CN106037269A - 基于磁谐振无线能量传输的智能保温桌装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于磁谐振无线能量传输的智能保温桌装置及其工作方法，该装置包括保温桌和多个保温盘，保温桌内含电路系统，是所述装置的主控端，同时也是无线能量传输系统的发射端，保温盘内含金属线圈，是所述装置的能量接收端和食材加热端；采用金属线圈作为能量传输的谐振器，通过采用直接数字式频率合成器DDS、电压比较器和A/D模数转换器组成的峰值检测电路检测装置谐振频点的个数、频率值以及效率，将效率最优的谐振频率自适应调整为发射信号的频率，实现高效无线能量传输；同时通过发射端的电压比较电路检测保温盘的个数，自适应调整阻抗匹配电路改变系统的总输出功率，具有安全、高效、智能和灵活的优点，是现有保温技术的有效补充。

Description

基于磁谐振无线能量传输的智能保温桌装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及无线能量传输，自动控制检测等交叉领域，具体涉及基于磁谐振式无线能量传输技术的智能保温桌装置，该装置可自适应调整工作频率和输出功率。

背景技术

在冬天能吃上热气腾腾的饭菜原本是一件很温暖的事情。在没有集体供暖的地区,冬天室内温度并不高（以南方地区：湖南、江西为例，室内温度5℃附近）。同时备好全部的菜所需费时，因此后面的菜刚烹饪好，前面的菜就已经凉了，造成极大的不方便，且影响大家的食欲和家庭和谐。因此，在冬天对菜肴进行保温是一个家庭普偏要面临的难题。

常用的保温方式主要有以下三种：

1）采用燃料点燃保温，例如：蜡、酒精等点燃产生的，具有易引发火灾事故，，不环保，不安全等缺点；

2）采用物理密封保温，例如：保温杯、保温盒，但是菜肴会因为密封环境而影响口感；

3）采用电磁感应的原理加热，例如电磁炉。

电磁炉用高频电流经过线圈产生磁场，当磁场内之磁力通过含铁质锅底部时，就会产生无数的小涡流，使锅体本身自行高速发热，然后再加热锅内的食物。相较于前两种保温方式，电磁加热保温具有快速、方便的特点。实际上，电磁炉和锅组成了一个高频变压器，能量传输效率并不高。此外，一个电磁炉一般配合一个锅使用，不便同时加热多个菜肴，且使用时需要布置电线，灵活性不高。

为了克服上述的不足，我们提出了一种基于磁谐振式无线能量传输技术的智能保温桌装置。该装置工作频率在可选在25千赫兹到1兆赫兹以内的超声频段，无噪声且无高频辐射，且人体和生物的谐振频率错开，不会与人体产生共振，对人和生物安全无害；另外可实现发射信号频率和输出功率的自适应调整，高效智能；且采用无线的方式传输电能，使用过程中无需布线，可实现一发多收的功能：一张桌子发射能量，多个加热载体同时接收能量，使用灵活方便。

发明内容

为了克服现有保温技术在安全、效率和灵活上的不足，本发明将无线能量传输和自动控制技术有机的结合在一起，提出了一种基于磁谐振式无线能量传输技术的智能保温桌装置及其工作方法。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

基于磁谐振无线能量传输的智能保温桌装置，其包括一个保温桌和多个保温盘；其中保温桌内含磁谐振式无线供电系统，作为无线能量传输的发射端；保温盘内含金属线圈，是整个智能保温桌装置的能量接收端和食材加热端；保温桌和保温盘之间无需电线连接；使用中，保温盘放在保温桌桌面上，保温桌根据保温盘的个数和位置来自动调整无线能量传输的信号发射频率和功率，当保温桌发射信号的频率与保温盘上的接收线圈发生谐振时，系统的整体能效最高。

进一步地，发射端和能量接收端采用金属线圈作为能量传输的谐振器，能量发射端通过采用直接数字式频率合成器、电压比较器和模数转换器组成的峰值检测电路检测装置谐振频点的个数、频率值以及效率，记录无线能量传输系统的频响特性，并将效率最优的谐振频率自适应调整为发射信号的频率，实现高效无线能量传输；同时通过能量发射端的电压比较器测接收端的个数，自适应调整阻抗匹配器改变系统的总输出功率。

