CN112165181A - 一种频率自适应调节无线电能传输系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率自适应调节无线电能传输系统和方法，该系统包括高频信号发生模块、线性功率放大模块、直流电源、发射线圈、接收线圈、电流信息采集模块和控制器，在线圈位置发生变化时，电流信息采集模块采集的电流信息发生变化，控制器根据电流信号判断无线电能传输系统是否处于谐振状态，如果处于谐振状态，控制器控制高频信号发生模块保持当前输出信号频率不变；如果处于非谐振状态，控制器控制高频信号发生模块改变输出信号的频率，直到系统处于谐振状态；在系统工作过程中，电流信息采集模块对电流信息进行实时采集并处理，然后传递给控制器。本发明能够增加无线电能传输系统的使用范围，降低投入成本，增强设备使用的安全性和便捷性。

Description

一种频率自适应调节无线电能传输系统和方法

技术领域：

本发明属于无线电能传输技术领域，涉及一种频率自适应调节的无线电能传输系统和方法，特别是涉及一种适合线圈发生偏移时的无线电能传输系统谐振频率的自适应调节方法。

背景技术：

随着经济的发展，各类电器设备逐渐进入了人类的生活中，杂乱无章的电线既破坏了优美的环境又具有发生触电事故及火灾的隐患，人们对高效、便捷、安全的供电方式的需求与日俱增。无线电能传输技术依靠电磁场等空间软介质进行能量传递，避免了电源与用电设备的直接接触，进而解决了接触打火、电力线破损漏电、电线冗杂等问题，同时使电力设备摆脱了电力线的束缚。由于无线电能传输技术具有灵活性高、安全性好、使用便捷、能够应用于复杂恶劣环境等优点，该技术被逐渐应用于煤矿井下、电动汽车、医疗植入、家用电器等诸多方面。目前，无线电能传输的方式主要有三种：微波式、电磁感应式以及磁耦合谐振式。微波式无线电能传输技术具有传输效率高、传输距离远、定向性好等优点，但是易受天气、地形、障碍物等影响，且电磁辐射较大，多用于外层空间的能量传输。电磁感应式无线电能传输技术具有传输功率大、传输效率高等优点，但是传输距离在毫米级别，随着距离的增加传输效率会大大下降。磁耦合谐振式无线电能传输技术具有传输效率高、传输功率大、传输距离远、受障碍物影响小、电磁辐射小等优点，属于中远距离无线电能传输，因此该技术具有较好的应用前景，并迅速成为了研究热点。

目前无线电能传输技术主要应用在电动汽车、医疗植入、家用电器及便携式设备的充电方面，但在该技术的推广过程中都存在以下问题：

电动汽车方面：随着电动汽车技术的发展，电动汽车的种类及型号也越来越多，无线电能传输技术也逐渐被应用在了电动汽车的充电方面。但是，为了节约充电站的投入成本，需要同一个充电发射端能够分别高效的为不同品牌、不同型号的电动汽车充电，而不同的电动汽车的底盘高度、尺寸面积不同，导致磁耦合谐振式无线电能传输系统的耦合面积与充电距离不同，进而造成谐振频率偏移，导致各汽车由于谐振频率引起的效率问题而无法高效共用同一个无线充电器，造成汽车无线充电系统推广困难。

医疗植入方面：随着医学水平的提升，无线电能传输技术逐渐应用到了医疗植入方面，减轻了病人更换电池造成的二次痛苦。但由于植入部位不同、人体移动性较强等原因，会造成磁耦合谐振式无线电能传输系统发射装置与接收装置之间频率失谐，最终导致传输效率下降，给人们的生命健康造成威胁。

家庭电器方面：目前，人们的日常生活离不开各种各样的电器设备，无线电能传输技术也逐渐的应用到了家庭电器之中。如果为每种电器布置一款专用无线电能传输发射装置的话，家中会成倍的增加电器设备，造成房间拥挤。如果为所有电器提供一种通用的无线电能传输系统的发射装置，不仅能节约设备的购置成本，也可以减少设备占用面积。但是由于不同的电器厂家不同，无法统一谐振频率，另外手机等移动设备位置的变化也会导致频率偏离原谐振频率造成传输效率下降。

磁耦合谐振式无线电能传输系统依靠具有相同谐振频率的谐振线圈进行能量传递，只有在谐振状态系统的传输性能才是最优的。而线圈参数与补偿电容参数决定着线圈的谐振频率。由于移动设备的位置是变化的、不确定的，尤其是手机、平板等是随人不停移动的，这就造成磁耦合谐振式无线电能传输系统发射线圈与接收线圈之间的相对位置是时刻变化的。而线圈间相对位置的变化会导致发射线圈与接收线圈之间互感发生变化，进而导致系统的固有谐振频率发生变化，造成系统失谐，传输性能下降。

