一種自動(dòng)掃頻無線諧振電能傳輸裝置及運(yùn)行方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線電力傳輸和接收技術(shù)領(lǐng)域，更具體的涉及在諧振的無線電力傳輸 和接收裝置中工作頻率的自動(dòng)調(diào)節(jié)以及如何使系統(tǒng)自動(dòng)維持最高效率和負(fù)載所需電壓電 流。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著人類生活水平的提高，各種電子電氣產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，他們豐富著我們的生活， 然而各種電線和電源插座也給我們帶來了諸多困擾，同時(shí)一些特殊場(chǎng)合，如礦井、水下及體 內(nèi)等特殊環(huán)境中使用通過導(dǎo)線的直接接觸式傳輸則存在許多問題。無線電能傳輸為上述問 題的解決提供了一種新的方案。
[0003] 目前為止，已經(jīng)問世的無線輸電技術(shù)，根據(jù)其電能傳輸原理大致分為三類：第一類 是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在傳統(tǒng)變壓器上進(jìn)行改進(jìn)，其傳輸功率大但距離較近。第二類應(yīng)用電 磁波可以發(fā)射和接收的原理，通過發(fā)射和接收天線實(shí)現(xiàn)能量傳輸，其傳輸距離遠(yuǎn)但傳輸效 率低方向性強(qiáng)。第三類通過電磁諧振原理，根據(jù)具有相同諧振頻率的諧振體以電場(chǎng)或磁場(chǎng) 為媒介相互耦合，傳遞能量，特點(diǎn)是效率高，不具有敏感的方向性。
[0004] 為了使系統(tǒng)獲得較高的負(fù)載吸收功率和電路傳輸效率，需要選擇合適的諧振頻 率，偏離此諧振頻率功率和效率都會(huì)有所下降，而諧振頻率的設(shè)定又必須考慮電路元器件 的頻率特性，如頻率不當(dāng)，可能導(dǎo)致元器件損壞，電路損耗也會(huì)比較多。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的發(fā)明目的在于提供一種自動(dòng)掃頻無線諧振電能傳 輸裝置及運(yùn)行方法，實(shí)現(xiàn)在連接不同負(fù)載的情況下，自動(dòng)使系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)，調(diào)節(jié)交流電 頻率到使系統(tǒng)達(dá)到最大工作效率的頻率，且系統(tǒng)穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離大。
[0006] 本發(fā)明的發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種自動(dòng)掃頻無線諧振電能傳輸裝置，包括：
[0008] 直流電源，被構(gòu)造為向逆變單元提供直流電；
[0009] 逆變單元，被構(gòu)造為轉(zhuǎn)化直流電為高頻交流電；
[0010] 第一諧振電容、第二諧振電容，被構(gòu)造為與第一電感線圈、第二電感線圈電感產(chǎn)生 諧振電路并產(chǎn)生最大電流；
[0011] 第一電感線圈，第二電感線圈，被構(gòu)造為將交流電通過電磁轉(zhuǎn)換從第一電感線圈 傳遞到第二電感線圈；
[0012] 整流濾波單元，被構(gòu)造為轉(zhuǎn)化高頻交流電為直流電；
[0013] 第一采集單元，被構(gòu)造為采集直流電源兩端電壓、電流信息，并發(fā)送給主控制板；
[0014] 主控制板，被構(gòu)造為實(shí)時(shí)采集電壓、電流信息，并計(jì)算驅(qū)動(dòng)頻率，控制逆變單元改 變交流電頻率，并向第二采集單元發(fā)送應(yīng)答信號(hào)；
[0015] 第二采集單元，被構(gòu)造為實(shí)時(shí)采集負(fù)載兩端電壓、電流信息，將計(jì)算出的負(fù)載端電 壓電流平均值發(fā)送出去，并接收主控制板的應(yīng)答信號(hào)；
[0016] 第一通訊單元、第二通訊單元，被構(gòu)造兩個(gè)通訊單元彼此雙向傳遞信號(hào)。
