CN204559247U - 磁耦合双模无线电能传输装置 - Google Patents

Abstract

磁耦合双模无线电能传输装置属于无线电能传输技术领域，尤其涉及一种磁耦合双模无线电能传输装置。本实用新型提供一种可提高电能无线传输效率、电能损耗小的磁耦合双模无线电能传输装置。本实用新型磁耦合双模无线电能传输装置包括发射端和接收端，其结构要点发射端包括初级感应线圈、初级谐振线圈、初级谐振电容、初级开关、高频逆变电路、IGBT驱动电路、开关电源、外部电源接口、发射端控制单元、初级感应线圈电压采样模块、ADC转换电路A、Wi-Fi模块A，开关电源的电能输入端口与外部电源接口相连，开关电源的电能输出端口与高频逆变电路的电能输入端口相连。

Description

磁耦合双模无线电能传输装置

技术领域

本实用新型属于无线电能传输技术领域，尤其涉及一种磁耦合双模无线电能传输装置。

背景技术

随着无线电能传输技术的发展，无线电能传输装置得到广泛应用。

为无尾家电、电动汽车、无线充电移动设备提供电能的无线供电装置多采用磁耦合感应式无线电能传输技术进行电能传输，虽在一定程度上取代有线电能传输，实现无线供电，但因其传输距离短，传输功率损耗大，传输效率低，且电能接收装置必须与电能发射装置对齐等缺点，难以得到大规模应用。

自2006年，麻省理工学院的Marin Soljacic教授利用磁耦合谐振式无线电能传输技术，成功在2.1m外点亮60W的灯泡，实现了电能中距离无线传输，突破了制约无线电能传输技术发展的瓶颈。

理论分析与实验证明，基于磁耦合谐振式无线电能传输技术的无线电能传输装置，其电能传输效率并非随发射端线圈与接收端线圈距离减小而增大。

（1）  无线电能传输距离等于谐振临界传输距离时，磁耦合谐振式无线电能传输装置拥有最高传输效率。

（2）  无线电能传输距离小于谐振临界传输距离时，磁耦合谐振式无线电能传输装置传输效率随传输距离减小而减小。

（3）  无线电能传输距离大于谐振临界传输距离时，磁耦合谐振式无线电能传输装置传输效率随传输距离减小而增大。

针对目前磁耦合感应式和磁耦合谐振式两种无线电能传输技术的上述缺陷，本实用新型提出磁耦合双模无线电能传输技术。

（1）  无线电能传输距离大于双模临界传输距离时，将磁耦合双模无线电能传输装置调至磁耦合谐振式无线电能传输模式。

（2）  无线电能传输距离小于双模临界传输距离时，将磁耦合双模无线电能传输装置调至磁耦合感应式无线电能传输模式。

基于磁耦合双模无线电能传输技术，结合物联网技术、控制与检测技术，提出磁耦合双模无线电能传输装置，其装置具有传输效率高、传输功率大、可通讯、智能化、低能耗、防水、防尘、防触电、无电弧、免清理、安全性高、便于维护等优点，其调控方法解决了目前无线电能传输装置传输效率低，谐振频率偏移，电能浪费等问题。

发明内容

本实用新型就是针对上述问题，提供一种可提高电能无线传输效率、电能损耗小的磁耦合双模无线电能传输装置。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案，本实用新型磁耦合双模无线电能传输装置包括发射端和接收端，其结构要点发射端包括初级感应线圈、初级谐振线圈、初级谐振电容、初级开关、高频逆变电路、IGBT驱动电路、开关电源、外部电源接口、发射端控制单元、初级感应线圈电压采样模块、ADC转换电路A、Wi-Fi模块A，开关电源的电能输入端口与外部电源接口相连，开关电源的电能输出端口与高频逆变电路的电能输入端口相连，开关电源的控制信号输入端口与发射端控制单元的控制信号输出端口相连；高频逆变电路的电能输出端口与初级感应线圈相连，高频逆变电路的驱动信号输入端口与IGBT驱动电路的输出端口相连，IGBT驱动电路的输入端口与发射端控制单元的驱动控制信号输出端口相连，初级感应线圈电压采样模块通过ADC转换电路A与发射端控制单元的信号输入端口相连；Wi-Fi模块A的信号传输端口与发射端控制单元的信号传输端口相连；初级谐振线圈、初级谐振电容、初级开关串联组成回路。

