一种无线电能传输设备发射端自适应调谐装置及调谐方法制造方法及图纸

一种无线电能传输设备发射端自适应调谐装置及调谐方法，该装置由交流电源、整流滤波电路、高频逆变电路、电压检测装置、LC可调网络、补偿电容CP、发射线圈LP、发射端阻抗RP、电流检测装置之间依次电连接。控制器接收电流和电流检测装置的输出，并计算控制高频逆变电路和LC可调网络。其中LC可调网络的组成是由M1、M2两个全控型器件串联二极管D1，D2后反并联，与固定电感LT串联，在与功率普通电容CT并联，构成一个相控电感电容并联电路，S1、S2为LC控制电路控制M1、M2的开关的方波。该调谐装置及其调谐方法能增强能量传输系统稳定性，解决了现有无线能量传输系统易失谐和发射装置不能给多种接收端传输能量的缺点。

【技术实现步骤摘要】
一种无线电能传输设备发射端自适应调谐装置及调谐方法
本专利技术属于无线电能传输技术和新型能量转换
，具体涉及一种磁耦合谐振式无线电能传输设备自适应调谐装置及调谐方法。
技术介绍
无线能量传输，即用电设备能以非接触方式从电网获取电能的传输方式。目前的无线能量传输方式主要是基于电磁辐射的传输方式、基于电磁感应原理的传输方式、基于磁耦合谐振式的传输方式。基于磁耦合谐振方式是通过两个具有相同谐振频率的谐振体以磁场为媒介来实现能量传输，传输的距离在米级别，系统对外界的影响很小，接收端和发送端无严格方向性，传输功率可以达到千瓦级别。基于电磁辐射和电磁感应的无线能量传输方式在传输功率、传输效率、传输距离等方面不可兼得的缺点，而基于磁耦合谐振式无线能量传输方式具有传输距离远、安全、可靠、高效等诸多优点而备受关注，被认为最具有潜力的无线能量传输实施性方案。但目前研究的磁耦合谐振式无线能量传输系统都是要求发射端和接收端的谐振频率相同，发射线圈和接收线圈参数相同，这也就意味着每个接收端都需要与之相匹配的发射端。但作为一种电源系统，无线电能传输系统的接收端负载往往具有很大的随机性，这就不能保证最大传输功率和系统的稳定工作。这一弊端影响了无线电能传输系统的通用性。因为在我们生活和生产中，并不希望每个用电设备都必须使用相应的能量发射设备，更多的是希望一个发射设备就能为不同的用电设备提供能量，比如：在消费电子产品中，希望一个能量发射设备能为手机、笔记本电脑、平板电脑等不同设备充电。由于不同接收端的谐振频率可能不一样，而磁耦合谐振式无线能量传输系统要想实现高效能量传输，就要求发射端和接收端的谐振频率相同，因此磁耦合谐振式无线电能传输装置的核心问题就是接收线圈和发射线圈之间的能量传输。理想情况下磁耦合谐振式无线电能传输装置的发射端与接收端LC电路的固有谐振频率和电源激励频率应处于同一频率，这样才能建立有效电能传输通路，接收端电路才能从发射端产生的交变磁场中获得最大电能。由于磁耦合谐振式无线能量传输系统很容易受外界的影响或负载改变使得发射端电路或者接收电路的L、C参数发生改变，从而改变线圈的固有谐振频率，产生失谐现象，降低无线电能传输功率，使传输效率急剧降低。在单个发射端能给不同的接收端传输能量的条件下，为了维持电能的稳定传输，增强无线电能传输装置的通用性，就必须在不同的接收端负载下调整发射端的L或C的值，使其和接收端的谐振频率匹配，甚至要调整电源的激励频率，使系统在新的频率点谐振，这样才能维持高效电能传输。传统的做法是通过手动调节线圈的匝数或者使用离散电容阵列。由于手动调节会存在一定误差，不能保证系统工作在谐振状态，传输效率低，系统不具有实用性；离散阵列电容调节连续性差，调节精度差且成本高，不利于推行，如何实现发射装置根据接收端的谐振频率不同自动调整自身的谐振频率，并具有响应速度快、精度高、稳定性好的性能，是一个亟需解决的问题。因此，有必要提供一种改进的无线能量发射装置来解决上述的问题。
