CN107069996A - 一种基于温差发电的智能无线传输装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于温差发电的智能无线传输装置，包括温差发电、无线传输和智能控制三部分，温差发电部分包括一个或若干个温差发电芯片，无线传输部分包括逆变电路、发射线圈模块、接收线圈模块、智能伸缩弹簧、整流电路、调频模块、频率共振模块和保护模块，智能控制部分包括MPPT控制、弹簧距离控制、语音模块控制和模式选择控制；本发明基于传统的无线电磁传输原理，增加了磁耦合谐振特性，通过智能调频共振点追踪、通过线圈距离的调控减小磁感线的散射强度进而提高了无线充电效率；具有过温保护，电池过/欠压保护功能，保护了人身安全延长了设备寿命，在使用过程中可以智能的选择快充和慢充，简单方便，智能实用。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线电能传输装置，尤其涉及一种基于温差发电的智能无线传输装置。
背景技术
随着社会的快速发展，智能电子产品的功能在不停的创新，原有的类似的无线充电装置还没有成为智能的标准配置，一些无线充电装置利用通过更换接收端的后壳或使用第三方附件支持无线充电功能，现有的类似的无线充电装置也大多采用电磁原理，但是效率较低，磁感线在发射端浪费较多，且没有设计保护装置，例如：新闻中总能有手机爆炸伤人的消息报导。
类似的发明专利如CN103944214A中公开发明的无线充电装置，采用无线供电的方式为充电设备供电，该发明仅考虑到如何利用控制方式解决充电器和设备型号的匹配问题，而忽视了匹配过程中磁感线向线圈以外的环境无规则穿过造成能量的损失，伴随着信息化智能化的快速发展，如何利用具有保护功能的保护设备和人身的安全，这些如何利用新能源智能创新性的产品已成为大众关注的焦点。
发明内容
针对现有技术中存在的以上问题，本发明提出了一种基于温差发电的智能无线传输装置，本发明在发射端采用线圈阵列串并联补偿式的发射形式，避免磁感线向线圈以外的环境无规则穿过造成能量的损失，用此阵列串并联补偿式摆放位置实现发射端磁场聚焦，为接收端最大化提供能量，利用保护功能保护设备和人身的安全，利用智能控制满足产品的智能创新性，此无线装置无需将产品与任何电源连接就可以充电，还可以避免因电池过温而发生爆炸造成人身伤亡，对用户设备设定智能控制模式，对电池有一定的过压和欠压保护功能，从而延长产品的寿命，在充电速度上也可以智能的进行选择快充和慢充，便利高效的满足人类所需。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于温差发电的智能无线传输装置，包括温差发电、无线传输和智能控制三部分，所述温差发电部分包括一个或若干个新型半导体材料组成的温差发电芯片以及电源模块，所述温差发电芯片分别包括一个冷端和一个热端，按照温差发电芯片间的冷端对应热端固定方式，串并联若干个温差发电芯片构成TEG发电模组，所述电源模块包括DC-DC升压电路，所述TEG发电模组的正负极输出端分别与DC-DC升压电路的正负级输入端相连，所述无线传输部分包括逆变电路、发射线圈模块、接收线圈模块、智能伸缩弹簧、整流电路、调频模块、频率共振模块和保护模块，所述逆变电路的输出端与所述发射线圈模块的线圈发射端相连，所述发射线圈模块和接收线圈模块均与智能伸缩弹簧相连，所述发射线圈模块和接收线圈模块分别与调频模块和频率共振模块相连，所述接收线圈模块输出端与整流电路相连，所述整流电路输出端与储能电池板相连。
进一步的，所述DC-DC升压电路包括稳压电路，所述稳压电路采用LTC3105稳压器，只要有温差存在的地方，将TEG发电模组放在热源表面，TEG发电模组即可发电，通过一个具有稳压作用的DC-DC升压电路即可为无线传输部分提供稳定的电源，所述DC-DC升压电路执行最大功率点跟踪(MPPT控制)算法，通过对电流采样电路采样的电网电流相位进行跟踪计算，使所述装置始工作在最大功率点。
