CN109038852A - 一种可智能调谐的能量无线传输*** - Google Patents
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Abstract
本发明的一种可智能调谐的能量无线传输***属于能量无线传输技术领域。结构有AC‑DC转换单元(2)、逆变电路(3)、发射线圈(4)、调谐电路(5)、反馈单元(6)、控制单元(7)接收线圈(8)和稳压整流滤波电路(9)。本发明通过智能调谐网络，使发射单元始终处在谐振状态，提高***传输效率，有效减小接收线圈位置、距离和负载内阻大小对整体***的传输效率造成的影响。
Description
技术领域
本发明属于能量无线传输技术领域，特别涉及一种可智能调谐的能量无线传输***。
背景技术
随着能量无线传输技术的不断发展，在人们生活中扮演的角色越来越重要；小到家用电气，大到工业设备以及医疗电子等领域，能量无线传输已经登上了历史科技的舞台，并将发挥其重大的作用和意义。
虽然能量无线传输已经逐渐走入人们的生活并将发挥其巨大的作用，但同时伴随它的还有自身的许多问题；至今，能量无线传输的传输距离、传输效率仍然有提高的空间，所以解决其传输距离和传输效率成为当下研究的重点。
科学技术的不断进步，磁耦合共振式能量无线传输具有中等传输距离，结构增加调谐网络可实现漏感补偿和频率补偿，从而提高传输距离和传输效率；但在实际应用中，由于发射单元与接收单元的位置和距离不能固定，造成互感参数发生改变，使发射单元和接收单元不能谐振，传输距离和传输效率受到严重影响；另外，负载参数的不统一也会造成以上影响。
发明内容
本发明的目的是，克服背景技术存在的不足，提供一种可智能调谐的能量无线传输***，***初始工作时，依次改变补偿网络的参数，并对发射线圈电压峰值进行检测，选取能使发射线圈峰值最大的补偿方案，以有效提高能量无线传输距离和传输效率。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种可智能调谐的能量无线传输***，结构有AC-DC转换单元2、逆变电路3、发射线圈4、接收线圈8和稳压整流滤波电路9；其特征在于，结构还有调谐电路5、反馈单元6和控制单元7；
所述的AC-DC转换单元2的输入端与市电1相连，输出端与逆变电路3的输入端相连，逆变电路3的输出端与发射线圈4相连，发射线圈4还与调谐电路5的输入端以及反馈单元6的输入端相连，反馈单元6的输出端和使能端分别与控制单元7的输入端和控制端相连，控制单元7的输出端与调谐电路5的输入端相连；接收线圈8连接稳压整流滤波电路9的输入端，稳压整流滤波电路9的输出端与负载10相连；发射线圈4用于发射无线能量，接收线圈8用于接收发射线圈4发射的无线能量；
所述的反馈单元6的结构为，继电器K1的1端口作为反馈单元6的输入端，记为端口In_Volt，与发射线圈4相连，继电器K1的3端口作为反馈单元6的使能端，记为端口S_Drive，与控制单元7的控制端相连；继电器K1的2端口与二极管D1阳极相连；继电器K1的4端口连接电源VCC；二极管D1阴极连接电阻R1的一端、电阻R2一端和电容C1的一端；电阻R1另一端和电容C1的另一端接地GND；电阻R2另一端连接电阻R3的一端和电容C2的一端，并作为反馈单元6的输出端，记为端口Out_Volt，与控制单元7的输入端相连；电阻R3的另一端与电容C2的另一端接地；
所述的控制单元7的结构为，模数转换器707的输出端与单片机701相连，输入端作为控制单元7的输入端，与反馈单元6的输出端(即端口Out_Volt)相连，单片机701还分别与第一控制电路703、第二控制电路704、第三控制电路705、第四控制电路706、第五控制电路702的输入端相连；第五控制电路702的输出端作为控制单元7的控制端，与反馈单元6的使能端(即端口S_Drive)相连，第一控制电路703、第二控制电路704、第三控制电路705、第四控制电路706的输出端(即每个控制电路的端口Out_Drive)作为控制单元7的四个输出端，分别与调谐电路5的四个输入端(即端口D_A、端口D_B、端口D_C、端口D_D)相连；
