磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置的製作方法
2023-06-06 21:30:01 2
本實用新型涉及無線能量傳輸技術領域，具體涉及磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置。
背景技術：
現階段電能的傳輸主要以有線的方式進行(即利用電纜作為電能傳輸介質)，因此在電能傳輸過程中易發生損耗，降低傳輸效率；線路的老化及尖端放電等現象的發生也會影響用電設備的壽命和安全；同時在雨雪等惡劣環境下、人體植入式醫療器械及水下、礦井等作業條件下充電、維護困難、靈活性較差。以上傳統有線充電的諸多弊端皆可以通過無線能量傳輸技術有效地得到解決。無線能量傳輸又稱為非接觸式電能傳輸，指的是將電能從電源側傳遞到負載側而不經過任何導線連接。由於省卻了導線，因此具有更強的靈活性、更高的安全性和穩定性，更加符合未來社會發展趨勢。
在三種常見的無線能量傳輸技術電磁感應式，磁耦合諧振式和微波輻射式中，磁耦合諧振式相比於電磁感應式傳輸距離遠；相比於微波輻射式，傳輸效率更高，能夠實現中遠距離的大功率、高效率的傳輸，在可攜式設備、人體植入式醫學、智能家居及電動汽車等諸多領域均展現出極大的應用潛力，因此更加受到人們的青睞。然而磁耦合諧振式無線能量傳輸技術也存在兩個比較關鍵的問題：①輸出功率和傳輸效率往往不能兼顧；②對於距離和負載的變化比較敏感。當距離或負載發生變化時，導致系統的負載偏離輸出功率最佳負載或傳輸效率最佳負載，會較大程度降低系統的輸出功率和傳輸效率。因此，在無線能量傳輸系統中加入實時檢測和自動調節裝置，當傳輸距離和負載發生變化時，對系統的傳輸性能進行實時檢測並根據人們的要求能夠實現自由自動控制調節，保證系統能夠實現大功率、高效率的傳輸。這對充分發揮該技術中遠距離的優勢、增強該技術的實用性具有至關重要的意義。
技術實現要素：
本實用新型所要解決的技術問題是現有磁耦合諧振式無線能量傳輸無法同時兼顧輸出功率和傳輸效率，且對於距離和負載的變化比較敏感的問題，提供一種磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置。
為解決上述問題，本實用新型是通過以下技術方案實現的：
磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置，包括發射裝置和接收裝置。上述發射裝置包括高頻電源、阻抗匹配網絡、檢測系統及發射線圈；檢測系統包括第一檢測單元、發射微控制器和無線發射模塊；高頻電源的輸出端經阻抗匹配網絡與發射線圈的輸入端連接；第一檢測單元的輸入端與高頻電源的輸出端相連，第一檢測單元的輸出端連接發射微控制器，發射微控制器的輸出端連接無線發射模塊的輸入端。上述接收裝置包括接收線圈、整流濾波電路、級聯變換電路、控制系統及負載；級聯變換電路包括Boost變換電路和Buck變換電路；控制系統包括第二檢測單元、第三檢測單元、接收微控制器和無線接收模塊；接收線圈的輸出端經整流濾波電路連接Boost變換電路的輸入端，Boost變換電路的輸出端與Buck變換電路的輸入端相連，Buck變換電路的輸出端連接負載；無線接收模塊的輸入端與無線發射模塊的輸出端無線連接，無線接收模塊的輸出端與接收微控制器的輸入端相連；第二檢測單元的輸入端與整流濾波電路的輸出端相連，第三檢測單元的輸入端與Boost變換電路的輸出端相連，第二檢測單元和第三檢測單元的輸出端同時連接接收微控制器的輸入端；接收微控制器的輸出端連接Boost變換電路和Buck變換電路的控制端。
