CN109245329B - 一种基于矢量功率叠加的无线能量传输***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于矢量功率叠加的无线能量传输***及方法，包括电源电路、时钟控制及栅极驱动电路、第一逆变电路、第二逆变电路、无线能量耦合电路和AC‑DC转换电路；逆变电路将电流输出至无线能量耦合电路，以电场耦合和磁耦合的方式将能量传输到接收电路，并将接收到的两种相位不同的能量以矢量叠加的方式传输到AC‑DC转换电路，最终输出至负载。本发明通过无线能量耦合电路以电场耦合和磁耦合两种方式进行能量传输；并经由AC‑DC转换电路输出至负载，使得原边电路与副边电路的位置更加灵活，提高了整个***的传输功率。
Description
技术领域
本发明涉及无线传输领域，具体涉及一种基于矢量功率叠加的无线能量传输***及方法。
背景技术
近年来，随着无线互联的需求不断提高，无线能量传输(WPT)技术逐渐成为国内外的研究热点。已有的WPT技术可分为近场传输技术和远场传输技术，其中近场传输技术主要包含磁耦合传输技术和电场耦合传输技术，且都属于非辐射能量传输方式；远场传输技术主要通过微波或者激光以辐射方式进行无线能量传输。前者由于其辐射性低，被广泛应用于生物医用植入式设备，为其提供一种安全、可靠、稳定的无线供能方式。
在实际应用中，磁耦合传输具有传输距离远和效率高等优势，而电场耦合传输弥补了耦合线圈位置不够灵活和易受金属物体干扰的缺点，因此采用磁耦合和电场耦合同时传输的方法会使***兼具传输距离、效率、灵活性和抗干扰性等方面的优势。此外，传统的无线能量发射电路采用单一的发射源，导致发射功率较低。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于矢量功率叠加的无线能量传输***及方法，解决单一电场耦合或磁场耦合方式在功率、灵活性、抗干扰等方面的问题。
本发明采用如下技术方案：
一种基于矢量功率叠加的无线能量传输***，包括电源电路、时钟控制及栅极驱动电路、第一逆变电路、第二逆变电路、无线能量耦合电路和AC-DC转换电路；
所述电源电路的输出端分别与第一逆变电路和第二逆变电路的电源输入端连接，提供稳定的直流电压；
所述时钟控制及栅极驱动电路有两个输出端，两个输出端分别与第一逆变电路及第二逆变电路的信号输入端连接，输出栅极控制信号；
所述第一逆变电路的第一输出端及第二输出端分别与无线能量耦合电路第一输入端及第二输入端连接，并将电源输出的直流电压转换为交流电压，为无线能量耦合电路提供发射功率；
所述第二逆变电路的第一输出端及第二输出端分别与无线能量耦合电路第三输入端及第四输入端连接；
所述无线能量耦合电路的第一输出端和第二输出端分别与AC-DC转换电路的第一及第二输入端连接；
所述AC-DC转换电路的输出端连接负载。
所述无线能量耦合电路包括初级耦合电路和次级耦合电路。
所述初级耦合电路包括初级发射线圈和初级耦合电容极板；
所述初级发射线圈包括第一发射线圈和第二发射线圈；
所述初级耦合电容极板包括第一极板、第二极板及第三极板，所述第一发射线圈的一端作为无线能量耦合电路的第二输入端，另一端与第一极板连接，所述第二发射线圈一端作为无线能量耦合电路第三输入端，另一端与第二极板连接；
所述第三极板的一端为无线耦合电路的第一输入端，另一端为无线耦合电路的第四输入端。
所述次级耦合电路包括次级接收线圈和次级耦合电容极板；
所述次级耦合电容极板包括第四极板及第五极板，第四极板与次级接收线圈的一端连接作为无线能量耦合电路的第一输出端；所述第五极板与次级接收线圈的另一端连接作为无线能量耦合电路的第二输出端。
所述的第一极板、第二极板分别和第四极板形成耦合电容，所述的第二极板和第三极板形成耦合电容，并利用电场耦合进行能量传输；
所述第一极板和第三极板之间的电容、第二极板和第三极板之间的电容、第四极板和第五极板之间的电容，分别与第一发射线圈、第二发射线圈和次级接收线圈构成原边和副边的谐振电路。