所述接收端包括次级感应线圈、次级谐振线圈、次级谐振电容、次级开关、整流滤波电路、稳压电路、升降压电路、电源输出接口、接收端控制单元、ADC转换电路B、ADC转换电路C、次级感应线圈电压电流采样模块、输出电压电流采样模块、电子开关、Wi-Fi模块B，次级感应线圈与电子开关输入端相连，电子开关输出端与整流滤波电路的输入端相连，整流滤波电路的输出端分别与稳压电路的输入端、升降压电路的输入端相连，升降压电路的输出端与电源输出接口相连；接收端控制单元的次级感应线圈电压电流采样信号输入端口通过ADC转换电路B与次级感应线圈电压电流采样模块的输出端口相连，接收端控制单元的电子开关控制信号输出端口与电子开关的开关控制信号输入端口相连，接收端控制单元的电源端与稳压电路的输出端相连，接收端控制单元的输出电压电流采样信号输入端口依次通过ADC转换电路C、输出电压电流采样模块与升降压电路的电压电流采样信号输出端口相连，接收端控制单元的信号传输端口与Wi-Fi模块B的信号传输端口相连；次级谐振线圈、次级谐振电容、次级开关串联组成回路。

作为一种优选方案，本实用新型所述发射端还包括电力载波通讯模块，电力载波通讯模块的信号传输端口与发射端控制单元信号传输端口相连。

作为另一种优选方案，本实用新型所述初级谐振线圈和次级谐振线圈的固有谐振频率均为100kHz～200kHz。

另外，本实用新型所述发射端控制单元和接收端控制单元均采用DSPIC微控制器；所述稳压电路采用+5V稳压电路；所述发射端设置在密封、绝缘的机壳A内，接收端设置在密封、绝缘的机壳B内。

本实用新型有益效果。

本实用新型发射端控制***与接收端控制***进行无线通讯可对次级谐振线圈谐振频率跟踪调节，可切换无线电能传输模式，具有节能环保的优点；对次级谐振线圈谐振频率跟踪调节，提高电能无线传输效率。

本实用新型通过所述的Wi-Fi模块B连接客户端，客户端设置所接用电设备的额定功率、额定电压、额定电流，接收端控制单元根据额定功率额定电压控制所述的升降压电路电路的电压输出，通过Wi-Fi模块B，将接收端控制***采样的电压值传送给所述的发射端控制***，所述的发射端控制单元接收到的信息输出合适占空比的PWM，调节逆变电路的输出，减少电能损耗。

本实用新型提供一种磁耦合双模无线电能传输装置的硬件基础。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。本实用新型保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1为本实用新型磁耦合双模无线电能传输装置线圈等效结构拓扑图。

图2为本实用新型磁耦合双模无线电能传输装置的结构框图。

具体实施方式

如图所示，本实用新型磁耦合双模无线电能传输装置包括发射端和接收端，其结构要点发射端包括初级感应线圈、初级谐振线圈、初级谐振电容、初级开关、高频逆变电路、IGBT驱动电路、开关电源、外部电源接口、发射端控制单元、初级感应线圈电压采样模块、ADC转换电路A、Wi-Fi模块A，开关电源的电能输入端口与外部电源接口相连，开关电源的电能输出端口与高频逆变电路的电能输入端口相连，开关电源的控制信号输入端口与发射端控制单元的控制信号输出端口相连；高频逆变电路的电能输出端口与初级感应线圈相连，高频逆变电路的驱动信号输入端口与IGBT驱动电路的输出端口相连，IGBT驱动电路的输入端口与发射端控制单元的驱动控制信号输出端口相连，初级感应线圈电压采样模块通过ADC转换电路A与发射端控制单元的信号输入端口相连；Wi-Fi模块A的信号传输端口与发射端控制单元的信号传输端口相连；初级谐振线圈、初级谐振电容、初级开关串联组成回路。