特別地，第一檢測單元包括第一電壓檢測單元和第一電流檢測單元。第一電壓檢測單元由第一電壓傳感器、第一電壓信號調理電路和第一電壓A/D轉換電路組成；第一電壓傳感器設置在高頻電源的輸出端，第一電壓信號調理電路的輸入端與第一電壓傳感器的輸出端相連，第一電壓信號調理電路的輸出端與第一電壓A/D轉換電路的輸入端相連，第一電壓A/D轉換電路的輸出端與發射微控制器相連。第一電流檢測單元由第一電流傳感器、第一電流信號調理電路和第一電流A/D轉換電路組成；第一電流傳感器設置在高頻電源的輸出端，第一電流信號調理電路的輸入端與第一電流傳感器的輸出端相連，第一電流信號調理電路的輸出端與第一電流A/D轉換電路的輸入端相連，第一電流A/D轉換電路的輸出端與發射微控制器相連。
特別地，第二檢測單元包括第二電壓檢測單元和第二電流檢測單元。第二電壓檢測單元由第二電壓傳感器、第二電壓信號調理電路和第二電壓A/D轉換電路組成；第二電壓傳感器設置在整流濾波電路的輸出端，第二電壓信號調理電路的輸入端與第二電壓傳感器的輸出端相連，第二電壓信號調理電路的輸出端與第二電壓A/D轉換電路的輸入端相連，第二電壓A/D轉換電路的輸出端與接收微控制器相連。第二電流檢測單元由第二電流傳感器、第二電流信號調理電路和第二電流A/D轉換電路組成；第二電流傳感器設置在整流濾波電路的輸出端，第二電流信號調理電路的輸入端與第二電流傳感器的輸出端相連，第二電流信號調理電路的輸出端與第二電流A/D轉換電路的輸入端相連，第二電流A/D轉換電路的輸出端與接收微控制器相連。
特別地，第三檢測單元為第三電壓檢測單元。第三電壓檢測單元由第三電壓傳感器、第三電壓信號調理電路和第三電壓A/D轉換電路組成；第三電壓傳感器設置在Boost變換電路的輸出端，第三電壓信號調理電路的輸入端與第三電壓傳感器的輸出端相連，第三電壓信號調理電路的輸出端與第三電壓A/D轉換電路的輸入端相連，第三電壓A/D轉換電路的輸出端與接收微控制器相連。
特別地，發射微控制器為單片機，接收為控制器為數位訊號處理器。
特別地，發射線圈與接收線圈的結構相同，且二者的中心固定在同一水平線上。
與現有技術相比，本實用新型具有如下特點：
1、在發射端設置檢測單元，檢測系統的輸入功率；在接收端設置檢測單元，檢測系統的輸出功率(忽略級聯電路的能量損耗)，同時考慮系統的輸出功率和效率，能夠自由變換系統輸出功率和傳輸效率，保證系統具有良好的綜合性能，彌補了傳統控制中僅能保證功率和效率單一最優的缺陷；
2、採用級聯的Boost變換電路和Buck變換電路，既避免了傳統阻抗匹配網絡或體積較大或匹配精度不高的問題，又便於微控制器分開調節控制，提高了系統的可控性和能量傳輸的穩定性；
3、基於電磁耦合諧振技術實現中等距離的無線電能傳輸，具有高效、非輻射能量傳輸的優點；
4、解決了距離或負載發生變化時，系統不能按照人們要求自由變換控制系統的輸出功率和傳輸效率，且輸出功率和傳輸效率不能兼顧的問題。
附圖說明
圖1為基於串串型拓補結構的MCR-WPT系統等效電路模型。
圖2為本實用新型的結構框圖。
圖3為本實用新型檢測單元結構示意圖圖。
圖4為本實用新型接收端級聯變換拓補電路原理圖。
具體實施方式
以下結合實施例對本實用新型作進一步說明，但本實用新型並不局限於這些實施例。
基於功效乘方的最優負載跟蹤的MCR-WPT裝置，採用的控制理念是功效乘方。結合圖1對該理念進行介紹如下：
採用串串型拓補結構的MCR-WPT系統等效電路模型如圖1所示。圖中，L1，L2，C1，C2，R1，R2分別為發射線圈和接收線圈的等效電感，等效電容和等效電阻。I1，I2分別為發射線圈和接收線圈中的電流，M為兩線圈間的互感，D為兩線圈間的距離，RL為等效負載，US為高頻電源。由圖1可得系統的輸出功率和傳輸效率的計算式為式(1)和式(2)：