技术实现思路
本专利技术的第一目的是提供了一种无线电能传输设备发射端自适应调谐装置，该调谐装置能使发射端保持在最大电流有效值下运行，即发射端电路更接近完全谐振状态，发射端电压和电流相位差为零，降低了发射端的系统损耗，以提高接收端的有功功率，进而提高无线电能传输设备的传输功率和效率。本专利技术实现其第一专利技术目的所采用的技术方案是一种无线电能传输设备发射端自适应调谐装置，其特征在于：无线电能传输设备中的发射端回路由发射线圈、整流滤波电路、高频逆变电路、功率管驱动电路、LC可调网络、LC控制电路、控制器、电流检测装置、电压检测装置组成。所述LC可调网络由一个固定电感和两个反并联的全控型器件串联后再与一个固定电容器并联连接而成，构成相控电感电容并联电路；两个全控型器件的控制端和LC控制电路相连。所述控制器接受所述电压和电流检测装置输出的信号，控制器内置了高频逆变电路频率调节算法和接收端谐振频率跟踪算法，并将计算的电源频率信号和LC可调网络电抗值输出给功率驱动管电路和LC控制电路。所述LC控制电路接受所述控制器输出的电抗值信号，并为LC可调网络中全控型器件提供控制信号，且具有两路输出控制信号。所述功率管驱动电路接受控制器提供的电源频率信号，并为高频逆变电路中的功率管提供动作信号。本专利技术的第二目的是提供一种使用上述的发射端自适应调谐装置进行调谐的方法，该方法更快捷、更有效地实现发射端的调谐，降低发射端的损耗，进而提高无线电能传输设备的传输功率和效率。本专利技术实现其第二专利技术目的所采用的技术方案是，一种使用上述的发射端自适应调谐装置对无线电能传输设备发送端进行调谐的方法，其步骤是：A、初始时，设定两个全控管断开，设定发射端的电源逆变频率式中ω为电源逆变频率，LP为线圈的电感值，CP为谐振补偿电容的电容值，CT为LC可调网络中电容的电容值。B、检测当前频率下发射端电路中的电压和电流，计算电路的阻抗角θ。C、当θ＞0时，说明系统处于失谐状态，需要LC可调网络中的相控电感电路表现为感性，按照设定的Δω得到较小的ω1，ω1＝ω-Δω，并求出ω1下对应的等效容值，再求出等效容值对应的相控电感电路的导通角此时调整逆变电路中的逆变频率为ω1，相控电感电路的导通角转B步。D、当θ＜0时，说明系统处于失谐状态，需要LC可调网络中的相控电感电容电路表现为容性，按照设定的Δω得到较大的ω2，ω2＝ω+Δω，并求出ω2下对应的等效容值，再求出等效容值对应的相控电感电容电路的导通角此时调整逆变电路中的逆变频率为ω2，相控电感电容电路的导通角转B步。E、当θ＝0时，系统谐振，无需调节。本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术采用静态的补偿电容进行初步的静态调谐补偿，再采用相控电感电容并联电路进行动态调谐；大幅降低了动态调谐的调谐变化范围，提高了调谐精度；由两个全控管控制相控电感电容并联电路中的电感的通断时间实现相控电感电容并联电路从全感性至全容性的无级调节，较之离散电容阵列的有级调节，其连续性好、调谐精度高；从而本专利技术能实现更高精度的调谐，使发射端更接近理想的谐振状态，其损耗更少，从而进一步提高无线电能传输设备的传输功率和效率。同时，双向晶闸管控制相控电感电容并联电路较之离散的电容阵列，其体积小、价格低廉、电路简单、便于集成、易于推广。