CN106602744A - 小功率中距离磁耦合无线电能传输装置及其调谐方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线电能传输装置领域，提出了小功率中距离磁耦合无线电能传输装置，包括发射端和接收端，发射端的直流电源经升压电路后，与全桥逆变电路连接，发射端单片机与驱动电路连接，驱动电路与全桥逆变电路连接，全桥逆变电路的交流输出端串接发射线圈和第一谐振电容；接收端的整流滤波电路的输入端串接接收线圈和第二谐振电容，输出端外接负载，电流检测电路检测负载电阻上的电流值并输入到接收端单片机；发射端单片机用于根据电流检测电路检测到的电流值，调整输出到驱动电路的信号频率和占空比，直至电流检测电路检测到的电流值达到最大值。本发明还提出了一种调谐方法，本发明结构简单，传输效率高，可以广泛应用于无线电能传输领域。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输装置技术领域，具体涉及一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置及其调谐方法。
背景技术
现在生活中充满了电线，尤其是手机的数据线，而且数据线长时间用还容易断，从而造成的极大的资源浪费。无线电能传输是一种通过空间电磁场耦合进行电能传输的技术，其主要优点是不需要插拔，使用简单方便；不会产生电火花，可以在易燃易爆的工业环境中使用；可以在水中进行能量传输，可以应用到海洋装备等水下应用中。伴随着技术的不断发展与进步，无线电能传输技术越来越备受关注，而在国内市场上小功率的无线电能传输装置普遍效率偏低，电路有时也不是很稳定，这极大的增加了损耗，反而得不偿失。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种小功率中距离磁耦合无线电能传输的装置。使用本发明，只需较少且常见的较为便宜的电器元件焊接到电路中及谐振调试即可，具有容易推广的优势。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置，包括发射端和接收端，所述发射端包括直流电源、全桥逆变电路、升压电路、发射线圈、第一谐振电容，驱动电路、发射端单片机，所述接收端包括接收线圈、第二谐振电容，整流滤波电路、电流检测电路、以及接收端单片机；所述直流电源的输出端经所述升压电路后，与所述全桥逆变电路的直流输入端连接，所述发射端单片机的信号输出端与所述驱动电路的输入端连接，所述驱动电路的输出端与所述全桥逆变电路的信号输入端连接，所述全桥逆变电路的交流输出端串接所述发射线圈和第一谐振电容；所述整流滤波电路的交流输入端串接接收线圈和第二谐振电容，所述整流滤波电路的直流输出端外接负载，电流检测电路的信号采集端与负载电阻连接，信号输出端与接收端单片机连接，电流检测电路用于检测负载电阻的电流值并输出到接收端单片机；所述发射端单片机用于根据所述电流检测电路检测到的电流值，调整输出到驱动电路的信号频率和占空比，直至所述电流检测电路检测到的电流值达到最大值。
所述升压电路包括场效应管V1、二极管D1、电阻R1和滑动变阻器RX，直流电源的正端经电阻R1、二极管D1和滑动变阻器RX后与地连接，场效应管V1的漏极与二极管D1的阳极连接，场效应管V1的源极接地，场效应管V1的栅极与发射端单片机的信号输出端连接。
所述驱动电路包括第一IR2110驱动器、第二IR2110驱动器、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9；所述全桥逆变电路包括场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q4，场效应管Q1的漏极和场效应管Q2的漏极连接后与滑动变阻器RX的一端连接，场效应管Q3的源极和场效应管Q4的源极连接后与滑动变阻器RX的另一端连接，场效应管Q1的源极与场效应管Q3的漏极连接后与所述第二IR2110驱动器的VS输出端连接，场效应管Q2的源极与场效应管Q4的漏极连接后与所述第一IR2110驱动器的VS输出端连接；所述第一IR2110驱动器的HO输出端经电阻R2后与场效应管Q4的栅极连接，所述第一IR2110驱动器的LO输出端经电阻R3后与场效应管Q2的栅极连接，所述第二IR2110驱动器的HO输出端经电阻R4后与场效应管Q1的栅极连接，所述第二IR2110驱动器的LO输出端经电阻R5后与场效应管Q3的栅极连接；二极管D2与电阻R6串联后并联在电阻R2的两端，二极管D3与电阻R7串联后并联在电阻R3的两端；二极管D4与电阻R8串联后并联在电阻R4的两端；二极管D5与电阻R9串联后并联在电阻R5的两端，二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5的阴极连接在靠近驱动电路的一端。
