本實用新型涉及電能傳輸技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種可提高無線電能傳輸效率的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，臺燈、手機、筆記本電腦等電子設(shè)備進(jìn)行用電或充電，主要采用的是一端連接交流電源，另一端連接電子設(shè)備或電子設(shè)備充電電池的傳統(tǒng)方式。隨著用電設(shè)備的增加，電線和插座也隨之大量制造和使用，造成大量物質(zhì)和能源的消耗，導(dǎo)致環(huán)境污染；頻繁的插拔很容易損壞接頭，也可能帶來觸電的危險；同時你在進(jìn)行家居裝修或建筑設(shè)計的時候，總是要給線纜預(yù)留位置，影響美觀和環(huán)保。由于市場的迫切需求，隨著硅技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)的突飛猛進(jìn)，越來越多的學(xué)者涉足無線電能傳輸技術(shù)的研究，也取得了不少成果，如現(xiàn)有技術(shù)中的“無尾電視”，市面上的各種無線充電器等。但通過調(diào)研，目前無線電能傳輸設(shè)備的傳輸效率、傳輸功率、傳輸距離有待進(jìn)一步提高。

無線電能傳輸是一種無需任何物理上的連接，便可以將電能無接觸地傳輸給負(fù)載的電能傳輸方式。從目前來看，電力無線傳輸技術(shù)主要有四種：電磁感應(yīng)型、電波接受型、光電耦合型和磁場共振型。

電磁感應(yīng)型是利用電流通過線圈產(chǎn)生磁力實現(xiàn)近程無線供電，要求有高磁導(dǎo)率的磁芯作為介質(zhì)，否則磁力線會嚴(yán)重發(fā)散到空氣中，導(dǎo)致傳遞效率下降，特別在兩個線圈遠(yuǎn)離的時候，下降的非常厲害；在異物侵入時會出現(xiàn)發(fā)熱、電磁波及高頻波等問題。

光電耦合型是把電能轉(zhuǎn)化為光能，通過光將能量傳遞到目的地再轉(zhuǎn)化為電能，這種無線供電技術(shù)比較直觀，而且光電轉(zhuǎn)換技術(shù)也相對應(yīng)用廣泛，但是光的傳遞路徑具有缺陷，就是傳遞路徑中不能有障礙物，對人和動物特別是眼睛的影響也較大，所以這種技術(shù)也是有很大的應(yīng)用缺陷。

電波接受型是將電能轉(zhuǎn)換成電波進(jìn)行無線供電，電波的無線供電具有很好的穿透性，傳輸距離遠(yuǎn)且受障礙物影響較小，在金屬表面反射等特點，但電波接受型傳輸功率只能在幾毫瓦至一百毫瓦之間，并且可能會對環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，特別是對人和動物的影響。

電磁共振型是將發(fā)送端和接收端的線圈調(diào)校成一個磁共振系統(tǒng)，如圖1所示，其中D表示收發(fā)線圈之間的距離，M表示收發(fā)線圈之間的互感系數(shù)，其模型如諧振振耦合模型表示為：

，只有當(dāng)Z_S＝R_S,且有Z_D＝R_D+R_W時，L_S與L_D線圈會同時發(fā)生自諧振，此時的電能傳輸效率η是最高的，表達(dá)式為：

當(dāng)發(fā)射端通電時，它并不會向外發(fā)射電磁波，而只是在周圍形成一個非輻射的磁場，這個磁場用來和接收端聯(lián)絡(luò)，激發(fā)接收端的共振。共振是一種非常高效的傳輸能量方式，并且根據(jù)共振的特性，能量傳輸都是在這樣一個共振系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行，對這個共振系統(tǒng)之外的物體不會產(chǎn)生什么影響。電磁共振型不僅支持發(fā)射線圈與接收線圈水平方向的錯位，也不會象電磁感應(yīng)式那樣，在異物侵入時會出現(xiàn)發(fā)熱、電磁波及高頻波等問題，而且與電磁感應(yīng)方式不同，共振方式不使用鐵氧體及利茲線圈，因此可降低產(chǎn)品的重量及成本。電磁共振型無線電能傳輸?shù)木嚯x也較電磁感應(yīng)型遠(yuǎn)，根據(jù)以上分析，目前沒有更先進(jìn)的方案下，采用電磁共振進(jìn)行無線電能傳輸是一種最佳選擇。