进一步地，所述的保温桌包括桌体和磁谐振式无线供电系统，用于放置菜肴器皿、餐具，供人们围坐用餐；磁谐振式无线供电系统置于桌体的内部，包括微处理器，信号发生器，阻抗匹配器，电压比较器，发射线圈和人机交互单元；

所述微处理器负责整个保温桌装置的组成部分之间的工作调度、参数的设置、系统谐振频率和输出功率的控制，微处理器通过采集发射线圈的电压值，结合信号发生器的扫频模块可检测系统的频响特性，包括谐振频点的个数、频率值以及效率；然后根据系统的频响特性，控制阻抗匹配器调整系统输出功率；所述信号发生器与微处理器相连，信号发生器含直接数字式频率合成器和功率放大模块，负责产生频率可调、功率可调的交流信号；所述阻抗匹配器与信号发生器、微处理器相连，微处理器通过阻抗匹配器来调整系统的输出功率；电压比较器作为前端数据的采集器，与微处理器、阻抗匹配器、发射线圈相连；所述电压比较器内置模数转换器，将采集到的发射端的电压传送给微处理器处理；所述人机交互单元含控制按钮和显示屏，负责提供人机交互的接口，用于控制参数的设置和系统状态的显示。

进一步地，所述的保温盘包含接收线圈和盘体；其中接收线圈位于盘体内部，用于磁谐振式能量的接收和保温盘的加；保温桌和保温盘除磁谐振式无线供电系统和线圈外不含其它金属材料；所述发射线圈由金属线圈组成，线圈的形状为平面或立体线圈；保温盘的接收线圈由金属线圈组成，置于盘体内部金属线圈的形状为平面或立体线圈。

进一步地，保温盘能用非盘状的器皿代替。

上述基于磁谐振无线能量传输的智能保温桌装置的工作方法,其包括如下步骤：

步骤1：启动保温桌装置，包括以下步骤：

1.1上电，给保温桌接上电源；

1.2待系统启动完成后，会在保温桌的桌面显示屏上显示待机状态；若显示待机状态正常，则表示保温桌装置可工作了；

1.3 判断保温桌装置是否工作；微处理器控制信号发生器产生交流电，然后检测发射端是否有电压；若检测到发射端的电压，则进行下一步操作；若没有检测到电压，则保持待机状态；

1.4 控制信息的输入；使用者通过磁谐振式无线供电系统的人机交互单元，设置装置的控制参数；控制参数包括：发射信号参数、保温目标值、电压比较器的阈值，发射信号参数包括扫频范围、幅度和相位；

步骤2：自适应调整发射信号频率，具体过程如下：

保温桌的微处理器根据人机交互单元的输入控制信息，控制信号发生器所产生发射信号的扫频范围，使信号发生器产生相应的交变电流；然后微处理器从电压比较器上采集各个频率点上电压；采集完之后，计算系统的频响特性，从而确定系统的谐振频率值，并设置系统的谐振频率值为信号发射器产生的发射信号频率；

步骤3：自适应调整总发射功率，具体过程如下：

保温桌能够手动调整保温桌装置的总发射功率；同时能根据接收端的数量自适应的调整总发射功率；在确定了系统的谐振频率后，保温桌的微处理器扫描电压比较器上的电压，根据电压值检测接收端的数量，结合步骤1.4所输入的保温目标值，调整阻抗匹配器控制总发射功率，满足系统实际所需；

步骤4：重复调整谐振频率和发射功率，具体过程如下：

经了上述步骤后，系统处于正常工作状态；当保温桌上的保温盘数量发生变化后，会导致系统的谐振频率和最优发射功率发生变化；微处理器定时扫描发射端的电压，当检测到发射端的电压超出电压比较器阈值所设定的范围，就判断系统状况发生了变化，需重新调整系统的发射信号频率和总发射功率，即重复步骤2和步骤3；所述变化包括：保温盘的数量、保温盘与保温桌的相互位置；