本发明通过电场耦合和磁场耦合的方式将能量从初级耦合电路传输到次级耦合电路。
一种基于矢量功率叠加的无线能量传输***的方法，其特征在于，包括如下步骤：
电源电路输出直流电路至第一逆变电路和第二逆变电路，第一及第二逆变电路接收时钟控制及栅极驱动电路的不同相位的栅极控制信号，产生不同相位的功率信号并输出无线能量耦合电路；
不同相位的功率信号在发射线圈和耦合电容产生不同相位的耦合磁场和耦合电场，耦合磁场中的能量以矢量叠加的方式在次级接收线圈和次级耦合电容极板被接收，接收到的能量再通过AC-DC转换电路转换为直流电流输出负载。
所述矢量叠加具体为：第一逆变电路、第一发射线圈和第一极板、第三极板构成第一发射电路；第二逆变电路、第二发射线圈和第二极板、第三极板构成第二发射电路；第一发射电路与第二发射电路由于时钟控制电路产生的不同相位的栅极控制信号而发射不同相位的耦合电场和磁场，并以矢量叠加的形式在次级接收线圈和次级耦合极板中被接收。
本方法包括两个能链路，能链路一的传输具体为：第一极板与第四极板构成一对耦合电容，同时第三极板与第五极板组成一对耦合电容，两对电容极板互相耦合通过电场进行能量传输；
同时第一极板和第三极板之间形成等效电容，第五极板与第四极板之间形成等效电容,第一发射线圈与等效电容形成发射谐振电路，次级接收线圈与等效电容形成接收谐振电路，并且通过磁场耦合进行能量传输。
能量链路二的传输具体为：所述第二极板与第四极板组成一对耦合电容，同时第三极板与第五极板组成一对耦合电容，两对电容极板互相耦合通过电场进行能量传输，同时第二极板和第三极板之间形成等效电容，第三极板与第四极板之间形成等效电容,第二发射线圈与等效电容形成发射谐振电路，次级接收线圈与等效电容形成接收谐振电路，并且通过磁场耦合进行能量传输。
本发明的有益效果：
本发明满足了无线能量传输中对灵活性和功率的要求；并通过矢量功率叠加的方法，使双能量链路产生的不同相位的能量信号，在接收电路的接收线圈和耦合电容极板上叠加，从而实现了提高并控制传输功率的目的；并且由于耦合极板之间的相互作用，使得耦合极板不仅在传输过程中通过电场耦合传输能量，而且极板之间形成的电容也同时作为谐振电容与线圈形成谐振电路，从而减少了外部元件的使用，并增大了发射电路与接收电路在位置上的灵活性。
附图说明
图1是本发明的电路结构图；
图2是本发明的无线能量耦合电路原理图；
图3是本发明的能量链路等效原理图；
图4是本发明的逆变电路原理图；
图5是本发明的时钟控制及栅极驱动电路原理图；
图6是本发明的矢量叠加原理图；
图7是本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本发明通过双能量链路同时对耦合电路供电，使初级发射电路产生两个具有一定相位差的电磁场，而且由双能量链路激发的电磁场在空间内进行叠加，然后在耦合接收电路中被接收，并将能量传输至AC-DC转换电路，从而实现了能量在传输过程中的叠加，提高了传输功率，同时由于电磁场耦合传输的原因，使得耦合发射电路和耦合接收电路的位置空间有了极大的灵活性，并且电容极板在作为耦合电容传输能量的同时，它们之间的等效电容又和线圈发生谐振，从而进一步提高了耦合发射电路和耦合接收电路的位置灵活性。下面结合附图对本发明的无线能量传输***进行说明
如图1-图6所示，一种基于矢量功率叠加的无线能量传输***，包括电源电路101、第一逆变电路111、第二逆变电路121、时钟控制及栅极驱动电路102、无线能量耦合电路131、AC-DC转换电路141及负载151；
所述电源电路输出端分别与第一逆变电路111和第二逆变电路121的电源输入端连接，提供稳定的直流电压。
所述时钟控制及栅极驱动电路102的第一输出端与第一逆变电路111的信号输入端连接，所述时钟控制及栅极驱动102电路的第二输出端与第二逆变电路121的信号输入端连接，并输出栅极控制信号至第一逆变电路111和第二逆变电路121。
所述第一逆变电路111的第一输出端及第二输出端分别与无线能量耦合电路131第一输入端及第二输入端连接，并将电源输出的直流电压转换为交流电压，为无线能量耦合电路提供发射功率；