電磁共振型無線電能傳輸中，初、次級線圈耦合系數(shù)對傳輸效率影響很大，初、次級的耦合系數(shù)與鐵芯材料、線圈的繞法(線徑、匝數(shù)、位置)以及氣隙的大小有關(guān)。

磁芯材料的選取原則是：①高的磁導(dǎo)率，在一定的磁場強度H下，磁感應(yīng)強度B的大小取決于磁導(dǎo)率μ的大小(B＝μH)；②要有很小的矯頑力Hc和剩余磁感應(yīng)強度Br，材料的矯頑力越小，就表示磁化和退磁容易，磁滯回線狹窄，在交變磁場中磁滯損耗就越??；③電阻率要高，在交變的磁場中工作的磁芯具有渦流損耗，電阻率高渦流損耗??；④具有高的飽和磁感應(yīng)強度Bs，飽和磁感應(yīng)強度高，相同的磁通需要較小的磁芯截面積，磁性元件的體積小。

通過實驗驗證，為了避免渦流損失，提高諧振頻率穩(wěn)定度與耦合效率，線圈的骨架用高頻磁鼓架等非鐵氧體材料，骨架的內(nèi)徑為66mm，用36股Φ0.1mm 的漆包線蛛網(wǎng)式繞法繞11匝，初次級間的氣隙越小越好。并且通過實驗發(fā)現(xiàn)，矩形線圈是穩(wěn)定耦合的較有效的結(jié)構(gòu)。

在無線電能傳輸技術(shù)中，發(fā)射輸出級對電能傳輸?shù)墓β屎托势鹬陵P(guān)重要的作用，先通過實驗測試如圖2所示發(fā)射輸出級電路。發(fā)射部分的C2和接收部分的C5都用4700PF的電容，使兩個諧振回路諧振在同一頻率上，根據(jù)電磁共振原理進(jìn)行無線電能傳輸。ICBT管原則上不消耗激勵功率^[，為了減小輸出級的損耗，輸出級用IGBT管。按圖2搭好電路后接通電源，從輸入端輸入一512KHZ、 5V的矩形波，將接收線圈LD靠近LS幾乎沒有什么反應(yīng)，只有切斷SW，斷開負(fù)載電阻R3、R4后，LED才剛剛發(fā)光，測得U_O的電壓僅有3V左右，VT1漏極電流為100mA, 效率為：

從電壓波形來看，失真是相當(dāng)?shù)拇?，而且波形的幅度很小。首先設(shè)法增大柵極的波幅，這比較容易，把輸入從5V加大到7V，這時漏極電流也隨之增到 200mA。接收端加上負(fù)載后，U₀的電壓僅有2V左右，相應(yīng)的VT1的波形。

加上負(fù)載后漏極電壓波形有了較大改善，柵極電壓波形卻依然如故。功率和效率上不去的原因究竟何在呢？主要是因為功率管沒有工作在開關(guān)狀態(tài)，而導(dǎo)致這種情況的根本原因在于VMOS場效應(yīng)管的柵極-源極間和漏極-源極間有著很大的極間電容，CGS一般約幾百至上千pF，CDS一般約幾百pF，而CMOS門電路的輸出電流很小，使波形的上升時間和下降時間變大，導(dǎo)致效率下降。

因此，對于上述問題有必要提出一種可提高無線電能傳輸效率的系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型目的是克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種可提高無線電能傳輸效率的系統(tǒng)。

為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種可提高無線電能傳輸效率的系統(tǒng)，包括微處理器、射極跟隨器、A/D 轉(zhuǎn)換器、精密整流電路、電流整流電路、接收端和若干個發(fā)射輸出極，所述微處理器通過射極跟隨器連接每個發(fā)射輸出極，所述發(fā)射輸出極分別連接接收端和電流檢測電路，所述電流檢測電路通過精密整流電路連接A/D轉(zhuǎn)換器，所述 A/D轉(zhuǎn)換器連接微處理器，所述接收端包括接收電路、整流電路和負(fù)載，所述接收電路通過整流電路連接負(fù)載。

優(yōu)選地，所述發(fā)射輸出極包括發(fā)射輸出電路，所述發(fā)射輸出電路包括發(fā)射線圈和接收線圈，所述接收線圈與發(fā)射線圈之間無線連接，所述發(fā)射線圈的兩端連接有第二電容，所述發(fā)射線圈的一端分別通過第三電容和第四電容接地。

