專利名稱：一種傳輸功率可控的無線電能傳輸裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及是無線能量傳輸裝置，具體涉及一種磁耦合諧振裝置，用于需要為接收端負載提供可調(diào)的功率。
背景技術(shù)：
非輻射性磁耦合諧振作為新型無線供電技術(shù)，通過使兩個相同頻率的諧振物體產(chǎn)生很強的相互耦合，而對周圍非諧振頻率的接收端只有較弱的耦合。磁耦合諧振系統(tǒng)包括發(fā)射諧振線圈、次級接收諧振線圈和負載。磁稱合諧振技術(shù)可實現(xiàn)中距離(mid-range)的能量傳輸，而不需要增強磁場強度，而傳統(tǒng)的磁耦合只能在短距離范圍內(nèi)(一般在十厘米)取得相對良好的效果，傳輸距離只能通過增強磁場強度來增加。同時磁諧振耦合系統(tǒng)有一個重要優(yōu)點就是可以穿透各種不同非金屬障礙物，而且對系統(tǒng)的能量傳輸效率、功率等指標(biāo)沒有影響。在磁耦合諧振無線供電場合，我們需要在負載端調(diào)節(jié)其可接收的平均功率(如電動汽車無線電能充電設(shè)備、無線電能電磁爐等)。因此我們需要研究基于磁耦合諧振無線供電設(shè)備的調(diào)功方法來保證用電安全或達到預(yù)期效果。申請人:于2012年11月26日提交了一件申請?zhí)枮?01210488523.6、名稱為“一種磁耦合諧振無線供電功率控制系統(tǒng)”的發(fā)明專利申請。在這份專利申請中，公開了一種磁耦合諧振無線供電功率控制系統(tǒng)，包括控制電路、驅(qū)動電路、電源、開關(guān)管、磁耦合諧振電路以及整流濾波電路；其中，控制電路根據(jù)設(shè)定的控制規(guī)則輸出高頻信號給驅(qū)動電路；驅(qū)動電路接收控制電路的高頻信號，為開關(guān)管提供高頻工作所需的驅(qū)動能力，將電源的電能通過磁耦合諧振電路傳遞給整流濾波電路，經(jīng)整流濾波電路進行整流、濾波后為負載提供直流電能。上述申請通過在控制電路中定義磁耦合諧振電路中發(fā)射諧振磁場振蕩周期的M倍為一個控制周期，在一個周期內(nèi)，數(shù)字控制芯片直接為驅(qū)動電路提供在N個磁場諧振周期工作的信號，后M-N個周期關(guān)斷信號，在磁耦合諧振電路接收線圈端可獲得不同的平均功率。但是在控制電路中實現(xiàn)這種控制策略需要依賴昂貴的數(shù)字可編程控制芯片，對芯片的實時高速處理能力要求較高。

實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是針對磁耦合諧振無線供電應(yīng)用場合，提出低成本、高可靠性的傳輸功率可控的無線電能傳輸裝置。本實用新型為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:一種傳輸功率可控的無線電能傳輸裝置，包括方波發(fā)生器、數(shù)字控制器、驅(qū)動電路、第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、磁耦合諧振電路，其中所述方波發(fā)生器產(chǎn)生高頻開關(guān)信號傳輸給驅(qū)動電路，驅(qū)動電路接收高頻開關(guān)信號后，驅(qū)動與磁耦合諧振電路相連接的第一開關(guān)管導(dǎo)通，通過磁耦合諧振電路將電能無線傳輸至負載；所述第二開關(guān)管的漏極與驅(qū)動電路的信號輸入端連接，第二開關(guān)管的柵極與數(shù)字控制器的信號輸出端連接，第二開關(guān)管的源極接地；數(shù)字控制器向第二開關(guān)管傳輸占空比控制信號，來實現(xiàn)第二開關(guān)管周期性的關(guān)斷和閉合，間接控制磁耦合諧振電路的工作周期，從而達到無線電能傳輸功率的控制。作為本實用新型的一種傳輸功率可控的無線電能傳輸裝置的進一步優(yōu)化方案:所述磁耦合諧振電路由發(fā)射電路和接收電路組成，其中發(fā)射電路由直流電源、與直流電源的輸出串聯(lián)的發(fā)射線圈L1、以及與發(fā)射線圈LI并聯(lián)的第一諧振電容Cl構(gòu)成；所述接收電路由相互并聯(lián)的接收線圈L2、第二諧振電容C2構(gòu)成。作為本實用新型的一種傳輸功率可控的無線電能傳輸裝置的進一步優(yōu)化方案:所述接收線圈的諧振頻率與發(fā)射線圈的諧振頻率相同；利用接收線圈與發(fā)射線圈所產(chǎn)生的磁場具有相同振蕩頻率而產(chǎn)生磁共振，為負載提供能量。作為本實用新型的一種傳輸功率可控的無線電能傳輸裝置的進一步優(yōu)化方案:所述方波發(fā)生器為555芯片。作為本實用新型的一種傳輸功率可控的無線電能傳輸裝置的進一步優(yōu)化方案:所述數(shù)字控制器采用型號為AD89S51單片機芯片。