CN105846551A - 一种双功能可调的无线电能传输装置 - Google Patents

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邹儒佳
胡济宇
季涛
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Abstract

本发明提供了一种双功能可调的无线电能传输装置，包括：互相匹配的能够无线传输电能信号的发射模块和接收模块；用于将信号发生器提供的可调频、可调占空比的方波触发信号放大至所需功率或电压，并传输给发射模块的信号放大器件；用于将接收模块输出的高频交流电转变为直流电稳定输出的整流电路。本发明提供的装置频率和占空比双功能可调，可用于探索触发信号频率和占空比对无线充电效率的影响，进而研究方波信号作为激励共振源时，不同占空比对电压和电流的变化产生的影响。该装置具有多功能性，可根据需求，设置电能转化效率最高模式和充电输出功率最大模式。

Description

一种双功能可调的无线电能传输装置
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，特别涉及一种可调频、可调占空比的磁共振式无线电能传输装置。
背景技术
无线充电技术主要是利用近场感应，也就是电感耦合或者电场耦合，将能量传送至中小功率电器上。由于充电器和用电器之间不用电线连接，从而避免了频繁插拔接头以及潜在的触电危险，具有可靠性高、安全性好、操作方便、适应性强等特点，且易于实现自动充电。
因而，近来年无线充电技术受到科技领域的广泛关注。随着技术的完善，高转化效率和高输出功率的需求日益剧增，为无线充电的大规模应用提供了可能。手机、相机、电脑、心脏起搏器等产品都可以用无线充电器充电，尤其是常见的家用电器设备、医疗设备、电动工具、办公室电器、厨房电器和电动汽车等也都可以使用无线充电。
市面上现有的无线充电装置基本都是固定频率和固定占空比的，频率和占空比无法自行设置，不能满足越来越高的使用需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可调频、可调占空比方波形的磁共振式无线电能传输装置。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种双功能可调的无线电能传输装置，其特征在于：包括：
互相匹配的能够无线传输电能信号的发射模块和接收模块；
用于将信号发生器提供的可调频、可调占空比的方波触发信号放大至所需功率或电压，并传输给发射模块的信号放大器件；
用于将接收模块输出的高频交流电转变为直流电稳定输出的整流电路。
优选地，所述发射模块和接收模块采用相同的LC振荡回路。
更优选地，所述LC振荡回路包括并联设置的电感线圈和电容；所述发射模块和接收模块的LC振荡回路的电感线圈完全相同，由相同的铜线缠绕而成，且缠绕的匝数相同、绕向相同、线圈直径相同。
进一步地，所述发射模块和接收模块的电感线圈间距为0.5cm-2cm。
进一步地，所述电感线圈缠绕的匝数为44匝。
进一步地，所述电感线圈直径为10cm。
进一步地，所述电容为0.01μF。
优选地，所述信号放大器件连接发射模块LC振荡回路，所述整流电路连接接收模块的LC振荡回路。
优选地，所述信号放大器件由开关器件构成。
优选地，所述发射模块的方波触发信号的可调频率是10KHz-120KHz。
优选地，所述发射模块的方波触发信号的可调占空比是0.15-0.9。
优选地，所述发射模块的方波触发信号电压为5V。
优选地，所述接收模块的负载电阻是10Ω-10000Ω。
优选地，所述发射模块通过直流供电。
更优选地，所述直流电压为12V。
优选地，信号接收端利用高频二极管的单向导通性，制备桥式整流电路，把信号接收端中LC振荡回路输出的高频交流电转变为直流电输出，通过并联的大容量电解电容稳波，实现直流电稳定输出。
更优选地，所述电解电容为1000μF以上。
本发明提供的装置频率和占空比双功能可调，可用于探索触发信号频率和占空比对无线充电效率的影响，进而研究方波信号作为激励共振源时，不同占空比对电压和电流的变化产生的影响。该装置具有多功能性，可根据需求，设置电能转化效率最高模式和充电输出功率最大模式。
附图说明
图1为发射模块和接收模块的LC振荡电路示意图；
图2为发射模块信号放大器件原理图；
图3为接收模块整流电路原理图；
图4是负载240Ω时，转化效率和输出功率随触发频率的变化规律图；
图5是触发信号与LC振荡电路形成共振，占空比为25％时，触发信号和接收信号随时间的变化规律图；
图6是触发信号与LC振荡电路形成共振时，触发信号和接收信号随占空比的变化规律图；
图7是触发信号与LC振荡电路形成共振，占空比为60％时，触发信号和接收信号随时间的变化规律图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
首先，绕两组44匝直径为10cm的铜线圈，分别作为发射模块和接收模块的能量交换器，线圈两端各并联一个0.01μF电容制成两组LC振荡回路，如图1所示，固有振荡频率约为78KHz。
将方波信号发生器的信号端接在开关器件的控制端，利用开关器件的放大功能，设计放大电路，如图2所示，供电电源为12V直流电。将方波信号发生器提供的放大信号加在一组LC振荡回路的两端；另一组LC振荡回路的两端连接交流变直流模块，作为接收端，如图3所示，通过并联的大容量电解电容稳波，实现直流电稳定输出。
通过示波器跟踪调节，调节方波信号发生器的频率与LC振荡回路的固有频率一致。
借助示波器和万用表，检测接收端处交流电波形图随着触发信号的频率和占空比的变化情况，用功率计检测发射端和接收端的电流和电压值得到功率值，根据两者之间的功率比值得到传输效率。
在占空比为25％和负载为240Ω时，测试触发频率在10KHz至120KHz范围内变化时的输出功率以及传输效率，如图4所示。在78KHz、39KHz和26KHz频率附近时，电路的转化效率和输出功率都出现了峰值。在触发频率是78KHz时检测了触发信号和接收端交流电的波形图，如图5所示。触发信号与LC振荡电路形成共振。
在触发信号频率为78KHz下，不同占空比下装置的转化效率和输出功率的变化情况如图6所示。在占空比为20％-35％时，转换效率最高，输出功率不高；在占空比为35％-60％时，输出功率随占空比递增，效率递减；占空比大于60％时，输出功率和转化效率都随占空比递减。
占空比过小，LC电路蓄能不充分，达不到所需功率；占空比过大，放大器件的开启时间过长，电能消耗过多，多余的能量以热能的形式放出，图5和图7分别是占空比为25％和60％时的触发信号和接收端交流电的波形图。
触发信号与LC振荡电路形成共振，占空比为20％-35％时，尤其是25％时，转换效率最高，为电能转化效率最高模式。
触发信号与LC振荡电路形成共振，占空比为60％时，输出功率最大，为充电输出功率最大模式。