[0017] 進(jìn)一步的，直流電源、逆變單元、第一諧振電容和第一電感線圈依次單向電連接， 第二電感線圈、第二諧振電容、整流濾波單元、負(fù)載依次單向電連接，第一采集單元與直流 電源并聯(lián)，第二采集單元與負(fù)載并聯(lián)，第一采集單元、主控制板、逆變單元信號(hào)依次單向傳 遞，主控制板與第一通訊單元信號(hào)雙向傳遞，第一通訊單元與第二通訊單元信號(hào)雙向傳遞， 第二通訊單元與第二采集單元信號(hào)雙向傳遞。
[0018] 優(yōu)選的是，第一電感線圈、第二電感線圈為銅芯電線密繞而成的疊繞螺旋線圈。
[0019] 優(yōu)選的是，第一諧振電容、第二諧振電容為多并聯(lián)CBB薄膜電容。
[0020] 進(jìn)一步的，主控制板采用MSP430超低功耗單片機(jī)，且內(nèi)含一個(gè)超級(jí)定時(shí)器。
[0021] 優(yōu)選的是，第一通訊單元、第二通訊單元為CC2530模塊。
[0022] 進(jìn)一步的，諧振電容與和其相接的電感線圈構(gòu)成的LC諧振回路諧振頻率符合以 下等式：
[0023] 所述方法包括以下步驟：
[0024] 步驟一：直流電源作為系統(tǒng)輸入電源，由主控制板控制逆變單元將直流電變?yōu)楦?頻交流電，該交流電經(jīng)第一諧振電容后，由第一電感線圈通過電磁感應(yīng)將交流電發(fā)送給第 二電感線圈和第二諧振電容，最后經(jīng)整流濾波單元整流成直流電后輸出給負(fù)載供電；
[0025] 步驟二：第二采集單元采集負(fù)載兩端電壓及電流信息，信息經(jīng)AD轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信 號(hào)后，通過第二通訊單元傳送給第一通訊單元，第一通訊單元將信息傳遞到主控制板，并等 待主控板的應(yīng)答信號(hào)；
[0026] 步驟三：第一采集單元亦將采集到的直流電源兩端電壓和電流信息經(jīng)AD轉(zhuǎn)換為 數(shù)字信號(hào)后，發(fā)送給主控制板，主控制板根據(jù)采集到的電壓、電流信息實(shí)時(shí)計(jì)算驅(qū)動(dòng)頻率， 并利用高級(jí)定時(shí)器產(chǎn)生帶死區(qū)PWM信號(hào)作為逆變單元驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使系統(tǒng)工作處在諧振狀 態(tài)，使系統(tǒng)達(dá)到最大工作效率，即為系統(tǒng)工作頻率。
[0027] 進(jìn)一步的，步驟二中第二采集單元采集次后求取平均值，并將求得的負(fù)載端電壓 電流平均值通過第一通信單元、第二通信單元發(fā)送給主制控板，之后等待主控制板的應(yīng)答 信號(hào)，如應(yīng)答錯(cuò)誤則重新發(fā)送，如應(yīng)答正確則開始下次采集。
[0028] 進(jìn)一步的，步驟三程序初始化包括模數(shù)轉(zhuǎn)換初始化、串口初始化、PWM輸出初始化， 主控制板接收能量接收端電壓電流數(shù)據(jù)并應(yīng)答，之后接收第一采集單元發(fā)送來的電壓電流 數(shù)據(jù)，采用均值濾波算法，每采集次數(shù)據(jù)計(jì)算平均值，系統(tǒng)將采集到的電壓電流數(shù)據(jù)送入PI 控制器，計(jì)算PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率，并判斷電壓電流數(shù)據(jù)是否符合標(biāo)準(zhǔn)，如不符合則判斷為故 障，關(guān)閉PWM輸出并退出，如無故障則輸出PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0029] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明通過設(shè)計(jì)疊繞螺旋線圈，減少內(nèi)阻，降低發(fā)射損耗，同 時(shí)可在連接不同負(fù)載的情況下，自動(dòng)調(diào)節(jié)交流電頻率到使系統(tǒng)達(dá)到最大工作效率的頻率， 使系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離大。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明的一種自動(dòng)掃頻無線諧振電能傳輸裝置的總體框圖；