在控制单元7中，所述的第一控制电路703、第二控制电路704、第三控制电路705、第四控制电路706、第五控制电路702的结构均相同，具体为，电阻R4的一端与电容C3的一端相连，作为控制电路的输入端，记为端口In_Con，与单片机701相连，电阻R4的另一端与发光二极管D2的阳极相连，电容C3的另一端与发光二极管D2的阴极相连，并接地；光敏二极管D3阳极接地，阴极接电阻R12的一端，电阻R12的另一端接电源VCC1；运算放大器U1A的供电正端接电源VCC1，负端接地GND；运算放大器U1A同相输入端通过电阻R5接地，反相输入端连接电阻R6的一端和电阻R7的一端，电阻R6另一端接地，电阻R7另一端接运算放大器U1A输出端；运算放大器U1A输出端连接电容C4的一端、电阻R8的一端、电阻R9的一端和晶体管Q1基极，电容C4的另一端、电阻R8的另一端接地，电阻R9另一端接电源VCC1；晶体管Q1发射极串联电阻R10接地GND，集电极串联电阻R11接电源VCC1；电容C5一端连接电源VCC1,另一端接地GND；运算放大器U1B供电正端接电源VCC2，负端接地GND；运算放大器U1B同相输入端串联电阻R13接晶体管Q1集电极；运算放大器U1B反相输入端连接电阻R14的一端和电阻R15的一端，电阻R14另一端接地GND，电阻R15另一端接运算放大器U1B输出端，运算放大器U1B输出端连接电容C7一端，电容C7另一端接地GND；电容C6一端连接电源VCC2，另一端接地GND；运算放大器U1B输出端作为控制电路的输出端，记为端口Out_Drive；
所述的调谐电路5的结构为，电容C8一端与场效应管T6和场效应管T2的源极相连，另一端与场效应管T3和场效应管T4的源极相连，并作为调谐电路5的一个输出端，记为端口L+，场效应管T6的漏极作为调谐电路5的另一个输出端，记为端口L-，端口L+和端口L-分别与发射线圈4的两端相连，场效应管T6的栅极连接电容C9的一端和电阻R16的一端，并作为调谐电路5的第一个输入端，记为端口D_A，电容C9的另一端和电阻R16的另一端接端口L-；场效应管T2栅极连接电容C11的一端和电阻R17的一端，并并作为调谐电路5的第二个输入端，记为端口D_B，场效应管T2的漏极连接电容C10一端，电容C10另一端、电容C11另一端、电阻R17另一端连接端口L-；场效应管T3的栅极连接电容C12的一端和电阻R19的一端，并作为调谐电路5的第三个输入端，记为端口D_C，场效应管T3的漏极连接电阻R18一端；电阻R18另一端、电容C12另一端、电阻R19另一端连接端口L-；场效应管T4的栅极连接电容C14的一端和电阻R20的一端，并作为调谐电路5的第四个输入端，记为端口D_D，场效应管T4的漏极连接电容C13一端，电容C13另一端、电容C14另一端、电阻R20另一端连接端口L-。
所述的AC-DC转换单元2可以是任何能将220V 50Hz交流电转换成直流电的电路，优选输出直流电压200V。
所述的逆变电路3可以是任何能将直流电转换成高频交流电的电路，优选输出频率50kHz。
本发明有以下有益效果：
1、本发明通过智能调谐网络，使发射单元始终处在谐振状态，提高***传输效率。
2、本发明中的协调网络不仅实现了对电容的正向调节(增加电容)，并且可以反向调节(减小电容)，提高调节范围。
3、本发明中的反馈单元6设计了使能功能，在***进行稳定工作之后，可通过控制单元将其关闭，减小正常工作时对发射线圈的影响。
4、本发明的调谐网络可以很方便地根据不同***进行扩展，选择合理参数实现对调节精度的控制。
5、本发明的反馈单元有效的与发射线圈结合，精确提取发射线圈峰值，提高反馈性能并降低***成本。
6、本发明可以降低接收端接收线圈位置、距离和负载内阻大小对整体***的传输效率造成的影响。
7、本发明可进一步实现不同规格的无线充电***之间的兼容性。
附图说明：
图1是本发明的整体结构框图。
图2是本发明的反馈单元的电路图。
图3是本发明的控制单元的结构框图。
图4是本发明的控制单元中所有物控制电路的原理图。
图5是本发明的调谐电路的电路图。
具体实施方式
实施例1本发明的整体结构
本发明整体结构框图如图1所示：
AC-DC转换单元2的输入端与市电1相连，输出端与逆变电路3的输入端相连，逆变电路3的输出端与发射线圈4相连，发射线圈4还与调谐电路5的输入端以及反馈单元6的输入端相连，反馈单元6的输出端和使能端分别与控制单元7的输入端和控制端相连，控制单元7的输出端与调谐电路5的输入端相连；接收线圈8连接稳压整流滤波电路9的输入端，稳压整流滤波电路9的输出端与负载10相连；发射线圈4用于发射无线能量，接收线圈8用于接收发射线圈4发射的无线能量。
