具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的磁耦合諧振式無(wú)線充電裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的磁耦合諧振式無(wú)線充電裝置，屬于無(wú)線充電技術(shù)領(lǐng)域，由發(fā)射裝置和接收裝置組成，發(fā)射裝置與接收裝置耦合諧振作用無(wú)線連接；其中，發(fā)射裝置包括高頻電源、發(fā)射端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、發(fā)射線圈及發(fā)射端控制系統(tǒng)；高頻電源的輸出端經(jīng)發(fā)射端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)與發(fā)射線圈的輸入端連接；發(fā)射端控制系統(tǒng)的輸入端與高頻電源的輸出端連接；發(fā)射端控制系統(tǒng)的輸出端與發(fā)射端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連接；接收裝置包括接收線圈、接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、調(diào)理電路、負(fù)載及接收端控制系統(tǒng)；接收線圈與發(fā)射線圈耦合諧振作用無(wú)線連接；接收線圈的輸出端經(jīng)接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和調(diào)理電路與負(fù)載連接；接收端控制系統(tǒng)的輸入端與調(diào)理電路的輸出端連接；解決現(xiàn)有無(wú)線充電裝置無(wú)法實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的傳輸性能和無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制調(diào)節(jié)的問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】
具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的磁耦合諧振式無(wú)線充電裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及無(wú)線充電技術(shù)領(lǐng)域，具體的來(lái)說(shuō)是涉及具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的磁耦合諧振式無(wú)線充電裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在人類進(jìn)入電氣時(shí)代以后，電能的傳輸主要通過(guò)金屬導(dǎo)線的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接接觸傳輸。但有線充電存在摩擦、老化等問(wèn)題，在電能傳輸過(guò)程中易產(chǎn)生火花，影響用電設(shè)備的壽命和安全;而且用電設(shè)備的增多，會(huì)導(dǎo)致電線繁雜，給人類生活帶來(lái)不便;同時(shí)維護(hù)困難、靈活性較差，在雨雪等惡劣環(huán)境下充電困難。而無(wú)線充電技術(shù)可以省卻繁瑣的充電作業(yè)，實(shí)現(xiàn)智能化、人性化，具有更強(qiáng)的靈活性、更高的安全性和穩(wěn)定性，更加符合未來(lái)社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)。
[0003]常用的無(wú)線充電技術(shù)包括電磁感應(yīng)式，磁耦合諧振式和微波輻射式。其中磁耦合諧振式利用近場(chǎng)區(qū)的能量非輻射特性，基于共振原理，通過(guò)發(fā)射線圈與接收線圈之間的耦合諧振作用使能量在具有相同諧振頻率的發(fā)射線圈與接收線圈之間來(lái)回傳遞，而不同頻率的物體基本不受影響，能夠?qū)崿F(xiàn)中等距離的高效率能量傳輸。相比于電磁感應(yīng)式傳輸距離遠(yuǎn);相比于微波輻射式，傳輸效率更高，因此更加受到人們的青睞。磁耦合諧振式無(wú)線能量傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效能量傳輸?shù)那疤崾蔷嚯x和負(fù)載不發(fā)生變化。然而在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)的傳輸距離和工作負(fù)載受工作環(huán)境的影響而發(fā)生變化時(shí)，會(huì)造成頻率分裂、阻抗不匹配，很大程度上會(huì)降低系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率。因此，在傳輸距離和負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，一種能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)系統(tǒng)傳輸性能并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制調(diào)節(jié)的裝置對(duì)充分發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、增強(qiáng)該技術(shù)的實(shí)用性具有至關(guān)重要的意義。