一种基于飞秒激光的无线输电方法及电能传输装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于飞秒激光的无线输电方法及电能传输装置，对飞秒激光发射器和电信号发射器之间的闪络放电进行采集，通过无线输电技术进行处理得到稳定的电压，即利用飞秒激光脉冲在空气中传播产生的非线性现象‑成丝，电信号接收电极在飞秒激光脉冲中闪络放电，将闪络放电的电压脉冲滤波并转变成交流电，利用飞秒激光脉冲进行远距离无线输电；经过非接触变压器耦合后的交流电压的峰‑峰值可降低到原来的几十分之一甚至更低，后级电路的绝缘程度可以大幅度减小，使后级电路成本大幅度减小。本发明专利技术输出电压为直流电压，可供许多设备作为电源使用；能解决一些特殊状况下的用电需求，例如通信卫星无线输电、高速电动汽车电源等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光、非接触供电与自动控制的
，具体涉及一种基于飞秒激光的无线输电方法及电能传输装置。
技术介绍
高强度飞秒激光脉冲在空气中成丝时，将产生很长的低密度等离子体柱，产生的等离子体柱可以用来激发高压电，并在空气中将高压电传导到几米至几十km，甚至更远的距离。飞秒激光发电技术可望解决一些特殊状况下的用电需求，例如通信卫星无线输电、高速电动汽车电源等。飞秒激光传输的脉冲信号强弱可以设定，在电信号接收器上可以获得几kV~几千kV的电压脉冲，其瞬间冲击电流可达几kA。目前，无线充电主要有三种方式：电磁感应式、电磁振动式和无线电波式。电磁感应式无线充电技术基于电磁感应原理，电流流过线圈时将产生磁场，此时将另一个未通电的线圈置入该磁场中，在该线圈中就会产生电流。这种无线充电方式使用距离很短，而且随着距离的增加，电能损耗会变的很大，传输距离基本为厘米级，并且线圈和电路之间需要屏蔽。电磁振动式无线充电技术利用电流通过线圈产生同频率的磁场共振来实现，通过能量发送装置和接收装置内的线圈具有相同的振动频率，将线圈调校为磁共振系统并排列在磁场中，发送端与电源相连接，发送端产生的振荡磁场频率与接收线圈的固有振动频率相同从而在接收端产生共振，实现能量的传播。磁振动式无线充电技术传输距离和效率由磁场的强弱决定，而且这种非辐射电磁场的范围有限，目前只能在较短距离内实现，一般为几米的范围，不适合长距离传输电能，由于该技术要求以特定的频率进行能量传输，因此需要设定特定频率进行保护，并且对线圈尺寸有要求，如果线圈尺寸过小，接收端接收到的功率将大幅减小。无线电波式无线充电技术主要采用微波进行电能传输，微波发射装置为直接插入市电插座的电子设备，微型接收端嵌入被充电电子设备内，对发送器发生的安全低频电磁波进行捕捉。虽然微波辐射式的传输距离最远，但是由于微波辐射式传输存在巨大的空间路径损耗，因此该充电技术的传输功率小，仅能传输小于100mW的功率，仅适用于功率非常小的电子设备。峰值功率密度达到一定值的飞秒激光在空气中传播时，在一定距离范围内出现自聚焦，这种典型的传播叫成丝或自控传播。当光束收缩时脉冲在传播方向上变短，并在横向衍射方向保持很窄的半径，成丝现象既不是被冷冻，又不是时间和空间上的局域结构，成丝可以在没有任何外部导向机构的辅助下，保持很窄的光束直径传播超过衍射长度的距离。空气中成丝结构的物理原理还不是很明了。虽然脉冲在丝状物中传播时，很多物理机理起作用，但是形成过程主要由于两个非线性效应：一方面光学克尔效应，抵消衍射并且根据本身聚焦光束；另一方面多光子吸收限制光束强度。气体电离减小了介质的折射率从而导致光束散焦。丝的一个明显的特点就是它的普适性：无论在固体、液体还是气体中，只要光子能量小于基本的电子转移能量就会出现成丝现象。这表明在非线性区可能存在一个传播动力学强烈吸引区。当中心阻挡物阻止光的传播时，仍然产生细丝。事实上激光存储的能量使成丝重新生成，结果成丝遍及例如雾和雨等不利的大气条件。当激光能量足以在空气中传播一定距离时，丝长度可以达到几米、几十km，甚至更远的距离。成丝的出现为电荷的转移提供了通道，从而实现远距离无线充电。根据设定，飞秒激光的脉冲频率可在一定范围内调节。电信号接收器上的电压脉冲幅值极高，这给电气装置的绝缘提出了很高的要求，如何将电信号接收器上的电压脉冲转变成用户端所需的直流电或交流电是此项技术的瓶颈。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提出了一种基于飞秒激光的无线输电方法及电能传输装置，利用电信号接收电极闪络放电采集飞秒激光的飞秒成丝的电压，利用谐振、滤波和整流电路得到直流电压，实现了飞秒激光的无线电能传输。