由式(1)和式(2)可知分別存在最大輸出功率負載RLP和最佳傳輸效率負載RLη使系統的輸出功率和傳輸效率分別達到最大，但RLP＞RLη，即不存在最佳工作負載同時使系統的輸出功率和效率達到最大。因此，在負載區間[RLη，RLP]內，系統的傳輸性能從最大傳輸效率向最大輸出功率過渡，當負載越接近RLη時，系統的傳輸效率越大；當負載越接近RLP時，系統的輸出功率越大。為了能夠兼顧系統的輸出功率和傳輸效率並實現二者的自由變換，本實用新型提出採用新的功效乘方的評價指標，具體如式(3)：
式中，n、m分別為P和η的次方數，用來表示在一次系統評價過程中二者的權重。若n遠大於m或m＝0，則表示在此次系統評價過程中，只關注系統的輸出功率；若m遠大於n或n＝0，則表示在該次評價過程中，只關注系統的傳輸效率；若m＝n，則表示在此次評價過程中，同時關注系統的輸出功率和傳輸效率，二者的重要性處於同一位置；若m略大於n或n略大於m，則表示評價系統時略微偏向系統的傳輸效率或輸出功率。對式(3)求關於負載的偏導數可得式(4)。式中，Zm＝ω×M，且m、n均不小於1。
由式(4)可知存在最佳功效乘方負載使式(3)達到最大，具體如式(5)所示：
使功效乘方取得最大的最優負載RLΦ在最大輸出功率負載RLP和最佳傳輸效率負載RLη的區間之內，即：RLΦ∈[RLη,RLP]。因此根據式(5)通過合理地設置m和n的取值，能夠調節使功效乘方取得最大的最優負載RLΦ，並且將系統的工作負載通過一定的變換裝置變換到使功效乘方獲得最大的負載值時，即動態跟蹤使功效乘方獲得最大的負載，便能夠按照人們的意願自由地控制系統的輸出功率和傳輸效率，且能保證系統的大功率、高效率的傳輸。
為了將負載RL變換到功效乘方取得最大的最優負載RLΦ，可採用DC-DC變換的方式。為了能夠實現負載由小到大的任意範圍內的阻抗變換，可採用Boost變換電路和Buck變換電路級聯的形式。由此可得RL和RLΦ間的關係如式(6)所示。式中，D1為Boost變換電路的佔空比，D2為Buck變換電路的佔空比。
一種基於最大功效乘方負載跟蹤的磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置，如圖2所示，包括發射裝置和接收裝置。
發射裝置包括高頻電源，阻抗匹配網絡，檢測系統及發射線圈。高頻電源的輸出端經阻抗匹配網絡與發射線圈的輸入端連接。檢測系統包括第一檢測單元、發射微控制器和無線發射模塊。第一檢測單元的輸入端與高頻電源的輸出端相連，第一檢測單元的輸出端連接發射微控制器，發射微控制器的輸出端連接無線發射模塊的輸入端。
接收裝置包括接收線圈、整流濾波電路，級聯變換電路，控制系統及負載。級聯變換電路包括Boost變換電路和Buck變換電路。接收線圈的輸出端經整流濾波電路連接Boost變換電路的輸入端；Boost變換電路的輸出端與Buck變換電路的輸入端相連；Buck變換電路的輸出端連接負載。控制系統包括第二檢測單元、電壓檢測單元、接收微控制器和無線接收模塊。無線接收模塊的輸入端與無線發射模塊的輸出端無線連接，無線接收模塊的輸出端與微控制器的輸入端相連。第二檢測單元的輸入端與整流濾波電路的輸出端相連，電壓檢測單元的輸入端與Boost變換電路的輸出端相連，第二檢測單元和電壓檢測單元的輸出端同時連接接收微控制器的輸入端。接收微控制器的輸出端連接Boost變換電路和Buck變換電路的控制端。