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型需要解決的是現(xiàn)有無(wú)線充電裝置無(wú)法實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的傳輸性能和無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制調(diào)節(jié)的問(wèn)題，提供具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的磁耦合諧振式無(wú)線充電裝置。
[0005]本實(shí)用新型通過(guò)以下技術(shù)方案解決上述問(wèn)題:
[0006]具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的磁耦合諧振式無(wú)線充電裝置，由發(fā)射裝置和接收裝置組成，發(fā)射裝置與接收裝置耦合諧振作用無(wú)線連接;其特征在于:發(fā)射裝置包括高頻電源、發(fā)射端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、發(fā)射線圈及發(fā)射端控制系統(tǒng);高頻電源的輸出端經(jīng)發(fā)射端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)與發(fā)射線圈的輸入端連接;發(fā)射端控制系統(tǒng)的輸入端與高頻電源的輸出端連接;發(fā)射端控制系統(tǒng)的輸出端與發(fā)射端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連接;接收裝置包括接收線圈、接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、調(diào)理電路、負(fù)載及接收端控制系統(tǒng);接收線圈與發(fā)射線圈耦合諧振作用無(wú)線連接;接收線圈的輸出端經(jīng)接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和調(diào)理電路與負(fù)載連接;接收端控制系統(tǒng)的輸入端與調(diào)理電路的輸出端連接。
[0007]發(fā)射端控制系統(tǒng)包括定向耦合器、衰減器、反射系數(shù)檢測(cè)模塊、發(fā)射端微控制器、發(fā)射端電機(jī)與無(wú)線發(fā)送模塊;其中定向耦合器的輸入端與高頻電源的輸出端相連，定向耦合器的輸出端經(jīng)衰減器、反射系數(shù)檢測(cè)模塊和濾波器與發(fā)射端微控制器的輸入端連接;發(fā)射端微控制器的一輸出端與無(wú)線發(fā)送模塊的輸入端相連，發(fā)射端微控制器的另一輸出端與發(fā)射端電機(jī)的輸入端相連;發(fā)射端電機(jī)的輸出端與發(fā)射端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)相連。
[0008]接收端控制系統(tǒng)包括無(wú)線接收模塊、接收端微控制器、接收端電機(jī)、直流電源與電壓電流檢測(cè)模塊；電壓電流檢測(cè)模塊的輸入端與調(diào)理電路的輸出端連接；電壓電流檢測(cè)模塊的輸出端與接收端微控制器連接;接收端微控制器的輸入端與無(wú)線接收模塊連接;接收端微控制器的輸出端與接收端電機(jī)和調(diào)理電路連接;接收端電機(jī)的輸出端與接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連接;直流電源的輸出端與接收端微控制器連接供電。
[0009]為了能更好給負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓或電流，上述方案中，優(yōu)選的是調(diào)理電路包括整流電路、濾波電路、DC-DC變換電路及穩(wěn)壓電路;其中整流電路的輸入端與接收裝置的接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端相連，整流電路的輸出端經(jīng)濾波電路和DC-DC變換電路與穩(wěn)壓電路的輸入端相連;穩(wěn)壓電路的輸出端與負(fù)載相連。
[0010]為了便于系統(tǒng)性能的計(jì)算和參數(shù)的設(shè)計(jì)，上述方案中，優(yōu)選的是發(fā)射線圈與接收線圈的結(jié)構(gòu)相同，且二者的中心固定在同一水平線上，也可以提高電能傳輸效率。
[0011]進(jìn)一步的，上述方案中，優(yōu)選的是發(fā)射線圈與接收線圈均由銅線繞制而成。
[0012]上述方案中，優(yōu)選的是調(diào)理電路中的DC-DC變換電路為Buck-Boost電路。
[0013]上述方案中，優(yōu)選的是濾波電路為二階巴特沃思濾波電路。
[0014]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)與效果是:
