CN105305642A - 无线能量传输装置及该种装置的谐振频率控制方法 - Google Patents

Abstract

无线能量传输装置，它包括，电容矩阵；检测电路，用于检测激励电源的输出电压和输出电流；继电器系统；振荡器；单片机控制单元，被设置成，能控制振荡器使激励电源的工作频率扫描变化，能控制继电器系统使发射回路的固有频率扫描变化，能记录输出电压与输出电流同相时各个输出电流的大小和频率，能选择出所记录的各个输出电流中的最小输出电流的频率，还能使激励电源的工作频率和发射回路的固有频率都与该最小输出电流的频率相同。本发明装置，仅仅在系统的发射端设置控制装置，就能使激励电源的工作频率和发射回路的固有频率都扫描变化并动态跟踪接收回路的固有频率，就能实现整个系统的谐振工作。

Description

无线能量传输装置及该种装置的谐振频率控制方法

技术领域

本发明涉及无线能量传输技术领域，特别涉及一种无线能量传输装置以及该种装置的谐振频率控制方法。

背景技术

各种用电设备通常使用有线连接来实现能量的传输。由于能量的无线传输具有使用安全和方便的特点，实现能量的无线传输一直是人们渴望实现的梦想。在一些特殊的应用场所，如水下作业、医用植入设备、无线网络等不方便或不能使用导线提供能量的场合，实现无线能量传输具有较高的应用价值。

根据能量传输原理，目前，在国内外所研究的无线能量传输技术主要有电磁波能量传输技术、感应耦合式无线能量传输技术和谐振式无线能量传输技术。

电磁波能量传输技术是利用天线发送和接收的原理，比如使用微波进行无线能量传输，这种技术能够实现极高的传输功率，该技术存在的主要问题是在能量传输路径上不能有障碍物遮挡，即能量传输无法绕过或穿过障碍物。

感应耦合式无线能量传输技术是利用电磁感应原理，采用松耦合变压器或可分离式变压器实现非接触式功率传输。该种技术存在的主要问题是能量传输距离受到传输原理的局限而被限制在毫米等级。

谐振式无线电能传输技术是一种使相隔一定距离的发射回路和接收回路都处于谐振状态的能量传输技术，它适合在中等距离实现无线能量的传输。由于发射回路和接收回路在实际的工作环境中容易受到各种干扰，使整个系统难以工作于谐振状态，而系统的失谐将使系统的传输效率急剧下降。

发明内容

本发明的目的在于，在无线能量传输装置中，能够自动调整或控制系统的谐振频率并使整个系统工作于谐振状态。

为了实现本发明的目的，本发明的第一方面是要提供一种无线能量传输装置的谐振频率控制方法，所述无线能量传输装置利用电磁场的耦合从位于发射端的发射回路向位于接收端的接收回路传输能量，其特征在于，所述谐振频率控制方法包括，检测被接入发射回路的激励电源的输出电压和输出电流；使激励电源的工作频率和发射回路的固有频率分别在第一频率区域和第二频率区域扫描变化，其中，第一频率区域和第二频率区域都包括接收回路的固有频率所处的第三频率区域，激励电源的工作频率和发射回路的固有频率分别扫描第一频率区域和第二频率区域至少一遍；记录在扫描过程中激励电源的输出电压与输出电流处于同相时所检测到的激励电源的各个输出电流的大小和频率；选择出所记录的各个输出电流中的最小输出电流的频率；再使激励电源的工作频率和发射回路的固有频率都与该最小输出电流的频率相同。

在实际的应用系统中，发射回路和接收回路的电路参数都要受到环境的影响而变化，使发射回路和接收回路的固有频率都要发生变化，事实上，发射回路的固有频率和接收回路的固有频率都可能在各自的某一频率区域内变化，例如，接收回路的固有频率可能在所述的第三频率区域内变化，因此在实际的工作环境中，发射回路和接收回路的失谐是很容易发生的。

本发明的谐振频率控制方法，仅仅在系统的发射端采取控制措施，使激励电源的工作频率和发射回路的固有频率都扫描变化并动态跟踪接收回路的固有频率，从而使整个系统处于谐振工作状态。

