CN112152331A - 利用变容管实现频率调谐的无线电能传输装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用变容管实现频率调谐的无线电能传输装置，包括发射端和接收端，所述发射端包括供电单元、谐振补偿电容模块、高频逆变模块、检测模块、控制模块和发射线圈，所述供电单元为所述谐振补偿电容模块、高频逆变模块提供电能，所述控制模块根据检测模块对发射线圈的信息采集，通过控制所述谐振补偿电容模块对所述高频逆变模块的谐振频率进行调整。针对变容管供电方式复杂、单个变容管电容量调节范围有限、变容管正常工作电压保护等问题提供了合理的解决方案与措施，设计出一个电容量调节灵活度高且调节范围广、工作可靠性高的电源自供给谐振补偿电容模块。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，尤其是涉及一种利用变容管实现频率调谐的无线电能传输装置，通过变容管的变容能力调节无线电能传输装置的工作状态实现稳定高效无线电能传输的目的。
背景技术
无线电能传输技术是指通过无接触的形式，使电源侧电能经空间不接触地传递至负载侧的一种新兴技术。在不宜或无法使用导线传能的领域，无线电能传输装置可实现毫瓦级至兆瓦级电能的无线传输，满足玩具、无人机、机器人、卫星、车辆、轮船和火箭等不同功率等级和不同应用场合的诸多用电设备或装置的供能或传能需求。
磁耦合谐振技术作为一种新型无线电能传输技术，其原理是两个具有相同谐振频率的物体之间能够实现能量的高效传递，该技术通常应用于大功率领域，在小功率领域应用效果欠佳。近几年，手机无线充电技术作为一种新兴技术逐渐走进人们的视野，成为手机充电的一种新颖方式。为了使无线电能传输技术更好的在手机等小功率领域使用，设计一种利用变容管实现频率调谐的无线电能传输装置以保证高效电能传输。
变容管作为一种电容可变器件，由于其电容量随两端电压规律性变化的特点，为无线电能传输的谐振频率调整提供了一种新的思路与方式方法。变容管的电容量一般较小，最大值为几十pF到几百pF；此外，变容管的工作频率较高，绝大部分变容管的工作频率为MHz级别，能够大大提高无线电能传输的输送距离。在高频无线电能传输装置中，频率的变化会使装置电能传输效率大大降低，发明一种利用变容管实现频率调谐的无线电能传输装置，通过对小容量变容管的电容调节，将收、发端电路精准的调整至新的谐振频率状态，从而保证高频、小功率负载无线电能传输装置的稳定高效远距离无线电能传输。
申请号为201420838380的专利“一种电力输送装置”，通过将频率控制器并联于线圈回路中，电流传感器对线圈回路的电流进行检测，对信号进行转换处理后通过调节电位器阻值间接控制变容管两端的电压，使变容管电容值发生改变而实现对线圈回路谐振频率的调整。但上述专利也存在一定的缺点：其通过改变数字电位器输出阻值变化来控制变容管两端电压变化过程中，对变容管进行容量调节后电路参数的变化会反作用于调压电路，因此该调整方式难以对变容管两端电压做到精确控制；该专利中对调谐的判断标准为线圈回路是否处于最大电流状态，此种检测控制方式下的调整只能实现对变容管电容量的近似调整，频率调谐精确度不高；其通过使用单片机控制改变数字电位器输出阻值的方法间接控制变容管两端的工作电压，需在原有的转换电路中单独附加供电控制模块，过程复杂，稳定性不好；未在无线电能传输电路中对变容管的具体适用条件、电容量调节办法、耐压保护措施等进行展开性说明。
综上，为了解决上述技术问题，进一步提高无线电能传输中谐振频率调整的精确性与可靠性，本发明提出了一种新型的利用变容管实现频率调谐的无线电能传输装置。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种利用变容管实现频率调谐的无线电能传输装置，利用变容管的变容能力和对电能传输装置电路的控制能力及时对收、发端谐振频率做出精确调整，来保证稳定、高效、精确的无线电能传输。