所述第一谐振电容与发射线圈串联后，一端连接在所述场效应管Q1的源极与场效应管3的漏极之间，另一端连接在所述场效应管Q2的源极与场效应管Q4的漏极之间。
所述的一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置，还包括与接收端单片机连接的显示器，所述整流滤波电路包括全桥整流电路和滤波电路，所述电流检测电路包括电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13和运算放大器V2，所述整流滤波电路的直流输出正端经负载电阻R、电阻R10后与所述整流滤波电路的直流输出负端连接，电阻R11的一端连接在负载电阻R和电阻R10之间，另一端与运算放大器V2的同相输入端连接，运算放大器V2的反向输入端经电阻R12接地，运算放大器V2的输出端经电阻R13后与接收端单片机的信号输入端连接，显示器用于显示电流值。
本发明还提供了一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置的调谐方法，包括以下步骤：
（1）不断调试接收端的第二谐振电容的电容值，使在固定距离下，接收端的功率达到最大，记录此时第二谐振电容的电容值C02；
（2）在第二谐振电容所在电路中串联电容值大于C02的电容，若接收端的功率增加，则继续串联电容，并使串联电容的电容值逐渐增加，直至接收端的功率逐渐增加到不再增加；
（3）不断调试发射端的第一谐振电容的电容值，使在固定距离下，接收端的功率达到最大，记录此时第仪谐振电容的电容值C01；
（4）在第一谐振电容所在电路中串联电容值大于C01的电容，若接收端的功率增加，则继续串联电容，并使串联电容的电容值逐渐增加，直至接收端的功率逐渐增加到不再增加；
（5）调节升压电路中的滑动变阻器的阻值，直至接收端的功率增加到不再增加。
所述的一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置的调谐方法，通过电路仿真软件来实现调试第一谐振电容和第二谐振电容的电容值，通过电路仿真软件来实现在第一谐振电容和第二谐振电容所在电路中串联电容。
所述步骤（2）中，在第二谐振电容所在电路中串联电容的电容值为C02的100~1000倍，所述步骤（4）中，在第一谐振电容所在电路中串联电容的电容值为C01的100~1000倍。
所述接收端的功率大小通过测量负载两端的电压或者测量负载中的电流来实现监测。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明的一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置，在接收端设置电流检测电路，通过电流检测电路能实时检测接收端的电流值，并通过改变发射端单片机内编写的程序中的频率和占空比的数值来改变驱动电路的输出信号，进一步达到控制并调整接收端输出电流的目的，可以使提高无线电能传输装置的转换效率；
2、本发明的一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置，在发射端设置有升压电路，通过发射端单片机来控制升压电路中的场效应管的开关，可以提高全桥逆变的效率，是电路达到阻抗匹配从而达到最佳谐振，进而提高传输效率；
3、本发明的一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置，使用的电器元件较为常见，价格实惠，具有容易推广的优势；
4、本发明的一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置的调谐方法，可以快速并高效地达到最佳阻抗匹配。
附图说明
图1是本发明实施例提出的一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置的系统框图；
图2为本发明实施例提出的一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置的升压电路图；
图3为本发明实施例提出的一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置的驱动电路图；
图4为本发明实施例提出的一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置的全桥逆变电路图；
