一種磁諧振無線電能傳輸系統(tǒng)及其阻抗匹配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于磁耦合諧振無線電能傳輸技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種可實(shí)現(xiàn)自動阻抗匹配的磁諧振無線電能傳輸系統(tǒng)及其阻抗匹配方法，適用于磁耦合共振無線電能傳輸系統(tǒng)中隨著發(fā)射端和接收端相對位置改變，耦合結(jié)構(gòu)阻抗也發(fā)生改變的情況。
【背景技術(shù)】
[0002]自尼古拉.特斯拉在一個(gè)世紀(jì)以前提出無線電能傳輸理論之后，無線電能傳輸就一直是人們研宄的熱點(diǎn)。多年來國內(nèi)外專家一直在進(jìn)行無線電能傳輸?shù)难绣?，但一直以來科研進(jìn)展緩慢，直到2007年6月，麻省理工學(xué)院(MIT)物理教授Marin Soljacic及其小組成員提出一種基于強(qiáng)磁耦合磁諧振的全新方案，實(shí)驗(yàn)中使用兩個(gè)直徑為60cm、由銅線繞制的線圈，并使線圈的固有諧振頻率處于9.9MHz，利用磁耦合共振原理成功點(diǎn)亮了一個(gè)離電源約2m的60W電燈泡，后來這項(xiàng)技術(shù)被稱為WiTricity，至此，開辟了無線電能傳輸技術(shù)的研宄盛況。為了使無線電能傳輸技術(shù)盡快得到應(yīng)用，2010年9月I日，全球首個(gè)推動無線充電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化組織一無線充電聯(lián)盟(Wireless Power Consortium, WPC)在北京宣布將Qi無線充電國際標(biāo)準(zhǔn)率先引入中國，信息產(chǎn)業(yè)部通信電磁兼容質(zhì)量監(jiān)督中心也加入該組織，其中深圳桑菲消費(fèi)通信有限公司是Qi標(biāo)準(zhǔn)的支持者，也是該聯(lián)盟常務(wù)理事成員中唯--家中國企業(yè)。
[0003]目前國內(nèi)外無線電能傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)有三種方式:
[0004]1.電磁感應(yīng)式——類似于松耦合變壓器，通過初級和次級線圈的電磁感應(yīng)產(chǎn)生電流，從而將能量從發(fā)射端輸送到接收端，適合效率較高的近距離傳輸。
[0005]2.電磁輻射式一一其基本原理類似于早期使用的礦石收音機(jī)，目前已有相對成熟的理論，作用范圍廣、傳送功率大，但對生物環(huán)境影響較大且效率低下。
[0006]3.磁親合共振式--麻省理工學(xué)院Marin Sol jacic及其小組成員提出的全新方案，其原理是利用磁場的非輻射近場耦合來傳遞能量，在很大程度上減小了對人體的傷害，延長了無線電能傳輸?shù)木嚯x，此方式傳輸效率高、距離遠(yuǎn)、功率大，是未來無線電能傳輸發(fā)展的主流方向。
[0007]磁耦合共振無線電能傳輸系統(tǒng)，是通過兩個(gè)結(jié)構(gòu)對稱的線圈間磁耦合共振來傳遞能量的，當(dāng)兩線圈發(fā)生諧振時(shí)，在電源參數(shù)不變時(shí)通過線圈的電流達(dá)到最大，線圈周圍磁場最強(qiáng)。耦合線圈中的電容和電感通過不停的充放電，實(shí)現(xiàn)發(fā)射端和接收端高效率、大功率的能量傳輸。
[0008]磁耦合共振無線電能傳輸系統(tǒng)雖然有很大優(yōu)勢，但是該系統(tǒng)的有兩個(gè)最重要前提:耦合線圈不僅要處于諧振狀態(tài)，還必須是處于臨界耦合點(diǎn)。對于一般的無線輸電系統(tǒng)電源頻率和線圈參數(shù)一般不會改變，可保證系統(tǒng)一直處于諧振狀態(tài)；臨界耦合點(diǎn)則是非常容易改變，其主要是受收發(fā)線圈相對位置影響比較大，當(dāng)收發(fā)線圈位置發(fā)生各種變化時(shí)，系統(tǒng)傳輸性能往往會降低。無線輸電中接收端位置通常是比較靈活的。
[0009]綜上所述，磁耦合共振無線電能傳輸系統(tǒng)的中收發(fā)線圈之間相對位置發(fā)生改變時(shí)，給系統(tǒng)帶來的性能降低不可忽視。當(dāng)接收線圈發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)、傳輸距離增大、水平側(cè)移時(shí)等位置變化時(shí)，通過改變系統(tǒng)電源頻率和線圈參數(shù)等方法都不切實(shí)際并且比較困難。為此，我們必須找到一種技術(shù)方法來優(yōu)化傳輸系統(tǒng)一一當(dāng)系統(tǒng)接收端位置發(fā)生不可預(yù)測的改變時(shí)，可以快速方便的提高系統(tǒng)的傳輸性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的在于針對磁耦合共振無線電能傳輸系統(tǒng)中隨著收發(fā)線圈相對位置發(fā)生改變而導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸功率下降的問題，從阻抗匹配角度提出的一種具有自動阻抗匹配功能的磁諧振無線電能傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)是通過中央處理單元對檢測到的反射系數(shù)進(jìn)行處理，得到電機(jī)控制器的控制量，從而電機(jī)控制器調(diào)節(jié)可變電容來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，在同等條件下可以顯著提高系統(tǒng)傳輸效率和功率，有效消除接收端位置發(fā)生改變時(shí)對系統(tǒng)帶來的負(fù)面影響。
