本申請是申請日為2014年7月7日、申請?zhí)枮?01410319498.8、發(fā)明名稱為“無線能量傳輸系統(tǒng)的諧振頻率控制方法和裝置”的專利申請的分案申請。

本發(fā)明涉及無線能量傳輸技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種無線能量傳輸系統(tǒng)的諧振頻率控制方法和用于無線能量傳輸?shù)难b置。

背景技術(shù)：

各種用電設(shè)備通常使用有線連接來實(shí)現(xiàn)能量的傳輸。由于能量的無線傳輸具有使用安全和方便的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸一直是人們渴望實(shí)現(xiàn)的夢想。在一些特殊的應(yīng)用場所，如水下作業(yè)、醫(yī)用植入設(shè)備、無線網(wǎng)絡(luò)等不方便或不能使用導(dǎo)線提供能量的場合，實(shí)現(xiàn)無線能量傳輸具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

根據(jù)能量傳輸原理，目前，在國內(nèi)外所研究的無線能量傳輸技術(shù)主要有電磁波能量傳輸技術(shù)、感應(yīng)耦合式無線能量傳輸技術(shù)和諧振式無線能量傳輸技術(shù)。

電磁波能量傳輸技術(shù)是利用天線發(fā)送和接收的原理，比如使用微波進(jìn)行無線能量傳輸，這種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)極高的傳輸功率，該技術(shù)存在的主要問題是在能量傳輸路徑上不能有障礙物遮擋，即能量傳輸無法繞過或穿過障礙物。

感應(yīng)耦合式無線能量傳輸技術(shù)是利用電磁感應(yīng)原理，采用松耦合變壓器或可分離式變壓器實(shí)現(xiàn)非接觸式功率傳輸。該種技術(shù)存在的主要問題是能量傳輸距離受到傳輸原理的局限而被限制在毫米等級。

諧振式無線電能傳輸技術(shù)是一種使相隔一定距離的發(fā)射回路和接收回路都處于諧振狀態(tài)的能量傳輸技術(shù)，它適合在中等距離實(shí)現(xiàn)無線能量的傳輸。由于發(fā)射回路和接收回路在實(shí)際的工作環(huán)境中容易受到各種干擾，使整個(gè)系統(tǒng)難以工作于諧振狀態(tài)，而系統(tǒng)的失諧將使系統(tǒng)的傳輸效率急劇下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，在無線能量傳輸系統(tǒng)中，能夠自動(dòng)調(diào)整或控制系統(tǒng)的諧振頻率并使整個(gè)系統(tǒng)工作于諧振狀態(tài)。

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的第一方面是要提供一種無線能量傳輸系統(tǒng)的諧振頻率控制方法，所述無線能量傳輸系統(tǒng)利用電磁場的耦合從位于發(fā)射端的發(fā)射回路向位于接收端的接收回路傳輸能量，其特征在于，所述諧振頻率控制方法包括，檢測被接入發(fā)射回路的激勵(lì)電源的輸出電壓和輸出電流；使激勵(lì)電源的工作頻率和發(fā)射回路的固有頻率分別在第一頻率區(qū)域和第二頻率區(qū)域掃描變化，其中，第一頻率區(qū)域和第二頻率區(qū)域都包括接收回路的固有頻率所處的第三頻率區(qū)域，激勵(lì)電源的工作頻率和發(fā)射回路的固有頻率分別掃描第一頻率區(qū)域和第二頻率區(qū)域至少一遍；記錄在掃描過程中激勵(lì)電源的輸出電壓與輸出電流處于同相時(shí)所檢測到的激勵(lì)電源的各個(gè)輸出電流的大小和頻率；選擇出所記錄的各個(gè)輸出電流中的最小輸出電流的頻率；再使激勵(lì)電源的工作頻率和發(fā)射回路的固有頻率都與該最小輸出電流的頻率相同。

在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，發(fā)射回路和接收回路的電路參數(shù)都要受到環(huán)境的影響而變化，使發(fā)射回路和接收回路的固有頻率都要發(fā)生變化，事實(shí)上，發(fā)射回路的固有頻率和接收回路的固有頻率都可能在各自的某一頻率區(qū)域內(nèi)變化，例如，接收回路的固有頻率可能在所述的第三頻率區(qū)域內(nèi)變化，因此在實(shí)際的工作環(huán)境中，發(fā)射回路和接收回路的失諧是很容易發(fā)生的。