2、本专利技术涉及到LC可调网络自适应调谐装置，将其串联在发射回路中，因此不用在接收端加装其他装置，相比现有在接收端加装相控调谐装置的设备而增大了接收端设备的体积，不易携带，本专利技术应用范围更广。3、本专利技术利用电路谐振时，发射线圈中电压和电流的相位差为零的原理来动态补偿谐振回路的电抗，不仅补偿了负荷的阻抗，也补偿了线路中不可测量的阻抗(比如接收端线圈的漏感和温度、湿度变化导致的阻抗漂移)所造成的谐振回路参数漂移。其调谐更精确、可靠，因此本专利技术的方法能实现更高精度的调谐，使发射端更接近理想的谐振状态，其有功功率更高，更好的提高无线电能传输设备的传输功率和效率。附图说明图1为本专利技术实施例的无线电能传输设备自适应调谐装置的电路结构示意图。其中M为两线圈互感，Ls为接收线圈电感，Cs为接收端补偿电容，Rs为接收端负载。图2为本专利技术所述LC可调网络中的相控电感电容并联电路。具体实施方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线电能传输设备发射端自适应调谐装置，其特征在于：该装置由交流电源、整流滤波电路、高频逆变电路、电压检测装置、LC可调网络、补偿电容CP、发射线圈LP、发射端阻抗RP、电流检测装置之间依次电连接，电压检测装置、电流检测装置、控制器、LC控制电路、功率管驱动电路之间依次电连接；所述发射装置可以和接收端通过磁场耦合谐振传输能量，电压和电流检测装置用于实时检测发射线圈回路中的电压和电流信号并进行处理后输出给控制器；所述控制器为整个系统的控制核心，根据输入的电压和电流信号进行计算处理并输出相应的信号给功率管驱动电路和LC控制电路；所述LC可调网络连接发射线圈用于调节发射系统的固有谐振频率从而实时跟踪接收端的固有谐振频率变化；所述功率管驱动电路控制高频逆变电路输出的电源频率。

【技术特征摘要】
1.一种无线电能传输设备发射端自适应调谐装置，其特征在于：该装置由交流电源、整流滤波电路、高频逆变电路、电压检测装置、LC可调网络、补偿电容CP、发射线圈LP、发射端阻抗RP、电流检测装置之间依次电连接，电压检测装置、电流检测装置、控制器、LC控制电路、功率管驱动电路之间依次电连接；所述发射装置可以和接收端通过磁场耦合谐振传输能量，电压和电流检测装置用于实时检测发射线圈回路中的电压和电流信号并进行处理后输出给控制器；所述控制器为整个系统的控制核心，根据输入的电压和电流信号进行计算处理并输出相应的信号给功率管驱动电路和LC控制电路；所述LC可调网络连接发射线圈用于调节发射系统的固有谐振频率从而实时跟踪接收端的固有谐振频率变化；所述功率管驱动电路控制高频逆变电路输出的电源频率。2.根据权利要求书1所述的一种无线电能传输设备发射端自适应调谐装置，其特征在于：所述LC可调网络由相控电感电容并联电路组成，接受所述LC控制电路提供的控制信号。3.根据权利要求书2所述的LC可调网络，其特征在于：所述的相控电感电容电路由M1、M2两个全控型器件串联二极管D1，D2后反并联，与固定电感LT串联，再与功率普通电容CT并联，构成一个相控电感电容并联电路，S1、S2为LC控制电路控制M1、M2的开关的方波。调节全控型器件的导通角能改变LC可调网络的输出电抗值。4.根据权利要求书1所述的一种无线电能传输设备发射端自适应调谐装置，其特征在于：所述控制器接受所述电压和电流检测装置输出的信号，控制器内置了高频逆变电路频率调节算法和接收端谐振频率跟踪...

【专利技术属性】
技术研发人员：禄盛，冯攀，邓聪颖，陈翔，朴昌浩，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50