核心思想：增加利用变容二极管实现收、发端自动调谐的谐振补偿电容模块，其原理是：变容二极管是电子可变电容，利用其电容量可随外施电压方向及大小变化的特点，根据工作状态时谐振频率的调整需求，控制电路自动调节加在变容管两端的反偏电压及变容管工作数量实现对补偿电容量的精确调节，保证收、发端始终处于相同的谐振频率状态，实现无线电能传输装置的高效供电。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
利用变容管实现频率调谐的无线电能传输装置，包括发射端和接收端，
所述发射端包括供电单元、谐振补偿电容模块、高频逆变模块、检测模块、控制模块和发射线圈，所述供电单元为所述谐振补偿电容模块、高频逆变模块提供电能，所述控制模块根据检测模块对发射线圈的信息采集，通过控制所述谐振补偿电容模块对所述高频逆变模块的谐振频率进行调整；
所述接收端包括接收线圈、谐振补偿电容模块、整流滤波稳压模块、检测模块、控制模块和负载单元，所述接收线圈接收的信号一部分经过所述整流滤波稳压模块传输负载单元，另一部分传输至所述谐振补偿电容模块，所述控制模块根据检测模块对所述整流滤波稳压模块的输出信息的采集，通过控制所述谐振补偿电容模块对所述整流滤波稳压模块的谐振频率进行调整；
其中，所述谐振补偿电容模块包括反偏电压提供单元和补偿电容单元，所述反偏电压提供单元为补偿电容单元提供反偏电压，所述补偿电容单元包括变容管。
进一步的，所述反偏电压提供单元的输出端与所述补偿电容单元之间设置有控制供电通断的开关管Q5；当工作频率发生改变时，结合变容管的容量与反偏电压的计算关系，通过所述控制模块控制所述开关管Q5的开通关断时间来对所述反偏电压提供单元的输出电压进行调节。
进一步的，所述补偿电容单元包括若干并联的变容管，每个变容管上串联一个开关管；当工作频率发生改变时，结合变容管的容量与反偏电压的计算关系，通过所述控制模块控制所述补偿电容单元的开关管的工作数量对变容管的容量进行调节。
进一步的，所述检测模块为频率传感器，所述控制模块包括比较器、反馈处理器和电路控制器；所述比较器将所述频率传感器的检测信息与目标调节频率进行对比，判断工作频率的变化是否在预设范围，若超出预设范围，则将检测信息传送至反馈处理器；所述反馈处理器经分析后计算出所需的变容管的并联数量，再结合变容管电容量与反偏电压的关系确定出所述反偏电压提供单元的供给电压，并将操作指令发送至电路控制器；电路控制器一方面根据接收到的指令控制所述反偏电压提供单元的开关管Q5的开通关断时间，另一方面控制串联在变容管上开关管的开通关断来决定变容管的使用个数。
进一步的，所述开关管Q5与所述补偿电容单元之间串联第一电压比较器和第二电压比较器，实现电压限制。
进一步的，所述供电单元包括依次串联的交流电源模块、变压模块和整流模块，所述整流模块通过DC-DC斩波模块A对高频逆变模块提供稳定可控电压。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
(1)本发明所述的无线电能传输装置中使用变容管作为补偿电容进行频率调谐，利用变容管电容容量大小、参数可调及工作频率高等特性，设计出谐振频率调节精准、传输效率高、电能输送距离远的高频小功率无线电能传输装置。
(2)针对变容管供电方式复杂、单个变容管电容量调节范围有限、变容管正常工作电压保护等问题提供了合理的解决方案与措施，设计出一个电容量调节灵活度高且调节范围广、工作可靠性高的电源自供给谐振补偿电容模块。
(3)一套系统的频率检测反馈闭环控制系统：对负载及工作环境变化后引起的工作频率变化及时做出检测，信息经反馈处理后，控制谐振补偿电容模块进行收、发端补偿电容电容量的调整，确保该无线电能传输装置始终工作在谐振状态下，实现电能的稳定高效传输。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的利用变容管实现频率调谐的无线电能传输装置的原理框图；
图2为本发明实施例所述的利用变容管实现频率调谐的无线电能传输装置的谐振补偿电容模块频率调谐原理图；
