CN203261131U

CN203261131U - 基于电磁耦合谐振的无线输电装置

Info

Publication number: CN203261131U
Application number: CN2013202436919U
Authority: CN
Inventors: 范兴明; 莫小勇; 张鑫; 杨家志
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2013-05-08
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2023-05-08

Abstract

本实用新型公开一种基于电磁耦合谐振的无线输电装置，包括发射装置和接收装置，发射装置由高频电源、发射端闭环控制器和发射天线组成。发射端闭环控制器的采集控制电路的输入端连接发射天线的输入端，发射端闭环控制器的输出控制电路的输出端连接发射阻抗匹配网络和调频电路。接收装置由接收天线、接收端闭环控制器和负载驱动电路组成。接收端闭环控制器的采集控制电路的输入端连接接收天线的输出端，接收端闭环控制器的输出控制电路的输出端连接接收阻抗匹配网络。发射天线与接收天线无线相连。发射端闭环控制器的无线通信模块与和接收端闭环控制器的无线通信模块无线相连。本实用新型具有安全可靠，且智能化程度高的特点。

Description

基于电磁耦合谐振的无线输电装置

技术领域

本实用新型涉及一种无线输电装置，具体涉及一种基于电磁耦合谐振的无线输电装置。

背景技术

传统的电能输送方式主要是通过导线直接连接传输实现的。这种传统导线输电方式在许多应用场合都存在安全性、可靠性和灵活性等方面的问题，如高压电气设备开关时容易产生电弧，较差的电气连接会增加接触阻抗，水下供电时存在触电危险，对移动设备供电时存在设备磨损和导线裸露，较多电气设备时导线连接繁杂影响设备的灵活性和环境的美观，在矿井及油田钻采等应用场合容易因摩擦电火花发生爆炸事故等。而新型无线电能传输技术则能解决传统导线输电方式所存在的诸如此类问题。

目前新型无线电能传输技术主要有三种实现方式：电磁感应式、电磁波辐射式和电磁耦合谐振式。其中电磁感应式和电磁波辐射式无线电能传输技术起步较早，在众多领域都已经有了广泛的应用，但电磁感应式无线输电技术传输距离太短，而电磁波辐射式无线输电技术存在传输效率低、传输定向性和发射接收天线设计要求高等问题。电磁耦合谐振式无线输电技术是一种利用磁场作为传输能量的介质，通过磁共振系统建立发射与接收天线之间的能量传输通道，从而实现有效电能传输的无线输电方式。该技术具非辐射能量传输的特性，即能量只在磁共振系统中的物体间进行传递，与磁共振系统之外的物体基本没有能量交换，并且传输效率高，传输距离可达m级范围。但是要把电磁耦合谐振式无线输电技术应用到电子产品中，设计出安全可靠的实用无线输电装置还需要解决以下问题：①稳定可靠地输出满足负载需要的功率；②适应不同传输距离、发射接收天线不对齐的应用场合；③能够实现负载识别、适应不同负载使用；④显示电压、电流、工作频率、负载状态等信息；⑤实现发射接收装置的电能管理。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种安全可靠，且智能化程度高的基于电磁耦合谐振的无线输电装置。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下方案实现的：

一种基于电磁耦合谐振的无线输电装置，包括发射装置和接收装置，发射装置由高频电源、发射端闭环控制器和发射天线组成。接收装置由接收天线、接收端闭环控制器和负载驱动电路组成。

上述发射端闭环控制器和接收端闭环控制器的结构相同，且均包括数据采集控制电路、微控制器、输出控制电路、无线通信模块和人机交互界面。其中采集控制电路输出端与微控制器的输入端连接，微控制器的输出端与输出控制电路连接，无线通信模块和人机交互界面连接在微控制器上。

上述高频电源包括交直流变换电路、高频振荡电路、功率放大器、功率合成电路、发射阻抗匹配网络和调频电路。交直流变换电路的输入端与电网连接，交直流变换电路的输出端连接高频振荡电路的输入端，高频振荡电路的输出端经功率放大器连接至功率合成电路的输入端，功率合成电路的输出端连接至发射阻抗匹配网络的输入端，发射阻抗匹配网络的输出端与发射天线连接。调频电路的输出端连接在高频振荡电路上。发射端闭环控制器的采集控制电路的输入端连接发射天线的输入端，发射端闭环控制器的输出控制电路的输出端连接发射阻抗匹配网络和调频电路。

上述负载驱动电路包括整流滤波电路、接收阻抗匹配网络和负载监控电路。整流滤波电路的输入端与接收天线连接，整流滤波电路的输出端经接收阻抗匹配网络连接至负载监控电路的输入端，负载监控电路的输出端与负载连接。接收端闭环控制器的采集控制电路的输入端连接接收天线的输出端，接收端闭环控制器的输出控制电路的输出端连接接收阻抗匹配网络。