優(yōu)選地，所述發(fā)射線圈的另一端接入VMOS場效應(yīng)管的漏極，所述VMOS場效應(yīng)管的源極接地，所述VMOS場效應(yīng)管的柵極分別接入第五電阻的一端和接入第三三極管的發(fā)射極，所述第五電阻的另一端和第三三極管的集電極均接地，所述第三三極管的發(fā)射極接入第二三極管的發(fā)射極。

優(yōu)選地，所述第三三極管的基極接入第二三極管的基極，所述第二三極管的基極分別連接第一電阻和第一電容，所述第二三極管的集電極分別通過第九電容和第八電容接地。

優(yōu)選地，所述接收線圈的兩端連接有第五電容，所述第五電容的兩端分別連接橋式二極管的a端和b端，所述橋式二極管的c端和d端之間分別并聯(lián)第六電容和第七電容。

優(yōu)選地，所述第七電容的兩端之間串聯(lián)有第二電阻和發(fā)光二極管，所述第二電阻的一端通過開關(guān)分別連接第三電阻和第四電阻的一端是，所述發(fā)光二極管的另一端分別連接第三電阻和第四電阻的另一端。

優(yōu)選地，所述橋式二極管由第一二極管、第二二極管、第三二極管和第四二極管串接組成。

本實用新型有益效果：本實用新型選用電磁共振原理進(jìn)行無線電能傳輸；分析影響無線電能傳輸效率、傳輸功率、傳輸距離的因素，設(shè)計改進(jìn)相關(guān)電路；設(shè)計多個發(fā)射輸出級，以微處理器為控制核心，運行設(shè)定的程序，比較各發(fā)射輸出級供電電流的大小，從而從某一輸出端輸出一定頻率的脈沖信號，以此控制哪一個發(fā)射輸出級單獨供電，提高了電源利用率，提高了傳輸效率，具有很強的實用性。

以下將結(jié)合附圖對本實用新型的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本實用新型的目的、特征和效果。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的諧振耦合模型圖；

圖2是現(xiàn)有技術(shù)發(fā)射輸出電路圖；

圖3是本實用新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖4是本實用新型實施例的發(fā)射輸出電路圖；

圖5是本實用新型實施例的負(fù)載自動檢測電路方框圖；

圖6-9是本實用新型實施例的補償方式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本實用新型的實施例進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本實用新型可以由權(quán)利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。

如圖3并結(jié)合圖4至圖9所示，一種可提高無線電能傳輸效率的系統(tǒng)，包括微處理器、射極跟隨器、A/D轉(zhuǎn)換器、精密整流電路、電流整流電路、接收端和若干個發(fā)射輸出極，所述微處理器通過射極跟隨器連接每個發(fā)射輸出極，所述發(fā)射輸出極分別連接接收端和電流檢測電路，所述電流檢測電路通過精密整流電路連接A/D轉(zhuǎn)換器，所述A/D轉(zhuǎn)換器連接微處理器，所述接收端包括接收電路、整流電路和負(fù)載，所述接收電路通過整流電路連接負(fù)載。

如圖3所示，發(fā)射輸出級有多個，多個發(fā)射輸出級的發(fā)送線圈排成環(huán)形陣列，使得任何用電設(shè)備在任何位置，朝任何方向，總有一個發(fā)送線圈與用電設(shè)備的接收線圈接近于全耦合。由微處理器輸出一定頻率的矩型脈沖，經(jīng)射極跟隨器送至發(fā)射輸出級，控制耦合陣列中每個線圈單獨供電。

耦合陣列的每個線圈回路通過串聯(lián)一個1:50的變壓器對各發(fā)射輸出級的供電電流進(jìn)行采樣，經(jīng)精密整流、A/D轉(zhuǎn)換送至微處理器，由微處理器搜索到耦合程度最大的線圈從而鎖定由該線圈獨立供電，從而使耦合效率達(dá)到最高。接收線圈通過電磁共振接收能量,并通過橋式整流器給用電設(shè)備供電。微處理器是該系統(tǒng)的控制核心，通過運行設(shè)定的程序，可以比較各發(fā)射輸出級供電電流的大小，從而從指定的輸出端輸出一定頻率的脈沖信號，以此控制哪一個發(fā)射輸出級單獨供電。