本發(fā)明的諧振頻率控制方法，僅僅在系統(tǒng)的發(fā)射端采取控制措施，使激勵(lì)電源的工作頻率和發(fā)射回路的固有頻率都掃描變化并動(dòng)態(tài)跟蹤接收回路的固有頻率，從而使整個(gè)系統(tǒng)處于諧振工作狀態(tài)。

而現(xiàn)有的技術(shù)通常需要在發(fā)射端和接收端都采取控制措施，才能使使整個(gè)系統(tǒng)處于諧振工作狀態(tài)；而在諸如醫(yī)用植入設(shè)備等應(yīng)用中，在系統(tǒng)的接收端采取控制措施是十分困難的，甚至是不可能的；因此，本發(fā)明的諧振頻率控制方法僅僅在系統(tǒng)的發(fā)射端采取控制措施就能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的諧振工作，這在技術(shù)上是一項(xiàng)重大突破并具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

由于激勵(lì)電源的輸出電流的頻率與激勵(lì)電源的工作頻率相同，所以激勵(lì)電源的輸出電流的頻率也就是激勵(lì)電源的工作頻率。

掃描第一頻率區(qū)域一遍是指從第一頻率區(qū)域的一端開始掃描至第一頻率區(qū)域的另一端結(jié)束這樣掃描一遍；同樣，掃描第二頻率區(qū)域一遍是指從第二頻率區(qū)域的一端開始掃描至第二頻率區(qū)域的另一端結(jié)束這樣掃描一遍。

在所述諧振頻率控制方法中，第一頻率區(qū)域可以大于第二頻率區(qū)域，第一頻率區(qū)域可以等于第二頻率區(qū)域，第一頻率區(qū)域也可以小于第二頻率區(qū)域。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，第一頻率區(qū)域包含第二頻率區(qū)域。在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施實(shí)施方式中，第二頻率區(qū)域包含第一頻率區(qū)域。

在所述諧振頻率控制方法中，所述發(fā)射回路的固有頻率在第二頻率區(qū)域以一定的步進(jìn)量掃描變化，并且所述發(fā)射回路的固有頻率每掃描變化一個(gè)步進(jìn)量，所述激勵(lì)電源的工作頻率就掃描第一頻率區(qū)域一遍。

這里所述的每掃描變化一個(gè)步進(jìn)量是指每增加或減少一個(gè)步進(jìn)量。如果步進(jìn)量為100赫茲，一個(gè)步進(jìn)量就代表100赫茲，固有頻率每掃描變化一個(gè)步進(jìn)量是指固有頻率每增加或減少100赫茲。

在所述諧振頻率控制方法中，所述激勵(lì)電源的工作頻率在第一頻率區(qū)域以一定的步進(jìn)量掃描變化，并且所述激勵(lì)電源的工作頻率每掃描變化一個(gè)步進(jìn)量，所述發(fā)射回路的固有頻率就掃描第二頻率區(qū)域一遍。

在所述諧振頻率控制方法中，可以通過控制發(fā)射回路的諧振元件的參數(shù)來使發(fā)射回路的固有頻率掃描變化。優(yōu)選地，通過控制發(fā)射回路的諧振電容的大小來使發(fā)射回路的固有頻率掃描變化。

在所述諧振頻率控制方法中，接收回路的固有頻率所處的第三頻率區(qū)域通常預(yù)先設(shè)定，并通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證所設(shè)定的準(zhǔn)確性，通常要求第三頻率區(qū)域盡量小，但要求接收回路的固有頻率只能在第三頻率區(qū)域內(nèi)變化。

