CN205829320U - 一种磁耦合谐振式无线能量传输系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种磁耦合谐振式无线能量传输系统，在发射装置中设置发射端控制模块，在接收装置中设置接收端控制模块，发射端控制模块检测功率放大电路输出端的电流，并进行电流检测、相位补偿、锁相环控制，从而调节高频逆变电路的工作频率，上述调节信息传输至接收端控制模块，由接收端控制模块根据调节信息，调节阻抗匹配网络，使得接收装置与发射装置工作同步，同时工作在谐振状态，并设置接收端电流检测电路，用于检测是否同步，一旦发现不同步，则根据检测到的电流值，重新调节阻抗匹配网络，直至工作在谐振状态，解决了接收装置不能根据发射装置的频率变化自动调节频率的问题。

Description

一种磁耦合谐振式无线能量传输系统

技术领域

本实用新型涉及无线能量传输，特别是涉及一种磁耦合谐振式无线能量传输系统。

背景技术

现有无线能量传输技术包括电磁感应式、微波辐射式以及磁耦合谐振式。磁耦合谐振式较之于电磁感应式传输距离更远，较之于微波辐射式传输效率更高，因而应用更为广泛。磁耦合谐振式是利用近场区的能量的非辐射特性，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，而其它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。

现有基于磁耦合谐振式的无线能量传输系统，包括发射装置和接收装置，存在以下不足：工作过程中，会因补偿电容的不同、距离的改变、负载的改变、周围导磁性障碍物、电路工作温度等因素引起发射线圈的电感量发生变化，使得发射端固有频率发生偏移，而接收端未能根据该偏移，同步协同进行频率偏移，使得系统无法重新工作在谐振状态，降低了系统的输出功率和传输效率。

实用新型内容

本实用新型提供一种磁耦合谐振式无线能量传输系统，解决失谐时,发射装置与接收装置无法恢复谐振状态的问题。

本实用新型通过以下技术方案解决上述问题：

一种磁耦合谐振式无线能量传输系统，包括发射装置和接收装置，所述发射装置包括发射端直流电源、高频逆变电路、功率放大电路以及发射线圈，所述接收装置包括接收线圈、阻抗匹配网络、调理电路以及负载，所述发射端直流电源的输出端经高频逆变电路和功率放大电路后，输入至发射线圈，接收线圈接收发射线圈传递的能量后，输入至阻抗匹配网络，并经调理电路输入至负载中，在发射装置中设置发射端控制模块，在接收装置中设置接收端控制模块；所述发射端控制模块包括发射端电流检测电路、相位补偿电路、锁相环电路、发射端微控制器、无线发射电路以及驱动电路；所述接收端控制模块包括接收端微控制器、接收端电流检测电路以及无线接收电路；

所述发射端电流检测电路的输入端与功率放大电路的输出端相连；所述发射端电流检测电路经相位补偿电路、锁相环电路后与发射端微控制器相连，所述发射端微控制器与无线发射电路相连，所述无线发射电路与无线接收电路无线连接，所述锁相环电路的输出端经驱动电路与高频逆变电路相连；

所述无线接收电路与接收端微控制器相连，所述接收端电流检测电路的输入端与阻抗匹配网络的输出端相连，所述电流检测电路的输出端与接收端控制器相连，所述接收端微控制器与阻抗匹配网络的输入端相连。

进一步地，所述锁相环电路由鉴相器、环路滤波器、比例积分调节器和压控振荡器组成；所述鉴相器的一路输入端与相位补偿电路的输出端相连，所述鉴相器的输出端经环路滤波器、比例积分调节器与压控振荡器相连，所述压控振荡器的一路输出端与鉴相器的另一路输入端相连，所述压控振荡器的另一路输出端与高频逆变电路的输入端相连，所述压控振荡器的又一路输出端与发射端微控制器相连。

进一步地，所述接收端控制模块进一步包括接收端直流电源，所述接收端直流电源的输出端与接收端微控制器相连。

进一步地，所述调理电路包括整流子电路、滤波子电路、DC-DC变换子电路以及稳压子电路；所述整流子电流的输入端与阻抗匹配网络的输出端相连，所述整流子电路的输出端经滤波子电路、DC-DC变换子电路以及稳压子电路后，连接至负载。

进一步地，所述发射线圈与接收线圈的结构、参数相同，且二者的中心在同一水平线上。

进一步地，所述功率放大电路为E类功率放大电路。

进一步地，所述阻抗匹配网络包括继电器和二进制调谐电容。

进一步地，所述DC-DC变换电路为Buck-Boost电路。

与现有技术相比，具有如下特点：

1、在发射装置中设置发射端控制模块，在接收装置中设置接收端控制模块，发射端控制模块检测功率放大电路输出端的电流，并进行电流检测、相位补偿、锁相环控制，从而调节高频逆变电路的工作频率，上述调节信息传输至接收端控制模块，由接收端控制模块根据调节信息，调节阻抗匹配网络，使得接收装置与发射装置工作同步，同时工作在谐振状态，并设置接收端电流检测电路，用于检测是否同步，一旦发现不同步，则根据检测到的电流值，重新调节阻抗匹配网络，直至工作在谐振状态，使得系统失谐时能通过自动调整，再次工作于谐振状态；