AC-DC转换单元2将市电1中的交流电转换为直流电，再经过逆变电路3将直流电逆变为所需频率的交流电；调谐电路5与发射线圈4并联，通过开启反馈单元6将谐振状态反馈给控制单元7，控制单元7控制与发射线圈4并联的调谐电路5降低磁耦合元件的阻抗，使发射单元始终处在谐振状态，由磁耦合元件的发射线圈4产生交变电磁场；接收单元由固有频率相同的接收线圈8与发射线圈4产生共振并接收能量，再经过稳压整流滤波电路9将交流电转变为负载10所需的直流电，实现能量的无线传输。
其中AC-DC转换单元2属于常规电路，可选用任何能将220V 50Hz交流电转换成直流电的电路设计；逆变电路3是无线能量传输领域的常用电路，可选用任何能将直流电压转换成高频正弦波交流电的电路设计；接收线圈8、稳压整流滤波电路9和负载10处于接收装置中，不属于本发明的结构。
实施例2反馈单元
所述的反馈单元6的电路结构如图2所示，继电器K1的1端口作为反馈单元6的输入端，记为端口In_Volt，与发射线圈4相连，继电器K1的3端口作为反馈单元6的使能端，记为端口S_Drive，与控制单元7的控制端相连；继电器K1的2端口与二极管D1阳极相连；继电器K1的4端口连接电源VCC；二极管D1阴极连接电阻R1的一端、电阻R2一端和电容C1的一端；电阻R1另一端和电容C1的另一端接地GND；电阻R2另一端连接电阻R3的一端和电容C2的一端，并作为反馈单元6的输出端，记为端口Out_Volt，与控制单元7的输入端相连；电阻R3的另一端与电容C2的另一端接地。
本结构将检测发射线圈4的电压峰值并将检测结果传送至控制单元7中的模数转换器转换成数字信号后输入至单片机701；此结构适用于发射单元中发射线圈4与调谐电路5并联的情况；端口S_Drive是本电路的使能控制端，通过控制单元7的控制端可以控制反馈单元6的开启和关闭；本结构具有对***干扰小、反馈精度高等特点。
实施例3控制单元
所述的控制单元7的结构如图3所示，模数转换器707的输出端与单片机701相连，输入端作为控制单元7的输入端，与反馈单元6的输出端(即端口Out_Volt)相连，单片机701还分别与第一控制电路703、第二控制电路704、第三控制电路705、第四控制电路706、第五控制电路702的输入端相连；第五控制电路702的输出端作为控制单元7的控制端，与反馈单元6的使能端(即端口S_Drive)相连，第一控制电路703、第二控制电路704、第三控制电路705、第四控制电路706的输出端(即每个控制电路的端口Out_Drive)作为控制单元7的四个输出端，分别与调谐电路5的四个输入端(即端口D_A、端口D_B、端口D_C、端口D_D)相连。
所述的第一控制电路703、第二控制电路704、第三控制电路705、第四控制电路706、第五控制电路702的结构均相同，如图4所示，电阻R4的一端与电容C3的一端相连，作为控制电路的输入端，记为端口In_Con，与单片机701相连，电阻R4的另一端与发光二极管D2的阳极相连，电容C3的另一端与发光二极管D2的阴极相连，并接地；光敏二极管D3阳极接地，阴极接电阻R12的一端，电阻R12的另一端接电源VCC1；运算放大器U1A的供电正端接电源VCC1，负端接地GND；运算放大器U1A同相输入端通过电阻R5接地，反相输入端连接电阻R6的一端和电阻R7的一端，电阻R6另一端接地，电阻R7另一端接运算放大器U1A输出端；运算放大器U1A输出端连接电容C4的一端、电阻R8的一端、电阻R9的一端和晶体管Q1基极，电容C4的另一端、电阻R8的另一端接地，电阻R9另一端接电源VCC1；晶体管Q1发射极串联电阻R10接地GND，集电极串联电阻R11接电源VCC1；电容C5一端连接电源VCC1,另一端接地GND；运算放大器U1B供电正端接电源VCC2，负端接地GND；运算放大器U1B同相输入端串联电阻R13接晶体管Q1集电极；运算放大器U1B反相输入端连接电阻R14的一端和电阻R15的一端，电阻R14另一端接地GND，电阻R15另一端接运算放大器U1B输出端，运算放大器U1B输出端连接电容C7一端，电容C7另一端接地GND；电容C6一端连接电源VCC2，另一端接地GND；运算放大器U1B输出端作为控制电路的输出端，记为端口Out_Drive。