所述接收端包括次级感应线圈、次级谐振线圈、次级谐振电容、次级开关、整流滤波电路、稳压电路、升降压电路、电源输出接口、接收端控制单元、ADC转换电路B、ADC转换电路C、次级感应线圈电压电流采样模块、输出电压电流采样模块、电子开关、Wi-Fi模块B，次级感应线圈与电子开关输入端相连，电子开关输出端与整流滤波电路的输入端相连，整流滤波电路的输出端分别与稳压电路的输入端、升降压电路的输入端相连，升降压电路的输出端与电源输出接口相连；接收端控制单元的次级感应线圈电压电流采样信号输入端口通过ADC转换电路B与次级感应线圈电压电流采样模块的输出端口相连，接收端控制单元的电子开关控制信号输出端口与电子开关的开关控制信号输入端口相连，接收端控制单元的电源端与稳压电路的输出端相连，接收端控制单元的输出电压电流采样信号输入端口依次通过ADC转换电路C、输出电压电流采样模块与升降压电路的电压电流采样信号输出端口相连，接收端控制单元的信号传输端口与Wi-Fi模块B的信号传输端口相连；次级谐振线圈、次级谐振电容、次级开关串联组成回路。

所述开关电源采用输出适合所述的IGBT驱动电路的+15V、-15V电源，适合所述的发射端控制单元工作的+5V电源，及满足高频逆变要求的电压。

升降压电路向用电设备输出电能，且利用接收端控制单元控制升降压电路中升降压芯片的使能端EN，EN为高电平使能，利用接收端控制单元控制升降压电路是否向外输出电能，且保证发射端控制***在选择工作状态时采样到的初级感应线圈电压幅值不受负载影响。

所述电子开关控制规则可设置为输入“0”开通，输入“1”关断。

所述发射端还包括电力载波通讯模块，电力载波通讯模块的信号传输端口与发射端控制单元信号传输端口相连。通过电力载波通讯模块可使磁耦合双模无线电能传输装置之间，磁耦合双模无线电能传输装置与Internet，磁耦合双模无线电能传输装置与客户端之间互联互通，维护人员可通过客户端检查装置工作状态；利用电力载波技术将网络信号引入磁耦合双模无线电能传输装置，经TCP/IP协议，通过磁耦合双模无线电能传输装置向周围设备提供Wi-Fi热点；并将初级感应线圈电压、电流采样结果与次级感应线圈电压、电流采样结果通过电力载波相互传输。

所述初级谐振线圈和次级谐振线圈的固有谐振频率均为100kHz～200kHz。

所述发射端控制单元和接收端控制单元均采用DSPIC微控制器；所述稳压电路采用+5V稳压电路；所述发射端设置在密封、绝缘的机壳A内，接收端设置在密封、绝缘的机壳B内。密封、绝缘的机壳不会因触碰而导致触电事故，防水、防尘。

在机壳A内，发射端控制***（发射端控制单元、初级感应线圈电压采样模块、ADC转换电路A、电力载波通讯模块、Wi-Fi模块A）、初级感应线圈、开关电源之间可加屏蔽板，屏蔽初级感应线圈对发射端控制单元、初级感应线圈电压采样模块、ADC转换电路A、电力载波通讯模块、Wi-Fi模块A的电磁干扰。发射端控制单元、高频逆变电路、IGBT驱动电路可固定在屏蔽板上，其间隔一层绝缘橡胶皮。

