CN208272715U - 一种具有身份识别与谐振解耦功能的无线电能传输装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有身份识别与谐振解耦功能的无线电能传输装置，包括电源、具有谐振跳频功能的身份识别与谐振解耦发射端部分、具有谐振跳频功能的身份识别与谐振解耦接收端部分、负载；所述电源为具有谐振跳频功能的身份识别与谐振解耦发射端部分提供电能，所述具有谐振跳频功能的身份识别与谐振解耦接收端部分将接收到的电能通过整流调压传输给负载。在无线电能传输过程中识别出合法用户，并能有选择性的对合法用户进行供电，实时监测当前无线电能传输系统的整体工作过程，当检测到系统中存在非法用户时，在不影响对合法用户供电的前提下切断对该非法用户的电能供应。

Description

一种具有身份识别与谐振解耦功能的无线电能传输装置

技术领域

本实用新型属于无线电能传输领域，特别是涉及到一种具有身份识别与谐振解耦功能的无线电能传输装置。

背景技术

自从1840年发现利用电磁感应现象及导线可以传输电能至今，电能的传输主要是由导线直接接触进行传输的，电工设备的充电一般是通过插头和插座来进行，但是在进行大功率充电时，这种充电方式存在高压触电的危险。且由于存在摩擦和磨损，系统的安全性、可靠性及使用寿命较低，特别是在化工、采矿等一些易燃、易爆领域，极易引发大的事故。

新型无接触电能传输系统采用电磁感应原理、电力电子技术以及控制理论相结合，实现了电能的无线传输，完全克服了以上限制。根据电能传输原理，无线电能传输大致上可以分为三类：第一类是变压器原理的直接耦合式，这种方式功率虽然较大，但是仅适于近距离；第二类电波无线能量传输技术，直接利用电磁波能量可以通过天线发射和接收的原理，这种方式虽然实现了长距离和大功率能量的传输，但是能量传输受方向限制，也不能绕过障碍物，并且损耗较大，对人体和其它生物都有严重伤害；第三类是非辐射耦合谐振方式，该技术可以在有障碍物的情况下传输，传输距离也比较远，传输功率也较大，而且对人体没有伤害。

无线电能传输中的谐振式无线电能传输技术主要原理是两个或多个具有相同谐振频率的线圈之间实现电能在中距离下的高效传输。谐振式无线电能传输具有无目标性特点，只要具有相同谐振频率就有可能建立能量传输通道，而正是这种特点使得无线电能传输的安全性和可靠性需要保护防止非法设备参与建立能量通道。并且随着技术的不断成熟，谐振式无线电能传输距离不断提高，实际应用范围也不断扩大，“窃电”风险逐步加大，因此防止“窃电”问题已是亟待解决的关键问题。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提出一种具有身份识别与谐振解耦功能的无线电能传输装置，在无线电能传输过程中识别出合法用户，并能有选择性的对合法用户进行供电，实时监测当前无线电能传输系统的整体工作过程，当检测到系统中存在非法用户时，在不影响对合法用户供电的前提下切断对该非法用户的电能供应。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种具有身份识别与谐振解耦功能的无线电能传输装置，包括电源、具有谐振跳频功能的身份识别与谐振解耦发射端部分、具有谐振跳频功能的身份识别与谐振解耦接收端部分、负载；所述电源为具有谐振跳频功能的身份识别与谐振解耦发射端部分提供电能，所述具有谐振跳频功能的身份识别与谐振解耦接收端部分将接收到的电能通过整流调压传输给负载。

进一步的，所述具有谐振跳频功能的身份识别与谐振解耦发射端部分包括：发射端功率检测电路、发射端无线通信模块、用于产生伪随机码的发射端单片机控制器、具有谐振跳频功能的发射线圈；所述发射端功率检测电路、发射端无线通信模块、具有谐振跳频功能的发射线圈都连接所述发射端单片机控制器；所述发射端功率检测电路连接电源，所述电源一端连接所述发射端单片机控制器，一端连接具有谐振跳频功能的发射线圈。

