無線電能傳輸系統的製作方法

2024-01-22 10:31:15

本實用新型屬於電能傳輸領域，尤其涉及一種利用無線電傳輸的電能傳輸系統。

背景技術：

無線電能傳輸是一種通過空間電磁場耦合進行電能傳輸的技術，其主要優點是不需要插拔，使用簡單方便；不會產生電火花，可以在易燃易爆的工業環境中使用；可以在水中進行能量傳輸，可以應用到海洋裝備等水下應用中。無線電能傳輸系統主要包含兩部分：一部分是能量傳輸，通過電能變換，將電能從發射端無線傳輸到接收端；另外一部分是通訊信號的傳輸，主要用於完成發射端與接收設備之間的信息和控制交互，保證整個系統工作的安全性和穩定性。

目前，應用於無線電能傳輸系統的通信方式主要有兩種：

一種是採用載波調製方式，在傳輸能量的耦合線圈上調製控制信息，並通過調製和解調電路實現發射端與接收端的單向或雙向通信。這種方法主要應用於小功率的無線電能傳輸系統中，採用載波調製的通信控制方式對於基波的幅值比較敏感，當無線電能傳輸系統的功率或變化範圍較大時，這種方法存在較明顯的局限性；

另外一種方法是採用單獨的無線通信信道，採用射頻通信的方式，實現發射端與接收端的雙向通信。這種方案由於通信信道獨立於能量傳輸通道，具有控制更靈活，適應功率等級更廣等優點，可以應用於大功率的無線電能傳輸系統中。但是，當採用獨立的無線通信信道控制無線電能傳輸系統時，如果連續快速移走並快速放回接收端設備時，經常會出現燒毀無線電能傳輸設備的現象。

在連續快速移走並快速放回接收端設備時產生故障的主要原因是：由於射頻無線通信系統的有效傳輸距離(一般為幾十釐米到幾米)通常都遠遠大於無線電能傳輸的工作距離(通常只有幾個到十幾個釐米)。當接收端設備被快速拿走時，能量傳輸已經斷開，但是無線通信還在有效工作距離內(通常接收端的掉電不會馬上進行，而會有一段延遲時間)。在這種情況下，發射端還會繼續根據接收端返回的狀態信息，繼續調大輸出增益，導致發射端設備的瞬時勵磁電流非常大。當接收端設備又被快速放回時，此時發射端正好處於最大的輸出增益，此時通信控制將輸出端增益調節到正常水平需要一定的延遲時間，這個過渡過程中接收端和發射端設備就處於瞬時的過壓或過流狀態，嚴重時就會導致燒毀設備。

因此，為了提高系統的穩定性和安全性，需要有效的解決上述問題。

技術實現要素：

為了解決以上問題，本實用新型提供了一種無線電能傳輸系統以及無線電能傳輸控制方法，該實用新型在無線發射端設置有接近式傳感器，實現了無線接收端設備移走或放入的監測，根據無線接收端設備的狀態控制和調整發射端設備的工作頻率和輸出增益，使無線電能傳輸系統更安全、穩定的工作。

為了達到上述目的，本實用新型採用的技術方案為：

一種無線電能傳輸系統，包括連接於電網的無線發射端，以及可接收無線發射端電能信號的無線接收端，無線發射端包括可傳輸無線電能的發射線圈，以及可接收通訊信號的通信接收模塊；無線接收端外連負載，包括可接收發射線圈中發射電能的接收線圈，以及可將接收線圈輸出電能轉化為通訊信號傳輸至通信接收模塊的通信發射模塊，無線發射端還包括發射端整流濾波電路，發射端整流濾波電路的輸出端連接有逆變電路，發射線圈連接逆變電路的輸出端，發射線圈內設有可感應發射線圈與接收線圈距離的接近式傳感器，接近式傳感器根據發射線圈與接收線圈距離形成感應信號，發射線圈連接有發射端MCU，以接收接近式傳感器形成的感應信號；發射端MCU電連通信接收模塊的輸出端，以接收通信接收模塊中的通訊信號，發射端MCU電連逆變電路的輸入端，以控制逆變電路中轉換的交流電頻率；發射端MCU中包括可接收感應信號和通訊信號的判斷模塊以及與判斷模塊電連的控制模塊，判斷模塊根據感應信號判斷無線接收端是否在工作區域內，如在工作區域內，則將通訊信號轉化為判斷信號發送至控制模塊，控制模塊根據該判斷信號轉化為控制信號控制無線發射端的工作頻率；如不在工作區域，則判斷模塊內形成復位判斷信號，並將該復位判斷信號發送至控制模塊，控制模塊根據該復位判斷信號轉化為控制信號控制無線發射端處於待機狀態。