2、在发射端控制模块的锁相环，以锁相环中压控振荡器的输出作为鉴相器的另一路输入，便于获取更精准的跟随调节信号，以压控振荡器的输出作为调节发射端频率的控制信号，并将压控振荡器输出的调节信号发送至接收装置，使得接收装置根据调节信号，进行频率调节，进一步提高发射装置和接收装置的频率匹配度。

附图说明

图1为本实用新型的原理框图。

图2为调理电路的原理框图。

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，但本实用新型并不局限于这些实施例。

一种磁耦合谐振式无线能量传输系统，与现有技术相同，包括发射装置和接收装置，发射装置包括发射端直流电源、高频逆变电路、功率放大电路以及发射线圈，接收装置包括接收线圈、阻抗匹配网络、调理电路以及负载，发射端直流电源的输出端经高频逆变电路和功率放大电路后，输入至发射线圈，接收线圈接收发射线圈传递的能量后，输入至阻抗匹配网络，并经调理电路输入至负载中，与现有技术不同的是：

在发射装置中设置发射端控制模块，在接收装置中设置接收端控制模块；发射端控制模块包括发射端电流检测电路、相位补偿电路、锁相环电路、发射端微控制器、无线发射电路以及驱动电路；接收端控制模块包括接收端微控制器、接收端电流检测电路以及无线接收电路；发射端电流检测电路的输入端与功率放大电路的输出端相连；发射端电流检测电路经相位补偿电路、锁相环电路后与发射端微控制器相连，发射端微控制器与无线发射电路相连，无线发射电路与无线接收电路无线连接，锁相环电路的输出端经驱动电路与高频逆变电路相连；无线接收电路与接收端微控制器相连，接收端电流检测电路的输入端与阻抗匹配网络的输出端相连，电流检测电路的输出端与接收端控制器相连，接收端微控制器与阻抗匹配网络的输入端相连。

上述方案中，发射线圈与接收线圈均由铜线绕制而成，结构、参数相同，且二者的中心在同一水平线上，可以提高电能传输效率；功率放大电路为E类功率放大电路；阻抗匹配网络包括继电器和二进制调谐电容。

锁相环电路(PLL)由鉴相器(PD)、环路滤波器(LPF)、比例积分调节器(PI)和压控振荡器(VCO)组成；鉴相器的一路输入端与相位补偿电路的输出端相连，鉴相器的输出端经环路滤波器、比例积分调节器与压控振荡器相连，压控振荡器的一路输出端与鉴相器的另一路输入端相连，压控振荡器的另一路输出端与高频逆变电路的输入端相连，压控振荡器的又一路输出端与发射端微控制器相连。

发射端直流电源发出电能，经高频逆变电路转换后，电能具备负载所需要的频率；再经功率放大电路进行功率放大，以提高输出功率；经功率放大的电能输入至发射线圈，发射线圈产生共振，在其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，获取能量，在发射线圈产生同频的交变电流；接收线圈接收的能量经阻抗匹配网络进行阻抗匹配，并经调理电路进行调理后，得到适用于负载供电的电压或电流，给负载供电，实现电能的无线传输。

当受到外界因素影响，出现系统失调时，发射端电流检测电路检测功率放大电路的输出信号，并将其转换为符合控制电路需求的信号；在上述信号出现相位迟滞时，相位补偿电路对其进行相位补偿；经补偿后的电流相位信号与压控振荡器的输出信号一同输入至鉴相器中进行比较，得到两个信号的相位差信息，将与相位差对应的调节电压信号输入至环路滤波器中；环路滤波器为低频电路，对调节电压信号进行滤波，增加系统的稳定性，并利用滤波电容的充放电，使得压控振荡器的输入电压发生变化，以便于压控振荡器的震荡频率；在环路滤波器和压控振荡器之间加入比例积分调节器，以保证系统的动态稳定性和较小的稳态误差；压控振荡器的输出信号输入至鉴相器中，形成负反馈，压控振荡器的输出信号输入至高频逆变电路，改变系统的工作频率，压控振荡器的输出信号输入至发射端控制器，并通过无线发射电路发射至无线接收电路；接收端微控制器获得无线接收模块的信号后，运用现有技术，产生新的调节信号，控制阻抗匹配网络的继电器，改变阻抗匹配网络中电容的大小，使得接收装置跟随发射装置频率的变化，对应地调整工作频率，能再次工作于谐振状态；与此同时，接收端电流检测电路实时检测阻抗匹配网络输出端的信号，将检测信息输入至接收端微控制器，由接收端控制器模块进行简单判断，判断接收装置是否工作于谐振状态，如果不是，则输出新的调节信号至阻抗匹配网络，直至接收装置工作于谐振状态。

