磁耦合谐振式无线电能传输系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了一种磁耦合谐振式无线电能传输系统和方法，包括：发射设备和接收设备；在发射设备中包括有发射端LC谐振网络、供能电源以及自谐振控制电路；供能电源向发射端LC谐振网络充电，自谐振控制电路在充电完毕后，断开供能电源的供电；发射端LC谐振网络在自身固有频率下自谐振振荡，并通过该发射端LC谐振网络中的谐振线圈将能量以电磁波的形式传输出去；在接收设备中包括有接收端LC谐振网络以及自适应调节电路；接收端LC谐振网络的谐振线圈感应所述电磁波并产生谐振振荡；所述自适应调节电路通过调节该接收端LC谐振网络的固有频率，使该接收端LC谐振网络与所述发射端的LC谐振网络产生磁耦合共振。本发明专利技术解决了传统无线传能方案高频控制难，自适应性差等难题。

【技术实现步骤摘要】
磁耦合谐振式无线电能传输系统和方法
本专利技术涉及无线电能传输技术，特别是指一种磁耦合谐振式无线电能传输系统和方法。
技术介绍
中国在大力发展智能电网技术中，安装在输电杆塔上的设备没有工作电源，传统的办法是采用太阳能极板和蓄电池的组合来提供设备工作电源，这种供电方式的后期维护成本较高。而高压输电线路感应取电技术为等电位取电，可以给工作在线路上的设备提供工作电源。然而工作在杆塔上的设备仍然没有工作电源，如果由导线将电能传递至杆塔，等同将输电线路的高电位与地电位短路，不可实施。无线电能传输(WirelessPowerTransmission，WPT)，即无线输电是借助于电磁场或电磁波进行能量传递的一种新型技术。随着科技的发展，传统的输电方式很难满足其供电需求。因此，发展无线电能传输技术的重要性日益凸显出来。现有的无线输电大致可分为：电磁感应式、电磁辐射式和电磁共振式。电磁感应式传输距离近、效率低。发电机、电动机的定转子之间的能量传递就是利用此原理，传输距离为毫米级。电磁辐射式传输距离远，但如果是全方向性辐射，传输电能的效率会十分低；而如果是定向辐射，要具有不问断可视的方位和十分复杂的追踪仪器设备，其研制难度很大。电磁共振式，主要利用磁耦合谐振式输能技术，是对感应式的突破，理论上可以在几米的范围内实现高效能量传输，一旦技术上取得突破将改变人们的用电方式，其应用前景广阔。磁耦合谐振式输能技术思路最早由麻省理工学院(MIT)于2006年提出，并于2007年得到了初步的实验验证，实验结果发表在了《Science》杂志。该项技术本质上依靠磁场传递能量，它通过谐振线圈间磁场的耦合，借助发射和接收线圈产生的共振实现能量的无线传输。此项技术理论上可以在米级距离传输较大功率的能量，同时具有穿越非导磁性障碍物、对相对位置要求较低等突出优点。该技术的基本实现方式主要是在发射端设置输能电源、驱动电路和发射电路；在接收端设置接收电路和稳压电路等。其中发射电路一般是由发射线圈和电容组成的LC振荡回路，接收电路是由接收线圈和电容组成的LC振荡回路。由输能电源给发射线圈提供持续的能量输出，由驱动电路产生驱动信号激励发射线圈谐振，产生交变磁场。交变磁场作用于接收线圈，使接收线圈产生谐振，由于接收线圈与发射线圈频率相同，因此二者产生共振，从而将输能电源的能量传输到接收线圈。参见图1所示，为该现有技术一种典型实现方案的结构。包括直流电源、开关电路、发射电路、增强器、谐振接收电路五个部分。其中，直流电源、开关电路与发射电路串联连接，通过开关电路，作为产生驱动信号的驱动电路，控制开关管T的开通和关断，从而得到激励发射电路谐振的高频方波电压，使发射电路的LC回路产生高频振荡；接收电路的LC回路产生同频共振，接收发射电路发射的能量。目前对该项技术的研究难点在于：为了提高传输效率和传输距离，使其达到可应用级别，都迫切要求提高发射电路的振荡频率。但是这样一方面要求提高发射电路的LC回路振荡频率，同时也要求驱动电路产生与之匹配的高频驱动信号，并且要求在高频率下该驱动信号与发射电路中的LC回路振荡频率保持完全同步。一般的做法是精确测定发射电路的固有振荡频率后，再设置驱动信号的发生频率，并且在设备工作时还需要调节该驱动信号频率与LC回路频率同步。但随着发射线圈振荡频率的提高，控制开关管T自身的器件所决定的开关频率和时机很难调节，因此难以实现精准控制，无法使线圈随时都振荡在谐振频率上。控制开关管T的开关频率也要达到发射电路的振荡频率，对控制开关的损耗也很大。接收电路的谐振频率也必须与发射电路的发射频率一致，因此无论对发射线圈还是接收线圈的加工工艺要求都比较高。