图3为本发明实施例所述的利用变容管实现频率调谐的无线电能传输装置的频率检测反馈闭环控制系统框图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1所示为本实施例利用变容管实现频率调谐的无线电能传输装置的原理框图，其表明本发明一种利用变容管实现频率调谐的无线电能传输装置的各功能模块连接关系为：
无线电能传输装置包括发射端和接收端，其中：
所述发射端包括供电单元、谐振补偿电容模块、高频逆变模块、检测模块、控制模块和发射线圈，所述供电单元为所述谐振补偿电容模块、高频逆变模块提供电能，所述控制模块根据检测模块对发射线圈的信息采集，通过控制所述谐振补偿电容模块对所述高频逆变模块的谐振频率进行调整；
所述接收端包括接收线圈、谐振补偿电容模块、整流滤波稳压模块、检测模块、控制模块和负载单元，所述接收线圈接收的信号一部分经过所述整流滤波稳压模块传输负载单元，另一部分传输至所述谐振补偿电容模块，所述控制模块根据检测模块对所述整流滤波稳压模块的输出信息的采集，通过控制所述谐振补偿电容模块对所述整流滤波稳压模块的谐振频率进行调整。
其中，本实施例的发射端和接收端的所述谐振补偿电容模块的结构相同，所述谐振补偿电容模块包括反偏电压提供单元和补偿电容单元，所述反偏电压提供单元为补偿电容单元提供反偏电压，所述补偿电容单元包括变容管，所述反偏电压提供单元采用DC-DC斩波模块B。
所述供电单元包括依次串联的交流电源模块、变压模块和整流模块，所述整流模块通过DC-DC斩波模块A对高频逆变模块提供稳定可控电压。
发射端的交流电源模块能够为无线电能传输装置进行原始供电；变压模块能将市电降压为低压交流电，保障后续电路转换过程中的器件安全；为了给设备中的电路提供直流电，变压器变压后的交流电经整流模块整流后变为直流电；整流后的直流电经两个DC-DC斩波模块变换为可控直流电，其中DC-DC斩波模块A为高频逆变模块提供稳定可控电压；DC-DC斩波模块B为谐振补偿电容模块的补偿电容单元提供自供给可调电源；
为了满足耦合谐振式无线电能传输的需求，高频逆变模块将低压直流电逆变为高频交流电供无线电能传输装置发射端的电能发射线圈使用。
无线电能传输装置的接收端包括接收线圈、整流滤波稳压模块、小功率负载、谐振补偿电容模块、检测模块和控制模块；
经电磁耦合谐振作用传输至接收端的交流电需要经过整流滤波稳压模块的整流、滤波和稳压作用后，一部分为小功率负载提供平滑、稳定、优质的电源，另一部分经DC-DC斩波电路B为补偿电容提供反向供电；检测模块、控制模块则实现对电路参数的检测、变容管电容量的调节和工作数量控制以及对变容管两端的工作电压保护等功能。
当装置负载或工作环境发生变化时，谐振补偿电容模块对收、发端谐振频率的调整，保证装置在不同状态下能量的高效、稳定传输。
这里先说明一下谐振补偿电容模块的具体频率调谐原理为：变容管与反偏电压关系可表示为
式中Cj为变容管的结电容，Cj0为电容管加零偏压时的结电容，VD为变容管PN结内的电位差，v为变容管两端所加的反向电压，γ为变容管的电容变化指数，通过关系式中各参数之间的关系可以看出调节变容管两端的反偏电压能够实现对变容管电容量的调节。
图2所示为谐振补偿电容模块的一个实施例，谐振补偿电容模块的补偿电容主要是由若干个变容管(VD1、VD2…)并联设置组成，每个变容管上串联一个开关管；DC-DC斩波电路B为补偿电容提供反偏电压；DC-DC斩波电路B的输出端与补偿电容之间设有控制供电通断的开关管Q5。
DC-DC斩波电路B向补偿电容单元的供电环节增添两个串联的电压比较器，用于实现电压工作范围的限制。
本发明利用变容管实现频率调谐的无线电能传输装置的谐振补偿电容模块中，变容管采用的是AM-109型号变容管，该变容管能够在反向偏置1V到9V电压范围内实现30pF到460pF的电容容量调整。
①当负载或工作环境变化引起现实工作频率发生改变时，结合变容管容量与反偏电压的计算关系，控制开关管Q5的开通关断时间来对DC-DC斩波电路B的输出电压进行调节，进而改变变容管两端的供电电压实现对谐振电容电容量的调节，实现对收发、线端谐振频率的调整。