而现有的技术通常需要在发射端和接收端都采取控制措施，才能使使整个系统处于谐振工作状态；而在诸如医用植入设备等应用中，在系统的接收端采取控制措施是十分困难的，甚至是不可能的；因此，本发明的谐振频率控制方法仅仅在系统的发射端采取控制措施就能实现系统的谐振工作，这在技术上是一项重大突破并具有很高的应用价值。

由于激励电源的输出电流的频率与激励电源的工作频率相同，所以激励电源的输出电流的频率也就是激励电源的工作频率。

扫描第一频率区域一遍是指从第一频率区域的一端开始扫描至第一频率区域的另一端结束这样扫描一遍；同样，扫描第二频率区域一遍是指从第二频率区域的一端开始扫描至第二频率区域的另一端结束这样扫描一遍。

在所述谐振频率控制方法中，第一频率区域可以大于第二频率区域，第一频率区域可以等于第二频率区域，第一频率区域也可以小于第二频率区域。

在一个优选的实施方式中，第一频率区域包含第二频率区域。在另一个优选的实施实施方式中，第二频率区域包含第一频率区域。

在所述谐振频率控制方法中，所述发射回路的固有频率在第二频率区域以一定的步进量扫描变化，并且所述发射回路的固有频率每扫描变化一个步进量，所述激励电源的工作频率就扫描第一频率区域一遍。

这里所述的每扫描变化一个步进量是指每增加或减少一个步进量。如果步进量为100赫兹，一个步进量就代表100赫兹，固有频率每扫描变化一个步进量是指固有频率每增加或减少100赫兹。

在所述谐振频率控制方法中，所述激励电源的工作频率在第一频率区域以一定的步进量扫描变化，并且所述激励电源的工作频率每扫描变化一个步进量，所述发射回路的固有频率就扫描第二频率区域一遍。

在所述谐振频率控制方法中，可以通过控制发射回路的谐振元件的参数来使发射回路的固有频率扫描变化。优选地，通过控制发射回路的谐振电容的大小来使发射回路的固有频率扫描变化。

在所述谐振频率控制方法中，接收回路的固有频率所处的第三频率区域通常预先设定，并通过实验来验证所设定的准确性，通常要求第三频率区域尽量小，但要求接收回路的固有频率只能在第三频率区域内变化。

本发明的第二方面是要提供一种新的无线能量传输装置，所述装置利用电磁场的耦合从位于发射端的发射回路向位于接收端的接收回路传输能量，其特征在于，所述装置包括，电容矩阵，作为发射回路的谐振元件；检测电路，用于检测被接入发射回路的激励电源的输出电压和输出电流；继电器系统，用于控制电容矩阵以使发射回路的固有频率能扫描变化；振荡器，用于控制激励电源的工作频率；单片机控制单元，所述单片机控制单元被设置成，能控制振荡器的振荡频率使激励电源的工作频率扫描变化，能控制继电器系统使发射回路的固有频率扫描变化，能记录在激励电源的输出电压与输出电流同相时检测电路所检测到的激励电源的各个输出电流的大小和频率，能选择出所记录的各个输出电流中的最小输出电流的频率，还能控制振荡器和继电器系统使激励电源的工作频率和发射回路的固有频率都与该最小输出电流的频率相同；其中，激励电源的工作频率和发射回路的固有频率分别在第一频率区域和第二频率区域扫描变化，第一频率区域和第二频率区域都包括接收回路的固有频率所处的第三频率区域。

本发明的装置，仅仅在系统的发射端设置控制装置，就能使激励电源的工作频率和发射回路的固有频率都扫描变化并动态跟踪接收回路的固有频率，就能实现整个系统的谐振工作。而现有的技术通常需要在系统的发射端和系统的接收端都设置控制装置，才能使整个系统谐振工作。因此，本发明的装置在技术上具有显著的进步。

在所述的装置中，第一频率区域可以大于第二频率区域，第一频率区域可以等于第二频率区域，第一频率区域也可以小于第二频率区域。

在一个优选的实施例中，第一频率区域包含第二频率区域。在另一个优选的实施例中，第二频率区域包含第一频率区域。

优选地，所述发射回路的固有频率在第二频率区域以一定的步进量扫描变化，并且所述发射回路的固有频率每扫描变化一个步进量，所述激励电源的工作频率就扫描第一频率区域一遍。

优选地，所述激励电源的工作频率在第一频率区域以一定的步进量扫描变化，并且所述激励电源的工作频率每扫描变化一个步进量，所述发射回路的固有频率就扫描第二频率区域一遍。