图5为本发明实施例提出的一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置的接收模块和电流检测电路图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置，包括发射端和接收端，所述发射端包括直流电源、全桥逆变电路、升压电路、发射线圈、第一谐振电容，驱动电路、发射端单片机，所述接收端包括接收线圈、第二谐振电容，整流滤波电路、电流检测电路、以及接收端单片机；所述直流电源的输出端经所述升压电路后，与所述全桥逆变电路的直流输入端连接，所述发射端单片机的信号输出端与所述驱动电路的输入端连接，所述驱动电路的输出端与所述全桥逆变电路的信号输入端连接，所述全桥逆变电路的交流输出端串接所述发射线圈和第一谐振电容；所述整流滤波电路的交流输入端串接接收线圈和第二谐振电容，所述整流滤波电路的直流输出端外接负载，电流检测电路检测所述整流滤波电路的直流输出端的电流值，电流检测电路的信号输出端与接收端单片机连接；所述发射端单片机用于根据所述电流检测电路检测到的电流值，调整输出到驱动电路的信号频率和占空比，直至所述电流检测电路检测到的电流值达到最大值。
具体地，如图2所示，所述升压电路包括场效应管V1、二极管D1、电阻R1和滑动变阻器RX，直流电源的正端经电阻R1、二极管D1和滑动变阻器RX后与地连接，场效应管V1的漏极与二极管D1的阳极连接，场效应管V1的源极接地，升压电路的端口11连接着发射端单片机MSP430的信号输出端，场效应管V1的栅极与发射端单片机的信号输出端连接。通过发射端单片机设置程序给升压电路中的MOS管输入信号，再进一步调试电路中的滑动变阻器可以使电路达到阻抗匹配，可以使输出到发射线圈的交流电压更加接近电源的输入直流电压，进而可以提高全桥逆变电路的逆变效率。
具体地，如图3和图4所示，所述驱动电路包括第一IR2110驱动器、第二IR2110驱动器、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9；所述全桥逆变电路包括场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q4。
图3中驱动电路的四个波形输出端口3、4、5、6分别与图4中全桥逆变电路中的③、④、⑤、⑥端口相连接。图3中驱动电路中的端口7、8分别与全桥逆变电路中的连接发射线圈L1和第一谐振电容C1的端口⑦、⑧相连；而升压电路的9、10端口分别连接着全桥逆变电路的⑨、⑩端口；也就是说，场效应管Q1的漏极和场效应管Q2的漏极连接后与滑动变阻器RX的一端连接，场效应管Q3的源极和场效应管Q4的源极连接后与滑动变阻器RX的另一端连接，场效应管Q1的源极与场效应管Q3的漏极连接后与所述第二IR2110驱动器的VS输出端连接，场效应管Q2的源极与场效应管Q4的漏极连接后与所述第一IR2110驱动器的VS输出端连接；所述第一IR2110驱动器的HO输出端经电阻R2后与场效应管Q4的栅极连接，所述第一IR2110驱动器的LO输出端经电阻R3后与场效应管Q2的栅极连接，所述第二IR2110驱动器的HO输出端经电阻R4后与场效应管Q1的栅极连接，所述第二IR2110驱动器的LO输出端经电阻R5后与场效应管Q3的栅极连接；二极管D2与电阻R6串联后并联在电阻R2的两端，二极管D3与电阻R7串联后并联在电阻R3的两端；二极管D4与电阻R8串联后并联在电阻R4的两端；二极管D5与电阻R9串联后并联在电阻R5的两端，二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5的阴极连接在靠近驱动电路的一端。
其中，二极管D2、D3、D4、D5具有使场效应管V1快速关断的作用，当场效应管关断时内部的电容开始放电，可以通过这四个二极管快速放电，加快MOS管的关断，而与四个二极管并联的四个电阻R2、R3、R4和R5则起到了限流的作用，可以通过这几个栅极电阻来对MOS管内部栅极电容的充放电产生限流作用，进而调节MOS管的开关速度。当驱动电路的低压输出端产生高电位、高压输出端产生低电位时，可以输出方波，相反的，当驱动电路的低压输出端产生低电位、高压输出端产生高电位又可以产生方波。在全桥逆变电路中因为⑤和③是同为方波的高端或者低端，④和⑥是同为方波的高端或者低端，进而使该电路产生对角的两端同时开断，来使输入逆变电路的直流电变为交流电通入线圈和谐振电容中，使流入的交流电为正负VCC数值的电压从而达到两倍VCC数值的电压输入线圈中来提高效率。
进一步地，如图4所示，所述第一谐振电容C1与发射线圈L1串联后，一端连接在所述场效应管Q1的源极与场效应管3的漏极之间，另一端连接在所述场效应管Q2的源极与场效应管Q4的漏极之间。