机壳B可引出电源输出接口，给用电设备供电。次级谐振线圈、整流滤波电路、所述的接收端控制***（接收端控制单元、ADC转换电路B、ADC转换电路C、次级感应线圈电压电流采样模块、输出电压电流采样模块、电子开关、Wi-Fi模块B）之间可加屏蔽板，屏蔽次级感应线圈对接收端控制***的电磁干扰。接收端控制单元、整流滤波电路可固定于所述的屏蔽板上，其间隔一层绝缘橡胶皮。

屏蔽板可为铁氧体材料，具有良好屏蔽高频电磁场性能。

所述的机壳A、所述的机壳B材质可为ABS，ABS电绝缘性、耐高热性、阻燃性好。

图1中，A为初级感应线圈，B为初级谐振线圈，C为次级谐振线圈，D为次级感应线圈。初级谐振线圈串联开关S1，次级谐振线圈串联开关S2，当S1、S2闭合时，磁耦合双模无线电能传输装置工作于磁耦合谐振式无线电能传输模式，当S1、S2断开时，磁耦合双模无线电能传输装置工作于磁耦合感应式无线电能传输模式。当无线电能传输距离，即初级谐振线圈与次级谐振线圈之间距离小于双模临界传输距离时，磁耦合双模无线电能传输装置以磁耦合谐振式无线电能传输模式进行无线电能传输的电能传输效率大于磁耦合感应式无线电能传输模式，故将磁耦合双模无线电能传输装置调至磁耦合谐振式无线电能传输模式；当无线电能传输距离大于双模临界传输距离时，磁耦合双模无线电能传输装置以磁耦合谐振式无线电能传输模式进行无线电能传输的电能传输效率小于磁耦合感应式无线电能传输模式，将磁耦合双模无线电能传输装置调至磁耦合感应式无线电能传输模式。利用频率查表模糊控制法，根据发射端控制***捕捉到的次级谐振线圈谐振频率fm确定无线电能传输距离，以判断无线电能传输距离与双模临界传输距离的关系，确定磁耦合感应式无线电能传输装置工作模式。

下面对磁耦合双模无线电能传输传输装置物理结构进行说明。

磁耦合双模无线电能传输装置的发射端被密封在机壳A内，机壳A可安装于墙面、地板、办公桌内，尤其适合室外或大型公共场，其防水、防尘特性保证其在户外恶劣天气情况下正常使用。接收端被密封在机壳B内，接收端可接在用电设备外部，通过电源输出接口向用电设备供电，也可内嵌在用电设备内部。

外部电源接口接入220V，50Hz市电电源，经开关电源输出适合IGBT驱动电路的+15V、-15V，供发射端控制单元工作的+5V电源。及满足高频逆变电路需求的电压。

初级感应线圈的电能耦合到初级谐振线圈，初级谐振线圈的电能耦合到次级谐振线圈，次级谐振线圈的电能耦合到次级感应线圈后，经整流滤波电路、升降压电路，输出用电设备需要的电压，通过电源输出接口输出到用电设备。

下面结合图2对磁耦合双模无线电能传输传输装置的工作状态及调试方法进行说明。

初始条件下，磁耦合双模无线电能传输装置工作在磁耦合谐振式无线电能传输模式，即S1、S2闭合，并处于低功耗休眠状态，处于低功耗休眠状态时发射端控制***、IGBT驱动电路、高频逆变电路不连续工作，即发射端控制单元通过DSPIC每1s发出一持续0.1s的试探脉冲经IGBT驱动电路、高频逆变电路，作用于初感应线圈，在初级感应线圈与初级谐振线圈互感作用下，初级谐振线圈感生电流；由于初级谐振线圈与初级感应线圈的距离、次级谐振线圈与次级感应线圈的距离相等且始终不变，故初级感应线圈与初级谐振线圈之间互感不变，次级级感应线圈与次级级谐振线圈之间，此时初级感应线圈的电压幅值主要和初级谐振线圈与次级谐振线圈之间耦合系数有关，即与无线电能传输距离有关；通过初级感应线圈电压采样模块，采样初级感应线圈电压幅值，通过ADC转换电路A，反馈给发射端控制单元捕捉次级谐振线圈谐振频率检测是否有次级谐振线圈靠近。