步骤5：自动待机，具体过程如下：

保温桌装置可手动设置为关机状态，并关闭电源；同时也能设置为定时模式，在工作时间到达定时时间后自动切换到关机状态。

本发明结合磁谐振式无线能量传输和自动控制技术，实现可自适应调整发射信号频率和输出功率的保温装置，具有安全、高效、智能和灵活的优点，是现有保温技术的一个有效补充；采用金属线圈作为能量传输的谐振器，通过采用DDS(直接数字式频率合成器)、电压比较器和A/D（模数转换器）组成的峰值检测电路检测装置谐振频点的个数、频率值以及效率，记录系统的频响特性，并将效率最优的谐振频率自适应调整为发射信号的频率，实现高效无线能量传输；同时通过发射端的电压比较电路检测接收端的个数，自适应调整阻抗匹配电路改变系统的总输出功率。

与现有技术相比，本发明所述的基于磁谐振式无线能量传输技术的智能保温桌装置，具有如下优点：

1）本发明所采用的谐振频率在超声以上，属于低频段，并且与人体和生物的频率错开了，不会与人体产生谐振，不会对人体及周围物体产生危害；且本发明采用基于无线能量传输的加热保温技术，使用时无需布线，因此相较于传统的加热保温技术，本发明安全性更高。

2）本发明可根据系统工作状况自适应调发射信号的频率，保证系统一直工作于谐振状态，相较于传统的大功耗加热保温设备，本发明的能量效更高。

3）本发明可根据系统接收端的数量自适应的调整总发射功率，相较于传统的手动调节功率，本发明智能性更高。

4）本发明中可实现一发多收的模式，保温盘的数量可以根据需求而定，相较于传统的一发一收模式，本发明会更加灵活。

综上，本发明具有对人无害、安全、高效、智能和灵活的优点，是现有保温技术的一个有效补充，可以广泛用于家庭、餐馆，改善菜肴的口感，提升人们的幸福感。

附图说明

图1为实例中基于磁谐振式无线能量传输技术的智能保温桌装置；

图2为实例中保温桌的结构图；

图3 为实例中保温桌的磁谐振式无线供电系统；

图4a~图4d为实例中不同保温盘结构的示意图；

图5为实例中述基于磁谐振式无线能量传输技术的智能保温桌装置的工作流程图。

具体实施方式

本发明以磁谐振式无线能量传输技术为基础，利用阻抗匹配电路的特性，实现了可以自适应调整发射信号频率和发射功率的智能保温桌装置。下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述说明，但本发明的实施方式不限于此。

图1-图5为本发明的一种具体实施方式。

本发明所述的基于磁谐振式无线能量传输技术的智能保温桌装置由一个保温桌101和多个保温盘102组成，如图1所示。其中保温桌101内含电路系统，是所述装置的主控端，同时也是无线能量传输系统的发射端，而外形和材质与普通餐桌无较大差别；保温盘102内含金属线圈，是所述装置的能量接收端和食材加热端，而外形和材质与普通的盛菜容器无较大区别；保温桌101和保温盘102除电路系统和金属线圈外不含其它金属材料，且它们之间无需电线连接，也无相对固定的放置位置的限制。使用中，保温盘102放在保温桌101桌面上，保温桌101根据保温盘102的个数和位置来自动调整最佳发射频率和功率，当保温桌发射的能量电磁波频率与接收线圈发生谐振时，系统的整体能效最高。

基于磁谐振式无线能量传输技术的智能保温桌装置，其中所述的保温桌101是所述装置的主控端，同时也是无线能量传输系统的发射端，包括桌体201和磁谐振式无线供电系统202两部分，如图2所示。其中桌体201的外形与普通餐桌无区别，用于放置菜肴器皿、餐具，供人们围坐用餐；磁谐振式无线供电系统202是智能保温桌的控制装置，其置于桌体201的内部，由微处理器301，信号发生器302，阻抗匹配器303，电压比较器304，发射线圈305和人机交互单元306组成，如图3所示。