为解决上述实际技术问题，需要找到一种能够根据实际应用环境自适应调节谐振频率的方法。本发明旨在找到并实现一种频率自适应调节的无线电能传输系统及方法。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种频率自适应调节无线电能传输系统和方法，能够实现无线电能传输过程中谐振频率根据实际工作环境进行自适应调节，提高无线电能的传输效率。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案是：

一种频率自适应调节无线电能传输系统，包括高频信号发生模块、线性功率放大模块、直流电源、发射线圈、接收线圈、电流信息采集模块、控制器；

所述高频信号发生模块为系统提供信号，其输出信号直接传递给线性功率放大模块，输出频率由控制器根据电流信息采集模块采集的电流信息进行控制，使得高频信号发生模块输出信号的频率始终与发射线圈及接收线圈的谐振频率保持一致；

所述线性功率放大模块将直流电源输出的直流电转化为高频交流电，输出高频交流电的频率与高频信号发生模块一致，受高频信号发生模块控制；线性功率放大模块输出的高频交流电传递给发射线圈，发射线圈与接收线圈之间通过磁耦合谐振的方式进行能量传递；

所述直流电源为线性功率放大模块供电；

所述电流信息采集模块主要由电流信号采样电路及信号调理电路组成；电流信号采样电路实时检测发射端的电流，经信号调理电路调理之后得到与发射线圈电流信号同频同相位的电压信号，然后将得到的电压信号传递给控制器；

所述电流信息采集模块实时采集发射线圈内的电流信号，并将信号处理后传递给控制器，电流信息的采集在整个无线电传输系统的工作过程中是实时采集的；

所述控制器根据电流信息采集模块传递的信息判断系统是否处于谐振状态，如果处于谐振状态则保持当前高频信号发生模块输出信号的频率不变；如果系统处于非谐振状态，则由控制器控制高频信号发生模块改变输出信号的频率，直到系统达到谐振状态。

一种频率自适应调节无线电能传输方法，在发射线圈与接收线圈之间的相对位置发生变化时，控制器根据电流信息采集模块采集的发射线圈内的电流信号判断无线电能传输系统是否处于谐振状态，如果系统处于谐振状态，控制器控制高频信号发生模块保持当前输出信号频率不变；如果系统处于非谐振状态，控制器则根据电流信息采集模块提供的信号控制高频信号发生模块改变输出信号的频率，直到系统处于谐振状态；在系统工作的过程中，电流信息采集模块对电流信息进行实时采集并处理，然后传递给控制器。

对于不同型号的用电设备，在使用本发明的时候，控制器通过电流信息采集模块采集到的信息判断该用电设备与无线电能传输系统的发射线圈是否处于谐振状态，如果处于谐振状态则控制电路控制高频信号发生模块保持当前输出信号频率不变；如果处于非谐振状态，控制器则根据电流信息采集模块提供的信号控制高频信号发生模块改变输出信号的频率，直到系统处于谐振状态。这样可以使多种用电设备共用同一个无线电能传输系统发射端，达到节约成本、减少占地面积、提高系统传输效率的目的。

本发明的有益效果是：

1、本发明的频率自适应调节无线电能传输方法，可以使无线电能传输系统在线圈发生偏移时快速恢复到谐振状态，提高无线电能传输系统在不同应用环境下的适应能力，提高系统的可移动性。

2、本发明的频率自适应调节无线电能传输系统，能够增加无线电能传输系统的使用范围，降低投入成本，增强设备使用的安全性和便捷性。

3、本发明的频率自适应调节无线电能传输方法，能够使无线电能传输系统的传输效率根据实际工况环境的变化自动调节到最优状态。

4、本发明的频率自适应调节无线电能传输方法，能够使多种用电设备高效共用同一种无线电能传输系统的发射端。

附图说明：

图1是本发明所述的一种频率自适应调节无线电能传输系统的电路原理图；

图2是本发明所述的一种频率自适应调节无线电能传输方法的流程图。

具体实施方式：

为了使本发明技术方案的内容和优势更加清楚明了，以下结合附图，对本发明的一种频率自适应调节无线电能传输系统和方法进行进一步的解释和说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参见图1，一种频率自适应调节无线电能传输系统，包括高频信号发生模块、线性功率放大模块、直流电源、发射线圈、接收线圈、电流信息采集模块、控制器。

高频信号发生模块为系统提供信号，其输出信号直接传递给线性功率放大模块，输出频率由控制电路根据电流信息采集模块采集的电流信息进行控制，使得高频信号发生模块输出信号的频率始终与发射线圈及接收线圈的谐振频率保持一致，最终使得系统始终处于谐振状态。

线性功率放大模块将直流电源输出的直流电转化为高频交流电，输出高频交流电的频率与高频信号发生模块一致，受高频信号发生模块控制；采用线性功率放大模块的目的是在高频信号发生模块提供的信号频率发生变化时，保证功率放大器具有较高的工作效率；线性功率放大模块输出的高频交流电传递给发射线圈。