控制单元7通过单片机实现对调谐电路5中开关管的控制，达到对调谐电路5中电容值的控制；经过不断改变电容值，使发射单元谐振频率匹配工作频率，然后对反馈单元6的峰值电压进行采样，最终确定最大峰值所对应的调谐电路5中的电容值，并控制在此状态工作；在每个控制电路中，通过增加D2、D3进行光耦合，防止次级电路对控制单元6的控制输出干扰；U1A放大输入信号，Q1放大电流，U1B放大驱动功率。同时控制单元7还对反馈单元6的使能端进行控制，以实现反馈单元6的开启和关闭。
实施例4调谐电路
所述的调谐电路5的结构如图5所示，电容C8一端与场效应管T6和场效应管T2的源极相连，另一端与场效应管T3和场效应管T4的源极相连，并作为调谐电路5的一个输出端，记为端口L+，场效应管T6的漏极作为调谐电路5的另一个输出端，记为端口L-，端口L+和端口L-分别与发射线圈4的两端相连，场效应管T6的栅极连接电容C9的一端和电阻R16的一端，并作为调谐电路5的第一个输入端，记为端口D_A，电容C9的另一端和电阻R16的另一端接端口L-；场效应管T2栅极连接电容C11的一端和电阻R17的一端，并并作为调谐电路5的第二个输入端，记为端口D_B，场效应管T2的漏极连接电容C10一端，电容C10另一端、电容C11另一端、电阻R17另一端连接端口L-；场效应管T3的栅极连接电容C12的一端和电阻R19的一端，并作为调谐电路5的第三个输入端，记为端口D_C，场效应管T3的漏极连接电阻R18一端；电阻R18另一端、电容C12另一端、电阻R19另一端连接端口L-；场效应管T4的栅极连接电容C14的一端和电阻R20的一端，并作为调谐电路5的第四个输入端，记为端口D_D，场效应管T4的漏极连接电容C13一端，电容C13另一端、电容C14另一端、电阻R20另一端连接端口L-。
调谐电路5采用独特设计的软开关来控制电容的通断，通过控制单元7可实现有效、稳定、安全的控制选择；另外，本结构的调节范围是可拓展型的，可以根据实际应用的具体参数和性能进行拓展匹配；开关管采用MOSFET可以提高能量无线传输***的传输功率，开关管栅极与漏极之间并联电阻和电容构成吸收电路，可防止静电、尖峰脉冲干扰；T6用于控制总电容值减小，T2、T4用于控制总电容值增加；T3控制放电回路，防止开关管断开后存在的干扰。
本发明对无线传输***具有智能调谐的功能，智能调谐结构有：发射线圈4、反馈单元6、控制单元7、调谐电路5；智能调谐结构在能量无线传输***开启时由控制单元7控制反馈单元6的开启，并控制调谐电路5对发射单元的阻抗进行自动匹配，匹配过程中反馈单元6将发射线圈4的峰值电压反馈给控制单元7；控制单元7通过对反馈单元6峰值电压进行ADC采样，并在最大峰值时确定和控制调谐电路5的电容值，使发射单元始终处在谐振状态。本发明可解决由于接收端线圈的位置和距离在实际应用中不能固定不变，并且接收端负载内阻不可能完全一致，造成发射端阻抗变化的问题。
Claims (3)
1.一种可智能调谐的能量无线传输***，结构有AC-DC转换单元(2)、逆变电路(3)、发射线圈(4)、接收线圈(8)和稳压整流滤波电路(9)；其特征在于，结构还有调谐电路(5)、反馈单元(6)和控制单元(7)；
所述的AC-DC转换单元(2)的输入端与市电(1)相连，输出端与逆变电路(3)的输入端相连，逆变电路(3)的输出端与发射线圈(4)相连，发射线圈(4)还与调谐电路(5)的输入端以及反馈单元(6)的输入端相连，反馈单元(6)的输出端和使能端分别与控制单元(7)的输入端和控制端相连，控制单元(7)的输出端与调谐电路(5)的输入端相连；接收线圈(8)连接稳压整流滤波电路(9)的输入端，稳压整流滤波电路(9)的输出端与负载(10)相连；发射线圈(4)用于发射无线能量，接收线圈(8)用于接收发射线圈(4)发射的无线能量；
所述的反馈单元(6)的结构为，继电器K1的1端口作为反馈单元(6)的输入端，记为端口In_Volt，与发射线圈(4)相连，继电器K1的3端口作为反馈单元(6)的使能端，记为端口S_Drive，与控制单元(7)的控制端相连；继电器K1的2端口与二极管D1阳极相连；继电器K1的4端口连接电源VCC；二极管D1阴极连接电阻R1的一端、电阻R2一端和电容C1的一端；电阻R1另一端和电容C1的另一端接地GND；电阻R2另一端连接电阻R3的一端和电容C2的一端，并作为反馈单元(6)的输出端，记为端口Out_Volt，与控制单元(7)的输入端相连；电阻R3的另一端与电容C2的另一端接地；