在上述的磁谐振式无线供电系统202中，所述的微处理器301是系统的控制中心和数据处理中心，它负责整个保温桌电路系统各个功能模块的调度、参数的设置、数据的控制以及系统谐振频率和输出功率的控制，其通过采集发射线圈的电压值，结合信号发生器302的扫频模块可检测系统的频响特性，包括谐振频点的个数、频率值以及效率等；然后根据系统的频响特性，控制阻抗匹配器303调整系统输出功率；信号发生器302与微处理器301相连，其含DDS(直接数字式频率合成器)模块和功率放大模块，其负责产生频率可调、功率可调的交流信号；阻抗匹配器303与信号发生器 302、微处理器301相连，微处理器301可以通过它来调整系统的输出功率；电压比较器304作为前端数据的采集器，与微处理器301、阻抗匹配器303、发射线圈305相连；电压比较器304内置一个A/D模数转换器，将采集到的发射端的电压传送给微处理器301处理；发射线圈305由金属线圈组成，线圈的形状可以是圆形，方形，也可以是平面、立体线圈，用于磁谐振式能量的发射；人机交互单元306含控制按钮和显示屏，负责提供人机交互的接口，用于控制参数的设置和系统状态的显示。

所述基于磁谐振式无线能量传输技术的智能保温桌装置的保温盘102包含接收线圈401和盘体402，如图4a所示。其中接收线圈401由金属线圈组成，置于盘体402内部，金属线圈的形状可以是圆形，方形，也可以是平面、立体线圈，用于磁谐振式能量的接收和保温盘的加热；盘体402的材料和一般盘子材料无异，为了保证传热的效率，盘体的材料可以选择陶瓷，但不要选用金属以防止金属对电磁波的屏蔽作用，盘体的形状也没有限制，与一般的器皿无异，碗、盘子、碟子都可以，如图4a~图4d所示。

本实施例的具体操作步骤如下（如图5所述）：

步骤1：启动保温桌装置。启动过程包括以下步骤：

1.1上电。给保温桌接上电源。

1.2检查系统是否正常工作。待系统启动完成后，会在保温桌的桌面显示屏上显示待机状态。若显示待机状态正常，则表示保温桌装置可工作了。

1.3 判断保温桌装置是否工作。微处理器控制信号发生器产生交流电，然后检测发射端是否有电压。若检测到发射端的电压，则进行下一步操作；若没有检测到电压，则保持待机状态。

1.4 控制信息的输入。智能保温桌使用者通过磁谐振式无线供电系统的人机交互单元,设置装置的控制参数。控制参数包括：发射信号参数(含：扫频范围、幅度、相位)、保温目标值、电压比较器的阈值。

步骤2：自适应调整发射信号频率。具体过程如下：

保温桌的微处理器根据人机交互单元的输入控制信息，控制信号发生器所产生发射信号的扫频范围，使信号发生器产生一定频率范围的交变电流。然后微处理器从电压比较器上采集各个频率点上电压。采集完之后，计算系统的频响特性，从而确定系统的谐振频率值，并设置系统的谐振频率值为信号发射器产生的发射信号频率。此步骤的目的在于根据系统的工作状态，自适应地检测系统的谐振频率，并设置该谐振频率为信号发生器所产生的发射信号频率。

步骤3：自适应调整总发射功率。具体过程如下：

保温桌装置能够手动调整保温桌装置的总发射功率；同时装置也可根据接收端的数量自适应的调整总发射功率。在确定了系统的谐振频率后，保温桌的微处理器扫描电压比较器上的电压，根据电压值检测接收端的数量，结合步骤1.4所输入的保温目标值，调整阻抗匹配电路控制总发射功率，满足系统实际所需；此步骤的目的在于根据系统的接收端的数量，调整阻抗匹配电路，实现系统总发射功率的自适应调整。

步骤4：重复调整谐振频率和发射功率。具体过程如下：

经了上述步骤后，系统处于正常工作状态。当保温桌上的保温盘数量发生变化后，会导致系统的谐振频率和最优发射功率发生变化。微处理器定时扫描发射端的电压，当检测到发射端的电压超出电压比较器阈值所设定的范围，就判断系统状况发生了变化（包括：保温盘的数量、保温盘与保温桌的相互位置、系统所处的环境），需重新调整系统的发射信号频率和总发射功率，即重复步骤2和步骤3。