進(jìn)一步的，所述發(fā)射輸出極包括發(fā)射輸出電路，所述發(fā)射輸出電路包括發(fā)射線圈LS和接收線圈LD，所述接收線圈LD與發(fā)射線圈LS之間無線連接，所述發(fā)射線圈的兩端連接有第二電容C2，所述發(fā)射線圈的LS一端分別通過第三電容C3和第四電容C4接地。所述發(fā)射線圈LS的另一端接入VMOS場效應(yīng)管VT1 的漏極，所述VMOS場效應(yīng)管VT1的源極接地，所述VMOS場效應(yīng)管VT1的柵極分別接入第五電阻R5的一端和接入第三三極管VT的發(fā)射極，所述第五電阻R5 的另一端和第三三極管VT3的集電極均接地，所述第三三極管VT3的發(fā)射極接入第二三極管VT2的發(fā)射極，所述第三三極管VT3的基極接入第二三極管VT2 的基極，所述第二三極管VT2的基極分別連接第一電阻R1和第一電容C1，所述第二三極管VT2的集電極分別通過第九電容C9和第八電容C8接地。

進(jìn)一步的，所述接收線圈LD的兩端連接有第五電容C5，所述第五電容C5 的兩端分別連接橋式二極管的a端和b端，所述橋式二極管的c端和d端之間分別并聯(lián)第六電容C6和第七電容C7，所述第七電容C7的兩端之間串聯(lián)有第二電阻R2和發(fā)光二極管LED，所述第二電阻R2的一端通過開關(guān)SW分別連接第三電阻R3和第四電阻R4的一端是，所述發(fā)光二極管LED的另一端分別連接第三電阻R3和第四電阻R4的另一端，所述橋式二極管由第一二極管VD1、第二二極管VD2、第三二極管VD3和第四二極管VD4串接組成。

在VMOS場效應(yīng)管的柵極前面增加了一對互補的射極跟隨器，射極跟隨器可以使方波的上升和下降時間大大減小。通電后用示波器觀察VT1的柵極電壓和漏極電壓波形，波形大為改善。隨著波形的改善，電路的工作效率也獲得極大的提高。當(dāng)不加任何負(fù)載時(LD遠(yuǎn)離LS)，I1僅24mA；LD與LS緊耦合時， I1一下增加到300mA。同時負(fù)載電阻上獲得了12V的電壓，折合功率為2.8W, 電能轉(zhuǎn)換效率為：

。在滿足輸出功率的情況下，應(yīng)滿足較高的工作頻率。經(jīng)實驗證明，初級電流隨著系統(tǒng)工作頻率的增加而不斷減小，初級電流越小，系統(tǒng)的功率損失也就越小。因此，無線電能傳輸系統(tǒng)的工作頻率應(yīng)該在高頻頻段，但無線供電電路的工作頻率不可太高，頻率越高對VVMOS場效應(yīng)管的要求也就越高，目前高頻特性滿足這種要求的VVMOS場效應(yīng)管還不容易找到。所以我們通常選擇電路的工作頻率為200kHz～1MHz為宜。

為了提高電源利用率，可設(shè)計一負(fù)載自動檢測電路，如圖5所示，通過檢測輸出級電流的大小來判斷有無負(fù)載，以此控制發(fā)射電路是待機還是正常工作。

其中補償電容的分析與選取，在電磁共振型無線電能傳輸中，初、次級要配上大小合適的諧振電容，諧振的好壞直接影響傳輸距離、輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。由于初、次級間存在著較大的漏電感，這嚴(yán)重限制了其傳輸?shù)挠杏霉β?，為了減少系統(tǒng)的無功功率，對諧振補償電容要精心設(shè)計，要用示波器監(jiān)視，避免諧振在高次諧波的頻率上。補償拓?fù)淇梢苑譃榇?lián)補償和并聯(lián)補償，具體可以分為4種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖6-9所示，①初級串聯(lián)補償、次級串聯(lián)補償；②初級串聯(lián)，次級并聯(lián)；③初級并聯(lián)、次級串聯(lián)；④初級并聯(lián)，次級并聯(lián)。初級的補償電容是為了平衡初級的漏感抗和次級反映到初級的感應(yīng)感抗，從而減小感應(yīng)電源的視在功率，提高了感應(yīng)電源的功率因數(shù)。次級的補償可以減小次級的無功功率，提高次級負(fù)載的功率因數(shù)，增大感應(yīng)電源的輸出功率。

