CN206559146U - 磁耦合谐振式无线能量传输装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种磁耦合谐振式无线能量传输装置，包括发射装置和接收装置。发射装置包括高频电源、阻抗匹配网络、检测系统及发射线圈。接收装置包括接收线圈、整流滤波电路、级联变换电路、控制系统及负载。本实用新型在无线能量传输系统中加入实时检测和自动调节装置。当传输距离和负载发生变化时，对系统的传输性能进行实时检测并根据人们的要求能够实现自由自动控制调节，保证系统能够实现大功率、高效率的传输。这对充分发挥该技术中远距离的优势、增强该技术的实用性具有至关重要的意义。

Description

磁耦合谐振式无线能量传输装置

技术领域

本实用新型涉及无线能量传输技术领域，具体涉及磁耦合谐振式无线能量传输装置。

背景技术

现阶段电能的传输主要以有线的方式进行(即利用电缆作为电能传输介质)，因此在电能传输过程中易发生损耗，降低传输效率；线路的老化及尖端放电等现象的发生也会影响用电设备的寿命和安全；同时在雨雪等恶劣环境下、人体植入式医疗器械及水下、矿井等作业条件下充电、维护困难、灵活性较差。以上传统有线充电的诸多弊端皆可以通过无线能量传输技术有效地得到解决。无线能量传输又称为非接触式电能传输，指的是将电能从电源侧传递到负载侧而不经过任何导线连接。由于省却了导线，因此具有更强的灵活性、更高的安全性和稳定性，更加符合未来社会发展趋势。

在三种常见的无线能量传输技术电磁感应式，磁耦合谐振式和微波辐射式中，磁耦合谐振式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，能够实现中远距离的大功率、高效率的传输，在便携式设备、人体植入式医学、智能家居及电动汽车等诸多领域均展现出极大的应用潜力，因此更加受到人们的青睐。然而磁耦合谐振式无线能量传输技术也存在两个比较关键的问题：①输出功率和传输效率往往不能兼顾；②对于距离和负载的变化比较敏感。当距离或负载发生变化时，导致系统的负载偏离输出功率最佳负载或传输效率最佳负载，会较大程度降低系统的输出功率和传输效率。因此，在无线能量传输系统中加入实时检测和自动调节装置，当传输距离和负载发生变化时，对系统的传输性能进行实时检测并根据人们的要求能够实现自由自动控制调节，保证系统能够实现大功率、高效率的传输。这对充分发挥该技术中远距离的优势、增强该技术的实用性具有至关重要的意义。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是现有磁耦合谐振式无线能量传输无法同时兼顾输出功率和传输效率，且对于距离和负载的变化比较敏感的问题，提供一种磁耦合谐振式无线能量传输装置。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

磁耦合谐振式无线能量传输装置，包括发射装置和接收装置。上述发射装置包括高频电源、阻抗匹配网络、检测系统及发射线圈；检测系统包括第一检测单元、发射微控制器和无线发射模块；高频电源的输出端经阻抗匹配网络与发射线圈的输入端连接；第一检测单元的输入端与高频电源的输出端相连，第一检测单元的输出端连接发射微控制器，发射微控制器的输出端连接无线发射模块的输入端。上述接收装置包括接收线圈、整流滤波电路、级联变换电路、控制系统及负载；级联变换电路包括Boost变换电路和Buck变换电路；控制系统包括第二检测单元、第三检测单元、接收微控制器和无线接收模块；接收线圈的输出端经整流滤波电路连接Boost变换电路的输入端，Boost变换电路的输出端与Buck变换电路的输入端相连，Buck变换电路的输出端连接负载；无线接收模块的输入端与无线发射模块的输出端无线连接，无线接收模块的输出端与接收微控制器的输入端相连；第二检测单元的输入端与整流滤波电路的输出端相连，第三检测单元的输入端与Boost变换电路的输出端相连，第二检测单元和第三检测单元的输出端同时连接接收微控制器的输入端；接收微控制器的输出端连接Boost变换电路和Buck变换电路的控制端。