[0015]1、本實(shí)用新型通過(guò)在高頻電源和發(fā)射線圈之間、接收線圈與調(diào)理電路之間加入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合電機(jī)控制空氣電容的方案，同時(shí)對(duì)發(fā)射裝置和接收裝置進(jìn)行阻抗匹配，具有調(diào)諧速度快，精度高，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)等優(yōu)勢(shì)；
[0016]2、進(jìn)一步的，能夠在負(fù)載或傳輸距離發(fā)生變化時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)阻抗匹配，提高系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作；
[0017]3、本實(shí)用新型基于電磁耦合諧振技術(shù)實(shí)現(xiàn)中等距離的無(wú)線電能傳輸，具有高效、非輻射能量傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖；
[0019]圖2為本實(shí)用新型調(diào)理電路的結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0021]具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的磁耦合諧振式無(wú)線充電裝置，如圖1所示，由發(fā)射裝置和接收裝置組成，發(fā)射裝置與接收裝置耦合諧振作用無(wú)線連接。其中發(fā)射裝置由高頻電源，發(fā)射端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，發(fā)射線圈和發(fā)射端控制系統(tǒng)組成;接收裝置由接收線圈，接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，調(diào)理電路，負(fù)載及接收端控制系統(tǒng)組成，接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)采用的是空氣調(diào)諧電容。發(fā)射裝置的發(fā)射端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入端與高頻電源的輸出端相連，發(fā)射裝置的發(fā)射端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端與發(fā)射線圈相連。高頻電源輸出的高頻正弦交流電，經(jīng)過(guò)發(fā)射端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)，直接傳輸?shù)桨l(fā)射線圈。發(fā)射端控制系統(tǒng)分別與高頻電源的輸出端、發(fā)射端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入端相連，檢測(cè)高頻電源的工作狀態(tài)，并通過(guò)分析處理，調(diào)節(jié)發(fā)射端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。發(fā)射端控制系統(tǒng)與接收端控制系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線通信;發(fā)射線圈通過(guò)磁耦合諧振作用將能量傳遞到接收線圈。接收線圈通過(guò)接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)及調(diào)理電路與負(fù)載相連。接收線圈從發(fā)射線圈接收高頻正弦交變電流，經(jīng)過(guò)接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)及調(diào)理電路的調(diào)節(jié)變換處理后輸出直流給負(fù)載供電。接收端控制系統(tǒng)分別與接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和調(diào)理電路相連，監(jiān)控調(diào)理電路的輸出，保證系統(tǒng)工作的安全性。本實(shí)用新型的負(fù)載可以是手機(jī)，筆記本，MP3及日常中小功率家用電器等。
[0022]發(fā)射端控制系統(tǒng)包括定向耦合器、衰減器、反射系數(shù)檢測(cè)模塊、發(fā)射端微控制器、發(fā)射端電機(jī)與無(wú)線發(fā)送模塊;其中定向耦合器的輸入端與高頻電源的輸出端相連，定向耦合器的輸出端經(jīng)衰減器、反射系數(shù)檢測(cè)模塊和濾波器與發(fā)射端微控制器的輸入端連接;發(fā)射端微控制器的一輸出端與無(wú)線發(fā)射模塊的輸入端相連，發(fā)射端微控制器的另一輸出端與發(fā)射端電機(jī)的輸入端相連;發(fā)射端電機(jī)的輸出端與發(fā)射裝置的發(fā)射端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)相連。發(fā)射端微控制器采用型號(hào)為T(mén)MS320X2812的微控制器，反射系數(shù)檢測(cè)模塊使用AD8302模塊。