作為本實用新型的進一步優化，接收線圈內置有可增強接近式傳感器感應強度的感應物。

作為本實用新型的進一步優化，無線接收端的接收線圈連接有整流濾波電路，整流濾波電路的輸出端連接輸出電壓採樣電路，以採集整流濾波電路整流後的輸出電壓，輸出電壓採樣電路的輸出端連接接收端MCU，接收端MCU連接通信發射模塊，以將轉換後的數位訊號傳輸至通信發射模塊形成通訊信號。

作為本實用新型的進一步優化，無線接收端的整流濾波電路的輸出端連接有可輸出恆定電壓的穩壓電路，穩壓電路的輸出端連接負載。

作為本實用新型的進一步優化，接近式傳感器設置於可避免電磁場幹擾的發射線圈中心處。

與現有技術相比，本實用新型的優點和積極效果在於：

1、本實用新型的無線電能傳輸系統，能夠實時監測無線接收端設備移走或放入，並將該感應信號傳輸至發射端MCU中，發射端MCU根據感應信號和通信信號控制和調整發射端設備的工作頻率和輸出增益，使無線電能傳輸系統更安全、穩定的工作。

2、本實用新型的無線電能傳輸系統，發射端MCU中具有判斷模塊，進而根據判斷模塊形成的控制信號控制無線發射端的工作頻率，具有智能化的特點；

3、本實用新型的無線電能傳輸控制方法，當無線接收端與無線發射端不在工作區域中時，可使無線發射端處於待機狀態，更節能，同時，在無線發射端與無線接收端進入至工作區域時，可根據預設頻率工作，不會導致無線接收端和無線發射端設備處於瞬時的過壓或過流狀態，保護了設備。

附圖說明

圖1為本實用新型無線電能傳輸系統的示意圖；

圖2為本實用新型無線電能傳輸控制方法的流程圖。

具體實施方式

下面，通過示例性的實施方式對本實用新型進行具體描述。然而應當理解，在沒有進一步敘述的情況下，一個實施方式中的元件、結構和特徵也可以有益地結合到其他實施方式中。

參見圖1，是本實用新型中無線電能傳輸系統的示意圖。如圖1所示，本實用新型的無線電能傳輸系統，包括連接於電網的無線發射端，以及可接收無線發射端電能信號的無線接收端，無線發射端包括可傳輸無線電能的發射線圈，以及可接收通訊信號的通信接收模塊。無線接收端外連負載，包括可接收發射線圈中發射電能的接收線圈，以及可將接收線圈輸出電能轉化為通訊信號傳輸至通信接收模塊的通信發射模塊，通過上述發射線圈與接收線圈的設置，可實現無線電能的傳輸，該處的接收線圈通過磁場耦合拾取發射線圈的能量；而上述通信發射模塊與通信接收模塊的設置，實現了無線發送端與無線接收端之間的通訊傳輸，通訊傳輸的建立有利於無線發射端根據無線接收端負載的需求而適時改變。

繼續參見圖1，無線發射端還包括可將電網中傳輸的交流電整流形成直流電的發射端整流濾波電路，發射端整流濾波電路的輸出端連接有可將直流電轉換為交流電的逆變電路，發射線圈連接逆變電路的輸出端，發射線圈內設有可感應發射線圈與接收線圈距離的接近式傳感器，接近式傳感器根據發射線圈與接收線圈距離形成感應信號，發射線圈連接有發射端MCU，以接收接近式傳感器形成的感應信號；發射端MCU電連通信接收模塊的輸出端，以接收通信接收模塊中的通訊信號，發射端MCU電連逆變電路的輸入端，以控制逆變電路中轉換的交流電頻率；發射端MCU中包括可接收感應信號和通訊信號的判斷模塊以及與判斷模塊電連的控制模塊，判斷模塊根據感應信號判斷無線接收端是否在工作區域內，如在工作區域內，則將通訊信號轉化為判斷信號發送至控制模塊，控制模塊根據該判斷信號轉化為控制信號控制無線發射端的工作頻率；如不在工作區域，則判斷模塊內形成復位判斷信號，並將該復位判斷信號發送至控制模塊，控制模塊根據該復位判斷信號轉化為控制信號控制無線發射端處於待機狀態。