特别地，第一检测单元包括第一电压检测单元和第一电流检测单元。第一电压检测单元由第一电压传感器、第一电压信号调理电路和第一电压A/D转换电路组成；第一电压传感器设置在高频电源的输出端，第一电压信号调理电路的输入端与第一电压传感器的输出端相连，第一电压信号调理电路的输出端与第一电压A/D转换电路的输入端相连，第一电压A/D转换电路的输出端与发射微控制器相连。第一电流检测单元由第一电流传感器、第一电流信号调理电路和第一电流A/D转换电路组成；第一电流传感器设置在高频电源的输出端，第一电流信号调理电路的输入端与第一电流传感器的输出端相连，第一电流信号调理电路的输出端与第一电流A/D转换电路的输入端相连，第一电流A/D转换电路的输出端与发射微控制器相连。

特别地，第二检测单元包括第二电压检测单元和第二电流检测单元。第二电压检测单元由第二电压传感器、第二电压信号调理电路和第二电压A/D转换电路组成；第二电压传感器设置在整流滤波电路的输出端，第二电压信号调理电路的输入端与第二电压传感器的输出端相连，第二电压信号调理电路的输出端与第二电压A/D转换电路的输入端相连，第二电压A/D转换电路的输出端与接收微控制器相连。第二电流检测单元由第二电流传感器、第二电流信号调理电路和第二电流A/D转换电路组成；第二电流传感器设置在整流滤波电路的输出端，第二电流信号调理电路的输入端与第二电流传感器的输出端相连，第二电流信号调理电路的输出端与第二电流A/D转换电路的输入端相连，第二电流A/D转换电路的输出端与接收微控制器相连。

特别地，第三检测单元为第三电压检测单元。第三电压检测单元由第三电压传感器、第三电压信号调理电路和第三电压A/D转换电路组成；第三电压传感器设置在Boost变换电路的输出端，第三电压信号调理电路的输入端与第三电压传感器的输出端相连，第三电压信号调理电路的输出端与第三电压A/D转换电路的输入端相连，第三电压A/D转换电路的输出端与接收微控制器相连。

特别地，发射微控制器为单片机，接收为控制器为数字信号处理器。

特别地，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。

与现有技术相比，本实用新型具有如下特点：

1、在发射端设置检测单元，检测系统的输入功率；在接收端设置检测单元，检测系统的输出功率(忽略级联电路的能量损耗)，同时考虑系统的输出功率和效率，能够自由变换系统输出功率和传输效率，保证系统具有良好的综合性能，弥补了传统控制中仅能保证功率和效率单一最优的缺陷；

2、采用级联的Boost变换电路和Buck变换电路，既避免了传统阻抗匹配网络或体积较大或匹配精度不高的问题，又便于微控制器分开调节控制，提高了系统的可控性和能量传输的稳定性；

3、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；

4、解决了距离或负载发生变化时，系统不能按照人们要求自由变换控制系统的输出功率和传输效率，且输出功率和传输效率不能兼顾的问题。

附图说明

图1为基于串串型拓补结构的MCR-WPT系统等效电路模型。

图2为本实用新型的结构框图。

图3为本实用新型检测单元结构示意图图。

图4为本实用新型接收端级联变换拓补电路原理图。

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。

基于功效乘方的最优负载跟踪的MCR-WPT装置，采用的控制理念是功效乘方。结合图1对该理念进行介绍如下：

采用串串型拓补结构的MCR-WPT系统等效电路模型如图1所示。图中，L₁，L₂，C₁，C₂，R₁，R₂分别为发射线圈和接收线圈的等效电感，等效电容和等效电阻。I₁，I₂分别为发射线圈和接收线圈中的电流，M为两线圈间的互感，D为两线圈间的距离，R_L为等效负载，U_S为高频电源。由图1可得系统的输出功率和传输效率的计算式为式(1)和式(2)：