发射端控制单元连续3s检测采样初级感应线圈电压幅值发生剧烈变化时，发射端控制单元将发射端控制***置于预工作状态，即发射端控制单元、IGBT驱动电路、高频逆变电路连续工作10ms。由于次级谐振线圈固有谐振频率为100kHz～200kHz，故令发射端控制单元在1ms内连续输出从100kHz开始每0.1ms增加10kHz的PWM信号，发射端控制单元通过采样此1ms内初级感应线圈电压幅值，选出电压值最大时对应频率f1；发射端控制单元在1ms内连续输出从f1开始每0.1ms增加1kHz的PWM信号，下1ms内连续输出从f1开始每0.1ms减少1kHz的PWM信号，发射端控制单元通过采样此2ms内初级感应线圈电压幅值，选出电压值最大时对应频率f2；发射端控制单元在1ms内连续输出从f2开始每0.1ms增加0.1kHz的PWM信号，下1ms内连续输出从f1开始每0.1ms减少0.1kHz的PWM信号，发射端控制单元通过采样此2ms内初级感应线圈电压幅值，选出电压值最大时对应频率fm。如此发射端控制单元可在5ms内捕捉到次级谐振线圈的谐振频率，将其精确到0.1kHz。

发射端控制单元根据捕捉到的谐振频率值，确定无线电能传输距离，控制S1、S2开合，实现磁耦合感应式无线电能传输模式与磁耦合谐振式无线电能传输模式切换。

初级感应线圈的电能间接耦合到次级感应线圈后，接收端控制***开始工作，通过接收端控制单元通过Wi-Fi模块B将已成功接收电能信息发送至Wi-Fi模块A，发射端控制单元根据此信息判断靠近物体确实为可匹配的负载侧，将发射端控制***置于工作状态，处于工作状态时，发射端控制单元输出PWM信号频率为fm。若10ms内发射端控制单元没接收到接收端控制单元发送的信息则判断接近物体为不可匹配物体或其他干扰，将发射端控制***置于低功耗休眠状态。

接收端控制单元开始工作时，当用电设备连接到电源输出接口，接收端控制单元通过Wi-Fi模块B连接客户端，客户端设置所接用电设备的额定功率、额定电压、额定电流等参数，或在出厂时即设定该磁耦合双模无线电能传输装置接收端专用用电设备的额定功率、额定电压、额定电流等参数。接收端控制单元根据额定功率额定电压判断，升降压电路应该输出的电压值，调整接收端控制单元输出PWM占空比及频率，控制升降压电路的输出电压，使升降压电路输出符合用电器工作的电压值。

输出电压电流采样模块实时采样升降压电路的输出电压及电流，采样输出电压方法为导线接入升降压电路输出点，采样输出电流方法为串联0.1欧姆采样电阻进入升降压电路输出支路，采样0.1欧姆采样电阻两端电压值，通过ADC转换电路C，反馈给接收端控制单元，由单片机调节PWM输出，以校正输出电压、输出电流满足额定值。

次级感应线圈电流电压采样模块，采样次级感应线圈电压电流值，经ADC转换电路B，反馈给接收端控制单元，接收端控制单元将次级感应线圈输出电压值与升降压电路输出电压值，通过Wi-Fi模块B发送到发射端控制***。

发射端控制单元输出PWM信号，接收端控制单元通过次级感应线圈电压采样模块采样次级感应线圈电压幅值，通过Wi-Fi模块B与Wi-Fi模块A通讯，将次级感应线圈电压幅值传送给发射端控制单元，发射端控制单元输出PWM信号，接收端控制单元通过次级感应线圈电压采样模块采样初级谐振线圈电压幅值，通过Wi-Fi模块B与Wi-Fi模块A通讯，将次级感应线圈电压幅值传送给发射端控制单元；跟踪次级谐振线圈谐振频率，提高无线电能传输效率。