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种基于飞秒激光的无线电能传输装置，包括飞秒激光发射装置、电信号发射器和高压电源，飞秒激光发射装置和电信号发射器相连接，电信号发射器与高压电源相连接，其特征在于，所述飞秒激光发射装置和电信号发射器之间的光路上设有电信号接收电极，电信号接收电极与电信号接收器相连接，电信号接收器与谐振电路相连接，谐振电路与非接触变压器相连接，非接触变压器与整流电路相连接，整流电路与BUCK电路相连接，BUCK电路与输出电阻Ro并联连接；所述飞秒激光发射装置与控制器相连接，控制器与第一无线通信模块相连接；所述BUCK电路与驱动电路相连接，驱动电路与控制电路相连接，控制电路分别与第一电流检测电路、第一电压检测电路、第二电流检测电路、第二电压检测电路和第二无线通信模块相连接，第一电流检测电路设置在谐振电路的一端，第一电压检测电路设置在谐振电路的输出端，第二电流检测电路设置在BUCK电路与输出电阻Ro之间，第二电压检测电路设置在BUCK电路的输出端，第二无线通信模块与第一无线通信模块通过无线通信技术相连接。所述谐振电路包括电容C1、电感L1、电感L2和电容C2，电容C1并联在电信号接收器两端，电容C2并联在非接触变压器两端，电感L1和电感L2设置在电容C1和电容C2之间，电感L1和电感L2互相紧密耦合并加装铁芯。所述非接触变压器与整流电路之间并联有电容CS，非接触变压器包括原边线圈的电感LP和副边线圈的电感LS，电感LP与电感LS互相疏松耦合，电感LP与电容C2并联连接，电感LS与电容CS并联连接；所述整流电路包括桥式连接的四个二极管。所述第一电流检测电路设置在电感L1和电感L2之间，第一电压检测电路并联设置在电容C2和电感LP之间。所述整流电路与BUCK电路之间并联有电容C3；所述BUCK电路包括二极管D1、二极管D2、开关管V1、电感L3，二极管D2与电容C3并联连接，二极管D2与电容C3之间设有开关管V1，开关管V1上并联有二极管D1，开关管V1与驱动电路相连接；BUCK电路的输出端并联有电容C4，电容C4与输出电阻Ro并联连接，电感L3设置在二极管D2与电容C4之间。所述第二电流检测电路设置在二极管D2与电容C4之间，第二电压检测电路并联设置在电容C4两端。其无线输电方法为：步骤一：控制器控制飞秒激光发射装置发射飞秒激光脉冲给由高压电源供电的电信号发射器，在此过程中，飞秒激光脉冲向电信号接收电极闪络放电，电信号接收器接收闪络放电的电脉冲得到电压脉冲u1；步骤二：利用谐振电路（10）将电压脉冲u1中的高次谐波滤波并生成自激振荡得到交流谐振电压uP，非接触变压器将交流谐振电压uP通过电磁感应由原边线圈的电感LP传递到副边线圈的电感LS，得到交流谐振电压uS；步骤三：交流谐振电压uS经整流电路的整流得到直流电压u2；直流电压u2经BUCK电路降压和滤波得到直流电压uo；步骤四：第一电流检测电路、第一电压检测电路、第二电流检测电路、第二电压检测电路分别将其检测的电流信号、电压信号传送至控制电路（14），控制电路分别计算输入功率和输出功率；控制电路通过驱动电路控制BUCK电路中开关管的工作状态，调节PWM输出信号的占空比，控制输出功率的大小；控制电路通过第二无线通信模块将输入功率传送至第一无线通信模块，控制器调节飞秒激光发射装置的发出飞秒激光的脉冲强度和输出能量，从而使输出电阻Ro得到稳定的电压。采用能量匹配的方法计算闪络放电的频率与强度，其控制方法为：控制电路根据第二电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于飞秒激光的无线电能传输装置，包括飞秒激光发射装置（1）、电信号发射器（5）和高压电源（6），飞秒激光发射装置（1）和电信号发射器（5）相连接，电信号发射器（5）与高压电源（6）相连接，其特征在于，所述飞秒激光发射装置（1）和电信号发射器（5）之间的光路上设有电信号接收电极（41），电信号接收电极（41）与电信号接收器（4）相连接，电信号接收器（4）与谐振电路（10）相连接，谐振电路（10）与非接触变压器（7）相连接，非接触变压器（7）与整流电路（8）相连接，整流电路（8）与BUCK电路（9）相连接，BUCK电路（9）与输出电阻Ro并联连接；所述飞秒激光发射装置（1）与控制器（2）相连接，控制器（2）与第一无线通信模块（3）相连接；所述BUCK电路（9）与驱动电路（13）相连接，驱动电路（13）与控制电路（14）相连接，控制电路（14）分别与第一电流检测电路（11）、第一电压检测电路（12）、第二电流检测电路（15）、第二电压检测电路（16）和第二无线通信模块（17）相连接，第一电流检测电路（11）设置在谐振电路（10）的一端，第一电压检测电路（12）设置在谐振电路（10）的输出端，第二电流检测电路（15）设置在BUCK电路（9）与输出电阻Ro之间，第二电压检测电路（16）设置在BUCK电路（9）的输出端，第二无线通信模块（17）与第一无线通信模块（3）通过无线通信技术相连接。...