更进一步的，所述电源包括依次连接的直接数字式频率合成器DDS、宽带线性功率放大器；所述直接数字式频率合成器DDS连接所述发射端单片机控制器，所述宽带线性功率放大器一端连接所述发射端功率检测电路，一端连接具有谐振跳频功能的发射线圈。

更进一步的，所述具有谐振跳频功能的发射线圈包括继电器与高频电容所组成的并联阵列及包括单匝激励线圈和多匝发射线圈的发射端电能发射线圈；所述并联阵列与所述发射端电能发射线圈连接，从而调节频率；所述继电器一端接高电平一端接三极管的集电极，所述继电器还并联快恢复二极管；所述三极管的基极连接光电耦合器，所述光电耦合器另一端连接所述接收端单片机控制器的IO口。

更进一步的，所述发射端无线通信模块采用ZigBee通讯模块用于对接收端的身份识别，谐振解耦过程的时序同步、功率数据传输、数据校验。

进一步的，所述具有谐振跳频功能的身份识别与谐振解耦接收端部分包括接收端无线通信模块、用于产生伪随机码的接收端单片机控制器、整流稳压电路、接收端功率检测电路、具有谐振跳频功能的接收线圈；所述接收端无线通信模块、接收端功率检测电路、具有谐振跳频功能的接收线圈连接所述接收端单片机控制器；所述具有谐振跳频功能的接收线圈通过整流稳压电路连接负载；所述接收端功率检测电路连接所述整流稳压电路。

更进一步的，所述具有谐振跳频功能的接收线圈包括继电器与高频电容所组成的并联阵列及包括单匝激励线圈和多匝接收线圈的接收端电能接收线圈；所述并联阵列与所述接收端电能接收线圈连接，从而调节频率；所述继电器一端接高电平一端接三极管的集电极，所述继电器还并联快恢复二极管；所述三极管的基极连接光电耦合器，所述光电耦合器另一端连接所述接收端单片机控制器的IO口。

更进一步的，所述接收端无线通信模块采用ZigBee通讯模块用于功率数据传输、谐振解耦过程的时序同步、数据校验。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

本实用新型所述的一种具有身份识别与谐振解耦功能的无线电能传输装置，在无线电能传输过程中识别出合法用户，并能有选择性的对合法用户进行供电，实时监测当前无线电能传输系统的整体工作过程，当检测到系统中存在非法用户时，在不影响对合法用户供电的前提下切断对该非法用户的电能供应，实现了对合法用户的身份识别，解决了非法用户违法“窃电”的行为，更是在不终止对合法用户供电的情况下切断非法用户建立的能量通道，提高无线电能传输系统的整体可靠性和用电的安全性。

附图说明

图1是本实用新型实施例的结构示意图；

图2是本实用新型实施例的具有谐振跳频功能的发射线圈结构示意图；

图3是本实用新型实施例的具有谐振跳频功能的接收线圈结构示意图；

图4是本实用新型实施例的继电器驱动电路结构示意图；

图5是本实用新型实施例的发射端功率检测电路结构示意图；

图6是本实用新型实施例的接收端功率检测电路结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实用新型所述的一种具有身份识别与谐振解耦功能的无线电能传输装置，能快速有效的进行身份识别从而切断非法用户所建立的能量通道。相比于其他身份识别或谐振解耦装置或单独的身份识别和谐振解耦，该装置结构更加合理，可靠性更高。

本装置可分为四大部分,分别为电源、具有身份识别与谐振解耦功能的无线电能传输装置发射端部分、具有身份识别与谐振解耦功能的无线电能传输装置接收端部分和负载。电源为具有身份识别与谐振解耦功能的无线电能传输装置发射端部分提供电能，电能通过磁耦合谐振从具有身份识别与谐振解耦功能的无线电能传输装置发射端传输到具有身份识别与谐振解耦功能的无线电能传输装置接收端。接收到的电能通过整流调压传输给负载从而完成电能的无接触传输。