在所述无线能量传输装置中，可以通过改变电容矩阵的参数来使发射回路的固有频率扫描变化。

附图说明

图l是本发明的无线能量传输装置的结构示意图。

图2是图1所示的无线能量传输装置中激励电源的工作频率、发射回路的固有频率和接收回路的固有频率之间的关系示意图。

图3是无线能量传输装置的谐振频率控制方法的控制流程示意图。

图4是无线能量传输装置的谐振频率控制方法的另一个实施例的控制流程。

具体实施方式

图l是本发明的无线能量传输装置的结构示意图，它由发射端与接收端所组成。在图1中，发射端包括由激励电源、发射线圈、发射电容和电容矩阵所构成的发射回路和主要由单片机控制单元、继电器系统和检测电路所构成的控制电路。其中，激励电源包括直流电源、由场效应管和所构成的半桥式电路、驱动电路和振荡器。接收端包括由接收线圈、接收电容和负载所构成的接收回路。

在图1中，检测电路分别检测激励电源的输出电压和输出电流，然后被送到A/D转换器进行模数转换，最后被送到微处理器MCU中。微处理器MCU发出的控制信号通过I/O接口分别控制振荡器和继电器系统进行相关操作。参考图2，单片机控制单元控制振荡器和继电器系统，使激励电源的工作频率在第一频率区域扫描变化，使发射回路的固有频率在第二频率区域扫描变化，其中，接收回路的固有频率处于第三频率区域内，第一频率区域和第二频率区域都包括第三频率区域。

在图1中，设流过发射回路和接收回路的电流分别为、，发射线圈与接收线圈之间的互感和距离分别为、，激励电源的内阻为，发射线圈与接收线圈的电阻分别为、，应用基尔霍夫电压定律，可得到下式：

（1）

可由（1）式可解得：

（2）

式中:

（3）

（4）

（5）

从（2）式中可以看出，激励电源的输出电压与发射回路的电流处于同相时，有，这时（2）式可变为

（6）

从（4）式和（6）式可以看出，电阻的大小与角频率密切相关，在激励电源的输出电压与发射回路的处于同相的情况下，如果取得最大值，这时取得最小值。

令，可得到取得最大值时，应符合下式：

（7）

式中的为接收回路的品质因数，它符合下式：

（8）

由于在实际的应用系统中，品质因数通常远大于1，这时（7）式可变为：

（9）

上式说明这时接收回路将处于谐振状态。将（9）式代入（5）式并应用关系，可以得到：

（10）

上式说明这时发射回路也处于谐振状态。

因此，在高值的应用系统中，在激励电源的输出电压与发射回路的电流处于同相的情况下，取得最小值时，发射回路和接收回路基本上处于谐振状态。这就是本发明的谐振频率控制技术仅仅在发射端进行控制的理论依据。

图2显示了本实施例的激励电源的工作频率、发射回路的固有频率和接收回路的固有频率三者之间的相互关系。在图2中可以清楚地看到，激励电源的工作频率的扫描范围在至之间，发射回路的固有频率的扫描范围在至之间，接收回路的固有频率可在至之间变化，其中，的扫描范围包括了可能变化的整个频段，的扫描范围包括了的扫描范围。

在本实施例中，发射回路的固有频率在第二频率区域以步进量为100赫兹扫描变化，并且发射回路的固有频率每变化100赫兹，激励电源的工作频率就扫描第一频率区域一遍。如果发射回路的固有频率从频率扫描至频率需要步进N次，即变化N个100赫兹，那么激励电源的工作频率就扫描第一频率区域N遍，这样当发射回路的固有频率从频率扫描至频率，激励电源的工作频率扫描完第一频率区域N遍时，激励电源的输出电压与输出电流就有N次处于同相状态，如果记录在这一扫描过程中激励电源的输出电压与输出电流处于同相时所检测到的激励电源的N个输出电流的大小和频率，并选择出所记录的N个输出电流中的最小输出电流的频率，再控制振荡器和继电器系统使激励电源的工作频率和发射回路的固有频率都与该最小输出电流的频率相同，这样整个系统将处于谐振状态。

