CN205647044U - 具有自适应调节能力的磁耦合谐振式无线充电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供具有自适应调节能力的磁耦合谐振式无线充电装置，属于无线充电技术领域，由发射装置和接收装置组成，发射装置与接收装置耦合谐振作用无线连接；其中，发射装置包括高频电源、发射端阻抗匹配网络、发射线圈及发射端控制系统；高频电源的输出端经发射端阻抗匹配网络与发射线圈的输入端连接；发射端控制系统的输入端与高频电源的输出端连接；发射端控制系统的输出端与发射端阻抗匹配网络连接；接收装置包括接收线圈、接收端阻抗匹配网络、调理电路、负载及接收端控制系统；接收线圈与发射线圈耦合谐振作用无线连接；接收线圈的输出端经接收端阻抗匹配网络和调理电路与负载连接；接收端控制系统的输入端与调理电路的输出端连接；解决现有无线充电装置无法实时检测系统的传输性能和无法实现自动控制调节的问题。

Description

具有自适应调节能力的磁耦合谐振式无线充电装置

技术领域

本实用新型涉及无线充电技术领域，具体的来说是涉及具有自适应调节能力的磁耦合谐振式无线充电装置。

背景技术

在人类进入电气时代以后，电能的传输主要通过金属导线的点对点直接接触传输。但有线充电存在摩擦、老化等问题，在电能传输过程中易产生火花，影响用电设备的寿命和安全；而且用电设备的增多，会导致电线繁杂，给人类生活带来不便；同时维护困难、灵活性较差，在雨雪等恶劣环境下充电困难。而无线充电技术可以省却繁琐的充电作业，实现智能化、人性化，具有更强的灵活性、更高的安全性和稳定性，更加符合未来社会发展趋势。

常用的无线充电技术包括电磁感应式，磁耦合谐振式和微波辐射式。其中磁耦合谐振式利用近场区的能量非辐射特性，基于共振原理，通过发射线圈与接收线圈之间的耦合谐振作用使能量在具有相同谐振频率的发射线圈与接收线圈之间来回传递，而不同频率的物体基本不受影响，能够实现中等距离的高效率能量传输。相比于电磁感应式传输距离远；相比于微波辐射式，传输效率更高，因此更加受到人们的青睐。磁耦合谐振式无线能量传输技术实现高效能量传输的前提是距离和负载不发生变化。然而在实际应用中，系统的传输距离和工作负载受工作环境的影响而发生变化时，会造成频率分裂、阻抗不匹配，很大程度上会降低系统的输出功率和传输效率。因此，在传输距离和负载发生变化时，一种能够实时检测系统传输性能并实现自动控制调节的装置对充分发挥该技术的优势、增强该技术的实用性具有至关重要的意义。

实用新型内容

本实用新型需要解决的是现有无线充电装置无法实时检测系统的传输性能和无法实现自动控制调节的问题，提供具有自适应调节能力的磁耦合谐振式无线充电装置。

本实用新型通过以下技术方案解决上述问题：

具有自适应调节能力的磁耦合谐振式无线充电装置，由发射装置和接收装置组成，发射装置与接收装置耦合谐振作用无线连接；其特征在于：发射装置包括高频电源、发射端阻抗匹配网络、发射线圈及发射端控制系 统；高频电源的输出端经发射端阻抗匹配网络与发射线圈的输入端连接；发射端控制系统的输入端与高频电源的输出端连接；发射端控制系统的输出端与发射端阻抗匹配网络连接；接收装置包括接收线圈、接收端阻抗匹配网络、调理电路、负载及接收端控制系统；接收线圈与发射线圈耦合谐振作用无线连接；接收线圈的输出端经接收端阻抗匹配网络和调理电路与负载连接；接收端控制系统的输入端与调理电路的输出端连接。

发射端控制系统包括定向耦合器、衰减器、反射系数检测模块、发射端微控制器、发射端电机与无线发送模块；其中定向耦合器的输入端与高频电源的输出端相连，定向耦合器的输出端经衰减器、反射系数检测模块和滤波器与发射端微控制器的输入端连接；发射端微控制器的一输出端与无线发送模块的输入端相连，发射端微控制器的另一输出端与发射端电机的输入端相连；发射端电机的输出端与发射端阻抗匹配网络相连。

接收端控制系统包括无线接收模块、接收端微控制器、接收端电机、直流电源与电压电流检测模块；电压电流检测模块的输入端与调理电路的输出端连接；电压电流检测模块的输出端与接收端微控制器连接；接收端微控制器的输入端与无线接收模块连接；接收端微控制器的输出端与接收端电机和调理电路连接；接收端电机的输出端与接收端阻抗匹配网络连接；直流电源的输出端与接收端微控制器连接供电。

为了能更好给负载提供稳定的电压或电流，上述方案中，优选的是调理电路包括整流电路、滤波电路、DC-DC变换电路及稳压电路；其中整流电路的输入端与接收装置的接收端阻抗匹配网络的输出端相连，整流电路的输出端经滤波电路和DC-DC变换电路与稳压电路的输入端相连；稳压电路的输出端与负载相连。