【技术特征摘要】
1.一种基于飞秒激光的无线电能传输装置，包括飞秒激光发射装置（1）、电信号发射器（5）和高压电源（6），飞秒激光发射装置（1）和电信号发射器（5）相连接，电信号发射器（5）与高压电源（6）相连接，其特征在于，所述飞秒激光发射装置（1）和电信号发射器（5）之间的光路上设有电信号接收电极（41），电信号接收电极（41）与电信号接收器（4）相连接，电信号接收器（4）与谐振电路（10）相连接，谐振电路（10）与非接触变压器（7）相连接，非接触变压器（7）与整流电路（8）相连接，整流电路（8）与BUCK电路（9）相连接，BUCK电路（9）与输出电阻Ro并联连接；所述飞秒激光发射装置（1）与控制器（2）相连接，控制器（2）与第一无线通信模块（3）相连接；所述BUCK电路（9）与驱动电路（13）相连接，驱动电路（13）与控制电路（14）相连接，控制电路（14）分别与第一电流检测电路（11）、第一电压检测电路（12）、第二电流检测电路（15）、第二电压检测电路（16）和第二无线通信模块（17）相连接，第一电流检测电路（11）设置在谐振电路（10）的一端，第一电压检测电路（12）设置在谐振电路（10）的输出端，第二电流检测电路（15）设置在BUCK电路（9）与输出电阻Ro之间，第二电压检测电路（16）设置在BUCK电路（9）的输出端，第二无线通信模块（17）与第一无线通信模块（3）通过无线通信技术相连接。2.根据权利要求1所述的基于飞秒激光的无线电能传输装置，其特征在于，所述谐振电路（10）包括电容C1、电感L1、电感L2和电容C2，电容C1并联在电信号接收器（4）两端，电容C2并联在非接触变压器（7）两端，电感L1和电感L2设置在电容C1和电容C2之间，电感L1和电感L2互相紧密耦合并加装铁芯。3.根据权利要求2所述的基于飞秒激光的无线电能传输装置，其特征在于，所述非接触变压器（7）与整流电路（8）之间并联有电容CS，非接触变压器（7）包括原边线圈的电感LP和副边线圈的电感LS，电感LP与电感LS互相疏松耦合，电感LP与电容C2并联连接，电感LS与电容CS并联连接；所述整流电路（8）包括桥式连接的四个二极管。4.根据权利要求3所述的基于飞秒激光的无线电能传输装置，其特征在于，所述第一电流检测电路（11）设置在电感L1和电感L2之间，第一电压检测电路（12）并联设置在电容C2和电感LP之间。5.根据权利要求1所述的基于飞秒激光的无线电能传输装置，其特征在于，所述整流电路（8）与BUCK电路（9）之间并联有电容C3；所述BUCK电路（9）包括二极管D1、二极管D2、开关管V1、电感L3，二极管D2与电容C3并联连接，二极管D2与电容C3之间设有开关管V1，开关管V1上并联有二极管D1，开关管V1与驱动电路（13）相连接；BUCK电路（9）的输出端并联有电容C4，电容C4与输出电阻Ro并联连接，电感L3设置在二极管D2与电容C4之间。6.根据权利要求5所述的基于飞秒激光的无线电能传输装置，其特征在于，所述第二电流检测电路（15）设置在二极管D2与电容C4之间，第二电压检测电路（16）并联设置在电容C4两端。7.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：张秋慧，周成虎，李小魁，邢伟伟，贾贞贞，马楚欣，刘玉平，张晓玫，雷万忠，孙耀，孙越，
申请(专利权)人：河南工程学院，
类型：发明
国别省市：河南;41