[0011]為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案如下:
[0012]一種磁諧振無線電能傳輸系統(tǒng)，所述的磁諧振無線電能傳輸系統(tǒng)包括磁諧振無線電能傳輸模塊和自動阻抗匹配模塊，所述自動阻抗匹配模塊連接在磁諧振無線傳輸模塊的發(fā)射端，所述的磁諧振無線傳輸模塊包括空間位置可變的接收線圈和空間位置固定的發(fā)射線圈；
[0013]所述自動阻抗匹配模塊包括反射系數(shù)檢測器、中央處理單元、電機(jī)控制器、L型阻抗匹配電路，所述的反射系數(shù)檢測器與阻抗匹配電路串接，所述反射系數(shù)檢測器的信號輸出端連接中央處理單元，所述中央處理單元的信號輸出端連接電機(jī)控制器，所述電機(jī)控制器的信號輸出端控制連接L型阻抗匹配電路。
[0014]根據(jù)本發(fā)明所述的一種可實(shí)現(xiàn)自動阻抗匹配的磁諧振無線電能傳輸系統(tǒng)，所述的中央處理單元包括單片機(jī)和連接單片機(jī)的具有按鍵功能的人機(jī)交互界面。
[0015]根據(jù)本發(fā)明所述的一種可實(shí)現(xiàn)自動阻抗匹配的磁諧振無線電能傳輸系統(tǒng)，所述的L型阻抗匹配電路包括第一可調(diào)電容、第二可調(diào)電容、固定電感和兩位置切換開關(guān)，所述兩位置切換開關(guān)的動觸頭連接第二可調(diào)電容，所述兩位置切換開關(guān)的兩個(gè)靜觸頭分別連接在所述第一可調(diào)電容與固定電感組成的串聯(lián)支路的兩端，所述的電機(jī)控制器控制第一可調(diào)電容、第二可調(diào)電容，所述兩位置切換開關(guān)通過具有按鍵功能的人機(jī)交互界面控制。
[0016]根據(jù)本發(fā)明所述的一種可實(shí)現(xiàn)自動阻抗匹配的磁諧振無線電能傳輸系統(tǒng)，所述的兩位置切換開關(guān)在兩個(gè)位置處，分別構(gòu)成正L型阻抗匹配電路和反L型阻抗匹配電路，兩位置切換開關(guān)由人機(jī)交互界面上的按鍵控制。
[0017]根據(jù)本發(fā)明所述的一種可實(shí)現(xiàn)自動阻抗匹配的磁諧振無線電能傳輸系統(tǒng)，所述的接收線圈和發(fā)射線圈均由兩個(gè)線圈構(gòu)成，外側(cè)線圈為單匝線圈，內(nèi)側(cè)線圈為多匝線圈，所述的接收線圈的外側(cè)線圈連接負(fù)載，所述發(fā)射線圈的外側(cè)線圈連接自動阻抗匹配。
[0018]本發(fā)明還提供一種磁諧振無線電能傳輸系統(tǒng)的阻抗匹配方法，所述的阻抗匹配方法步驟如下:
[0019](I)系統(tǒng)開始工作，反射系數(shù)檢測器實(shí)時(shí)檢測傳輸通道上的入射電壓波和反射電壓波，并將檢測結(jié)果換算成反射系數(shù)的模和相位輸入到中央處理單元；
[0020](2)如果反射系數(shù)的模和相位相對于阻抗匹配狀態(tài)時(shí)沒有變化，則中央處理單元判定無線輸電模塊中的接收線圈位于初始的最佳位置，系統(tǒng)輸電性能最佳，此時(shí)系統(tǒng)阻抗處于匹配狀態(tài)，自動阻抗匹配模塊不進(jìn)行阻抗匹配工作；
[0021](3)如果反射系數(shù)的模和相位相對于阻抗匹配狀態(tài)時(shí)發(fā)生變化，則中央處理單元判定無線輸電模塊中的接收線圈空間位置發(fā)生變化，系統(tǒng)阻抗處于失配狀態(tài)，自動阻抗匹配模塊開始阻抗匹配工作；
[0022](4)中央處理單元根據(jù)反射系數(shù)檢測器輸入的反射系數(shù)的模和相位信息，通過阻抗匹配算法得到使系統(tǒng)達(dá)到阻抗匹配狀態(tài)時(shí)，第一可調(diào)電容和第二可調(diào)電容的電容量信息，并發(fā)送電容調(diào)節(jié)指令給電機(jī)控制器；
[0023](5)電機(jī)控制器從中央處理單元得到指令后，根據(jù)步驟⑷得到的電容量信息對第一可調(diào)電容、第二可調(diào)電容的電容量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改變阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗，直到系統(tǒng)阻抗達(dá)到匹配狀態(tài)時(shí)停止。
[0024]根據(jù)本發(fā)明所述的阻抗匹配方法，所述的自動阻抗匹配模塊包括阻抗匹配電路，所述的阻抗匹配電路包括第