为了便于系统性能的计算和参数的设计，上述方案中，优选的是发射线圈与接收线圈的结构相同，且二者的中心固定在同一水平线上，也可以提高电能传输效率。

进一步的，上述方案中，优选的是发射线圈与接收线圈均由铜线绕制而成。

上述方案中，优选的是调理电路中的DC-DC变换电路为Buck-Boost电路。

上述方案中，优选的是滤波电路为二阶巴特沃思滤波电路。

本实用新型的优点与效果是：

1、本实用新型通过在高频电源和发射线圈之间、接收线圈与调理电路之间加入阻抗匹配网络，并结合电机控制空气电容的方案，同时对发射装置和接收装置进行阻抗匹配，具有调谐速度快，精度高，可实现连续调节等优势；

2、进一步的，能够在负载或传输距离发生变化时实现自动阻抗匹配， 提高系统的输出功率和传输效率，保证系统稳定可靠的工作；

3、本实用新型基于电磁耦合谐振技术实现中等距离的无线电能传输，具有高效、非辐射能量传输的优点。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图；

图2为本实用新型调理电路的结构框图。

具体实施方式

以下结合实施例对本实用新型作进一步说明。

具有自适应调节能力的磁耦合谐振式无线充电装置，如图1所示，由发射装置和接收装置组成，发射装置与接收装置耦合谐振作用无线连接。其中发射装置由高频电源，发射端阻抗匹配网络，发射线圈和发射端控制系统组成；接收装置由接收线圈，接收端阻抗匹配网络，调理电路，负载及接收端控制系统组成，接收端阻抗匹配网络采用的是空气调谐电容。发射装置的发射端阻抗匹配网络的输入端与高频电源的输出端相连，发射装置的发射端阻抗匹配网络的输出端与发射线圈相连。高频电源输出的高频正弦交流电，经过发射端阻抗匹配网络的调节，直接传输到发射线圈。发射端控制系统分别与高频电源的输出端、发射端阻抗匹配网络的输入端相连，检测高频电源的工作状态，并通过分析处理，调节发射端阻抗匹配网络的参数，实现阻抗匹配。发射端控制系统与接收端控制系统进行无线通信；发射线圈通过磁耦合谐振作用将能量传递到接收线圈。接收线圈通过接收端阻抗匹配网络及调理电路与负载相连。接收线圈从发射线圈接收高频正弦交变电流，经过接收端阻抗匹配网络及调理电路的调节变换处理后输出直流给负载供电。接收端控制系统分别与接收端阻抗匹配网络和调理电路相连，监控调理电路的输出，保证系统工作的安全性。本实用新型的负载可以是手机，笔记本，MP3及日常中小功率家用电器等。

发射端控制系统包括定向耦合器、衰减器、反射系数检测模块、发射端微控制器、发射端电机与无线发送模块；其中定向耦合器的输入端与高频电源的输出端相连，定向耦合器的输出端经衰减器、反射系数检测模块和滤波器与发射端微控制器的输入端连接；发射端微控制器的一输出端与无线发射模块的输入端相连，发射端微控制器的另一输出端与发射端电机的输入端相连；发射端电机的输出端与发射装置的发射端阻抗匹配网络相连。发射端微控制器采用型号为TMS320X2812的微控制器，反射系数检测模块使用AD8302模块。

接收端控制系统包括无线接收模块、接收端微控制器、接收端电机、直流电源与电压电流检测模块，如图1所示。电压电流检测模块的输入端与调理电路的输出端连接；电压电流检测模块的输出端与接收端微控制器连接；接收端微控制器的输入端分别与无线接收模块、接收端电机和调理电路连接；接收端电机的输出端与接收端阻抗匹配网络连接；直流电源的输出端与接收端微控制器连接供电。接收端微控制器采用型号为MSP430的微控制器，无线接收模块和发射端控制系统中的无线发送模块均使用蓝牙模块。

发射端控制系统的无线发送模块与接收端控制系统的无线接收模块无线相连；发射线圈与接收线圈无线相连，如图1所示。所述发射线圈与接收线圈的结构和相关参数基本相同，二者均为自谐振线圈。发射线圈和接收线圈的中心轴线重合；发射线圈与发射端阻抗匹配网络的输出端相连，接收线圈与接收端阻抗匹配网络的输入端相连。所述发射线圈与接收线圈均由铜线绕制而成。

调理电路包括整流电路，滤波电路，DC-DC变换电路和稳压电路，滤波器为模拟滤波器，如图2所示。整流电路的输入端与接收端阻抗匹配网络的输出端相连，整流电路的输出端与滤波电路的输入端相连。DC-DC变换电路的输入端与滤波电路的输出端相连，DC-DC变换电路的输出端与稳压电路的输入端相连，稳压电路的输出端与负载相连。整流电路将由发射端阻抗匹配网络输出的高频交变电流转换为直流，滤波电路将整流电路输出的直流电中的杂波虑除，DC-DC变换电路将滤波电路输出的电能进行电压变换，转换成适合于负载的工作电压。稳压电路稳定DC-DC变换电路的输出，保证系统工作的稳定。