所述第二逆变电路121的第一输出端及第二输出端分别与无线能量耦合电路第三输入端及第四输入端连接；
所述无线能量耦合电路131的第一输出端和第二输出端分别与AC-DC转换电路的第一及第二输入端连接；
所述AC-DC转换电路141的输出端连接负载151，并将交流电压转换成直流电压提供给负载。
所述无线能量耦合电路包括初级耦合电路和次级耦合电路。
所述初级耦合电路包括初级发射线圈和初级耦合电容极板；
所述初级发射线圈包括第一发射线圈L11a和第二发射线圈L12a；
所述初级耦合电容极板包括第一极板I11a、第二极板I12a及第三极板I2a，所述第一发射线圈L11a的一端作为无线能量耦合电路的第二输入端，另一端与第一极板连接，所述第二发射线圈L12a一端作为无线能量耦合电路第三输入端，另一端与第二极板I12a连接；
所述第三极板I2a的一端为无线耦合电路的第一输入端，另一端为无线耦合电路的第四输入端。
所述次级耦合电路包括次级接收线圈L2b和次级耦合电容极板；
所述次级耦合电容极板包括第四极板I1b及第五极板I2b，第四极板I1b与次级接收线圈的一端连接作为无线能量耦合电路的第一输出端；所述第五极板与次级接收线圈的另一端连接作为无线能量耦合电路的第二输出端。
第一发射线圈L11a与第一逆变电路111第二输出端连接，作为能量链路一的输入端输入能量至无线能量耦合电路，另一端与第一极板I11a连接；第二发射线圈L12a与第二逆变电路121第二输出端连接，作为能量链路二的输入端输入能量至无线能量耦合电路，另一端与第二极板I12a连接；同第三极板I2a两端与第一逆变电路111和第二逆变电路121连接共地。
所述的第一极板、第二极板分别和第四极板形成耦合电容，所述的第二极板和第三极板形成耦合电容，并利用电场耦合进行能量传输；
所述第一极板和第三极板之间的电容、第二极板和第三极板之间的电容、第四极板和第五极板之间的电容，分别与第一发射线圈、第二发射线圈和次级接收线圈构成原边和副边的谐振电路。
所述的第一极板、第二极板分别和第四极板形成耦合电容，所述的第二极板和第三极板形成耦合电容，并利用电场耦合进行能量传输；
所述第一极板和第三极板之间的电容、第二极板和第三极板之间的电容、第四极板和第五极板之间的电容，分别与第一发射线圈、第二发射线圈和次级接收线圈构成原边和副边的谐振电路。
通过电场耦合和磁场耦合的方式将能量从初级耦合电路传输到次级耦合电路。
在图1中，能量在发射端通过两条能量链路传输至发射线圈和耦合电容，在逆变电路111中，来自电源电路102的直流电路受时钟控制电路102的栅极控制信号控制，产生了具有不同相位的交流电流信号，不同相位的交流电流信号通过发射线圈和耦合极板产生了不同的磁场和电场，并在空间中叠加，最终通过接收线圈和次级耦合极板将能量传输到接收端，接收端通过AC-DC转换电路141对接收到的交流电流进行处理，最终输出直流电流至负载。
如图7所示，本发明的能量传输方法，具体为：
电源电路输出直流电路至第一逆变电路和第二逆变电路，第一及第二逆变电路接收时钟控制及栅极驱动电路的不同相位的栅极控制信号，产生不同相位的功率信号并输出无线能量耦合电路；
不同相位的功率信号在发射线圈和耦合电容产生不同相位的耦合磁场和耦合电场，耦合磁场中的能量以矢量叠加的方式在次级接收线圈和次级耦合电容极板被接收，接收到的能量再通过AC-DC转换电路转换为直流电流输出负载。
本方法包括两个能链路，能链路一的传输具体为：第一极板I11a与第四极板I1b构成一对耦合电容C11，同时第三极板I2a与第五极板I2b组成一对耦合电容C12，两对电容极板互相耦合通过电场进行能量传输；
同时第一极板I11a和第三极板I2a之间形成等效电容C21，第五极板I2b与第四极板I1b之间形成等效电容C22,第一发射线圈L11a与等效电容C11形成发射谐振电路，次级接收线圈L2b与等效电容C22形成接收谐振电路，并且通过磁场耦合进行能量传输。