并且随着温度、湿度等外部环境的改变，离散电感参数也在随之发生变化，并且由于无线传能装置离散参数复杂，线圈容易受到外围电路干扰，造成频点漂移。而现有技术驱动信号的频率却不能随之自适应地改变，从而将严重影响无线能量传输的可靠性以及效率。从而对无线输电技术在工程上特别是高压输电领域实际应用和推广造成了很大障碍。目前始终没有一个方案能很好地解决此问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提出一种磁耦合谐振式无线电能传输的系统和方法，以解决传统无线传能方案高频控制难，自适应性差等难题。基于上述目的本专利技术提供的磁耦合谐振式无线电能传输系统，包括：发射设备和接收设备；在发射设备中包括有发射端LC谐振网络、供能电源以及自谐振控制电路；供能电源向发射端LC谐振网络充电，自谐振控制电路在充电完毕后，断开供能电源的供电；发射端LC谐振网络在自身固有频率下自谐振振荡，并通过该发射端LC谐振网络中的谐振线圈将能量以电磁波的形式传输出去；在接收设备中包括有接收端LC谐振网络以及自适应调节电路；接收端LC谐振网络的谐振线圈感应所述电磁波并产生谐振振荡；所述自适应调节电路通过调节该接收端LC谐振网络的固有频率，使该接收端LC谐振网络与所述发射端的LC谐振网络产生磁耦合共振。可选的，该系统所述发射端LC谐振网络在自身固有频率下自谐振振荡过程中，自谐振控制电路检测到发射端LC谐振网络中能量低于预定阈值时，闭合供能电源开始给所述发射端LC谐振网络充电。可选的，该系统所述发射设备中供能电源为恒定电压的直流电源，自谐振控制电路包括：发射端电流检测装置、发射控制模块、发射开关模块；所述直流电源、发射开关模块与发射端LC谐振网络串联连接；所述发射端电流检测装置用于检测发射端LC谐振网络上的电流并将检测到的电流值传输给发射控制模块；所述发射控制模块用于控制发射开关模块断开或闭合；发射开关模块闭合后，直流电源开始给所述发射端LC谐振网络充电，当发射端电流检测装置检测到电流值高于预定的电流最大值时，发射控制模块控制发射开关模块断开，使发射端LC谐振网络开始自振荡并向外传能；当所述发射端电流检测装置检测到所述发射端LC谐振网络上的电流值低于预定的电流最小值时，发射控制模块控制发射开关模块闭合。可选的，该系统所述当所述发射端电流检测装置检测到所述发射端LC谐振网络上的电流值低于预定的电流最小值时，还检测电流是否过零点，当电流过零点时，发射控制模块控制发射开关模块闭合。可选的，该系统所述直流电源为感应式取电装置，用于从高压输电线上感应取得能量并整流滤波形成稳定的直流电压源。可选的，该系统在接收设备中，所述自适应调节电路包括：能量检测装置、反馈控制电路、自适应谐振调节装置；在接收设备中还包括能量采集输出电路；接收端LC谐振网络接收发射设备传输来的电磁波并产生谐振振荡，能量检测装置检测该接收端LC谐振网络上的电流并将电流值输出给反馈控制电路，反馈控制电路根据电流值的变化向自适应谐振调节装置发送控制信号，自适应谐振调节装置调节所述接收端LC谐振网络的固有频率，以使LC谐振网络上的电流值最大化；能量采集输出电路将所述LC谐振网络中的电流采集处理后输出。可选的，该系统所述能量检测装置包括：穿心电流互感器和整流稳压模块；所述反馈控制电路为MCU；所述自适应谐振调节装置包括电机驱动模块、电机以及与接收端LC谐振网络中的耐压电容并联的可调电容；穿心电流互感器感应接收端LC谐振网络中的电流，将感应电流输出至整流稳压模块，整流稳压后输入给MCU中的AD模块；MCU根据调节本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征在于，包括：发射设备和接收设备；在发射设备中包括有发射端LC谐振网络、供能电源以及自谐振控制电路；供能电源向发射端LC谐振网络充电，自谐振控制电路在充电完毕后，断开供能电源的供电；发射端LC谐振网络在自身固有频率下自谐振振荡，并通过该发射端LC谐振网络中的谐振线圈将能量以电磁波的形式传输出去；在接收设备中包括有接收端LC谐振网络以及自适应调节电路；接收端LC谐振网络的谐振线圈感应所述电磁波并产生谐振振荡；所述自适应调节电路通过调节该接收端LC谐振网络的固有频率，使该接收端LC谐振网络与所述发射端的LC谐振网络产生磁耦合共振。

【技术特征摘要】