具有身份识别与谐振解耦功能的无线电能传输装置发射端部分与电源配合工作。如图1所示，所述电源包括：直接数字式频率合成器(DDS)、宽带线性功率放大器；所述无线电能传输身份识别与谐振解耦发射端部分包括：发射端功率检测电路、发射端无线通信模块、发射端单片机控制器、具有谐振跳频功能的发射线圈。所述直接数字式频率合成器(DDS)用于产生高频正弦信号。所述宽带线性功率放大器用于将直接数字式频率合成器(DDS)所产生的正弦信号进行功率放大。所述发射端功率检测电路用于发射端功率的检测及监控。所述发射端单片机控制器用于发射端身份识别与谐振解耦过程的功率检测、数据转换、串口通信，同时发射端单片机控制器产生伪随机码用于谐振跳频阵列的控制。所述具有谐振跳频功能的发射线圈包括继电器与高频电容所组成的并联阵列及包括单匝的激励线圈和多匝发射线圈发射端电能发射线圈。并联阵列与无线电能传输电能发射线圈连接，从而调节频率。所述发射端无线通信模块采用ZigBee通讯模块用于对接收端的身份识别，谐振解耦过程的时序同步、功率数据传输、数据校验。

如图1所示，所述无线电能传输身份识别与谐振解耦接收端部分包括：接收端无线通信模块、接收端单片机控制器、整流稳压电路、接收端功率检测电路、接收端启动电源、具有谐振跳频功能的接收线圈。所述接收端单片机控制器用于接收端身份识别与谐振解耦过程的功率检测、数据转换、串口通信，同时接收端单片机控制器产生伪随机码用于谐振跳频阵列的控制。所述具有谐振跳频功能的接收线圈包括继电器与高频电容所组成的并联阵列及包括单匝的激励线圈和多匝发射线圈发射端电能发射线圈。并联阵列与无线电能传输电能接收线圈连接，从而调节频率。所述接收端整流稳压电路用于将无线电能传输接收端所接收的电能进行整流滤波和稳压得到合适的电压供给负载和接收端启动电源。所述接收端功率检测电路对接收功率进行检测及监控。所述接收端启动电源用于给接收端单片机控制器及接收端无线通信模块工作提供电能。所述接收端无线通信模块采用ZigBee通讯模块用于功率数据传输、谐振解耦过程的时序同步、数据校验。

图2和图3所示分别为具有谐振跳频功能的发射线圈与接收线圈，都包括8组相同的继电器阵列与8组不同容值电容的电容阵列，继电器阵列与电容阵列相连，继电器控制电容与线圈的相连或断开。对谐振跳频阵列电路从线圈侧向前进行了继电器驱动电路设计，如图4所示，继电器一端接高电平一端接三极管的集电极，在继电器前并联快恢复二极管反向续流为继电器线圈开断时产生的反向电动势提供泄放通路。添加光电耦合器一端连接三极管的基极，一端连接IO口，构成电气隔离电路防止继电器开断产生的电压对单片机造成干扰。三极管选用NPN型三极管，当光耦连接的单片机IO口输出高电平时，光耦不导通，三极管基极有下拉电阻为低电平，三极管不导通，继电器无动作，谐振电容从工作电路切除；当单片机IO口输出低电平时，光耦导通，三极管基极呈高电平，三极管导通，继电器动作，将谐振电容投入工作电路。通过控制IO口输出电平的高低从而控制电容的投切。8组电容从C1到C8分别为2.7pF，6.8pF，10pF，15pF，18pF，24pF，36pF，47pF。电容值的大小根据市面现有电容规格选择，可有效改变发射端与接收端的谐振频率。通过控制单片机IO口输出电平的高低，可以控制8组电容之间任意并联组合。极大的增加了可并联电容的范围，不再局限于只能并联8个电容，解决了两线圈谐振频率变化范围小不能切断非法用户所建立的能量通道。切断非法通道时，伪随机码发生器产生随机序列传输给单片机控制器，单片机控制器控制继电器动作，增加或者减少电容的并联，进而改变发射端和接收端谐振线圈的谐振频率，完成对非法用户能量通道的切断。此装置极大提升了线圈谐振频率的变化范围，提升了用电安全性和系统稳定性。