发射天线与接收天线无线相连。发射端闭环控制器的无线通信模块与和接收端闭环控制器的无线通信模块无线相连。

上述方案中，所述发射天线与接收天线的结构相同，且均由收发线圈和谐振线圈构成。收发线圈和谐振线圈固定在同一平面上，收发线圈和谐振线圈中心重合，且谐振线圈环绕设置在收发线圈的外围。其中发射天线的收发线圈即发射线圈与高频电源的输出端连接。接收天线的收发线圈即接收线圈与负载驱动电路的输入端连接。

上述方案中，所述收发线圈和谐振线圈均由铜线绕制而成。

上述方案中，所述收发线圈为单匝线圈，谐振线圈的匝数大于收发线圈的匝数。

与现有技术相比，本实用新型基于电磁耦合谐振技术实现无线电能传输，具有高效、非辐射能量传输的优点；并且高频电源主要采用高频振荡电路与功率合成器构成，提高了高频电源的输出功率；在高频电源与发射天线间、接收天线与负载间增加阻抗匹配网络，并通过闭环控制器控制阻抗匹配网络和调节系统工作频率，实现系统阻抗匹配，使本装置在不同传输距离、发射天线与接收天线不对齐、不同负载等应用场合仍然能够可靠稳定工作。

附图说明

图1为一种基于电磁耦合谐振的无线输电装置的结构框图。

具体实施方式

一种基于电磁耦合谐振的无线输电装置，如图1所示，包括发射装置和接收装置。其中发射装置由高频电源、发射端闭环控制器和发射天线组成。接收装置由接收天线、接收端闭环控制器和负载驱动电路组成。高频电源直接与发射天线连接，并向发射天线输入高频正弦交变电流；发射端闭环控制器分别与高频电源和发射天线连接，监控高频电源和发射天线的工作状态，实现调频、阻抗匹配等功能。发射端闭环控制器与接收端闭环控制器进行无线通信；发射天线通过磁共振作用将电能发射到接收天线上。接收天线通过负载驱动电路与负载连接；接收天线从发射天线中接收高频正弦交变电流；高频正弦交变电流经过负载驱动电路进行变换处理后输出直流给负载供电；接收端闭环控制器分别与接收天线和负载驱动电路连接，监控接收天线和负载的工作状态。本实用新型的负载可以为笔记本电脑、手机、数码相机等电子产品。

上述发射端闭环控制器和接收端闭环控制器的结构相同，且均包括数据采集控制电路、微控制器、输出控制电路、无线通信模块和人机交互界面。其中采集控制电路输出端与微控制器的输入端连接，微控制器的输出端与输出控制电路连接，无线通信模块和人机交互界面连接在微控制器上。发射端闭环控制器中数据采集电路与发射天线连接，输出控制电路与高频电源连接；接收端闭环控制器中数据采集电路与接收天线连接，输出控制电路与负载驱动电路连接；发射端和接收端闭环控制器分别采集高频电源和负载的相关信息；微控制器根据数据采集电路采集到的信息做出相应的判断，并通过无线通信模块和输出控制电路对装置进行监控；无线通信模块最好采用蓝牙无线通信模块，实现电压、电流、工作频率、负载用电情况等系统信息的交换；人机交互界面在微控制器的控制下通过LCD显示相应的电压、电流、系统频率等系统工作状态参数。

上述高频电源包括交直流变换电路（即AC/DC变换电路）、高频振荡电路、功率放大器、功率合成电路、发射阻抗匹配网络和调频电路。交直流变换电路的输入端与电网连接，交直流变换电路的输出端连接高频振荡电路的输入端，高频振荡电路的输出端经功率放大器连接至功率合成电路的输入端，功率合成电路的输出端连接至发射阻抗匹配网络的输入端，发射阻抗匹配网络的输出端与发射天线连接。调频电路的输出端连接在高频振荡电路上。发射端闭环控制器的采集控制电路的输入端连接发射天线的输入端，发射端闭环控制器的输出控制电路的输出端连接发射阻抗匹配网络和调频电路。AC/DC变换电路通过导线直接与电网连接，将从电网输入的220V交流变换为24V直流电源，为发射装置提供电能；高频振荡电路产生1MHz至20MHz范围内的高频正弦振荡信号；功率放大器和功率合成电路对高频正弦振荡信号进行放大输出高频交变电流；功率放大器可采用E类功率放大器，功率合成电路由多个功率放大器按一定的组合方式组合而成，输出功率约为100W；发射阻抗匹配网络在在发射端闭环控制器的控制下根据负载变化调节输入输出阻抗实现系统阻抗匹配；调频电路在发射端闭环控制器的控制下根据系统需要调节高频电源输出交变电流的频率。

上述负载驱动电路包括整流滤波电路、接收阻抗匹配网络和负载监控电路。整流滤波电路的输入端与接收天线连接，整流滤波电路的输出端经接收阻抗匹配网络连接至负载监控电路的输入端，负载监控电路的输出端与负载连接。接收端闭环控制器的采集控制电路的输入端连接接收天线的输出端，接收端闭环控制器的输出控制电路的输出端连接接收阻抗匹配网络。整流滤波电路与接收天线连接，将接收天线接收到的高频交变电流进行整流滤波处理；接收阻抗匹配网络把整流滤波电路和负载监控电路串联起来，当负载不同时实现系统的接收阻抗匹配；负载监控电路直接与负载连接给负载供电，并在闭环控制器2的控制下监控负载的工作状态。