②由于单个变容管的电容量调节范围有限，当频率调谐过程所需电容容量较大且对单个变容管电容量调节无法满足调谐需求时，需对补偿电容进行增容处理：例如当频率调谐所需补偿电容为1.2nF时，对单个变容管AM-109容量调节无法满足要求，一方面控制三个支路导通使变容管工作、其他支路关断不工作，另一方面调节变容管两端反偏电压使每个工作的变容管容量都变为400pF，在两个控制模块的共同作用下使总电容量输出为1.2nF。结合变容管两端反偏电压对电容量的调节作用以及电容越并越大的特性，确定好调谐所需单个变容管容量大小及数量后，通过控制补偿电容的并联支路反偏电压及开关管通断个数的方式对调谐电容进行电容量调整，使多个变容管配合工作，调节出频率调谐所需的电容值。
一个优选实施例，AM-109型号变容管的最小工作电压为1V，最大工作电压为9V，为了保证变容管能够在电路中正常工作，需在DC-DC斩波电路B向变容管供电环节增添两个电压比较器：第一个比较器用于对电压是否大于1V进行判断，当电压大于1V时允许电流通过，否则电路不导通；第二个比较器用于对电压是否小于9V进行判断，当电压小于9V时允许电流通过，否则电路不导通。通过这两个比较器的串联使用，使电压只有在大于1V并且小于9V的情况下才被允许流过电路，其他电压情况下电路不导通无法为变容管两端供电，从而保证变容管工作在正常的工作电压范围内。
其中，检测模块、控制模块和谐振补偿电容模块也实现了频率检测反馈闭环控制系统，频率检测反馈闭环控制系统：该控制系统会对现实工作频率进行实时检测，并与当前工作状态的目标频率进行比较，控制进行电路调整以确保无线电能传输装置工作在谐振状态。当负载或工作环境变化使现实工作频率发生改变时，系统会对频率及时做出检测，经反馈处理后迅速控制谐振补偿电容模块做出相应电容调整以实现对接收端、发射端谐振频率的调整，保证装置的供电稳定可靠性。具体的，
原理框图如图3所示，检测模块为频率传感器，控制模块包括比较器、反馈处理器和电路控制器，共同配合工作共同完成对现实频率变化后谐振频率的调整。
频率传感器对无线电能传输装置的工作频率进行检测，信号放大后通过比较器与此种工作状态下的目标频率进行对比，判断频率的变化是否在允许波动范围内，若超出了预设范围，则将检测信息传送至反馈处理器。获得信息的反馈处理器经反馈、处理分析后计算出装置接收端、发射端频率调谐所需的变容管电容量及并联数量，结合变容管电容量与反偏电压的关系确定出DC-DC斩波电路B对电容管的供给电压，并将操作指令发送至电路控制器。电路控制器一方面根据接收到的指令控制DC-DC斩波电路B的输出电压来对变容管电容量进行改变，另一方面控制串联在变容管上开关管的开通关断来决定变容管的使用个数，二者配合来共同实现对所需变容管电容量的调整，进而完成对谐振频率的调节，实现无线电能的高效传输。
上述无线电能传输装置的工作流程为：
通入交流电之后，先经AC-AC变压为低压交流电，再经AC-DC整流电路整流及滤波后变为平滑直流电。因手机等小功率负载所需的电压不大，故整流后的直流需进行DC-DC降压处理，继续对降压后的直流电进行AC-DC高频逆变，得到的高频交流电作为高频发射源以供电能发射线圈使用。为了保证电能在收、发端之间高效传输，需控制电路对由多个变容管组成的补偿电容进行调节以维持两自谐振频率的一致性。装置接收端线圈通过磁耦合谐振式无线电能传输方式对发射线圈的电能进行无线接收，接收到的电能经AC/DC整流电路整流并经过滤波稳压后，供给手机等小功率负载使用。
与现有技术相比，本发明利用变容管实现频率调谐的无线电能传输装置中的突出实质性特点为：为小功率负载无线电能传输装置的高频率、远距离、高效率电能传输提供了一种新思路；通过频率检测反馈闭环控制系统与谐振补偿电容模块实现对无线电能传输装置的频率调谐，提高了装置的供电可靠性与高效性；变容管变容所需电压由斩波电路提供，实现了装置调谐过程中的电源自供给，避免了外附电源供电问题，对装置进行了极大简化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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。