本实用新型的发射端功率检测电路结构如图5所示，选择MAX471芯片进行电流的测量，选择电阻分压方式进行电压测量，同时将采样数据传输给发射端单片机控制器。同时发射端无线通信模块将从接收端无线通讯模块接收到的功率数据传输给发射端单片机控制器，发射端单片机控制器对比接收到的功率放大器发出的功率和接收端接收到的功率，确定是否有非法用户建立了能量传输通道，如果电能效率降低超过预设值即确定存在非法用户，则发射端单片机控制器控制发射端谐振跳频阵列进行电容的投切改变发射端电能发射线圈的谐振频率，同时发射端无线通讯模块给接收端无线通讯模块发出改变谐振频率的信号。另外发射端无线通讯模块可以接收到接收端无线通讯模块发来的供电信号，进而传输给发射端单片机控制器，发射端单片机控制器控制直接数字式频率合成器和宽带线性功放，从而完成功率的发出满足接收端对功率的需求。

接收端启动电源由发射端传输来的功率整流稳压后提供，用来给接收端无线通讯模块和接收端单片机控制器供电。接收端功率检测电路如图6所示，由于本文的设计中接收端的电能传输较小，因此对功率的变化比较敏感，需要更精准、更高分辨率的ADC完成故选择MCP3422芯片。电压采样同发射端一样采用电阻分压式，电流采样采用0.05Ω精密电阻采样。将采集的功率数据传输给接收端单片机控制器，通过接收端无线通讯模块传输给发射端对比。当存在非法用户时，接收端无线通讯模块接收到发射端无线通讯模块发出的改变谐振频率的信号并将信号传输给接收端单片机控制器。接收端单片机控制器控制接收端跳频阵列，通过控制继电器的开合进行电容与线圈的并联得到和发射端一样的谐振频率。

具体应用的实例如下：

发射端电磁发射线圈与接收端电磁接收线圈采用平面螺旋形线圈且发半径相同为15cm，不加投切电容的频率为6.78MHz。单片机采用STC15W4K32S4,负载采用放电完毕的可充电电池，发射端电磁发射线圈与接收端电磁接收线圈相距60CM。

接收端功率检测电路采集到负载电压低于预设电压，需要给负载充电，接收端功率检测电路给接收端单片机控制器发送请求供电信号，接收端单片机控制器将信号传输给接收端无线通讯模块，通过无线通讯将信号传输给发射端无线接收模块。发射线接收模块接收到无线信号传输给发射端单片机控制器，进而发射端单片机控制器通过控制宽带线性功放和直接数字式频率合成器完成功率的发射。

发射端单片机控制器通过发射端功率检测电路传输的数据显示宽带线性功放发出的功率为25W，接收端单片机控制器显示接收功率为18W,效率为70％左右。另拿与接收端电磁接收线圈相同规格、相同频率的线圈，单匝负载线圈连接负载为5W的LED灯，放在与接收端电磁接收线圈同一平面上，距离发射端电磁接受线圈同样60CM，5W负载LED灯被点亮。此时实时检测接收端功率的接收端功率检测电路检测到功率降低传输给接收端单片机控制器，通过接收端无线通信系统发射给发射端无线通信模块。发射端无线通信模块将接收到的信号传输给发射端单片机控制器，发射端单片机控制器根据伪随机码发生器产生的为随机序列控制发射端谐振跳频阵列1号和4号继电器动作，发射线圈并联C1容值为2.7pF电容和C4容值为15pF电容，使发射线圈频率从6.78MHz改变为5.86MHz。发射端单片机控制器将发射端谐振跳频阵列的改变通过发射端无线通信模块传输给接收端无线通信模块。进而通过接收端单片机控制器的控制改变接收端谐振跳频阵列1号和4号继电器动作，接收线圈并联C1容值为2.7pF电容和C4容值为15pF电容，接收线圈频率从6.78MHz改变为5.86MHz得到和发射端相同的谐振频率。此时LED负载熄灭，发射功率为25W，接收功率18W，说明发射和接收线圈并联电容已切断非法负载建立起的能量通道。整个过程动作迅速，不会切断对合法用户的电能供给。