发射端闭环控制器的无线通信模块与接收端闭环控制器的无线通信模块无线相连。发射天线与接收天线无线相连。所述发射天线与接收天线的结构和相关参数基本相同，且均由收发线圈和谐振线圈构成。收发线圈和谐振线圈固定在同一平面上，收发线圈和谐振线圈中心重合，且谐振线圈环绕设置在收发线圈的外围，收发线圈和谐振线圈无电气连接。其中发射天线的收发线圈即发射线圈与高频电源的输出端连接。接收天线的收发线圈即接收线圈与负载驱动电路的输入端连接。在本实用新型优选实施例中，所述收发线圈和谐振线圈均由铜线绕制而成，且收发线圈为单匝线圈，谐振线圈的匝数大于收发线圈的匝数。

本实用新型工作时，高频电源直接与发射天线连接，并向发射天线输入高频正弦交变电流；高频正弦交变电流经过发射阻抗匹配网络输入到发射天线，并在发射线圈上产生交变电磁场；通过感应耦合作用发射天线的谐振线圈从发射线圈上得到感应电能，并在交变电磁场的作用下发生谐振，向外部辐射交变电磁场；接收天线的谐振线圈与发射天线的谐振线圈的参数相同，接收天线的谐振线圈在发射天线的谐振线圈辐射的交变电磁场的作用发生谐振；电能通过耦合谐振作用从发射天线的谐振线圈传输到接收天线的谐振线圈；接收线圈通过感应耦合作用从接收天线的谐振线圈感应得到高频交变电流；高频交变电流通过电流调理电路进行电能转换得到直流，然后经过负载驱动电路给负载供电；从而实现电能无线传输。当负载发生变化时，接收端闭环控制器采集相关信息经过判断后控制载波通信电路发出相应频率的载波信号通过发射接收天线进行无线通信，把负载的相关信息发送到发射端闭环控制器，然后根据实际情况发出相应的控制信号，控制接收阻抗匹配网络实现阻抗匹配。当传输距离发生变化或者发射接收天线不对齐时，发射端闭环控制器根据接接收侧接收端闭环控制器通过载波信号发送过来的信息分别控制高频电源和阻抗匹配网络根据实际需要改变系统工作频率和阻抗匹配状态，从而实现本装置可靠稳定工作。

Claims

1.基于电磁耦合谐振的无线输电装置，包括发射装置和接收装置，其特征在于：发射装置由高频电源、发射端闭环控制器和发射天线组成；接收装置由接收天线、接收端闭环控制器和负载驱动电路组成；

上述发射端闭环控制器和接收端闭环控制器的结构相同，且均包括数据采集控制电路、微控制器、输出控制电路、无线通信模块和人机交互界面；其中采集控制电路输出端与微控制器的输入端连接，微控制器的输出端与输出控制电路连接，无线通信模块和人机交互界面连接在微控制器上；

上述高频电源包括交直流变换电路、高频振荡电路、功率放大器、功率合成电路、发射阻抗匹配网络和调频电路；交直流变换电路的输入端与电网连接，交直流变换电路的输出端连接高频振荡电路的输入端，高频振荡电路的输出端经功率放大器连接至功率合成电路的输入端，功率合成电路的输出端连接至发射阻抗匹配网络的输入端，发射阻抗匹配网络的输出端与发射天线连接；调频电路的输出端连接在高频振荡电路上；发射端闭环控制器的采集控制电路的输入端连接发射天线的输入端，发射端闭环控制器的输出控制电路的输出端连接发射阻抗匹配网络和调频电路；

上述负载驱动电路包括整流滤波电路、接收阻抗匹配网络和负载监控电路；整流滤波电路的输入端与接收天线连接，整流滤波电路的输出端经接收阻抗匹配网络连接至负载监控电路的输入端，负载监控电路的输出端与负载连接；接收端闭环控制器的采集控制电路的输入端连接接收天线的输出端，接收端闭环控制器的输出控制电路的输出端连接接收阻抗匹配网络；

发射天线与接收天线无线相连；发射端闭环控制器的无线通信模块与和接收端闭环控制器的无线通信模块无线相连。

2.根据权利要求1所述基于电磁耦合谐振的无线输电装置，其特征在于：所述发射天线与接收天线的结构相同，且均由收发线圈和谐振线圈构成；收发线圈和谐振线圈固定在同一平面上，收发线圈和谐振线圈中心重合，且谐振线圈环绕设置在收发线圈的外围；其中发射天线的收发线圈即发射线圈与高频电源的输出端连接；接收天线的收发线圈即接收线圈与负载驱动电路的输入端连接。

3.根据权利要求2所述基于电磁耦合谐振的无线输电装置，其特征在于：所述收发线圈和谐振线圈均由铜线绕制而成。

4.根据权利要求2或3所述基于电磁耦合谐振的无线输电装置，其特征在于：所述收发线圈为单匝线圈，谐振线圈的匝数大于收发线圈的匝数。