本实用新型的工作过程如下：高频电源发出高频正弦交流电，经过发射端阻抗匹配网络之后，将电能传递到发射线圈，发射线圈产生共振，在周围产生交变的电磁场。接收线圈与发射线圈的结构参数基本相同，也发生共振，产生同频共振的电磁场，形成能量接收通道，接收电能，在发射线圈产生同频的交变电流。经过接收端阻抗匹配网络和调理电路的处理后，转换成适合给负载供电的电压或电流，进而给负载供电，实现电能的无线传输。当发射线圈与接收线圈间的距离或系统的负载发生变化时，会对系统的输出产生影响。发射端控制系统对当前高频电源的输出信号进行采集，分析后，由发射端微控制器通过自动阻抗匹配算法将调节信息传递给发射端电机和发射端无线发送模块，接收端无线接收模块接收发射端无线发送模块的信息并将该信息传递给接收端控制系统的微控制器。接收端微控制器将该调节信息传递给接收端电机和调理电路中的DC-DC变换电路。两侧发射端电机和接收端电机分别控制调节对应发射端阻抗匹配网络和接收端阻抗匹配网络中的可调电容，改变发射端阻抗匹配网络和接收端 阻抗匹配网络中的元件参数，并不断的通过检测高频电源的输出信号直到判定系统重新达到阻抗匹配。同时接收端微控制器输出信号改变DC-DC变换电路的占空比，改变调理电路的输出电压。接收端的电流电压检测模块检测DC-DC变换电路的输出信号并将信息传递到接收端微控制器，微控制器经过分析产生新的调节信号改变DC-DC变换电路的占空比，直到DC-DC变换电路的输出满足负载的供电需求。

以上已对本实用新型创造的较佳实施例进行了具体说明，但本实用新型并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型创造精神的前提下还可以作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请的范围内。

Claims (6)

1.具有自适应调节能力的磁耦合谐振式无线充电装置，其特征在于：由发射装置和接收装置组成，发射装置与接收装置耦合谐振作用无线连接；其特征在于：发射装置包括高频电源、发射端阻抗匹配网络、发射线圈及发射端控制系统；高频电源的输出端经发射端阻抗匹配网络与发射线圈的输入端连接；发射端控制系统的输入端与高频电源的输出端连接；发射端控制系统的输出端与发射端阻抗匹配网络连接；接收装置包括接收线圈、接收端阻抗匹配网络、调理电路、负载及接收端控制系统；接收线圈与发射线圈耦合谐振作用无线连接；接收线圈的输出端经接收端阻抗匹配网络和调理电路与负载连接；接收端控制系统的输入端与调理电路的输出端连接；

发射端控制系统包括定向耦合器、衰减器、反射系数检测模块、发射端微控制器、发射端电机与无线发送模块；其中定向耦合器的输入端与高频电源的输出端相连，定向耦合器的输出端经衰减器、反射系数检测模块和滤波器与发射端微控制器的输入端连接；发射端微控制器的一输出端与无线发送模块的输入端相连，发射端微控制器的另一输出端与发射端电机的输入端相连；发射端电机的输出端与发射端阻抗匹配网络相连；

接收端控制系统包括无线接收模块、接收端微控制器、接收端电机、直流电源与电压电流检测模块；电压电流检测模块的输入端与调理电路的输出端连接；电压电流检测模块的输出端与接收端微控制器连接；接收端微控制器的输入端与无线接收模块连接；接收端微控制器的输出端与接收端电机和调理电路连接；接收端电机的输出端与接收端阻抗匹配网络连接；直流电源的输出端与接收端微控制器连接供电。

2.根据权利要求1所述的具有自适应调节能力的磁耦合谐振式无线充电装置，其特征在于：所述调理电路包括整流电路、滤波电路、DC-DC变换电路及稳压电路；其中整流电路的输入端与接收装置的接收端阻抗匹配网络的输出端相连，整流电路的输出端经滤波电路和DC-DC变换电路与稳压电路的输入端相连；稳压电路的输出端与负载相连。

3.根据权利要求1所述的具有自适应调节能力的磁耦合谐振式无线充电装置，其特征在于：所述发射线圈与接收线圈的结构相同，且二者的中心固定在同一水平线上。

4.根据权利要求3所述的具有自适应调节能力的磁耦合谐振式无线充电装置，其特征在于：所述发射线圈与接收线圈均由铜线绕制而成。

5.根据权利要求1所述的具有自适应调节能力的磁耦合谐振式无线充电装置，其特征在于：所述调理电路中的DC-DC变换电路为Buck-Boost电路。

6.根据权利要求1所述的具有自适应调节能力的磁耦合谐振式无线充电装置，其特征在于：所述发射端控制系统中的滤波器为二阶巴特沃思滤波电路。