Claims (6)
1.利用变容管实现频率调谐的无线电能传输装置，包括发射端和接收端，其特征在于：
所述发射端包括供电单元、谐振补偿电容模块、高频逆变模块、检测模块、控制模块和发射线圈，所述供电单元为所述谐振补偿电容模块、高频逆变模块提供电能，所述控制模块根据检测模块对发射线圈的信息采集，通过控制所述谐振补偿电容模块对所述高频逆变模块的谐振频率进行调整；
所述接收端包括接收线圈、谐振补偿电容模块、整流滤波稳压模块、检测模块、控制模块和负载单元，所述接收线圈接收的信号一部分经过所述整流滤波稳压模块传输负载单元，另一部分传输至所述谐振补偿电容模块，所述控制模块根据检测模块对所述整流滤波稳压模块的输出信息的采集，通过控制所述谐振补偿电容模块对所述整流滤波稳压模块的谐振频率进行调整；
其中，所述谐振补偿电容模块包括反偏电压提供单元和补偿电容单元，所述反偏电压提供单元为补偿电容单元提供反偏电压，所述补偿电容单元包括变容管。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述反偏电压提供单元的输出端与所述补偿电容单元之间设置有控制供电通断的开关管Q5；
当工作频率发生改变时，结合变容管的容量与反偏电压的计算关系，通过所述控制模块控制所述开关管Q5的开通关断时间来对所述反偏电压提供单元的输出电压进行调节。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述补偿电容单元包括若干并联的变容管，每个变容管上串联一个开关管；
当工作频率发生改变时，结合变容管的容量与反偏电压的计算关系，通过所述控制模块控制所述补偿电容单元的开关管的工作数量对变容管的容量进行调节。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述检测模块为频率传感器，所述控制模块包括比较器、反馈处理器和电路控制器；
所述比较器将所述频率传感器的检测信息与目标调节频率进行对比，判断工作频率的变化是否在预设范围，若超出预设范围，则将检测信息传送至反馈处理器；所述反馈处理器经分析后计算出所需的变容管的并联数量，再结合变容管电容量与反偏电压的关系确定出所述反偏电压提供单元的供给电压，并将操作指令发送至电路控制器；
电路控制器一方面根据接收到的指令控制所述反偏电压提供单元的开关管Q5的开通关断时间，另一方面控制串联在变容管上开关管的开通关断来决定变容管的使用个数。
5.根据权利要求2或者3所述的装置，其特征在于：所述开关管Q5与所述补偿电容单元之间串联第一电压比较器和第二电压比较器，第一个比较器用于对电压是否大于1V进行判断，当电压大于1V时允许电流通过，否则电路不导通；第二个比较器用于对电压是否小于9V进行判断，当电压小于9V时允许电流通过，否则电路不导通。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述供电单元包括依次串联的交流电源模块、变压模块和整流模块，所述整流模块通过DC-DC斩波模块A对高频逆变模块提供稳定可控电压。
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| Title |
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| 杨云虎;章家岩: "三相PWM变换器相位补偿谐振控制策略", 电机与控制学报, vol. 17, no. 8, 31 December 2013 (2013-12-31) * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115900239A (zh) * | 2021-09-30 | 2023-04-04 | 江西晶浩光学有限公司 | 一种电流补偿电路、电流补偿方法及压电除水雾装置 |
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