次級串聯(lián)補償?shù)碾娙轂椋?/p>

，次級處于諧振狀態(tài)，呈純電阻性。次級并聯(lián)補償?shù)碾娙轂椋?/p>

，次級處于諧振狀態(tài)，呈純電阻性。次級串聯(lián)補償反映到初級的阻抗為：

，次級到初級的反映阻抗為純阻性。次級串并聯(lián)補償反映到初級的阻抗為：

，次級到初級的反映阻抗為容性。次級串聯(lián)補償，初級的串聯(lián)補償電容為：

。次級并聯(lián)補償，初級的串聯(lián)補償電容為：

。次級串聯(lián)補償，初級的并聯(lián)補償電容為：

。次級并聯(lián)補償，初級的并聯(lián)補償電容為：

由于元器件老化、溫度變化、負(fù)載變化等因素的影響，LC諧振電路的諧振頻率會發(fā)生改變，從而影響傳輸功率和傳輸效率，我們在設(shè)計中要采取一系列的穩(wěn)頻措施。

①采用溫度系數(shù)較小的電感。例如，鐵氧體的溫度系數(shù)很大，當(dāng)對諧振回路的電感量提出高穩(wěn)定度要求的時候，應(yīng)該避免采用鐵氧體心。此時，電感線圈可用高頻磁鼓架，它的溫度系數(shù)和損耗都較小。

②采用溫度系數(shù)較小的電容，要求電容器量穩(wěn)定，耐壓大于Vcc1的3倍以上。比如可以用絳綸電容，聚乙烯電容，云母電容等，它們的溫度系數(shù)比其它類型電容的小，建議不要用瓷介電容?？勺冸娙菀瞬捎脴O片和轉(zhuǎn)軸線膨脹系數(shù)小的金屬材料(如鐵鎳合金)制作。它們的溫度系數(shù)小，性能穩(wěn)定可靠。還可采用正、負(fù)溫度系數(shù)的元件相互補償。如瓷介電容具有正溫度系數(shù)，有的電容具有負(fù)溫度系數(shù)。

③發(fā)射輸出級采用穩(wěn)定性能好的IGBT管，并且在輸出級之前加射隨緩沖。

④設(shè)計合理的品質(zhì)因數(shù)Q。初級傳輸?shù)酱渭壍碾娔軙S品質(zhì)因數(shù)Q的增大而增加，但Q的增大，系統(tǒng)工作狀態(tài)將對負(fù)載變化、元件參數(shù)變化和頻率變化非常敏感,系統(tǒng)很難穩(wěn)定，同時導(dǎo)致次級更大的銅損和鐵損，較大的Q也不利于系統(tǒng)的調(diào)諧。通過實驗驗證，從工程設(shè)計角度考慮,Q一般在5～10為宜。在繞制電感時應(yīng)注意，平行密繞線圈的線間分布電容較大，影響Q值；對于匝數(shù)較多的線圈，如振蕩頻率在2MHz以下，宜采用“蜂房式”繞法，并且最好用多股線，以減小趨附效應(yīng)的影響，以便提高Q值。

根據(jù)圖3所示系統(tǒng)方框圖和圖4所示發(fā)射輸出電路，VCC2用6V,VCC1用15V, 按照前述分析與設(shè)計制作一實驗樣品，用512KHZ方波信號發(fā)射能量，經(jīng)實驗所測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1實驗結(jié)果

實驗結(jié)果驗證了電磁共振無線電能傳輸方案的可行性，系統(tǒng)能鎖定傳輸功率最大的線圈進(jìn)行功率傳輸，當(dāng)發(fā)射線圈的電感量發(fā)生微小變化時，傳輸效率大大減小，而接收線圈的電感變化對傳輸效率影響并不明顯。

本實用新型選用電磁共振原理進(jìn)行無線電能傳輸；分析影響無線電能傳輸效率、傳輸功率、傳輸距離的因素，設(shè)計改進(jìn)相關(guān)電路；設(shè)計多個發(fā)射輸出級，以微處理器為控制核心，運行設(shè)定的程序，比較各發(fā)射輸出級供電電流的大小，從而從某一輸出端輸出一定頻率的脈沖信號，以此控制哪一個發(fā)射輸出級單獨供電，提高了電源利用率，提高了傳輸效率，具有很強的實用性。

以上詳細(xì)描述了本實用新型的較佳具體實施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本實用新型的構(gòu)思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本實用新型的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。