專利名稱：一種移動設(shè)備無線供電系統(tǒng)的功率跟蹤控制裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自動化控制和電力電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種移動設(shè)備無線供電系統(tǒng)的功率跟蹤控制。
背景技術(shù)：
目前家用的各種便攜式移動設(shè)備如手機(jī)、PAD、游戲機(jī)、小型移動電視等的供電方式主要依靠電池加充電器模式。由于電池的容量限制問題，移動設(shè)備需要定期進(jìn)行充電或者直接借助電源適配器進(jìn)行持續(xù)工作。充電器或者電源適配器都需要借助電纜和插座與移動設(shè)備進(jìn)行連接，給使用者造成諸多的不便。近年來隨著無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了移動設(shè)備的無線供電裝置，這些裝置大部分采用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行電能的傳輸，雖然在一定程度上取代了電纜，實現(xiàn)了移動設(shè)備的無線供電，但因其傳輸距離僅限于幾厘米，受電裝置必須與電能發(fā)射裝置對齊，傳輸功率較小等缺點未在市場上大面積推廣使用。2007年麻省理工大學(xué)的物理學(xué)助理教授Marin Soli jacic和他的研究團(tuán)隊公開做了一個演示，利用諧振耦合技術(shù)在2米處成功點亮了一盞60W的燈泡，從此諧振耦合無線電能傳輸技術(shù)逐漸成為研究的熱點。磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)中發(fā)射裝置和接收裝置必須具有相同的自諧振頻率，發(fā)射電源發(fā)出相同頻率的能量，通過磁耦合諧振將能量源源不斷地從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩恕４篷詈蠠o線供電技術(shù)克服了電磁感應(yīng)式無線供電的上述缺點，基于此技術(shù)的無線供電 產(chǎn)品也在快速的發(fā)展中。但是這種無線供電系統(tǒng)在工作過程中由于負(fù)載的多樣性，周圍溫度環(huán)境的變化以及產(chǎn)品位置的偏移，系統(tǒng)的諧振頻率會發(fā)生漂移，出現(xiàn)傳輸功率衰減的現(xiàn)象，進(jìn)而影響設(shè)備的正常工作。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題:針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種移動設(shè)備無線供電系統(tǒng)的功率跟蹤控制裝置及方法，解決在磁耦合無線供電系統(tǒng)工作過程中出現(xiàn)的因系統(tǒng)諧振頻率漂移、傳輸功率衰減而影響設(shè)備正常工作的現(xiàn)象。技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:—種移動設(shè)備無線供電系統(tǒng)的功率跟蹤控制裝置，該裝置包括頻率功率可調(diào)電源、能量發(fā)射裝置、能量接收裝置、負(fù)載線圈和整流穩(wěn)壓系統(tǒng)；所述頻率功率可調(diào)電源向能量發(fā)射裝置供電，所述能量接收裝置與能量發(fā)射裝置諧振耦合并將電能傳輸給負(fù)載線圈，再經(jīng)過所述整流穩(wěn)壓系統(tǒng)傳遞給負(fù)載，在供電的同時，有功率跟蹤控制器檢測所述整流穩(wěn)壓系統(tǒng)的輸入電壓和輸出電壓，所述功率跟蹤控制器根據(jù)檢測到的輸入電壓調(diào)整所述頻率功率可調(diào)電源的頻率或功率；所述功率跟蹤控制器根據(jù)檢測到的輸出電壓調(diào)整整流穩(wěn)壓系統(tǒng)中DC\DC變換器的開關(guān)占空比。