本發(fā)明的第二方面是要提供一種用于無線能量傳輸?shù)难b置，所述裝置利用電磁場的耦合從位于發(fā)射端的發(fā)射回路向位于接收端的接收回路傳送能量，其特征在于，所述裝置包括，電容矩陣，作為發(fā)射回路的諧振元件；檢測電路，用于檢測被接入發(fā)射回路的激勵(lì)電源的輸出電壓和輸出電流；繼電器系統(tǒng)，用于控制電容矩陣以使發(fā)射回路的固有頻率能掃描變化；振蕩器，用于控制激勵(lì)電源的工作頻率；單片機(jī)控制單元，所述單片機(jī)控制單元被設(shè)置成，能控制振蕩器的振蕩頻率使激勵(lì)電源的工作頻率掃描變化，能控制繼電器系統(tǒng)使發(fā)射回路的固有頻率掃描變化，能記錄在激勵(lì)電源的輸出電壓與輸出電流同相時(shí)檢測電路所檢測到的激勵(lì)電源的各個(gè)輸出電流的大小和頻率，能選擇出所記錄的各個(gè)輸出電流中的最小輸出電流的頻率，還能控制振蕩器和繼電器系統(tǒng)使激勵(lì)電源的工作頻率和發(fā)射回路的固有頻率都與該最小輸出電流的頻率相同；其中，激勵(lì)電源的工作頻率和發(fā)射回路的固有頻率分別在第一頻率區(qū)域和第二頻率區(qū)域掃描變化，第一頻率區(qū)域和第二頻率區(qū)域都包括接收回路的固有頻率所處的第三頻率區(qū)域。

本發(fā)明的裝置，僅僅在系統(tǒng)的發(fā)射端設(shè)置控制裝置，就能使激勵(lì)電源的工作頻率和發(fā)射回路的固有頻率都掃描變化并動(dòng)態(tài)跟蹤接收回路的固有頻率，就能實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的諧振工作。而現(xiàn)有的技術(shù)通常需要在系統(tǒng)的發(fā)射端和系統(tǒng)的接收端都設(shè)置控制裝置，才能使整個(gè)系統(tǒng)諧振工作。因此，本發(fā)明的裝置在技術(shù)上具有顯著的進(jìn)步。

在所述的裝置中，第一頻率區(qū)域可以大于第二頻率區(qū)域，第一頻率區(qū)域可以等于第二頻率區(qū)域，第一頻率區(qū)域也可以小于第二頻率區(qū)域。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，第一頻率區(qū)域包含第二頻率區(qū)域。在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，第二頻率區(qū)域包含第一頻率區(qū)域。

優(yōu)選地，所述發(fā)射回路的固有頻率在第二頻率區(qū)域以一定的步進(jìn)量掃描變化，并且所述發(fā)射回路的固有頻率每掃描變化一個(gè)步進(jìn)量，所述激勵(lì)電源的工作頻率就掃描第一頻率區(qū)域一遍。

優(yōu)選地，所述激勵(lì)電源的工作頻率在第一頻率區(qū)域以一定的步進(jìn)量掃描變化，并且所述激勵(lì)電源的工作頻率每掃描變化一個(gè)步進(jìn)量，所述發(fā)射回路的固有頻率就掃描第二頻率區(qū)域一遍。

在所述無線能量傳輸裝置中，可以通過改變電容矩陣的參數(shù)來使發(fā)射回路的固有頻率掃描變化。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的用于無線能量傳輸?shù)难b置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1所示的用于無線能量傳輸?shù)难b置中激勵(lì)電源的工作頻率、發(fā)射回路的固有頻率和接收回路的固有頻率之間的關(guān)系示意圖。

圖3是無線能量傳輸系統(tǒng)的諧振頻率控制方法的控制流程示意圖。

圖4是無線能量傳輸系統(tǒng)的諧振頻率控制方法的另一個(gè)實(shí)施例的控制流程。

具體實(shí)施方式

圖l是本發(fā)明的用于無線能量傳輸?shù)难b置的結(jié)構(gòu)示意圖，它由發(fā)射端與接收端所組成。在圖1中，發(fā)射端包括由激勵(lì)電源、發(fā)射線圈、發(fā)射電容和電容矩陣所構(gòu)成的發(fā)射回路和主要由單片機(jī)控制單元、繼電器系統(tǒng)和檢測電路所構(gòu)成的控制電路。其中，激勵(lì)電源包括直流電源、由場效應(yīng)管和所構(gòu)成的半橋式電路、驅(qū)動(dòng)電路和振蕩器。接收端包括由接收線圈、接收電容和負(fù)載所構(gòu)成的接收回路。