发射线圈将线性功率放大模块输出的高频交流电转化为电磁能量并辐射出去，接收线圈接收电磁能量并将其转化为高频交流电，然后经整流滤波电路模块之后供给负载；发射线圈与接收线圈之间通过磁耦合谐振的方式进行能量传递。

直流电源为线性功率放大模块供电。

电流信息采集模块主要由电流信号采样电路及信号调理电路组成；电流信号采样电路实时检测发射端的电流，经信号调理电路调理之后得到与发射线圈电流信号同频同相位的电压信号，然后将得到的电压信号传递给控制器。

电流信息采集模块实时采集发射线圈内的电流信号，并将信号处理后传递给控制器，电流信息的采集在整个无线电传输系统的工作过程中是实时采集的。

控制器根据电流信息采集模块提供的信号判断系统是否处于谐振状态，如果处于谐振状态则控制高频信号发生模块保持当前输出信号频率不变；如果系统处于非谐振状态，则根据电流信息采集模块采集到的信息控制高频信号发生模块改变输出信号频率，直到系统处于谐振状态。在系统工作的过程中，电流信息采集模块实时采集电流信息并进行处理，然后传递给控制器。

参见图2，一种频率自适应调节无线电能传输方法，在发射线圈与接收线圈之间的相对位置发生变化时，控制器会根据电流信息采集模块采集的发射线圈内的电流信号判断无线电能传输系统是否处于谐振状态，如果系统处于谐振状态，控制器控制高频信号发生模块保持当前输出信号频率不变；如果系统处于非谐振状态，控制器则根据电流信息采集模块提供的信号控制高频信号发生模块改变输出信号的频率，直到系统处于谐振状态。

对于不同型号的用电设备，在使用本发明无线电能传输系统的时候，控制器通过电流信息采集模块采集到的信息判断该用电设备与无线电能传输系统的发射线圈是否处于谐振状态，如果处于谐振状态则控制电路控制高频信号发生模块保持当前输出信号频率不变；如果处于非谐振状态，控制器则根据电流信息采集模块提供的信号控制高频信号发生模块改变输出信号的频率，直到系统处于谐振状态。这样可以使多种用电设备共用同一个无线电能传输系统发射端，达到节约成本、减少占地面积、提高系统传输效率的目的。

本发明的一种频率自适应调节无线电能传输方法，多种用电设备共用同一个无线电能传输系统发射端，并不是一个发射端同时为多种用电设备供电，而是一次只为一种用电设备供电，但一个发射端能分别为多种用电设备供电。

以上所述仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，但凡熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，所做的等效修饰或变换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种频率自适应调节无线电能传输系统，其特征在于：所述频率自适应调节无线电能传输系统包括高频信号发生模块、线性功率放大模块、直流电源、发射线圈、接收线圈、电流信息采集模块、控制器；

所述高频信号发生模块为系统提供信号，其输出信号直接传递给线性功率放大模块，输出频率由控制器根据电流信息采集模块采集的电流信息进行控制，使得高频信号发生模块输出信号的频率始终与发射线圈及接收线圈的谐振频率保持一致；

所述线性功率放大模块将直流电源输出的直流电转化为高频交流电，输出高频交流电的频率与高频信号发生模块一致，受高频信号发生模块控制；线性功率放大模块输出的高频交流电传递给发射线圈，发射线圈与接收线圈之间通过磁耦合谐振的方式进行能量传递；

所述直流电源为线性功率放大模块供电；

所述电流信息采集模块主要由电流信号采样电路及信号调理电路组成；电流信号采样电路实时检测发射端的电流，经信号调理电路调理之后得到与发射线圈电流信号同频同相位的电压信号，然后将得到的电压信号传递给控制器；

所述电流信息采集模块实时采集发射线圈内的电流信号，并将信号处理后传递给控制器，电流信息的采集在整个无线电传输系统的工作过程中是实时采集的；

所述控制器根据电流信息采集模块传递的信息判断系统是否处于谐振状态，如果处于谐振状态则保持当前高频信号发生模块输出信号的频率不变；如果系统处于非谐振状态，则由控制器控制高频信号发生模块改变输出信号的频率，直到系统达到谐振状态。

2.一种频率自适应调节无线电能传输方法，其特征在于：在发射线圈与接收线圈之间的相对位置发生变化时，控制器根据电流信息采集模块采集的发射线圈内的电流信号判断无线电能传输系统是否处于谐振状态，如果系统处于谐振状态，控制器控制高频信号发生模块保持当前输出信号频率不变；如果系统处于非谐振状态，控制器则根据电流信息采集模块提供的信号控制高频信号发生模块改变输出信号的频率，直到系统处于谐振状态；在系统工作的过程中，电流信息采集模块对电流信息进行实时采集并处理，然后传递给控制器。

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