由式(1)和式(2)可知分别存在最大输出功率负载R_LP和最佳传输效率负载R_Lη使系统的输出功率和传输效率分别达到最大，但R_LP＞R_Lη，即不存在最佳工作负载同时使系统的输出功率和效率达到最大。因此，在负载区间[R_Lη，R_LP]内，系统的传输性能从最大传输效率向最大输出功率过渡，当负载越接近R_Lη时，系统的传输效率越大；当负载越接近R_LP时，系统的输出功率越大。为了能够兼顾系统的输出功率和传输效率并实现二者的自由变换，本实用新型提出采用新的功效乘方的评价指标，具体如式(3)：

式中，n、m分别为P和η的次方数，用来表示在一次系统评价过程中二者的权重。若n远大于m或m＝0，则表示在此次系统评价过程中，只关注系统的输出功率；若m远大于n或n＝0，则表示在该次评价过程中，只关注系统的传输效率；若m＝n，则表示在此次评价过程中，同时关注系统的输出功率和传输效率，二者的重要性处于同一位置；若m略大于n或n略大于m，则表示评价系统时略微偏向系统的传输效率或输出功率。对式(3)求关于负载的偏导数可得式(4)。式中，Z_m＝ω×M，且m、n均不小于1。

由式(4)可知存在最佳功效乘方负载使式(3)达到最大，具体如式(5)所示：

使功效乘方取得最大的最优负载R_LΦ在最大输出功率负载R_LP和最佳传输效率负载R_Lη的区间之内，即：R_LΦ∈[R_Lη,R_LP]。因此根据式(5)通过合理地设置m和n的取值，能够调节使功效乘方取得最大的最优负载R_LΦ，并且将系统的工作负载通过一定的变换装置变换到使功效乘方获得最大的负载值时，即动态跟踪使功效乘方获得最大的负载，便能够按照人们的意愿自由地控制系统的输出功率和传输效率，且能保证系统的大功率、高效率的传输。

为了将负载R_L变换到功效乘方取得最大的最优负载R_LΦ，可采用DC-DC变换的方式。为了能够实现负载由小到大的任意范围内的阻抗变换，可采用Boost变换电路和Buck变换电路级联的形式。由此可得R_L和R_LΦ间的关系如式(6)所示。式中，D₁为Boost变换电路的占空比，D₂为Buck变换电路的占空比。

一种基于最大功效乘方负载跟踪的磁耦合谐振式无线能量传输装置，如图2所示，包括发射装置和接收装置。

发射装置包括高频电源，阻抗匹配网络，检测系统及发射线圈。高频电源的输出端经阻抗匹配网络与发射线圈的输入端连接。检测系统包括第一检测单元、发射微控制器和无线发射模块。第一检测单元的输入端与高频电源的输出端相连，第一检测单元的输出端连接发射微控制器，发射微控制器的输出端连接无线发射模块的输入端。

接收装置包括接收线圈、整流滤波电路，级联变换电路，控制系统及负载。级联变换电路包括Boost变换电路和Buck变换电路。接收线圈的输出端经整流滤波电路连接Boost变换电路的输入端；Boost变换电路的输出端与Buck变换电路的输入端相连；Buck变换电路的输出端连接负载。控制系统包括第二检测单元、电压检测单元、接收微控制器和无线接收模块。无线接收模块的输入端与无线发射模块的输出端无线连接，无线接收模块的输出端与微控制器的输入端相连。第二检测单元的输入端与整流滤波电路的输出端相连，电压检测单元的输入端与Boost变换电路的输出端相连，第二检测单元和电压检测单元的输出端同时连接接收微控制器的输入端。接收微控制器的输出端连接Boost变换电路和Buck变换电路的控制端。