Claims (10)

1.一种双功能可调的无线电能传输装置，其特征在于，包括：
互相匹配的能够无线传输电能信号的发射模块和接收模块；
用于将信号发生器提供的可调频、可调占空比的方波触发信号放大至所需功率或电压，并传输给发射模块的信号放大器件；
用于将接收模块输出的高频交流电转变为直流电稳定输出的整流电路。
2.如权利要求1所述的一种双功能可调的无线电能传输装置，其特征在于：所述发射模块和接收模块采用相同的LC振荡回路。
3.如权利要求2所述的一种双功能可调的无线电能传输装置，其特征在于：所述LC振荡回路包括并联设置的电感线圈和电容；所述发射模块和接收模块的LC振荡回路的电感线圈完全相同，由相同的铜线缠绕而成，且缠绕的匝数相同、绕向相同、线圈直径相同。
4.如权利要求3所述的一种双功能可调的无线电能传输装置，其特征在于：所述发射模块和接收模块的电感线圈间距为0.5cm-2cm。
5.如权利要求2或3所述的一种双功能可调的无线电能传输装置，其特征在于：所述信号放大器件连接发射模块LC振荡回路，所述整流电路连接接收模块的LC振荡回路。
6.如权利要求1所述的一种双功能可调的无线电能传输装置，其特征在于：所述信号放大器件由开关器件构成。
7.如权利要求1所述的一种双功能可调的无线电能传输装置，其特征在于：所述发射模块的方波触发信号的可调频率是10KHz-120KHz。
8.如权利要求1所述的一种双功能可调的无线电能传输装置，其特征在于：所述发射模块的方波触发信号的可调占空比是0.15-0.9。
9.如权利要求1所述的一种双功能可调的无线电能传输装置，其特征在于：所述接收模块的负载电阻是10Ω-10000Ω。
10.如权利要求1所述的一种双功能可调的无线电能传输装置，其特征在于：所述发射模块通过直流供电。
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