进一步的，所述逆变电路采用单相电压型半桥LLC串联谐振逆变电路。经过最大功率点跟踪(MPPT)控制后DC-DC电路将温差发电部分的电能进行升压变成适合逆变电路(DC-AC)的直流电，然后送到逆变电路(DC-AC)将直流电变换成交流电，利用LLC电路中的谐振电感、谐振电容和励磁电感组成谐振网络，通过变频技术来控制谐振网络使其在发射线圈及接收线圈智能伸缩的同时可以一直在共振点下工作，保证其以最大功率(MPPT)的效果稳定的输出电能。
进一步的，所述发射模块包括线圈发射端、初级线圈、初级一次补偿线圈、初级磁芯线圈、初级磁芯一次补偿线圈和初级磁芯二次补偿线圈，所述线圈发射端的作用是产生磁场，初级线圈的作用是减小磁感线无规则发射的损失，初级一次补偿线圈的作用是和初级线圈并联在一起，增强对磁感线的聚集功能，初级磁芯线圈的作用是增强磁场，通过与初级一次补偿线圈串联的方式聚集磁感线均匀的分布，初级磁芯一次补偿线圈和初级磁芯二次补偿线圈与初级磁芯并联的作用是辅助初级磁芯线圈聚焦。
进一步的，所述接收模块包括接收发射端、次级磁芯线圈、次级磁芯一次补偿线圈、次级磁芯二次补偿线圈、次级线圈和次级一次补偿线圈。所述线圈接收端的作用是接收发射端传来的磁感线进行能量收集，次级磁芯线圈的作用是收集磁感线，次级磁芯一次补偿线圈和次级磁芯线圈并联的作用是增强对磁感线的收集，次级磁芯二次补偿线圈和次级磁芯一次补偿线圈并联的作用是二次增强对磁感线的收集，次级线圈和次级磁芯二次补偿线圈串联的作用是阻止初级发射过来的磁感线无规则的损失，次级一次补偿线圈和次级线圈并联作用是加强次级线圈聚集磁场作用。
进一步的，所述整流电路采用桥式LC并联谐振整流电路，输出稳定的直流电压后储存在储能电池板中。
进一步的，所述保护模块包括过温保护、过压保护和欠压保护，从而保证用电装置不会因为自身电池的问题而导致过温爆炸，避免了人身伤亡和不必要的损失，而对电池过压和欠压的保护使电池的使用寿命得到延长。
进一步的，所述智能控制部分包括MPPT控制、弹簧距离控制、过温保护控制、过压保护控制、欠压保护控制、语音模块控制和模式选择控制，通过模式选择可以使用户更加方便的选择充电的速度，而且还可以根据用户的模式选择通过弹簧距离控制来实时调节初级和次级的线圈距离，进而通过频率的智能调节实现最大功率的输出。
进一步的，所述储能电池板分别设有过压保护控制和欠压保护控制，所述储能电池板还分别与温度传感器、语音模块和液晶显示屏相连，在储能电池板充电储能过程中可通过液晶显示屏显示充电的电量和剩余时间，在充满的时候通过语音模块还会有相应的语音提示，为温差发电的无线传输功能更加智能化实现最优调控。
本发明无线传输部分采用磁耦合谐振的电磁思想，传统的磁耦合是在固定频率，固定传输距离下保证其达到共振的效果为负载供电，但是在实际使用过程中由于初级和次级线圈的位置，或者由于外界原因带来的扰动后，共振点也就不稳定从而不能以最大的功率就行输出，本发明在原有的理论基础上进行大胆创新，利用LLC电路中的谐振电感，谐振电容和励磁电感组成谐振网络，通过变频技术来控制谐振网络使其在线圈智能伸缩的同时可以一直在共振点下工作，保证其以最大功率(MPPT)的效果稳定的输出电能。
本发明公开了一种基于温差发电的智能无线传输装置，具有以下有益效果：
(1)通过调频智能选择共振最大频率点，保证以最大功率输出；
(2)线圈可以根据模式选择进行智能伸缩；
(3)初级和次级线圈通过串并联补偿的形式进行磁场能量的集中，集中磁感线，使效率达到最大化；
(4)对用户装置设定过温保护、过压保护、欠压保护、语音提示等优化功能，安全，智能，可靠；
(5)通过对新能源热电的转换实现了谐振控制、高效能功率传输，使电磁传输在无线领域可以更进一步；
(6)可以将该装置安装在有温差的环境如旅游景点或者使其他人流量大且远离市电的情况下，这样为用户的一些随身充电装置(手机或其他电子产品)带来更便捷的服务。
附图说明
图1是本发明的原理模型图；
图2是本发明的流程设计图；
图3是本发明的线圈设计图；
图4是本发明的磁耦合谐振式传输图；
图5是本发明的半导体温差发电图；
图6是本发明的线圈智能伸缩图；
图7是本发明的村庄热炕温差使用图；
图8是本发明的宿舍暖气管道使用图；
图9是本发明的旅游景区使用图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