图3是本发明的无线能量传输装置的谐振频率控制方法的控制流程示意图。在图3中可以看到，该谐振频率控制方法包括：检测被接入发射回路的激励电源的输出电压和输出电流；使激励电源的工作频率和发射回路的固有频率分别在第一频率区域和第二频率区域扫描变化，并使激励电源的工作频率和发射回路的固有频率分别扫描第一频率区域和第二频率区域至少一遍，其中，第一频率区域和第二频率区域都包括接收回路的固有频率所处的第三频率区域；记录在扫描过程中激励电源的输出电压和输出电流处于同相时所检测到的激励电源的各个输出电流的大小和频率；选择出所记录的各个输出电流中的最小输出电流的频率；再使激励电源的工作频率和发射回路的固有频率都与该最小输出电流的频率相同。

图4显示了无线能量传输装置的谐振频率控制方法的另一个实施方式的控制流程。在该实施方式中，谐振频率控制方法包括：系统初始化，为参数、、、分别赋值、、0、0，其中、分别为第一频率区域和第二频率区域的最低频率；控制振荡器使激励电源的工作频率工作于第一频率区域的最低频率，控制发射回路的电容矩阵使其发射回路的固有频率工作于第二频率区域的最低频率；检测被接入发射回路的激励电源的输出电压和输出电流；对参数是否大于0进行判断，对输出电压和输出电流是否同相进行判断；当发射回路的固有频率工作于第二频率区域的最低频率时，激励电源的工作频率以步进量从第一频率区域的最低频率扫描至第一频率区域的最高频率，固有频率每增加一个步进量，激励电源的工作频率以步进量扫描第一频率区域一遍，当发射回路的固有频率扫描至第二频率区域的最高频率并且激励电源的工作频率也扫描至第一频率区域的最高频率后，其扫描暂时停止，并记录在上述扫描过程中输出电压和输出电流处于同相时的各个输出电流的大小和频率；选择出所记录的各个输出电流中的最小电流的频率；再使激励电源的工作频率和发射回路的固有频率都与最小电流的频率相同，并对参数增加1，以便后续的控制。在该实施方式中，谐振频率控制方法中还包括，清空所记录的各个输出电流的大小和频率，以节省存储空间；对运行中所检测到的输出电流的偏移量与原输出电流之比是否大于进行判断，这里的参数可以根据需要设定，例如可以被设定为，如果判断条件不成立，系统以原来选定的最小电流的频率工作，如果判断条件成立，将按照前面所述的过程重新选出新的最小电流的频率，并使激励电源的工作频率和发射回路的固有频率与新的最小电流的频率相同。

尽管已经展示和描述了目前认为是优选的本发明的实施例，但显而易见，本领域的技术人员可以进行各种改变和改进。而这些改变或改进，都属于所附权利要求书所限定的本发明的范围。

Claims (6)

1.一种无线能量传输装置，所述装置利用电磁场的耦合从位于发射端的发射回路向位于接收端的接收回路传输能量，其特征在于，所述装置包括，电容矩阵，作为发射回路的谐振元件；检测电路，用于检测被接入发射回路的激励电源的输出电压和输出电流；继电器系统，用于控制电容矩阵以使发射回路的固有频率能扫描变化；振荡器，用于控制激励电源的工作频率；单片机控制单元，所述单片机控制单元被设置成，能控制振荡器的振荡频率使激励电源的工作频率扫描变化，能控制继电器系统使发射回路的固有频率扫描变化，能记录在激励电源的输出电压与输出电流同相时检测电路所检测到的激励电源的各个输出电流的大小和频率，能选择出所记录的各个输出电流中的最小输出电流的频率，还能控制振荡器和继电器系统使激励电源的工作频率和发射回路的固有频率都与该最小输出电流的频率相同；其中，激励电源的工作频率和发射回路的固有频率分别在第一频率区域和第二频率区域扫描变化，第一频率区域和第二频率区域都包括接收回路的固有频率所处的第三频率区域。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一频率区域包括所述第二频率区域。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二频率区域包括所述第一频率区域。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射回路的固有频率在第二频率区域以一定的步进量扫描变化，并且所述发射回路的固有频率每扫描变化一个步进量，所述激励电源的工作频率就扫描第一频率区域一遍。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激励电源的工作频率在第一频率区域以一定的步进量扫描变化，并且所述激励电源的工作频率每扫描变化一个步进量，所述发射回路的固有频率就扫描第二频率区域一遍。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，通过改变电容矩阵的参数来使发射回路的固有频率扫描变化。