第一检测单元和第二检测单元的结构相同，均包括电压检测单元和电流检测单元，如图3所示。电压检测单元由电压传感器、电压信号调理电路和电压A/D转换电路组成。其中电压信号调理电路的输入端与电压传感器相连，电压信号调理电路的输出端与电压A/D转换电路的输入端相连，电压A/D转换电路的输出端与对应的微控制器相连。电流检测单元由电流传感器、电流信号调理电路和电流A/D转换电路组成。其中电流信号调理电路的输入端与电流传感器相连，电流信号调理电路的输出端与电流A/D转换电路的输入端相连，电流A/D转换电路的输出端与对应的微控制器相连。

第三检测单元也由电压传感器、电压信号调理电路和电压A/D转换电路组成。其中电压信号调理电路的输入端与电压传感器相连，电压信号调理电路的输出端与电压A/D转换电路的输入端相连，电压A/D转换电路的输出端与接收微控制器相连。

在本实用新型中，检测系统的发射微控制器为单片机，控制系统的接收微控制器为数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)。接收微控制器采用的评价指标为功效乘方，功效乘方中的次数m、n可根据人们的要求自由设置。发射线圈与接收线圈的结构相同，均由铜线绕制而成。发射线圈与接收线圈的中心在同一水平线上，以提高电能传输效率。负载可以是纯电阻负载或受外界条件影响导致阻抗会发生变化的负载如电池或超级电容等。

本实用新型在无线能量传输系统中加入实时检测和自动调节装置。当传输距离和负载发生变化时，对系统的传输性能进行实时检测并根据人们的要求能够实现自由自动控制调节，保证系统能够实现大功率、高效率的传输。这对充分发挥该技术中远距离的优势、增强该技术的实用性具有至关重要的意义。

本实用新型的工作原理如下：

发射装置的高频电源输出高频交流电能，经过阻抗匹配网络形成共轭匹配，最大化高频电源的输出功率，而后将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，获取耦合谐振能量，在发射线圈产生同频的交变电流。接收线圈接收的能量经整流滤波电路变换成稳定的直流电，并经控制系统的调节和处理后，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。

当系统运行时，由检测系统的检测单元分别通过电压传感器、电流传感器采集到系统的输入电压、输入电流信号；由控制系统的检测单元分别通过电压传感器、电流传感器采集到级联变换电路的输入电压V_in和输入电流信号I_in作为系统的输出电压、输出电流信号，上述信号分别经过信号调理和A/D转换等电路后，传递到对应的微控制器中。检测装置的微控制器经过无线发射模块和无线接收模块将系统输入信息传递给控制系统的微控制器。控制系统的微控制器根据预先设置好的功效乘方的次数，经过信息处理得到系统的传输效率及功效乘方。

当系统的负载或距离发生变化时，控制系统的微控制器以一定的扰动输出PWM信号调节级联变换电路的占空比D₁和D₂，通过与调节前系统的功效乘方进行比较，确定扰动方向的正确与否。若扰动方向正确，则按照原来的方向继续扰动输出信号进行调节；若扰动方向错误，则按照反方向进行扰动调节，直到前后两次的调节保证系统的功效乘方的变化量控制在允许范围内，此时系统便工作在使功效乘方达到最大的理想负载条件下，实现最优负载的跟踪。在系统工作前，先设置缓冲电容C₂两端的缓冲电压V_bf为负载工作电压的k倍(k略大于1，保证负载工作的安全)，由控制系统的微处理器输出PWM信号调节Boost变换电路的占空比，保证V_bf大于V_in；在Buck变换电路的输入端设置电压检测单元，实时检测V_bf保证在负载或距离发生变化时缓冲电压V_bf总大于负载两端的额定工作电压V_out，保证Buck变换电路工作的有效性，提高系统输出的稳定性，系统的具体工作原理如图4所示。通过以上控制调节，即可实现负载或距离变化时系统既能大功率又能高效率的传输。该系统的负载可以是纯电阻负载或受外界条件影响导致阻抗会发生变化的负载如电池或超级电容等。

Claims (6)