步骤5：自动待机。具体过程如下：

保温桌装置可手动设置为关机状态，并关闭电源；同时也可设置为定时模式，在工作时间到达定时时间后自动切换到关机状态。

本实例采用磁谐振式无线能量传输技术，利用非辐射磁场可在几倍于谐振器（例如：金属线圈）尺寸的中等距离（10m）以内实现电能的高效传输。同时该技术所产生的磁场与生物体之间相互作用很弱，对生物体较为安全，对其它频率的电子设备干扰很小，且受障碍物的影响较小，并能够对多个用电设备供能。因此，该技术实现的系统具有安全，高效、配制灵活等特点。

磁谐振式无线能量传输技术的理论基础在于两个振荡电路之间重叠存在的强电磁耦合，属于近场无损非辐射谐振耦合，虽然接收端与发射端之间的耦合随两者距离的增大而衰减，但未被负载吸收的部分能量会返回发射端，不会损耗传输能量，不会降低传输效率。因此磁谐振式无线能力传输系统可以通过发射端的反射波检测，测定接收端接收功率，从而得知系统的能效情况。从频响特性上看，该系统处于谐振状态时能效最优。根据滤波器和耦合电路理论分析与仿真实验验证，谐振器的品质因数、谐振器的个数、谐振器之间的距离、谐振线圈的负载以及谐振器所处环境的周边介质等因数决定着系统的谐振频点的个数和频率值。

因此，本发明采用金属线圈作为谐振器，通过在检测系统的谐振频点的个数、频率值以及效率，记录系统的频响特性，并将效率最优的谐振频率自适应调整为发射信号的频率，实现高效无线能量传输；同时通过发射端的电压比较电路估算接收端的个数，自适应调整电路的输出阻抗以控制系统的输出功率，具体通过以下方式实现：

1） 在电源与发射线圈之间加上一个阻抗匹配电路，以调整系统的输出功率；

2）系统采用DDS(直接数字式频率合成器)作为信号发生源，既可控制系统的信号发射频率，又能实现系统的扫频测量。

3）在系统的发射端采用电压比较器和A/D（模数转换器）组成的峰值检测电路测量发射线圈的电压值，结合上述DDS扫频测量即可检测系统的频响特性（含以下参数：谐振频点的个数、频率值以及效率），用于检测系统效率最优的谐振频点。

Claims (9)

1.基于磁谐振无线能量传输的智能保温桌装置，其特征在于包括一个保温桌和多个保温盘；其中保温桌内含磁谐振式无线供电系统，作为无线能量传输的发射端；保温盘内含金属线圈，是整个智能保温桌装置的能量接收端和食材加热端；保温桌和保温盘之间无需电线连接；使用中，保温盘放在保温桌桌面上，保温桌根据保温盘的个数和位置来自动调整无线能量传输的信号发射频率和功率，当保温桌发射信号的频率与保温盘上的接收线圈发生谐振时，系统的整体能效最高。

2.根据权利要求1所述的基于磁谐振无线能量传输的智能保温桌装置，其特征在于发射端和能量接收端采用金属线圈作为能量传输的谐振器，能量发射端通过采用直接数字式频率合成器、电压比较器和模数转换器组成的峰值检测电路检测装置谐振频点的个数、频率值以及效率，记录无线能量传输系统的频响特性，并将效率最优的谐振频率自适应调整为发射信号的频率，实现高效无线能量传输；同时通过能量发射端的电压比较器测接收端的个数，自适应调整阻抗匹配器改变系统的总输出功率。

3.根据权利要求1所述的基于磁谐振无线能量传输的智能保温桌装置，其特征在于所述的保温桌包括桌体和磁谐振式无线供电系统，用于放置菜肴器皿、餐具，供人们围坐用餐；磁谐振式无线供电系统置于桌体的内部，包括微处理器，信号发生器，阻抗匹配器，电压比较器，发射线圈和人机交互单元；