在圖1中，檢測電路分別檢測激勵(lì)電源的輸出電壓和輸出電流，然后被送到a/d轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后被送到微處理器mcu中。微處理器mcu發(fā)出的控制信號(hào)通過i/o接口分別控制振蕩器和繼電器系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)操作。參考圖2，單片機(jī)控制單元控制振蕩器和繼電器系統(tǒng)，使激勵(lì)電源的工作頻率在第一頻率區(qū)域掃描變化，使發(fā)射回路的固有頻率在第二頻率區(qū)域掃描變化，其中，接收回路的固有頻率處于第三頻率區(qū)域內(nèi)，第一頻率區(qū)域和第二頻率區(qū)域都包括第三頻率區(qū)域。

在圖1中，設(shè)流過發(fā)射回路和接收回路的電流分別為、，發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感和距離分別為、，激勵(lì)電源的內(nèi)阻為，發(fā)射線圈與接收線圈的電阻分別為、，其中，發(fā)射回路的電流就是激勵(lì)電源的輸出電流，應(yīng)用基爾霍夫電壓定律，可得到下式：

（1）

可由（1）式可解得：

（2）

式中:

（3）

（4）

（5）

從（2）式中可以看出，激勵(lì)電源的輸出電壓與發(fā)射回路的電流處于同相時(shí)，有，這時(shí)（2）式可變?yōu)?/p>

（6）

從（4）式和（6）式可以看出，電阻的大小與角頻率密切相關(guān)，在激勵(lì)電源的輸出電壓與發(fā)射回路的電流處于同相的情況下，如果取得最大值，這時(shí)取得最小值。

令，可得到取得最大值時(shí)，應(yīng)符合下式：

（7）

式中的為接收回路的品質(zhì)因數(shù)，它符合下式：

（8）

由于在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，品質(zhì)因數(shù)通常遠(yuǎn)大于1，這時(shí)（7）式可變?yōu)椋?/p>

（9）

上式說明這時(shí)接收回路將處于諧振狀態(tài)。將（9）式代入（5）式并應(yīng)用關(guān)系，可以得到：

（10）

上式說明這時(shí)發(fā)射回路也處于諧振狀態(tài)。

因此，在高值的應(yīng)用系統(tǒng)中，在激勵(lì)電源的輸出電壓與激勵(lì)電源的輸出電流處于同相的情況下，取得最小值時(shí)，發(fā)射回路和接收回路基本上處于諧振狀態(tài)。這就是本發(fā)明的諧振頻率控制技術(shù)僅僅在發(fā)射端進(jìn)行控制的理論依據(jù)。

圖2顯示了本實(shí)施例的激勵(lì)電源的工作頻率、發(fā)射回路的固有頻率和接收回路的固有頻率三者之間的相互關(guān)系。在圖2中可以清楚地看到，激勵(lì)電源的工作頻率的掃描范圍在至之間，發(fā)射回路的固有頻率的掃描范圍在至之間，接收回路的固有頻率可在至之間變化，其中，和的掃描范圍都包括了可能變化的整個(gè)頻段。

在本實(shí)施例中，發(fā)射回路的固有頻率在第二頻率區(qū)域以步進(jìn)量為100赫茲掃描變化，并且發(fā)射回路的固有頻率每變化100赫茲，激勵(lì)電源的工作頻率就掃描第一頻率區(qū)域一遍。如果發(fā)射回路的固有頻率從頻率掃描至頻率需要步進(jìn)n次，即變化n個(gè)100赫茲，那么激勵(lì)電源的工作頻率就需要掃描第一頻率區(qū)域n+1遍，這樣當(dāng)發(fā)射回路的固有頻率從頻率掃描至頻率、激勵(lì)電源的工作頻率掃描完第一頻率區(qū)域n+1遍時(shí)，激勵(lì)電源的輸出電壓與輸出電流就有n+1次處于同相狀態(tài)，如果記錄在這一掃描過程中激勵(lì)電源的輸出電壓與輸出電流處于同相時(shí)所檢測到的激勵(lì)電源的n+1個(gè)輸出電流的大小和頻率，并選擇出所記錄的n+1個(gè)輸出電流中的最小輸出電流的頻率，再控制振蕩器和繼電器系統(tǒng)使激勵(lì)電源的工作頻率和發(fā)射回路的固有頻率都與該最小輸出電流的頻率相同，這樣整個(gè)系統(tǒng)將處于諧振狀態(tài)。