所述的控制单元(7)的结构为，模数转换器(707)的输出端与单片机(701)相连，输入端作为控制单元(7)的输入端，与反馈单元(6)的输出端(即端口Out_Volt)相连，单片机(701)还分别与第一控制电路(703)、第二控制电路(704)、第三控制电路(705)、第四控制电路(706)、第五控制电路(702)的输入端相连；第五控制电路(702)的输出端作为控制单元(7)的控制端，与反馈单元(6)的使能端(即端口S_Drive)相连，第一控制电路(703)、第二控制电路(704)、第三控制电路(705)、第四控制电路(706)的输出端(即每个控制电路的端口Out_Drive)作为控制单元(7)的四个输出端，分别与调谐电路(5)的四个输入端(即端口D_A、端口D_B、端口D_C、端口D_D)相连；
在控制单元(7)中，所述的第一控制电路(703)、第二控制电路(704)、第三控制电路(705)、第四控制电路(706)、第五控制电路(702)的结构均相同，具体为，电阻R4的一端与电容C3的一端相连，作为控制电路的输入端，记为端口In_Con，与单片机(701)相连，电阻R4的另一端与发光二极管D2的阳极相连，电容C3的另一端与发光二极管D2的阴极相连，并接地；光敏二极管D3阳极接地，阴极接电阻R12的一端，电阻R12的另一端接电源VCC1；运算放大器U1A的供电正端接电源VCC1，负端接地GND；运算放大器U1A同相输入端通过电阻R5接地，反相输入端连接电阻R6的一端和电阻R7的一端，电阻R6另一端接地，电阻R7另一端接运算放大器U1A输出端；运算放大器U1A输出端连接电容C4的一端、电阻R8的一端、电阻R9的一端和晶体管Q1基极，电容C4的另一端、电阻R8的另一端接地，电阻R9另一端接电源VCC1；晶体管Q1发射极串联电阻R10接地GND，集电极串联电阻R11接电源VCC1；电容C5一端连接电源VCC1,另一端接地GND；运算放大器U1B供电正端接电源VCC2，负端接地GND；运算放大器U1B同相输入端串联电阻R13接晶体管Q1集电极；运算放大器U1B反相输入端连接电阻R14的一端和电阻R15的一端，电阻R14另一端接地GND，电阻R15另一端接运算放大器U1B输出端，运算放大器U1B输出端连接电容C7一端，电容C7另一端接地GND；电容C6一端连接电源VCC2，另一端接地GND；运算放大器U1B输出端作为控制电路的输出端，记为端口Out_Drive；
所述的调谐电路(5)的结构为，电容C8一端与场效应管T6和场效应管T2的源极相连，另一端与场效应管T3和场效应管T4的源极相连，并作为调谐电路(5)的一个输出端，记为端口L+，场效应管T6的漏极作为调谐电路(5)的另一个输出端，记为端口L-，端口L+和端口L-分别与发射线圈4的两端相连，场效应管T6的栅极连接电容C9的一端和电阻R16的一端，并作为调谐电路(5)的第一个输入端，记为端口D_A，电容C9的另一端和电阻R16的另一端接端口L-；场效应管T2栅极连接电容C11的一端和电阻R17的一端，并并作为调谐电路(5)的第二个输入端，记为端口D_B，场效应管T2的漏极连接电容C10一端，电容C10另一端、电容C11另一端、电阻R17另一端连接端口L-；场效应管T3的栅极连接电容C12的一端和电阻R19的一端，并作为调谐电路(5)的第三个输入端，记为端口D_C，场效应管T3的漏极连接电阻R18一端；电阻R18另一端、电容C12另一端、电阻R19另一端连接端口L-；场效应管T4的栅极连接电容C14的一端和电阻R20的一端，并作为调谐电路(5)的第四个输入端，记为端口D_D，场效应管T4的漏极连接电容C13一端，电容C13另一端、电容C14另一端、电阻R20另一端连接端口L-。
2.根据权利要求1所述的一种可智能调谐的能量无线传输***，其特征在于，所述的AC-DC转换单元(2)的输出直流电压是200V。
3.根据权利要求1或2所述的一种可智能调谐的能量无线传输***，其特征在于，所述的逆变电路(3)的输出频率是50kHz。
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