第一檢測單元和第二檢測單元的結構相同，均包括電壓檢測單元和電流檢測單元，如圖3所示。電壓檢測單元由電壓傳感器、電壓信號調理電路和電壓A/D轉換電路組成。其中電壓信號調理電路的輸入端與電壓傳感器相連，電壓信號調理電路的輸出端與電壓A/D轉換電路的輸入端相連，電壓A/D轉換電路的輸出端與對應的微控制器相連。電流檢測單元由電流傳感器、電流信號調理電路和電流A/D轉換電路組成。其中電流信號調理電路的輸入端與電流傳感器相連，電流信號調理電路的輸出端與電流A/D轉換電路的輸入端相連，電流A/D轉換電路的輸出端與對應的微控制器相連。
第三檢測單元也由電壓傳感器、電壓信號調理電路和電壓A/D轉換電路組成。其中電壓信號調理電路的輸入端與電壓傳感器相連，電壓信號調理電路的輸出端與電壓A/D轉換電路的輸入端相連，電壓A/D轉換電路的輸出端與接收微控制器相連。
在本實用新型中，檢測系統的發射微控制器為單片機，控制系統的接收微控制器為數位訊號處理器(Digital Signal Processor，DSP)。接收微控制器採用的評價指標為功效乘方，功效乘方中的次數m、n可根據人們的要求自由設置。發射線圈與接收線圈的結構相同，均由銅線繞制而成。發射線圈與接收線圈的中心在同一水平線上，以提高電能傳輸效率。負載可以是純電阻負載或受外界條件影響導致阻抗會發生變化的負載如電池或超級電容等。
本實用新型在無線能量傳輸系統中加入實時檢測和自動調節裝置。當傳輸距離和負載發生變化時，對系統的傳輸性能進行實時檢測並根據人們的要求能夠實現自由自動控制調節，保證系統能夠實現大功率、高效率的傳輸。這對充分發揮該技術中遠距離的優勢、增強該技術的實用性具有至關重要的意義。
本實用新型的工作原理如下：
發射裝置的高頻電源輸出高頻交流電能，經過阻抗匹配網絡形成共軛匹配，最大化高頻電源的輸出功率，而後將電能輸入至發射線圈。發射線圈產生共振，在其周圍產生交變的電磁場。接收線圈與發射線圈的結構參數基本相同，也發生共振，產生同頻共振的電磁場，形成能量接收通道，獲取耦合諧振能量，在發射線圈產生同頻的交變電流。接收線圈接收的能量經整流濾波電路變換成穩定的直流電，並經控制系統的調節和處理後，得到適用於負載供電的電壓或電流，給負載供電，實現電能的無線傳輸。
當系統運行時，由檢測系統的檢測單元分別通過電壓傳感器、電流傳感器採集到系統的輸入電壓、輸入電流信號；由控制系統的檢測單元分別通過電壓傳感器、電流傳感器採集到級聯變換電路的輸入電壓Vin和輸入電流信號Iin作為系統的輸出電壓、輸出電流信號，上述信號分別經過信號調理和A/D轉換等電路後，傳遞到對應的微控制器中。檢測裝置的微控制器經過無線發射模塊和無線接收模塊將系統輸入信息傳遞給控制系統的微控制器。控制系統的微控制器根據預先設置好的功效乘方的次數，經過信息處理得到系統的傳輸效率及功效乘方。
當系統的負載或距離發生變化時，控制系統的微控制器以一定的擾動輸出PWM信號調節級聯變換電路的佔空比D1和D2，通過與調節前系統的功效乘方進行比較，確定擾動方向的正確與否。若擾動方向正確，則按照原來的方向繼續擾動輸出信號進行調節；若擾動方向錯誤，則按照反方向進行擾動調節，直到前後兩次的調節保證系統的功效乘方的變化量控制在允許範圍內，此時系統便工作在使功效乘方達到最大的理想負載條件下，實現最優負載的跟蹤。在系統工作前，先設置緩衝電容C2兩端的緩衝電壓Vbf為負載工作電壓的k倍(k略大於1，保證負載工作的安全)，由控制系統的微處理器輸出PWM信號調節Boost變換電路的佔空比，保證Vbf大於Vin；在Buck變換電路的輸入端設置電壓檢測單元，實時檢測Vbf保證在負載或距離發生變化時緩衝電壓Vbf總大於負載兩端的額定工作電壓Vout，保證Buck變換電路工作的有效性，提高系統輸出的穩定性，系統的具體工作原理如圖4所示。通過以上控制調節，即可實現負載或距離變化時系統既能大功率又能高效率的傳輸。該系統的負載可以是純電阻負載或受外界條件影響導致阻抗會發生變化的負載如電池或超級電容等。