13)亦将采集到的直流电源(1)两端电压和电流信息经AD转换为数字信号后，发送给主控制板(12)，主控制板(12)根据采集到的电压、电流信息实时计算驱动频率，并利用高级定时器产生带死区PWM信号作为逆变单元(2)驱动信号，使系统工作处在谐振状态，使系统达到最大工作效率，即为系统工作频率。

9.根据权利要求8所述的一种自动扫频无线谐振电能运行方法，其特征是：步骤一中第二采集单元(9)采集(10)次后求取平均值，并将求得的负载(8)端电压电流平均值通过第一通信单元、第二通信单元发送给主制控板(12)，之后等待主控制板(12)的应答信号，如应答错误则重新发送，如应答正确则开始下次采集。

10.根据权利要求8或9所述的一种自动扫频无线谐振电能运行方法，其特征是：步骤三程序初始化包括模数转换初始化、串口初始化、PWM输出初始化，主控制板(12)接收能量接收端电压电流数据并应答，之后接收第一采集单元(13)发送来的电压电流数据，采用均值滤波算法，每采集10次数据计算平均值，系统将采集到的电压电流数据送入PI控制器，计算PWM驱动信号频率，并判断电压电流数据是否符合标准，如不符合则判断为故障，关闭PWM输出并退出，如无故障则输出PWM驱动信号。