通过电力载波通讯模块解调网络信号，TCP/IP串口转换器将网络信号转换成串口信号，发射端控制单元将串口信号通过Wi-Fi模块A向周围提供Wi-Fi热点。

一定区域内每个嵌入电力载波通讯模块的磁耦合双模无线电能传输装置，利用发射端控制单元将***工作状态信息传送至电力载波通讯模块，电力载波通讯模块对信号进行调制，通过电线传输信息，磁耦合双模无线电能传输装置通过电力载波通讯模块解调其他装置传送的信息，并存储于发射端控制单元内，维修人员可从客户端获得一定区域所有磁耦合双模无线电能传输装置的工作情况。

可以理解的是，以上关于本实用新型的具体描述，仅用于说明本实用新型而并非受限于本实用新型实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.磁耦合双模无线电能传输装置，包括发射端和接收端，其特征在于发射端包括初级感应线圈、初级谐振线圈、初级谐振电容、初级开关、高频逆变电路、IGBT驱动电路、开关电源、外部电源接口、发射端控制单元、初级感应线圈电压采样模块、ADC转换电路A、Wi-Fi模块A，开关电源的电能输入端口与外部电源接口相连，开关电源的电能输出端口与高频逆变电路的电能输入端口相连，开关电源的控制信号输入端口与发射端控制单元的控制信号输出端口相连；高频逆变电路的电能输出端口与初级感应线圈相连，高频逆变电路的驱动信号输入端口与IGBT驱动电路的输出端口相连，IGBT驱动电路的输入端口与发射端控制单元的驱动控制信号输出端口相连，初级感应线圈电压采样模块通过ADC转换电路A与发射端控制单元的信号输入端口相连；Wi-Fi模块A的信号传输端口与发射端控制单元的信号传输端口相连；初级谐振线圈、初级谐振电容、初级开关串联组成回路；

所述接收端包括次级感应线圈、次级谐振线圈、次级谐振电容、次级开关、整流滤波电路、稳压电路、升降压电路、电源输出接口、接收端控制单元、ADC转换电路B、ADC转换电路C、次级感应线圈电压电流采样模块、输出电压电流采样模块、电子开关、Wi-Fi模块B，次级感应线圈与电子开关输入端相连，电子开关输出端与整流滤波电路的输入端相连，整流滤波电路的输出端分别与稳压电路的输入端、升降压电路的输入端相连，升降压电路的输出端与电源输出接口相连；接收端控制单元的次级感应线圈电压电流采样信号输入端口通过ADC转换电路B与次级感应线圈电压电流采样模块的输出端口相连，接收端控制单元的电子开关控制信号输出端口与电子开关的开关控制信号输入端口相连，接收端控制单元的电源端与稳压电路的输出端相连，接收端控制单元的输出电压电流采样信号输入端口依次通过ADC转换电路C、输出电压电流采样模块与升降压电路的电压电流采样信号输出端口相连，接收端控制单元的信号传输端口与Wi-Fi模块B的信号传输端口相连；次级谐振线圈、次级谐振电容、次级开关串联组成回路。

2.根据权利要求1所述磁耦合双模无线电能传输装置，其特征在于所述发射端还包括电力载波通讯模块，电力载波通讯模块的信号传输端口与发射端控制单元信号传输端口相连。

3.根据权利要求1所述磁耦合双模无线电能传输装置，其特征在于所述初级谐振线圈和次级谐振线圈的固有谐振频率均为100kHz～200kHz。

4.根据权利要求1所述磁耦合双模无线电能传输装置，其特征在于所述发射端控制单元和接收端控制单元均采用DSPIC微控制器；所述稳压电路采用+5V稳压电路；所述发射端设置在密封、绝缘的机壳A内，接收端设置在密封、绝缘的机壳B内。