1.磁耦合谐振式无线能量传输装置，包括发射装置和接收装置，其特征在于：

上述发射装置包括高频电源、阻抗匹配网络、检测系统及发射线圈；检测系统包括第一检测单元、发射微控制器和无线发射模块；

高频电源的输出端经阻抗匹配网络与发射线圈的输入端连接；第一检测单元的输入端与高频电源的输出端相连，第一检测单元的输出端连接发射微控制器，发射微控制器的输出端连接无线发射模块的输入端；

上述接收装置包括接收线圈、整流滤波电路、级联变换电路、控制系统及负载；级联变换电路包括Boost变换电路和Buck变换电路；控制系统包括第二检测单元、第三检测单元、接收微控制器和无线接收模块；

接收线圈的输出端经整流滤波电路连接Boost变换电路的输入端，Boost变换电路的输出端与Buck变换电路的输入端相连，Buck变换电路的输出端连接负载；无线接收模块的输入端与无线发射模块的输出端无线连接，无线接收模块的输出端与接收微控制器的输入端相连；第二检测单元的输入端与整流滤波电路的输出端相连，第三检测单元的输入端与Boost变换电路的输出端相连，第二检测单元和第三检测单元的输出端同时连接接收微控制器的输入端；接收微控制器的输出端连接Boost变换电路和Buck变换电路的控制端。

2.根据权利要求1所述的磁耦合谐振式无线能量传输装置，其特征是，第一检测单元包括第一电压检测单元和第一电流检测单元；

第一电压检测单元由第一电压传感器、第一电压信号调理电路和第一电压A/D转换电路组成；第一电压传感器设置在高频电源的输出端，第一电压信号调理电路的输入端与第一电压传感器的输出端相连，第一电压信号调理电路的输出端与第一电压A/D转换电路的输入端相连，第一电压A/D转换电路的输出端与发射微控制器相连；

第一电流检测单元由第一电流传感器、第一电流信号调理电路和第一电流A/D转换电路组成；第一电流传感器设置在高频电源的输出端，第一电流信号调理电路的输入端与第一电流传感器的输出端相连，第一电流信号调理电路的输出端与第一电流A/D转换电路的输入端相连，第一电流A/D转换电路的输出端与发射微控制器相连。

3.根据权利要求1所述的磁耦合谐振式无线能量传输装置，其特征是，第二检测单元包括第二电压检测单元和第二电流检测单元；

第二电压检测单元由第二电压传感器、第二电压信号调理电路和第二电压A/D转换电路组成；第二电压传感器设置在整流滤波电路的输出端，第二电压信号调理电路的输入端与第二电压传感器的输出端相连，第二电压信号调理电路的输出端与第二电压A/D转换电路的输入端相连，第二电压A/D转换电路的输出端与接收微控制器相连；

第二电流检测单元由第二电流传感器、第二电流信号调理电路和第二电流A/D转换电路组成；第二电流传感器设置在整流滤波电路的输出端，第二电流信号调理电路的输入端与第二电流传感器的输出端相连，第二电流信号调理电路的输出端与第二电流A/D转换电路的输入端相连，第二电流A/D转换电路的输出端与接收微控制器相连。

4.根据权利要求1所述的磁耦合谐振式无线能量传输装置，其特征是，第三检测单元为第三电压检测单元；

第三电压检测单元由第三电压传感器、第三电压信号调理电路和第三电压A/D转换电路组成；第三电压传感器设置在Boost变换电路的输出端，第三电压信号调理电路的输入端与第三电压传感器的输出端相连，第三电压信号调理电路的输出端与第三电压A/D转换电路的输入端相连，第三电压A/D转换电路的输出端与接收微控制器相连。

5.根据权利要求1所述的磁耦合谐振式无线能量传输装置，其特征是，发射微控制器为单片机，接收为控制器为数字信号处理器。

6.根据权利要求1所述的磁耦合谐振式无线能量传输装置，其特征是，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。