由于压控振荡器的输出信号不能直接驱动高频逆变电路，在压控振荡器和高频逆变电路中间设置驱动电路，用于向驱动高频逆变电路发送PWM驱动信号，控制高频逆变电路的导通角，使得高频逆变电路对应地进行频率调整。驱动电路的输入端与锁相环电路中压控振荡器的一路输出端相连，驱动电路的输出端与高频逆变电路的输入端相连。

接收端控制模块进一步包括接收端直流电源，用于为接收端微控制器供电，接收端直流电源的输出端与接收端微控制器相连。

调理电路包括整流子电路、滤波子电路、DC-DC变换子电路以及稳压子电路；整流子电流的输入端与阻抗匹配网络的输出端相连，整流子电路的输出端经滤波子电路、DC-DC变换子电路以及稳压子电路后，连接至负载。上述方案中，DC-DC变换电路为Buck-Boost电路。

本实用新型的工作过程为：发射端电流检测电路实时检测功率放大电路输出的电流，当出现失调时，所检测到的电流信号输入至相位补偿电路进行相位补偿，并通过锁相环处理后，得到的调节信号一方面用于自身负反馈处理，一方面用于驱动高频逆变电路调整频率，再一方面在发送端微控制器的控制下，由无线发射电路将调节信号传输至接收端控制模块；接收端控制模块根据调节信息控制阻抗匹配网络进行相应的频率调整，并通过接收端电流检测电路实时检测阻抗匹配网络的输出电流，当该输出电流的频率仍未与调节信息中的频率匹配时，重新发出调整信号至阻抗匹配网络，直至阻抗匹配网络输出对应的频率，使得接收装置工作于谐振状态。

Claims (8)

1.一种磁耦合谐振式无线能量传输系统，包括发射装置和接收装置，所述发射装置包括发射端直流电源、高频逆变电路、功率放大电路以及发射线圈，所述接收装置包括接收线圈、阻抗匹配网络、调理电路以及负载，所述发射端直流电源的输出端经高频逆变电路和功率放大电路后，输入至发射线圈，接收线圈接收发射线圈传递的能量后，输入至阻抗匹配网络，并经调理电路输入至负载中，其特征在于：

在发射装置中设置发射端控制模块，在接收装置中设置接收端控制模块；所述发射端控制模块包括发射端电流检测电路、相位补偿电路、锁相环电路、发射端微控制器、无线发射电路以及驱动电路；所述接收端控制模块包括接收端微控制器、接收端电流检测电路以及无线接收电路；

所述发射端电流检测电路的输入端与功率放大电路的输出端相连；所述发射端电流检测电路经相位补偿电路、锁相环电路后与发射端微控制器相连，所述发射端微控制器与无线发射电路相连，所述无线发射电路与无线接收电路无线连接，所述锁相环电路的输出端经驱动电路与高频逆变电路相连；

所述无线接收电路与接收端微控制器相连，所述接收端电流检测电路的输入端与阻抗匹配网络的输出端相连，所述电流检测电路的输出端与接收端控制器相连，所述接收端微控制器与阻抗匹配网络的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的一种磁耦合谐振式无线能量传输系统，其特征在于：

所述锁相环电路由鉴相器、环路滤波器、比例积分调节器和压控振荡器组成；所述鉴相器的一路输入端与相位补偿电路的输出端相连，所述鉴相器的输出端经环路滤波器、比例积分调节器与压控振荡器相连，所述压控振荡器的一路输出端与鉴相器的另一路输入端相连，所述压控振荡器的另一路输出端与高频逆变电路的输入端相连，所述压控振荡器的又一路输出端与发射端微控制器相连。

3.根据权利要求1所述的一种磁耦合谐振式无线能量传输系统，其特征在于：

所述接收端控制模块进一步包括接收端直流电源，所述接收端直流电源的输出端与接收端微控制器相连。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种磁耦合谐振式无线能量传输系统，其特征在于：

所述调理电路包括整流子电路、滤波子电路、DC-DC变换子电路以及稳压子电路；所述整流子电流的输入端与阻抗匹配网络的输出端相连，所述整流子电路的输出端经滤波子电路、DC-DC变换子电路以及稳压子电路后，连接至负载。

5.根据权利要求4所述的一种磁耦合谐振式无线能量传输系统，其特征在于：所述发射线圈与接收线圈的结构、参数相同，且二者的中心在同一水平线上。

6.根据权利要求5所述的一种磁耦合谐振式无线能量传输系统，其特征在于：所述功率放大电路为E类功率放大电路。

7.根据权利要求6所述的一种磁耦合谐振式无线能量传输系统，其特征在于：所述阻抗匹配网络包括继电器和二进制调谐电容。

8.根据权利要求4所述的一种磁耦合谐振式无线能量传输系统，其特征在于：所述DC-DC变换电路为Buck-Boost电路。