能量链路二的传输具体为：所述第二极板I12a与第四极板I1b组成一对耦合电容C11，同时第三极板I2a与第五极板I2b组成一对耦合电容C12，两对电容极板互相耦合通过电场进行能量传输，同时第二极板I12a和第三极板I2a之间形成等效电容C21，第三极板I2b与第四极板I1b之间形成等效电容C22,第二发射线圈L12a与等效电容C11形成发射谐振电路，次级接收下面掐灭L2b与等效电容C22形成接收谐振电路，并且通过磁场耦合进行能量传输。
所述矢量叠加具体为：所述的能量链路一与能量链路二中的逆变电路接收时钟控制电路的栅极控制信号，由于时钟控制及栅极驱动电路输出的栅极控制信号在相位上的不同，第一及第二逆变电路输出的功率在相位上也不相同，从而导致了能量链路一与能量链路二所产生的电磁场的不同；不同的电磁场在空间内叠加，最终使得能量链路一的功率P1与能量链路二的功率P2以矢量叠加的方式在接收端叠加，传输功率P12至AC-DC转换电路，并输出至负载。
如图4所示，本实施例中第一逆变电路和第二逆变电路采用推挽式逆变电路，由两电感、两MOS管和两缓冲器组成；其中电感LS1一端与MOS管S1漏极连接，一端接至电源输入端，电感LS2一端与MOS管S2漏极连接，一端与电感LS1一端连接，MOS管S1的源极与MOS管S2的源极连接并接地，MOS管S1的栅极与由多级反相器组成的缓冲器INV1一端连接，缓冲器INV1另一端与信号输入端连接，MOS管S2的栅极与由多级反相器组成的缓冲器INV2一端连接，缓冲器INV2另一端与信号输入端连接。
如图5所示，时钟控制及栅极驱动电路包括供电电路、时钟发生电路、分频电路和延时电路；
所述供电电路为电路各单元供电；
所述时钟发生电路的输出端与所述分频电路的输入端连接，输出时钟信号至分频电路；
所述分频电路的信号输入端与所述时钟发射电路的输出端连接，输出端与延时电路输入端连接，将时钟信号的频率调整为所需的时钟频率并输出至延时电路；
所述延时电路输入端与分频电路输入端连接，并输出延时信号；
所述分频电路接收时钟发生电路产生的时钟信号，对其进行分频处理后输出信号至延时电路，延时电路对信号做进一步的延时处理后，产生相位不同的栅极控制信号并输出至逆变电路。
本发明采用矢量功率叠加的方法，通过双能量链路把时钟控制电路产生的不同相位传递至无线能量耦合电路，并通过无线能量耦合电路产生不同的电磁场在一定空间内叠加，叠加的电磁场能量传输至次级耦合电路，实现了双能量链路的功率矢量叠加，并且由于采用电磁场耦合的方式，相比于单独的磁场耦合，该耦合电路不易受金属异物的干扰，并且在位置上更加灵活，相比于单独的电场耦合，该耦合电路的传输功率和传输效率都有所提升，并且电容极板之间的等效电容与传输线圈形成谐振回路，更进一步提升了传输距离、传输功率以及耦合线圈位置上的灵活性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于矢量功率叠加的无线能量传输***，其特征在于，包括电源电路、时钟控制及栅极驱动电路、第一逆变电路、第二逆变电路、无线能量耦合电路和AC-DC转换电路；
所述电源电路的输出端分别与第一逆变电路和第二逆变电路的电源输入端连接，提供稳定的直流电压；
所述时钟控制及栅极驱动电路有两个输出端，两个输出端分别与第一逆变电路及第二逆变电路的信号输入端连接，输出栅极控制信号；
所述第一逆变电路的第一输出端及第二输出端分别与无线能量耦合电路第一输入端及第二输入端连接，并将电源输出的直流电压转换为交流电压，为无线能量耦合电路提供发射功率；
所述第二逆变电路的第一输出端及第二输出端分别与无线能量耦合电路第三输入端及第四输入端连接；
所述无线能量耦合电路的第一输出端和第二输出端分别与AC-DC转换电路的第一及第二输入端连接；
所述AC-DC转换电路的输出端连接负载；
所述矢量叠加，具体为：第一逆变电路及第二逆变电路在时钟控制及栅极驱动电路控制下，产生不同相位的功率信号，并输入无线能量耦合电路，功率信号在无线能量耦合电路产生不同相位的耦合磁场及耦合电场，并且耦合磁场及耦合电场的能量以矢量叠加方式被吸收，实现了双能量链路的功率矢量叠加。