另外，發射端MCU與逆變電路之間連接有驅動電路，以將控制模塊中形成的控制信號通過驅動電路控制逆變電路。

需要說明的是，本實用新型中所述的工作區域是以發送線圈為中心，在適當的垂直工作距離和水平偏移條件下，並且保證系統效率及安全可靠工作的最大工作區域。

另外，上述的接近式傳感器為能感知無線接收端移走或進入狀態，如霍爾磁場傳感器、GMR巨磁阻傳感器、紅外傳感器等。另外，為了使接近式傳感器的感應強度更好，接收線圈上可放置有增強接近式傳感器傳感效果的感應物。舉例說明，如永磁體、鐵磁性金屬、視覺標記等。

同時，本實用新型中在無線發射端以及無線接收端均設置有電能轉換電路。具體說明：無線接收端的接收線圈連接有整流濾波電路，整流濾波電路的輸出端連接輸出電壓採樣電路，以採集整流濾波電路整流後的輸出電壓，輸出電壓採樣電路的輸出端連接接收端MCU，接收端MCU連接通信發射模塊，以將轉換後的數位訊號傳輸至通信發射模塊形成通訊信號。

無線接收端外連負載，該負載可為充電負載或供電負載，一般在為負載供電時，都需要輸出穩定電壓，因此，無線接收端的整流濾波電路的輸出端連接有可輸出恆定電壓的穩壓電路，穩壓電路的輸出端連接負載。

優選的實施例，本實用新型中的發射線圈可在中間設置有通孔，該通孔處電磁場幹擾較弱，接近式傳感器可設置於可避免電磁場幹擾的發射線圈中心處。

參見圖2，圖2是本實用新型無線電能傳輸控制方法的流程圖。如圖2所示，本實用新型的無線電能傳輸控制方法，使用上述無線電能傳輸系統，包括以下步驟：

S1：啟動無線電能傳輸系統；

S2：無線電能傳輸系統以待機頻率待機，該處的待機頻率是指系統能在空載時安全工作的頻率；

S3：接近式傳感器感應無線發射端與無線接收端的距離形成感應信號，並將感應信號傳輸至發射端MCU；

S4：接收端MCU根據感應信號判斷無線接收端是否進入工作區域，如果接收端MCU判斷無線接收端已進入至工作區域，則繼續進行S5；否則，返回S3。

通過上述步驟，即可防止在無線接收端移入至無線發射端的工作區域內的初始狀態出現瞬時的過壓或過流狀態，進而燒毀設備。

本實用新型中，還可實現在通訊過程中，無線接收端移入或移出的過流或過壓保護，具體的，還包括以下步驟：

S5：將無線電能傳輸系統的通訊初始化，此時發射線圈根據預設頻率工作，該處的通訊初始化是指通信發射模塊與通訊接收模塊開始傳輸通訊信號，預設頻率是指在使用該無線電能傳輸系統時設定的初始頻率；

S6：接收線圈接收發射線圈傳輸的電能；

S7：發射線圈輸出的電能經整流濾波後傳輸到接收端MCU通過通信發射模塊形成通訊信號，通信接收模塊接收該通訊信號，並將該通訊信號發送至發射端MCU；

S8：發射端MCU根據感應信號判斷無線接收端是否在工作區域內，如判斷無線接收端在工作區域內，則執行S9；否，則執行S10；

S9：發射端MCU根據通訊信號調節無線發射端的工作頻率，然後返回執行S6；

S10：停止能量傳輸並復位無線發射端的工作頻率，然後返回執行S2。

通過上述步驟，本實用新型無線電能傳輸控制方法，能夠檢測到無線接收端是否移入或移出無線發射端的工作區域，不會導致無線接收端和無線發射端出現瞬態的過壓或過流狀態，進而導致發射端或接收端設備的燒毀。