所述微处理器负责整个保温桌装置的组成部分之间的工作调度、参数的设置、系统谐振频率和输出功率的控制，微处理器通过采集发射线圈的电压值，结合信号发生器的扫频模块可检测系统的频响特性，包括谐振频点的个数、频率值以及效率；然后根据系统的频响特性，控制阻抗匹配器调整系统输出功率；所述信号发生器与微处理器相连，信号发生器含直接数字式频率合成器和功率放大模块，负责产生频率可调、功率可调的交流信号；所述阻抗匹配器与信号发生器、微处理器相连，微处理器通过阻抗匹配器来调整系统的输出功率；电压比较器作为前端数据的采集器，与微处理器、阻抗匹配器、发射线圈相连；所述电压比较器内置模数转换器，将采集到的发射端的电压传送给微处理器处理；所述人机交互单元含控制按钮和显示屏，负责提供人机交互的接口，用于控制参数的设置和系统状态的显示。

4.根据权利要求1所述的基于磁谐振无线能量传输的智能保温桌装置， 其特征在于所述的保温盘包含接收线圈和盘体；其中接收线圈位于盘体内部，用于磁谐振式能量的接收和保温盘的加。

5.根据权利要求1所述的基于磁谐振无线能量传输的智能保温桌装置， 其特征在于保温桌和保温盘除磁谐振式无线供电系统和线圈外不含其它金属材料。

6.根据权利要求1所述的基于磁谐振无线能量传输的智能保温桌装置， 其特征在于所述发射线圈由金属线圈组成，线圈的形状为平面或立体线圈。

7.根据权利要求1所述的基于磁谐振无线能量传输的智能保温桌装置， 其特征在于保温盘的接收线圈由金属线圈组成，置于盘体内部金属线圈的形状为平面或立体线圈。

8.根据权利要求1所述的基于磁谐振无线能量传输的智能保温桌装置， 其特征在于保温盘能用非盘状的器皿代替。

9.权利要求1~ 8任一项所述基于磁谐振无线能量传输的智能保温桌装置的工作方法,其特征在于包括如下步骤：

步骤1：启动保温桌装置，包括以下步骤：

1.1上电，给保温桌接上电源；

1.2待系统启动完成后，会在保温桌的桌面显示屏上显示待机状态；若显示待机状态正常，则表示保温桌装置可工作了；

1.3判断保温桌装置是否工作；微处理器控制信号发生器产生交流电，然后检测发射端是否有电压；若检测到发射端的电压，则进行下一步操作；若没有检测到电压，则保持待机状态；

1.4控制信息的输入；使用者通过磁谐振式无线供电系统的人机交互单元，设置装置的控制参数；控制参数包括：发射信号参数、保温目标值、电压比较器的阈值，发射信号参数包括扫频范围、幅度和相位；

步骤2：自适应调整发射信号频率，具体过程如下：

保温桌的微处理器根据人机交互单元的输入控制信息，控制信号发生器所产生发射信号的扫频范围，使信号发生器产生相应的交变电流；然后微处理器从电压比较器上采集各个频率点上电压；采集完之后，计算系统的频响特性，从而确定系统的谐振频率值，并设置系统的谐振频率值为信号发射器产生的发射信号频率；

步骤3：自适应调整总发射功率，具体过程如下：

保温桌能够手动调整保温桌装置的总发射功率；同时能根据接收端的数量自适应的调整总发射功率；在确定了系统的谐振频率后，保温桌的微处理器扫描电压比较器上的电压，根据电压值检测接收端的数量，结合步骤1.4所输入的保温目标值，调整阻抗匹配器控制总发射功率，满足系统实际所需；

步骤4：重复调整谐振频率和发射功率，具体过程如下：

经了上述步骤后，系统处于正常工作状态；当保温桌上的保温盘数量发生变化后，会导致系统的谐振频率和最优发射功率发生变化；微处理器定时扫描发射端的电压，当检测到发射端的电压超出电压比较器阈值所设定的范围，就判断系统状况发生了变化，需重新调整系统的发射信号频率和总发射功率，即重复步骤2和步骤3；所述变化包括：保温盘的数量、保温盘与保温桌的相互位置；

步骤5：自动待机，具体过程如下：

保温桌装置可手动设置为关机状态，并关闭电源；同时也能设置为定时模式，在工作时间到达定时时间后自动切换到关机状态。