2.根据权利要求1所述的无线能量传输***，其特征在于，所述无线能量耦合电路包括初级耦合电路和次级耦合电路。
3.根据权利要求2所述的无线能量传输***，其特征在于，所述初级耦合电路包括初级发射线圈和初级耦合电容极板；
所述初级发射线圈包括第一发射线圈和第二发射线圈；
所述初级耦合电容极板包括第一极板、第二极板及第三极板，所述第一发射线圈的一端作为无线能量耦合电路的第二输入端，另一端与第一极板连接，所述第二发射线圈一端作为无线能量耦合电路第三输入端，另一端与第二极板连接；
所述第三极板的一端为无线耦合电路的第一输入端，另一端为无线耦合电路的第四输入端。
4.根据权利要求3所述的无线能量传输***，其特征在于，所述次级耦合电路包括次级接收线圈和次级耦合电容极板；
所述次级耦合电容极板包括第四极板及第五极板，第四极板与次级接收线圈的一端连接作为无线能量耦合电路的第一输出端；所述第五极板与次级接收线圈的另一端连接作为无线能量耦合电路的第二输出端。
5.根据权利要求4所述的无线能量传输***，其特征在于，所述的第一极板、第二极板分别和第四极板形成耦合电容，所述的第三极板和第五极板形成耦合电容，并利用电场耦合进行能量传输；
所述第一极板和第三极板之间的电容、第二极板和第三极板之间的电容、第四极板和第五极板之间的电容，分别与第一发射线圈、第二发射线圈和次级接收线圈构成原边和副边的谐振电路。
6.根据权利要求2所述的无线能量传输***，其特征在于，通过电场耦合和磁场耦合的方式将能量从初级耦合电路传输到次级耦合电路。
7.一种应用于如权利要求4所述的基于矢量功率叠加的无线能量传输***的方法，其特征在于，包括如下步骤：
电源电路输出直流电路至第一逆变电路和第二逆变电路，第一及第二逆变电路接收时钟控制及栅极驱动电路的不同相位的栅极控制信号，产生不同相位的功率信号并输出无线能量耦合电路；
不同相位的功率信号在发射线圈和耦合电容产生不同相位的耦合磁场和耦合电场，耦合磁场和耦合电场的能量以矢量叠加的方式在次级接收线圈和次级耦合电容极板被接收，接收到的能量再通过AC-DC转换电路转换为直流电流输出负载。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述矢量叠加具体为：第一逆变电路、第一发射线圈和第一极板、第三极板构成第一发射电路；第二逆变电路、第二发射线圈和第二极板、第三极板构成第二发射电路；第一发射电路与第二发射电路由于时钟控制电路产生的不同相位的栅极控制信号而发射不同相位的耦合电场和磁场，并以矢量叠加的形式在次级接收线圈和次级耦合极板中被接收。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，本方法包括两个能量 链路，能量 链路一的传输具体为：第一极板与第四极板构成一对耦合电容，同时第三极板与第五极板组成一对耦合电容，两对电容极板互相耦合通过电场进行能量传输；
同时第一极板和第三极板之间形成第一等效电容，第五极板与第四极板之间形成第二等效电容,第一发射线圈与第一等效电容形成发射谐振电路，次级接收线圈与第二等效电容形成接收谐振电路，并且通过磁场耦合进行能量传输。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，能量链路二的传输具体为：所述第二极板与第四极板组成一对耦合电容，同时第三极板与第五极板组成一对耦合电容，两对电容极板互相耦合通过电场进行能量传输，同时第二极板和第三极板之间形成第三等效电容，第三极板与第四极板之间形成第四等效电容,第二发射线圈与第三等效电容形成发射谐振电路，次级接收线圈与第四等效电容形成接收谐振电路，并且通过磁场耦合进行能量传输。
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| CN109245329A (zh) | 2019-01-18 |
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