进一步地，本实施例的一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置还包括与接收端单片机连接的显示器，所述整流滤波电路包括全桥整流电路和滤波电路，如图5所示，所述电流检测电路包括电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13和运算放大器V2，所述整流滤波电路的交流输入端串接接收线圈L2和第二谐振电容C2，所述整流滤波电路的直流输出正端经负载电阻R、电阻R10后与所述整流滤波电路的直流输出负端连接，电阻R10的一端经电阻R11与运算放大器V2的同相输入端连接，运算放大器V2的反向输入端经电阻R12接地，运算放大器V2的输出端经电阻R13后与接收端单片机MSP430的P6.1端口连接，显示器用于显示电流值。通过电流检测电路和接收端单片机可以检测负载端电流的稳定性，然后通过改变发射端单片机程序中编写频率和占空比的数值来调控频率和占空比，可以使电流使接收端的负载电阻中的电流稳定到一个数值。具体地，单片机连着1602显示器，可以显示与负载电阻串联的小电阻流过的电流即输出电流，然后通过更改发射端单片机程序中编写频率和占空比的数值，来控制和改变负载两端输出电流，或者改变负载两端电阻值的大小来改变电流进而改变功率提高效率。
本发明实施例还提供了一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置的调谐方法，包括以下步骤：
（1）固定发射端和接收端线圈的匝数，不断调试接收端的第二谐振电容的电容值，使在固定距离下，接收端的功率达到最大，记录此时第二谐振电容的电容值C02；
（2）在第二谐振电容所在电路中串联电容值大于C02的电容，若接收端的功率增加，则继续串联电容，并使串联电容的电容值逐渐增加，直至接收端的功率逐渐增加到不再增加；
（3）不断调试发射端的第一谐振电容的电容值，使在固定距离下，接收端的功率达到最大，记录此时第仪谐振电容的电容值C01；
（4）在第一谐振电容所在电路中串联电容值大于C01的电容，若接收端的功率增加，则继续串联电容，并使串联电容的电容值逐渐增加，直至接收端的功率逐渐增加到不再增加；
（5）调节升压电路中的滑动变阻器的阻值，直至接收端的功率增加到不再增加。
其中，在调试接受端的谐振电容C2时，首先需要不断地改变第一谐振电容的容值，使在固定距离下输出功率达到最大，由于电容容值的不连续性，以及电路中电容、电感、品质因素等的影响，当该电容数值达到接近最适宜的值时，通过串联更大电容值使可以使电路更加接近谐振，然后再串联一个电容值更大的电容，例如电容值为C01的100倍的电容，可以让总电容值变小一点点，然后再串联一个电容值更大的电容，例如电容值为C01的200倍的电容，这样多个电容值叠加串联，可以精确改变电路的电容值，让电路几乎达到完全谐振，使电路达到效率最大。调试发射端的谐振电容C1也是再次用上面的方法使电路的效率达到最佳，直到该装置在固定距离下稍微靠近或者离远输出功率都会变低，这时再通过改变升压电路中的滑动变阻器可以进一步提高逆变效率达到传输效率最高。当电路通电后输入功率9.2W输出功率6W，转换效率高达65%左右。同时整个装置电子元件简单，电路稳定且成本较低，具有很好的经济实用价值。
其中，可以通过电路仿真软件来模拟实现调试第一谐振电容和第二谐振电容的电容值，同样也可以通过电路仿真软件来模拟实现在第一谐振电容和第二谐振电容所在电路中串联更大电容。此外，也可以手动增加电容值来进行试验。此外，调整谐振的过程可以设置在通过发射端单片机来调频率和占空比之后。
具体地，所述步骤（2）中，在第二谐振电容所在电路中串联电容的电容值为C02的100~1000倍，所述步骤（4）中，在第一谐振电容所在电路中串联电容的电容值为C01的100~1000倍。
此外，所述接收端的功率大小通过测量负载两端的电压或者测量负载中的电流来实现监测。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置，包括发射端和接收端，其特征在于，所述发射端包括直流电源、全桥逆变电路、升压电路、发射线圈、第一谐振电容，驱动电路、发射端单片机，所述接收端包括接收线圈、第二谐振电容，整流滤波电路、电流检测电路、以及接收端单片机；
所述直流电源的输出端经所述升压电路后，与所述全桥逆变电路的直流输入端连接，所述发射端单片机的信号输出端与所述驱动电路的输入端连接，所述驱动电路的输出端与所述全桥逆变电路的信号输入端连接，所述全桥逆变电路的交流输出端串接所述发射线圈和第一谐振电容；
所述整流滤波电路的交流输入端串接接收线圈和第二谐振电容，所述整流滤波电路的直流输出端外接负载，电流检测电路的信号采集端与负载电阻连接，信号输出端与接收端单片机连接，电流检测电路用于检测负载电阻的电流值并输出到接收端单片机；
所述发射端单片机用于根据所述电流检测电路检测到的电流值，调整输出到驱动电路的信号频率和占空比，直至所述电流检测电路检测到的电流值达到最大值。
2.根据权利要求1所述的一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置，其特征在于，所述升压电路包括场效应管V1、二极管D1、电阻R1和滑动变阻器RX，直流电源的正端经电阻R1、二极管D1和滑动变阻器RX后与地连接，场效应管V1的漏极与二极管D1的阳极连接，场效应管V1的源极接地，场效应管V1的栅极与发射端单片机的信号输出端连接。