1.一种磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征在于，包括：发射设备和接收设备；在发射设备中包括有发射端LC谐振网络、供能电源以及自谐振控制电路；所述自谐振控制电路还包括：发射端电流检测装置、发射控制模块、发射开关模块，所述供能电源、发射开关模块与发射端LC谐振网络串联连接；所述发射端电流检测装置用于检测发射端LC谐振网络上的电流并将检测到的电流值传输给发射控制模块；所述发射控制模块用于控制发射开关模块断开或闭合；所述发射开关模块闭合后，供能电源向发射端LC谐振网络充电，自谐振控制电路在充电完毕后，所述发射控制模块控制发射开关模块断开供能电源的供电；发射端LC谐振网络在自身固有频率下自谐振振荡，并通过该发射端LC谐振网络中的谐振线圈将能量以电磁波的形式传输出去；在接收设备中包括有接收端LC谐振网络以及自适应调节电路；所述自适应调节电路包括：能量检测装置、反馈控制电路、自适应谐振调节装置；接收端LC谐振网络的谐振线圈感应所述电磁波并产生谐振振荡；能量检测装置检测该接收端LC谐振网络上的电流并将电流值输出给反馈控制电路，反馈控制电路根据电流值的变化向自适应谐振调节装置发送控制信号，所述自适应谐振调节装置调节所述接收端LC谐振网络的固有频率，以使接收端LC谐振网络上的电流值最大化；所述自适应调节电路通过调节该接收端LC谐振网络的固有频率，使该接收端LC谐振网络与所述发射端的LC谐振网络产生磁耦合共振。2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述发射端LC谐振网络在自身固有频率下自谐振振荡过程中，自谐振控制电路检测到发射端LC谐振网络中能量低于预定阈值时，闭合供能电源开始给所述发射端LC谐振网络充电。3.根据权利要求2所述系统，其特征在于，所述发射设备中供能电源为恒定电压的直流电源；所述发射开关模块闭合后，直流电源开始给所述发射端LC谐振网络充电，当发射端电流检测装置检测到电流值高于预定的电流最大值时，发射控制模块控制发射开关模块断开，使发射端LC谐振网络开始自振荡并向外传能；当所述发射端电流检测装置检测到所述发射端LC谐振网络上的电流值低于预定的电流最小值时，发射控制模块控制发射开关模块闭合。4.根据权利要求3所述系统，其特征在于，所述当所述发射端电流检测装置检测到所述发射端LC谐振网络上的电流值低于预定的电流最小值时，还检测电流是否过零点，当电流过零点时，发射控制模块控制发射开关模块闭合。5.根据权利要求3所述系统，其特征在于，所述直流电源为感应式取电装置，用于从高压输电线上感应取得能量并整流滤波形成稳定的直流电压源。6.根据权利要求1所述系统，其特征在于，在接收设备中还包括能量采集输出电路；所述自适应谐振调节装置调节所述接收端LC谐振网络的固有频率，以使接收端LC谐振网络上的电流值最大化；能量采集输出电路将所述接收端LC谐振网络中的电流采集处理后输出。7.根据权利要求6所述系统，其特征在于，所述能量检测装置包括：穿心电流互感器和整流稳压模块；所述反馈控制电路为MCU；所述自适应谐振调节装置包括电机驱动模块、电机以及与接收端LC谐振网络中的耐压电容并联的可调电容；穿心电流互感器感应接收端LC谐振网络中的电流，将感应电流输出至整流稳压模块，整流稳压后输入给MCU中的AD模块；MCU根据调节前后电流值的变化，发出调节信号至电机驱动模块；电机驱动模块控制电机调节所述可调电容的电容值。8.根据权利要求6所述系统，其特征在于，所述能量采集输出电路包括：匹配网络、整流稳压模块、充电控制电路、蓄电池；接收端LC谐振网络的输出端连接至所述匹配网络，匹配网络用于使接收端LC谐振网络内阻与接收端等效负载阻抗匹配，并将接收端LC谐振网络上的电流输出至整流稳压模块；经整流稳压处理后的电流分别输出至蓄电池和负载，所述蓄电池同时向负载供电；所述充电控制电路检测蓄电池两端电压，当电压值低于预定阈值时，充电控制电路开启向蓄电池充电，并继续检测蓄电池两端电压；当电压值达到蓄电池满电电压值时，充电控制电路停止向蓄电池充电。9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述整流稳压模块与负载之间以及充电控制电路与负载之间分别连接有用于防止回流的二极管。10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述自适应谐振调节装置调节所述接收端LC谐振网络的固有频率的过程包括：上电初始化后，检测接收端LC谐振网络上的电流值，判断是否为零...

【专利技术属性】
技术研发人员：管保安，管宇，
申请(专利权)人：武汉泰可电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42