磁耦合谐振式无线能量传输装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种磁耦合谐振式无线能量传输装置和方法，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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线能量传输
，具体涉及磁耦合谐振式无线能量传输装置和方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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和方法。为解决上述问题，本专利技术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。磁耦合谐振式无线能量传输方法，包括如下步骤：高频电源输出高频交流电能；高频交流电能经过阻抗匹配网络形成共轭匹配、并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，进而产生同频的交变电流；整流滤波电路将接收线圈接收的能量变换成稳定的直流电；级联变换电路对该直流电进行调节和处理，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，检测系统的第一检测单元采集系统输入信息，即高频电源的输出电压和输出电流，并通过信号调理和A/D转换后送入发射微控制器，发射微控制器经过无线发射模块将系统输入信息发出；控制系统的无线接收模块接收无线发射模块发出的系统输入信息，并将其送至接收微控制器中；与此同时，控制系统的第二检测单元采集系统输出信息，即整流滤波电路的输出电压和输出电流，并通过信号调理和A/D转换后送入接收微控制器；第三检测单元采集级联变换电路的工作电压，即Boost变换电路的输出电压，并通过信号调理和A/D转换后送入接收微控制器；当系统的负载或距离发生变化时，控制系统的接收微控制器以一定的扰动输出PWM信号调节级联变换电路的Boost变换电路的占空比和Buck变换电路的占空比，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。与现有技术相比，本专利技术具有如下特点：1、在控制系统中采用基于功效乘方的评价指标，在发射端设置检测单元本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：范兴明，贾二炬，张鑫，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45