可以得出此具有身份识别与谐振解耦功能的无线电能传输装置可以完成对合法用户的身份识别，并通过谐振解耦的方式切断非法用户建立的能量传输通道。并在谐振解耦切断非法用户连接过程中，不会中断对合法用户的能量传输。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有身份识别与谐振解耦功能的无线电能传输装置，其特征在于，包括电源、具有谐振跳频功能的身份识别与谐振解耦发射端部分、具有谐振跳频功能的身份识别与谐振解耦接收端部分、负载；所述电源为具有谐振跳频功能的身份识别与谐振解耦发射端部分提供电能，所述具有谐振跳频功能的身份识别与谐振解耦接收端部分将接收到的电能通过整流调压传输给负载。

2.根据权利要求1所述的一种具有身份识别与谐振解耦功能的无线电能传输装置，其特征在于，根据权利要求1所述的所述具有谐振跳频功能的身份识别与谐振解耦发射端部分包括：发射端功率检测电路、发射端无线通信模块、用于产生伪随机码的发射端单片机控制器、具有谐振跳频功能的发射线圈；所述发射端功率检测电路、发射端无线通信模块、具有谐振跳频功能的发射线圈都连接所述发射端单片机控制器；所述发射端功率检测电路连接电源，所述电源一端连接所述发射端单片机控制器，一端连接具有谐振跳频功能的发射线圈。

3.根据权利要求2所述的一种具有身份识别与谐振解耦功能的无线电能传输装置，其特征在于，所述电源包括依次连接的直接数字式频率合成器DDS、宽带线性功率放大器；所述直接数字式频率合成器DDS连接所述发射端单片机控制器，所述宽带线性功率放大器一端连接所述发射端功率检测电路，一端连接具有谐振跳频功能的发射线圈。

4.根据权利要求2所述的一种具有身份识别与谐振解耦功能的无线电能传输装置，其特征在于，所述具有谐振跳频功能的发射线圈包括继电器与高频电容所组成的并联阵列及包括单匝激励线圈和多匝发射线圈的发射端电能发射线圈；所述并联阵列与所述发射端电能发射线圈连接，从而调节频率；所述继电器一端接高电平一端接三极管的集电极，所述继电器还并联快恢复二极管；所述三极管的基极连接光电耦合器，所述光电耦合器另一端连接所述接收端单片机控制器的IO口。

5.根据权利要求2所述的一种具有身份识别与谐振解耦功能的无线电能传输装置，其特征在于，所述发射端无线通信模块采用ZigBee通讯模块用于对接收端的身份识别，谐振解耦过程的时序同步、功率数据传输、数据校验。

6.根据权利要求1所述的一种具有身份识别与谐振解耦功能的无线电能传输装置，其特征在于，所述具有谐振跳频功能的身份识别与谐振解耦接收端部分包括接收端无线通信模块、用于产生伪随机码的接收端单片机控制器、整流稳压电路、接收端功率检测电路、具有谐振跳频功能的接收线圈；所述接收端无线通信模块、接收端功率检测电路、具有谐振跳频功能的接收线圈连接所述接收端单片机控制器；所述具有谐振跳频功能的接收线圈通过整流稳压电路连接负载；所述接收端功率检测电路连接所述整流稳压电路。

7.根据权利要求6所述的一种具有身份识别与谐振解耦功能的无线电能传输装置，其特征在于，所述具有谐振跳频功能的接收线圈包括继电器与高频电容所组成的并联阵列及包括单匝激励线圈和多匝接收线圈的接收端电能接收线圈；所述并联阵列与所述接收端电能接收线圈连接，从而调节频率；所述继电器一端接高电平一端接三极管的集电极，所述继电器还并联快恢复二极管；所述三极管的基极连接光电耦合器，所述光电耦合器另一端连接所述接收端单片机控制器的IO口。

8.根据权利要求6所述的一种具有身份识别与谐振解耦功能的无线电能传输装置，其特征在于，所述接收端无线通信模块采用ZigBee通讯模块用于功率数据传输、谐振解耦过程的时序同步、数据校验。