在本發(fā)明中，進(jìn)一步的，所述能量發(fā)射裝置和能量接收裝置結(jié)構(gòu)組成完全相同，所述能量發(fā)射裝置由發(fā)射線圈和發(fā)射端電容串聯(lián)組成，所述能量接收裝置由接收線圈和接收端電容串聯(lián)組成。在本發(fā)明中，進(jìn)一步的，所述負(fù)載線圈采用螺旋結(jié)構(gòu)并與接收線圈同軸。保證能量高效傳輸。在本發(fā)明中，進(jìn)一步的，所述的頻率功率可調(diào)電源為射頻電源或者逆變電源。接收功率跟蹤控制器發(fā)來的信號進(jìn)行頻率和功率的調(diào)節(jié)。 在本發(fā)明中，進(jìn)一步的，所述整流穩(wěn)壓系統(tǒng)由橋式整流電路和DC\DC變換器組成。可將交流電變?yōu)榉€(wěn)定的直流電輸出。一種移動設(shè)備無線供電系統(tǒng)的功率跟蹤控制方法，頻率功率可調(diào)電源給發(fā)射裝置供電，接收裝置與發(fā)射裝置諧振耦合并將接收到的電能傳輸給負(fù)載線圈，再經(jīng)過整流穩(wěn)壓系統(tǒng)輸出穩(wěn)壓直流電供給移動設(shè)備；在供電的同時，所述功率跟蹤控制器(7)首先檢測整流穩(wěn)壓系統(tǒng)(5)的輸出電壓并與負(fù)載(6)額定供電電壓比較，發(fā)送信號調(diào)節(jié)整流穩(wěn)壓系統(tǒng)
(5)中DC/DC變換器(15)的開關(guān)占空比；然后所述功率跟蹤控制器(7)檢測所述整流穩(wěn)壓系統(tǒng)(5)的輸入電壓并與所述整流穩(wěn)壓系統(tǒng)的最低輸入電壓要求比較，發(fā)送信號調(diào)節(jié)頻率功率可調(diào)電源(I)的功率或頻率；有益效果:本發(fā)明通過功率跟蹤控制器實時監(jiān)測整流穩(wěn)壓系統(tǒng)的輸入電壓并對頻率功率可調(diào)電源進(jìn)行頻率或功率的調(diào)整，同時實時監(jiān)測整流穩(wěn)壓系統(tǒng)的輸出電壓并對DC/DC變換器的開關(guān)占空比進(jìn)行調(diào)整，保持整流穩(wěn)壓系統(tǒng)的輸出端電壓和輸出功率穩(wěn)定，綜合控制保證移動設(shè)備的功率穩(wěn)定。該發(fā)明提供的功率跟蹤控制裝置和方法，解決了無線供電系統(tǒng)工作過程中的因諧振頻率漂移而導(dǎo)致的功率衰減問題，保證了移動設(shè)備的正常工作。


圖1為本發(fā)明的原理框圖；圖2為本發(fā)明的模型圖；圖3本發(fā)明的無線電供電系統(tǒng)的等效電路圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。如圖1和圖2所示,該移動設(shè)備無線供電系統(tǒng)的功率跟蹤控制裝置包括頻率功率可調(diào)電源1、能量發(fā)射裝置、能量接收裝置、負(fù)載線圈4、整流穩(wěn)壓系統(tǒng)5和功率跟蹤控制器
7。頻率功率可調(diào)電源I為射頻電源，可接受功率跟蹤控制器7發(fā)來的信號進(jìn)行頻率或者功率調(diào)節(jié)，隨著傳輸距離的增加，系統(tǒng)的工作頻率提高，當(dāng)傳輸距離在米級時，工作頻率需達(dá)到數(shù)兆赫茲，此時使用射頻電源能實現(xiàn)不同傳輸距離和傳輸功率下系統(tǒng)的最優(yōu)控制方案。所述能量發(fā)射裝置和能量接收裝置結(jié)構(gòu)完全相同，所述能量發(fā)射裝置由發(fā)射線圈2和發(fā)射端電容8串聯(lián)組成，所述能量接收裝置由接收線圈3和接收端電容9串聯(lián)組成。所述發(fā)射線圈2和接收線圈3采用相同的螺旋結(jié)構(gòu)、半徑、材料和匝數(shù)，保證其電感、電容參數(shù)的一致性。所述發(fā)射線圈2和接收線圈3最大允許其自身半徑的軸向偏移，在此情況下仍能滿足系統(tǒng)的正常工作，若超過該軸向偏移的最大偏移量，則會影響二者之間的耦合系數(shù)和整個無線供電系統(tǒng)的效率而不能正常工作。