[0023]接收端控制系統(tǒng)包括無(wú)線接收模塊、接收端微控制器、接收端電機(jī)、直流電源與電壓電流檢測(cè)模塊，如圖1所示。電壓電流檢測(cè)模塊的輸入端與調(diào)理電路的輸出端連接；電壓電流檢測(cè)模塊的輸出端與接收端微控制器連接;接收端微控制器的輸入端分別與無(wú)線接收模塊、接收端電機(jī)和調(diào)理電路連接;接收端電機(jī)的輸出端與接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連接;直流電源的輸出端與接收端微控制器連接供電。接收端微控制器采用型號(hào)為MSP430的微控制器，無(wú)線接收模塊和發(fā)射端控制系統(tǒng)中的無(wú)線發(fā)送模塊均使用藍(lán)牙模塊。
[0024]發(fā)射端控制系統(tǒng)的無(wú)線發(fā)送模塊與接收端控制系統(tǒng)的無(wú)線接收模塊無(wú)線相連;發(fā)射線圈與接收線圈無(wú)線相連，如圖1所示。所述發(fā)射線圈與接收線圈的結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)基本相同，二者均為自諧振線圈。發(fā)射線圈和接收線圈的中心軸線重合;發(fā)射線圈與發(fā)射端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端相連，接收線圈與接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入端相連。所述發(fā)射線圈與接收線圈均由銅線繞制而成。
[0025]調(diào)理電路包括整流電路，濾波電路，DC-DC變換電路和穩(wěn)壓電路，濾波器為模擬濾波器，如圖2所示。整流電路的輸入端與接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端相連，整流電路的輸出端與濾波電路的輸入端相連。DC-DC變換電路的輸入端與濾波電路的輸出端相連，DC-DC變換電路的輸出端與穩(wěn)壓電路的輸入端相連，穩(wěn)壓電路的輸出端與負(fù)載相連。整流電路將由發(fā)射端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)輸出的高頻交變電流轉(zhuǎn)換為直流，濾波電路將整流電路輸出的直流電中的雜波慮除，DC-DC變換電路將濾波電路輸出的電能進(jìn)行電壓變換，轉(zhuǎn)換成適合于負(fù)載的工作電壓。穩(wěn)壓電路穩(wěn)定DC-DC變換電路的輸出，保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定。
[0026]本實(shí)用新型的工作過(guò)程如下:高頻電源發(fā)出高頻正弦交流電，經(jīng)過(guò)發(fā)射端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)之后，將電能傳遞到發(fā)射線圈，發(fā)射線圈產(chǎn)生共振，在周?chē)a(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)。接收線圈與發(fā)射線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)基本相同，也發(fā)生共振，產(chǎn)生同頻共振的電磁場(chǎng)，形成能量接收通道，接收電能，在發(fā)射線圈產(chǎn)生同頻的交變電流。經(jīng)過(guò)接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和調(diào)理電路的處理后，轉(zhuǎn)換成適合給負(fù)載供電的電壓或電流，進(jìn)而給負(fù)載供電，實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸。當(dāng)發(fā)射線圈與接收線圈間的距離或系統(tǒng)的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生影響。發(fā)射端控制系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前高頻電源的輸出信號(hào)進(jìn)行采集，分析后，由發(fā)射端微控制器通過(guò)自動(dòng)阻抗匹配算法將調(diào)節(jié)信息傳遞給發(fā)射端電機(jī)和發(fā)射端無(wú)線發(fā)送模塊，接收端無(wú)線接收模塊接收發(fā)射端無(wú)線發(fā)送模塊的信息并將該信息傳遞給接收端控制系統(tǒng)的微控制器。接收端微控制器將該調(diào)節(jié)信息傳遞給接收端電機(jī)和調(diào)理電路中的DC-DC變換電路。兩側(cè)發(fā)射端電機(jī)和接收端電機(jī)分別控制調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)發(fā)射端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的可調(diào)電容，改變發(fā)射端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的元件參數(shù)，并不斷的通過(guò)檢測(cè)高頻電源的輸出信號(hào)直到判定系統(tǒng)重新達(dá)到阻抗匹配。同時(shí)接收端微控制器輸出信號(hào)改變DC-DC變換電路的占空比，改變調(diào)理電路的輸出電壓。接收端的電流電壓檢測(cè)模塊檢測(cè)DC-DC變換電路的輸出信號(hào)并將信息傳遞到接收端微控制器，微控制器經(jīng)過(guò)分析產(chǎn)生新的調(diào)節(jié)信號(hào)改變DC-DC變換電路的占空比，直到DC-DC變換電路的輸出滿足負(fù)載的供電需求。