一种基于温差发电的智能无线传输装置，如图1至图9所示，包括温差发电、无线传输和智能控制三部分，根据如图1所示原理模型图和如图2所示流程设计图的理论思想将如图5所示半导体温差发电部分13作为电源，将图4和图6连接到一起作为一个系统，然后将温差发电的电能进行传输变换，应用到如图7至图9所示的应用领域。如图5所示，所述温差发电部分包括一个或若干个新型半导体材料组成的温差发电芯片16以及电源模块，所述温差发电芯片分别包括一个冷端14和一个热端15，按照温差发电芯片间的冷端对应热端固定方式，串并联若干个温差发电芯片16构成TEG发电模组18，所述电源模块包括DC-DC升压电路，所述TEG发电模组的正极输出端19、负极输出端20分别与DC-DC升压电路的正负级输入端相连，所述半导体温差发电部分13温差发电芯片16的热端15的作用是收集热量；温差发电芯片16的冷端14的作用是收集低温热源；温差发电芯片的聚热层17作用是对TEG模组(片1和片2并联，片3和片4的并联后再串联)吸收热源，通过温差发电芯片16正极输出端19和温差发电芯片负极输出端20输出。所述无线传输部分包括逆变电路、发射线圈模块、接收线圈模块、智能伸缩弹簧、整流电路、调频模块、频率共振模块和保护模块，所述逆变电路的输出端与所述发射线圈模块的线圈发射端相连，如图6所示，所述发射线圈模块和接收线圈模块均与智能伸缩弹簧相连，所述发射线圈模块和接收线圈模块分别与调频模块和频率共振模块相连，所述接收线圈模块输出端与整流电路相连，所述整流电路输出端与储能电池板相连。其中发射线圈模块和接收线圈模块不用通过外电路就能够实行能量传输的目的，在共振条件下进而实现效率的最大化。
作为优选的实施方式，所述DC-DC升压电路包括稳压电路，所述稳压电路采用LTC3105稳压器，只要有温差存在的地方，将TEG发电模组放在热源表面，TEG发电模组即可发电，通过一个具有稳压作用的DC-DC升压电路即可为无线传输部分提供稳定的电源，所述DC-DC升压电路执行最大功率点跟踪(MPPT控制)算法，通过对电流采样电路采样的电网电流相位进行跟踪计算，使所述装置始工作在最大功率点。
作为优选的实施方式，所述逆变电路采用单相电压型半桥LLC串联谐振逆变电路，如图4所示。经过最大功率点跟踪(MPPT)控制后DC-DC电路将温差发电部分的电能进行升压变成适合逆变电路(DC-AC)的直流电，然后送到逆变电路(DC-AC)将直流电变换成交流电，利用LLC电路中的谐振电感、谐振电容和励磁电感组成谐振网络，通过变频技术来控制谐振网络使其在发射线圈及接收线圈智能伸缩的同时可以一直在共振点下工作，保证其以最大功率(MPPT)的效果稳定的输出电能。
作为优选的实施方式，如图3所示，所述发射模块包括线圈发射端1、初级线圈3、初级一次补偿线圈4、初级磁芯线圈5、初级磁芯一次补偿线圈6和初级磁芯二次补偿线圈7，所述线圈发射端1的作用是产生磁场，初级线圈3的作用是减小磁感线无规则发射的损失，初级一次补偿线圈4的作用是和初级线圈3并联在一起，增强对磁感线的聚集功能，初级磁芯线圈5的作用是增强磁场，通过与初级一次补偿线圈4串联的方式聚集磁感线均匀的分布，初级磁芯一次补偿线圈4和初级磁芯二次补偿线圈7与初级磁芯线圈5并联的作用是辅助初级磁芯线圈5聚焦。
作为优选的实施方式，如图3所示，所述接收模块包括线圈接收端2、次级磁芯线圈8、次级磁芯一次补偿线圈9、次级磁芯二次补偿线圈10、次级线圈11和次级一次补偿线圈12。所述线圈接收端2的作用是接收线圈发射端1传来的磁感线进行能量收集，次级磁芯线圈8的作用是收集磁感线，次级磁芯一次补偿线圈9和次级磁芯线圈8并联的作用是增强对磁感线的收集，次级磁芯二次补偿线圈10和次级磁芯一次补偿线圈9并联的作用是二次增强对磁感线的收集，次级线圈11和次级磁芯二次补偿线圈10串联的作用是阻止初级发射过来的磁感线无规则的损失，次级一次补偿线圈12和次级线圈11并联作用是加强次级线圈11聚集磁场作用。
作为优选的实施方式，所述整流电路采用桥式LC并联谐振整流电路，输出稳定的直流电压后储存在储能电池板中。