頻率功率可調(diào)電源I發(fā)出特定頻率的交流電用于向能量發(fā)射裝置供電，所述能量接收裝置與能量發(fā)射裝置諧振耦合，所述能量接收裝置將接收到的電能傳輸給負(fù)載線圈4，負(fù)載線圈4也采用螺旋結(jié)構(gòu)且與接收線圈3嚴(yán)格同軸，負(fù)載線圈4的匝數(shù)根據(jù)后面負(fù)載6的需要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計，再經(jīng)過整流穩(wěn)壓系統(tǒng)5將交流電變?yōu)榉€(wěn)壓直流電傳輸給移動設(shè)備6。該整流穩(wěn)壓系統(tǒng)5采用不控橋式整流電路14和DC/DC變換器15組合模式,所述整流穩(wěn)壓系統(tǒng)根據(jù)其前端系統(tǒng)的電壓與功率的輸出范圍、負(fù)載的輸入?yún)?shù)要求進(jìn)行設(shè)計。發(fā)明所述的無線電能傳輸模型的等效電路如圖3所示，頻率功率可調(diào)電源I等效為一個理想電壓源10和等效電源內(nèi)阻11的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，發(fā)射線圈2等效為一個理想電感12和線圈內(nèi)阻18的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，接收線圈3等效為一個理想電感19和線圈內(nèi)阻13的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，負(fù)載線圈4等效為一個理想電感20和線圈內(nèi)阻16的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。整流穩(wěn)壓系統(tǒng)5和負(fù)載6用一個等效的負(fù)載17進(jìn)行模擬。負(fù)載線圈4與接收線圈3采用隔離強(qiáng)耦合方式進(jìn)行能量交互，減輕負(fù)載變化對整個無線供電系統(tǒng)的影響，保證系統(tǒng)的高效穩(wěn)定傳輸。在供電的同時，首先功率跟蹤控制器7先進(jìn)行第一級功率控制，即檢測整流穩(wěn)壓系統(tǒng)5的輸出電壓，當(dāng)其低于負(fù)載6的電壓需求時，增大整流穩(wěn)壓系統(tǒng)5中DC\DC變換器的開關(guān)占空比，反之減小DC\DC變換器的占空比；此時進(jìn)行第二級功率跟蹤控制，即檢測整流穩(wěn)壓系統(tǒng)5的輸入電壓，當(dāng)其低于整流穩(wěn)壓系統(tǒng)5的最低輸入電壓要求，說明負(fù)載6的變化使得無線供電系統(tǒng)的諧振頻率發(fā)生了漂移，無線供電系統(tǒng)傳輸效率降低，此時增加頻率功率可調(diào)電源I的發(fā)射功率或者將頻率在諧振頻率點附件進(jìn)行微調(diào)，通過改變頻率功率可調(diào)電源I的頻率使得系統(tǒng)重新回到諧振狀態(tài)，其中頻率的微調(diào)方向，可通過小步長頻率調(diào)節(jié)和整流穩(wěn)壓系統(tǒng)5輸入電壓的反饋等方法獲得。本發(fā)明所述無線電能傳輸系統(tǒng)，傳輸距離最大35cm，最大功率200W，能夠?qū)崿F(xiàn)移動設(shè)備的定期充電和連續(xù)供電工作的需求，能實現(xiàn)傳輸距離、傳輸功率、輸出電壓以及諧振頻率的可調(diào)控。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)·選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種移動設(shè)備無線供電系統(tǒng)的功率跟蹤控制裝置，該裝置包括頻率功率可調(diào)電源(1)、能量發(fā)射裝置、能量接收裝置、負(fù)載線圈(4)和整流穩(wěn)壓系統(tǒng)(5);所述頻率功率可調(diào)電源(I)向能量發(fā)射裝置供電，所述能量接收裝置與能量發(fā)射裝置諧振耦合并將電能傳輸給負(fù)載線圈(4)，再經(jīng)過所述整流穩(wěn)壓系統(tǒng)(5)傳遞給負(fù)載(6)，其特征在于:在供電的同時，有功率跟蹤控制器(7)檢測所述整流穩(wěn)壓系統(tǒng)(5)的輸入電壓和輸出電壓，所述功率跟蹤控制器(7)根據(jù)檢測到的輸入電壓調(diào)整所述頻率功率可調(diào)電源(I)的頻率或功率；所述功率跟蹤控制器(7)根據(jù)檢測到的輸出電壓調(diào)整整流穩(wěn)壓系統(tǒng)(5)中DC\DC變換器(15)的開關(guān)占空t匕。