[0027]以上已對(duì)本實(shí)用新型創(chuàng)造的較佳實(shí)施例進(jìn)行了具體說(shuō)明，但本實(shí)用新型并不限于實(shí)施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本實(shí)用新型創(chuàng)造精神的前提下還可以作出種種的等同的變型或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請(qǐng)的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的磁耦合諧振式無(wú)線充電裝置，其特征在于:由發(fā)射裝置和接收裝置組成，發(fā)射裝置與接收裝置耦合諧振作用無(wú)線連接;其特征在于:發(fā)射裝置包括高頻電源、發(fā)射端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、發(fā)射線圈及發(fā)射端控制系統(tǒng);高頻電源的輸出端經(jīng)發(fā)射端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)與發(fā)射線圈的輸入端連接;發(fā)射端控制系統(tǒng)的輸入端與高頻電源的輸出端連接；發(fā)射端控制系統(tǒng)的輸出端與發(fā)射端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連接;接收裝置包括接收線圈、接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、調(diào)理電路、負(fù)載及接收端控制系統(tǒng);接收線圈與發(fā)射線圈耦合諧振作用無(wú)線連接;接收線圈的輸出端經(jīng)接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和調(diào)理電路與負(fù)載連接;接收端控制系統(tǒng)的輸入端與調(diào)理電路的輸出端連接； 發(fā)射端控制系統(tǒng)包括定向耦合器、衰減器、反射系數(shù)檢測(cè)模塊、發(fā)射端微控制器、發(fā)射端電機(jī)與無(wú)線發(fā)送模塊;其中定向親合器的輸入端與高頻電源的輸出端相連，定向親合器的輸出端經(jīng)衰減器、反射系數(shù)檢測(cè)模塊和濾波器與發(fā)射端微控制器的輸入端連接;發(fā)射端微控制器的一輸出端與無(wú)線發(fā)送模塊的輸入端相連，發(fā)射端微控制器的另一輸出端與發(fā)射端電機(jī)的輸入端相連;發(fā)射端電機(jī)的輸出端與發(fā)射端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)相連； 接收端控制系統(tǒng)包括無(wú)線接收模塊、接收端微控制器、接收端電機(jī)、直流電源與電壓電流檢測(cè)模塊；電壓電流檢測(cè)模塊的輸入端與調(diào)理電路的輸出端連接；電壓電流檢測(cè)模塊的輸出端與接收端微控制器連接;接收端微控制器的輸入端與無(wú)線接收模塊連接;接收端微控制器的輸出端與接收端電機(jī)和調(diào)理電路連接;接收端電機(jī)的輸出端與接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連接;直流電源的輸出端與接收端微控制器連接供電。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的磁耦合諧振式無(wú)線充電裝置，其特征在于:所述調(diào)理電路包括整流電路、濾波電路、DC-DC變換電路及穩(wěn)壓電路;其中整流電路的輸入端與接收裝置的接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端相連，整流電路的輸出端經(jīng)濾波電路和DC-DC變換電路與穩(wěn)壓電路的輸入端相連;穩(wěn)壓電路的輸出端與負(fù)載相連。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的磁耦合諧振式無(wú)線充電裝置，其特征在于:所述發(fā)射線圈與接收線圈的結(jié)構(gòu)相同，且二者的中心固定在同一水平線上。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的磁耦合諧振式無(wú)線充電裝置，其特征在于:所述發(fā)射線圈與接收線圈均由銅線繞制而成。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的磁耦合諧振式無(wú)線充電裝置，其特征在于:所述調(diào)理電路中的DC-DC變換電路為Buck-Boost電路。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的磁耦合諧振式無(wú)線充電裝置，其特征在于:所述發(fā)射端控制系統(tǒng)中的濾波器為二階巴特沃思濾波電路。
【文檔編號(hào)】H02J50/12GK205647044SQ201620406314
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月6日
【發(fā)明人】范興明, 賈二炬, 張?chǎng)?
【申請(qǐng)人】桂林電子科技大學(xué)