3.根据权利要求2所述的一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置，其特征在于，所述驱动电路包括第一IR2110驱动器、第二IR2110驱动器、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9；
所述全桥逆变电路包括场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q4，场效应管Q1的漏极和场效应管Q2的漏极连接后与滑动变阻器RX的一端连接，场效应管Q3的源极和场效应管Q4的源极连接后与滑动变阻器RX的另一端连接，场效应管Q1的源极与场效应管Q3的漏极连接后与所述第二IR2110驱动器的VS输出端连接，场效应管Q2的源极与场效应管Q4的漏极连接后与所述第一IR2110驱动器的VS输出端连接；
所述第一IR2110驱动器的HO输出端经电阻R2后与场效应管Q4的栅极连接，所述第一IR2110驱动器的LO输出端经电阻R3后与场效应管Q2的栅极连接，所述第二IR2110驱动器的HO输出端经电阻R4后与场效应管Q1的栅极连接，所述第二IR2110驱动器的LO输出端经电阻R5后与场效应管Q3的栅极连接；
二极管D2与电阻R6串联后并联在电阻R2的两端，二极管D3与电阻R7串联后并联在电阻R3的两端；二极管D4与电阻R8串联后并联在电阻R4的两端；二极管D5与电阻R9串联后并联在电阻R5的两端，二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5的阴极连接在靠近驱动电路的一端。
4.根据权利要求3所述的一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置，其特征在于，所述第一谐振电容与发射线圈串联后，一端连接在所述场效应管Q1的源极与场效应管3的漏极之间，另一端连接在所述场效应管Q2的源极与场效应管Q4的漏极之间。
5.根据权利要求1所述的一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置，其特征在于，还包括与接收端单片机连接的显示器，所述整流滤波电路包括全桥整流电路和滤波电路，所述电流检测电路包括电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13和运算放大器V2，所述整流滤波电路的直流输出正端经负载电阻R、电阻R10后与所述整流滤波电路的直流输出负端连接，电阻R11的一端连接在负载电阻R和电阻R10之间，另一端与运算放大器V2的同相输入端连接，运算放大器V2的反向输入端经电阻R12接地，运算放大器V2的输出端经电阻R13后与接收端单片机的信号输入端连接，显示器用于显示电流值。
6.根据权利要求1所述的一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置的调谐方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）不断调试接收端的第二谐振电容的电容值，使在固定距离下，接收端的功率达到最大，记录此时第二谐振电容的电容值C02；
（2）在第二谐振电容所在电路中串联电容值大于C02的电容，若接收端的功率增加，则继续串联电容，并使串联电容的电容值逐渐增加，直至接收端的功率逐渐增加到不再增加；
（3）不断调试发射端的第一谐振电容的电容值，使在固定距离下，接收端的功率达到最大，记录此时第仪谐振电容的电容值C01；
（4）在第一谐振电容所在电路中串联电容值大于C01的电容，若接收端的功率增加，则继续串联电容，并使串联电容的电容值逐渐增加，直至接收端的功率逐渐增加到不再增加；
（5）调节升压电路中的滑动变阻器的阻值，直至接收端的功率增加到不再增加。
7.根据权利6所述的一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置的调谐方法，其特征在于，通过电路仿真软件来实现调试第一谐振电容和第二谐振电容的电容值，通过电路仿真软件来实现在第一谐振电容和第二谐振电容所在电路中串联电容。
8.根据权利6所述的一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置的调谐方法，其特征在于，所述步骤（2）中，在第二谐振电容所在电路中串联电容的电容值为C02的100~1000倍，所述步骤（4）中，在第一谐振电容所在电路中串联电容的电容值为C01的100~1000倍。
9.根据权利6所述的一种小功率中距离磁耦合无线电能传输装置的调谐方法，其特征在于，所述接收端的功率大小通过测量负载两端的电压或者测量负载中的电流来实现监测。
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