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種移動設(shè)備無線供電系統(tǒng)的功率跟蹤控制裝置，其特征在于:所述能量發(fā)射裝置和能量接收裝置結(jié)構(gòu)組成完全相同，所述能量發(fā)射裝置由發(fā)射線圈(2)和發(fā)射端電容(8)串聯(lián)組成，所述能量接收裝置由接收線圈(3)和接收端電容(9)串聯(lián)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種移動設(shè)備無線供電系統(tǒng)的功率跟蹤控制裝置，其特征在于:所述負(fù)載線圈(4)采用螺旋結(jié)構(gòu)并與接收線圈(3)同軸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種移動設(shè)備無線供電系統(tǒng)的功率跟蹤控制裝置，其特征在于:所述頻率功率可調(diào)電源(I)為射頻電源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種移動設(shè)備無線供電系統(tǒng)的功率跟蹤控制裝置，其特征在于:所述整流穩(wěn)壓系統(tǒng)(5)由橋式整流電路(14)和DC\DC變換器(15)組成。
6.一種移動設(shè)備無線供電系統(tǒng)的功率跟蹤控制方法，頻率功率可調(diào)電源(I)給能量發(fā)射裝置供電，能量接收裝置與能量發(fā)射裝置諧振耦合并將接收到的電能傳輸給負(fù)載線圈(4)，再經(jīng)過整流穩(wěn)壓系統(tǒng)(5)輸出穩(wěn)壓直流電供給負(fù)載(6)，其特征在于:在供電的同時，所述功率跟蹤控制器(7)首先檢測整流穩(wěn)壓系統(tǒng)(5)的輸出電壓并與負(fù)載(6)額定供電電壓比較，發(fā)送信號調(diào)節(jié)整流穩(wěn)壓系統(tǒng)(5)中DC/DC變換器(15)的開關(guān)占空比；然后所述功率跟蹤控制器(7)檢測所述整流穩(wěn)壓系統(tǒng)(5)的輸入電壓并與所述整流穩(wěn)壓系統(tǒng)的最低輸入電壓要求比較，發(fā)送信號調(diào)節(jié)頻率功率可調(diào)電源(I)的功率或頻率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種移動設(shè)備無線供電系統(tǒng)的功率跟蹤控制裝置及方法，頻率功率可調(diào)電源給發(fā)射裝置供電，接收裝置與發(fā)射裝置諧振耦合并將接收到的電能傳輸給負(fù)載線，再經(jīng)過整流穩(wěn)壓系統(tǒng)輸出穩(wěn)壓直流電供給移動設(shè)備；在供電的同時，功率跟蹤控制檢測所述整流穩(wěn)壓系統(tǒng)的輸入電壓并發(fā)送信號調(diào)節(jié)頻率功率可調(diào)電源的功率或頻率；同時所述功率跟蹤控制器檢測整流穩(wěn)壓系統(tǒng)的輸出電壓并發(fā)送信號調(diào)節(jié)整流穩(wěn)壓系統(tǒng)中DC/DC變換器的開關(guān)占空比。解決了無線供電系統(tǒng)工作過程中的因諧振頻率漂移而導(dǎo)致的功率衰減問題，保證了移動設(shè)備的正常工作。
文檔編號H02J17/00GK103248138SQ20131020819
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月28日
發(fā)明者黃學(xué)良, 周亞龍 申請人:東南大學(xué)