圖3是本發(fā)明的無線能量傳輸系統(tǒng)的諧振頻率控制方法的控制流程示意圖。在圖3中可以看到，該諧振頻率控制方法包括：檢測被接入發(fā)射回路的激勵(lì)電源的輸出電壓和輸出電流；使激勵(lì)電源的工作頻率和發(fā)射回路的固有頻率分別在第一頻率區(qū)域和第二頻率區(qū)域掃描變化，并使激勵(lì)電源的工作頻率和發(fā)射回路的固有頻率分別掃描第一頻率區(qū)域和第二頻率區(qū)域至少一遍，其中，第一頻率區(qū)域和第二頻率區(qū)域都包括接收回路的固有頻率所處的第三頻率區(qū)域；記錄在掃描過程中激勵(lì)電源的輸出電壓和輸出電流處于同相時(shí)所檢測到的激勵(lì)電源的各個(gè)輸出電流的大小和頻率；選擇出所記錄的各個(gè)輸出電流中的最小輸出電流的頻率；再使激勵(lì)電源的工作頻率和發(fā)射回路的固有頻率都與該最小輸出電流的頻率相同。

圖4顯示了無線能量傳輸系統(tǒng)的諧振頻率控制方法的另一個(gè)實(shí)施方式的控制流程。在該實(shí)施方式中，諧振頻率控制方法包括：系統(tǒng)初始化，為參數(shù)、、、分別賦值、、0、0，其中、分別為第一頻率區(qū)域和第二頻率區(qū)域的最低頻率；控制振蕩器使激勵(lì)電源的工作頻率工作于第一頻率區(qū)域的最低頻率，控制發(fā)射回路的電容矩陣使其發(fā)射回路的固有頻率工作于第二頻率區(qū)域的最低頻率；檢測被接入發(fā)射回路的激勵(lì)電源的輸出電壓和輸出電流；對參數(shù)是否大于0進(jìn)行判斷，對輸出電壓和輸出電流是否同相進(jìn)行判斷；當(dāng)發(fā)射回路的固有頻率工作于第二頻率區(qū)域的最低頻率時(shí)，激勵(lì)電源的工作頻率以步進(jìn)量從第一頻率區(qū)域的最低頻率掃描至第一頻率區(qū)域的最高頻率，固有頻率每增加一個(gè)步進(jìn)量，激勵(lì)電源的工作頻率以步進(jìn)量掃描第一頻率區(qū)域一遍，當(dāng)發(fā)射回路的固有頻率掃描至第二頻率區(qū)域的最高頻率并且激勵(lì)電源的工作頻率也掃描至第一頻率區(qū)域的最高頻率后，其掃描暫時(shí)停止，并記錄在上述掃描過程中輸出電壓和輸出電流處于同相時(shí)的各個(gè)輸出電流的大小和頻率；選擇出所記錄的各個(gè)輸出電流中的最小電流的頻率；再使激勵(lì)電源的工作頻率和發(fā)射回路的固有頻率都與最小電流的頻率相同，并對參數(shù)增加1，以便后續(xù)的控制。在該實(shí)施方式中，諧振頻率控制方法中還包括，清空所記錄的各個(gè)輸出電流的大小和頻率，以節(jié)省存儲(chǔ)空間；對運(yùn)行中所檢測到的輸出電流的偏移量與原輸出電流之比是否大于進(jìn)行判斷，這里的參數(shù)可以根據(jù)需要設(shè)定，例如可以被設(shè)定為，如果判斷條件不成立，系統(tǒng)以原來選定的最小電流的頻率工作，如果判斷條件成立，將按照前面所述的過程重新選出新的最小電流的頻率，并使激勵(lì)電源的工作頻率和發(fā)射回路的固有頻率與新的最小電流的頻率相同。

盡管已經(jīng)展示和描述了目前認(rèn)為是優(yōu)選的本發(fā)明的實(shí)施例，但顯而易見，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以進(jìn)行各種改變和改進(jìn)。而這些改變或改進(jìn)，都屬于所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的范圍。