[0031] 圖2為本發(fā)明的一種自動(dòng)掃頻無線諧振電能傳輸裝置的能量接收端流程圖；
[0032] 圖3為本發(fā)明的一種自動(dòng)掃頻無線諧振電能傳輸裝置的能量發(fā)送端流程圖；
[0033] 圖4為本發(fā)明的一種自動(dòng)掃頻無線諧振電能傳輸裝置的逆變電路圖；
[0034] 圖5為本發(fā)明的一種自動(dòng)掃頻無線諧振電能傳輸裝置的電壓采集電路圖；
[0035] 圖6為本發(fā)明的一種自動(dòng)掃頻無線諧振電能傳輸裝置的電流采集電路圖；
[0036] 圖7為本發(fā)明的一種自動(dòng)掃頻無線諧振電能傳輸裝置的原邊控制電路示意圖；
[0037] 圖8為本發(fā)明的一種自動(dòng)掃頻無線諧振電能傳輸裝置的副邊控制電路示意圖。
[0038] 其中，1直流電源、2逆變單元、3第一諧振電容、4第一電感線圈、5第二電感線圈、 6第二諧振電容、7整流濾波單元、8負(fù)載、8第二采集單元、10第二通訊單元、11第一通訊單 元、12主控制板、13第一采集單元。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0040] 如圖1所示，一種自動(dòng)掃頻無線諧振電能傳輸裝置，包括：
[0041 ] 直流電源1，被構(gòu)造為向逆變單元2提供直流電；
[0042] 逆變單元2,被構(gòu)造為轉(zhuǎn)化直流電為高頻交流電，其中，逆變電路如圖4所示；
[0043] 第一諧振電容3、第二諧振電容6,被構(gòu)造為與線圈電感產(chǎn)生諧振電路并產(chǎn)生最大 電流；
[0044] 第一電感線圈4,第二電感線圈5,被構(gòu)造為將交流電通過電磁轉(zhuǎn)換從第一電感線 圈4傳遞到第二電感線圈5;
[0045] 整流濾波單元7,被構(gòu)造為轉(zhuǎn)化高頻交流電為直流電；
[0046] 第一采集單元13,被構(gòu)造為采集直流電源1兩端電壓、電流信息，并將信息發(fā)送給 主控制板12 ;
[0047] 第二采集單元9,被構(gòu)造為實(shí)時(shí)采集負(fù)載8兩端電壓、電流信息，將計(jì)算出的負(fù)載8 端電壓電流平均值發(fā)送出去，并接收主控制板12的應(yīng)答信號(hào)；
[0048] 電壓采集電路參考圖5、電流采集電路參考圖6。
[0049] 主控制板12,被構(gòu)造為實(shí)時(shí)采集電壓、電流信息，并計(jì)算驅(qū)動(dòng)頻率，控制逆變單元 2改變交流電頻率，并向第二采集單元9發(fā)送應(yīng)答信號(hào)；
[0050] 第一通訊單元11、第二通訊單元10,被構(gòu)造兩個(gè)通訊單元彼此雙向傳遞信號(hào)。
[0051] 進(jìn)一步的，直流電源1、逆變單元2、第一諧振電容3和第一電感線圈4依次單向電 連接，第二電感線圈5、第二諧振電容6、整流濾波單元7、負(fù)載8依次單向電連接，第一采集 單元13與直流電源1并聯(lián)，第二采集單元9與負(fù)載8并聯(lián)，第一采集單元13、主控制板12、 逆變單元2信號(hào)依次單向傳遞，主控制板12與第一通訊單元11信號(hào)雙向傳遞，第一通訊單 元11與第二通訊單元10信號(hào)雙向傳遞，第二通訊單元10與第二采集單元9信號(hào)雙向傳遞。
[0052] 優(yōu)選的是，第一電感線圈4、第二電感線圈5為銅芯電線密繞而成的疊繞螺旋線 圈，此設(shè)計(jì)可以減少內(nèi)阻，降低發(fā)射損耗。
[0053] 優(yōu)選的是，第一諧振電容3、第二諧振電容6為多并聯(lián)CBB薄膜電容，用以最大程度 地減小高頻工作下諧振電容的介質(zhì)損耗。
[0054] 進(jìn)一步的，主控制板12采用MSP430超低功耗單片機(jī)，主控制板12用一個(gè)高級(jí)定 時(shí)器產(chǎn)生帶死區(qū)PWM信號(hào)作為逆變單元2驅(qū)動(dòng)信號(hào)。諧振電容與電感線圈構(gòu)成的LC諧振