作为优选的实施方式，所述保护模块包括过温保护、过压保护和欠压保护，从而保证用电装置不会因为自身电池的问题而导致过温爆炸，避免了人身伤亡和不必要的损失，而对电池过压和欠压的保护使电池的使用寿命得到延长。
作为优选的实施方式，所述智能控制部分包括MPPT控制、弹簧距离控制、过温保护控制、过压保护控制、欠压保护控制、语音模块控制和模式选择控制，通过模式选择可以使用户更加方便的选择充电的速度，如图6所示，还可以根据用户的模式选择通过弹簧距离控制来实时调节初级和次级的线圈距离，进而通过频率的智能调节实现最大功率的输出。
作为优选的实施方式，所述储能电池板分别设有过压保护控制和欠压保护控制，所述储能电池板还分别与温度传感器、语音模块和液晶显示屏相连，在储能电池板充电储能过程中可通过液晶显示屏显示充电的电量和剩余时间，在充满的时候通过语音模块还会有相应的语音提示，为温差发电的无线传输功能更加智能化实现最优调控。
本发明无线传输部分采用磁耦合谐振的电磁思想，传统的磁耦合是在固定频率，固定传输距离下保证其达到共振的效果为负载供电，但是在实际使用过程中由于初级和次级线圈的位置，或者由于外界原因带来的扰动后，共振点也就不稳定从而不能以最大的功率就行输出，本发明在原有的理论基础上进行大胆创新，发明中的发射线圈模块和接收线圈模块不用通过外电路就能够实行能量传输的目的，基于电磁耦合谐振的原理，利用LLC电路中的谐振电感，谐振电容和励磁电感组成谐振网络，通过变频技术来控制谐振网络使其在线圈智能伸缩的同时可以一直在共振点下工作，前级线圈实现LLC串联谐振功能，后级线圈实现LC并联谐振功能，前后两级利用共振的特性实现能量的最大化输出，进而实现效率的最大化，保证其以最大功率(MPPT)的效果稳定的输出电能。
Claims (9)
1.一种基于温差发电的智能无线传输装置，其特征在于，所述无线传输装置包括温差发电、无线传输和智能控制三部分，所述温差发电部分包括一个或若干个新型半导体材料组成的温差发电芯片以及电源模块，所述温差发电芯片分别包括一个冷端和一个热端，按照温差发电芯片间的冷端对应热端固定方式，串并联若干个温差发电芯片构成TEG发电模组，所述电源模块包括DC-DC升压电路，所述TEG发电模组的正负极输出端分别与DC-DC升压电路的正负级输入端相连，所述无线传输部分包括逆变电路、发射线圈模块、接收线圈模块、智能伸缩弹簧、整流电路、调频模块、频率共振模块和保护模块，所述逆变电路的输出端与所述发射线圈模块的线圈发射端相连，所述发射线圈模块和接收线圈模块均与智能伸缩弹簧相连，所述发射线圈模块和接收线圈模块分别与调频模块和频率共振模块相连，所述接收线圈模块输出端与整流电路相连，所述整流电路输出端与储能电池板相连。
2.根据权利要求1所述基于温差发电的智能无线传输装置，其特征在于，所述DC-DC升压电路包括稳压电路，所述稳压电路采用LTC3105稳压器。
3.根据权利要求1所述基于温差发电的智能无线传输装置，其特征在于，所述逆变电路采用单相电压型半桥LLC串联谐振逆变电路。
4.根据权利要求1所述基于温差发电的智能无线传输装置，其特征在于，所述发射模块包括线圈发射端、初级线圈、初级一次补偿线圈、初级磁芯线圈、初级磁芯一次补偿线圈和初级磁芯二次补偿线圈。
5.根据权利要求1所述基于温差发电的智能无线传输装置，其特征在于，所述接收模块包括接收发射端、次级磁芯线圈、次级磁芯一次补偿线圈、次级磁芯二次补偿线圈、次级线圈和次级一次补偿线圈。
6.根据权利要求1所述基于温差发电的智能无线传输装置，其特征在于，所述整流电路采用桥式LC并联谐振整流电路。
7.根据权利要求1所述基于温差发电的智能无线传输装置，其特征在于，所述保护模块包括过温保护、过压保护和欠压保护。
8.根据权利要求1所述基于温差发电的智能无线传输装置，其特征在于，所述智能控制部分包括MPPT控制、弹簧距离控制、过温保护控制、过压保护控制、欠压保护控制、语音模块控制和模式选择控制。
9.根据权利要求1所述基于温差发电的智能无线传输装置，其特征在于，所述储能电池板分别设有过压保护控制和欠压保护控制，所述储能电池板还分别与温度传感器、语音模块和液晶显示屏相连。
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