作為本實用新型的一種傳輸功率可控的無線電能傳輸裝置的進一步優(yōu)化方案:所述驅(qū)動芯片的型號為IR2100。本實用新型采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:本實用新型定義一個周期內(nèi)發(fā)射諧振磁場振蕩數(shù)目，通過調(diào)節(jié)在一個周期內(nèi)的占空比實現(xiàn)對負載端平均功率的控制；占空比D為O時，無線電能傳輸功率為O ;占空比D為I時，無線電能傳輸功率為額定功率，對應(yīng)于不同的占空比(O和I之間)可獲得所對應(yīng)的功率，由此可以為負載接收端提供所期望的平均功率。與背景技術(shù)中申請?zhí)枮?01210488523.6的專利申請相比，本實用新型只需要采用價格低廉的555芯片或其它可產(chǎn)生固定高頻方波輸出的電路，定義M個高頻方波信號為一個控制周期，只需要依賴普通的低速數(shù)字處理芯片通過占空比控制N個高頻方波信號控制開關(guān)管工作，M-N個高頻方波信號控制開關(guān)管關(guān)閉。對芯片的實時處理能力要求下降fs/M倍，其中fs為高頻方波的頻率。綜上所述，本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點，普通單片機就可以實現(xiàn)該電路全部功能。可廣泛應(yīng)用于無線供電電動汽車充電時的平均功率控制、無線供電加熱設(shè)備等場合。

圖1是本實用新型的電路示意圖。圖2是本實用新型優(yōu)選實例的磁耦合諧振正常工作時的電磁波傳送能量。圖3是本實用新型優(yōu)選實例的一種磁耦合諧振裝置發(fā)送功率占空比D=0.5時原理示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的技術(shù)方案做進一步的詳細說明:如圖1所示，本實用新型包括方波發(fā)生器、數(shù)字控制器、驅(qū)動電路、第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、磁耦合諧振電路；其中磁耦合諧振電路包括發(fā)射電路和接收電路，發(fā)射電路由直流電源VI，開關(guān)管Q1，發(fā)射線圈LI，發(fā)射線圈諧振電容Cl構(gòu)成。接收電路為接收線圈L2、接收線圈諧振電容C2和負載。其中發(fā)射線圈的電感量LI和接收線圈電感量L2相同、諧振電容量Cl和C2相同；所述第二開關(guān)管的漏極與驅(qū)動電路的信號輸入端連接，第二開關(guān)管的柵極與數(shù)字控制器的信號輸出端連接，第二開關(guān)管的源極接地。方波發(fā)生器和數(shù)字控制器分別產(chǎn)生兩路控制信號:第一路控制信號是由方波發(fā)生器產(chǎn)生、并始終輸出至驅(qū)動電路的高頻開關(guān)信號；所述高頻開關(guān)信號的周期與磁耦合諧振電路的電磁場耦合諧振周期相同；第二路控制信號是由數(shù)字控制器輸出至第二開關(guān)管的占空比控制信號JfM個磁耦合諧振電路的電磁場耦合諧振周期設(shè)為一個控制周期T，所述占空比控制信號的占空比D=N/M，其中，M、N為大于O的自然數(shù)，N<M;通過所述數(shù)字控制器輸出占空比控制信號控制第二開關(guān)管動作，使得第一開關(guān)管在M個高頻開關(guān)信號周期內(nèi)的N個周期工作，在其余M-N個周期內(nèi)關(guān)閉，從而實現(xiàn)無線電能傳輸?shù)截撦d側(cè)平均功率的控制。在實際工作時，方波發(fā)生器產(chǎn)生高頻開關(guān)信號傳輸給驅(qū)動電路，驅(qū)動電路接收高頻開關(guān)信號后，驅(qū)動與磁耦合諧振電路相連接的開關(guān)管Ql導(dǎo)通，通過磁耦合諧振電路將電能無線傳輸至負載；數(shù)字控制器向開關(guān)管Q2傳輸占空比控制信號，來實現(xiàn)開關(guān)管Q2周期性的關(guān)斷和閉合，間接控制磁耦合諧振電路的工作周期，從而達到無線電能傳輸功率的控制。本實用新型的優(yōu)選實例的具體參數(shù)如下:輸入電壓Vl為24VDC ;發(fā)射線圈LI和接收線圈L2諧振電感量為22uH ;諧振電容值Cl為470nF ;開關(guān)管Ql為IPB108N15N3G ;方波發(fā)生器為555 ;數(shù)字控制器芯片為單片機AD89S51 ;驅(qū)動芯片為IR2100。方波發(fā)生器和數(shù)字控制器分別輸出高頻信號和占空比控制信號。原邊發(fā)射線圈
的諧振頻率為，驅(qū)動電路接收方波發(fā)生器的高頻信號，并為開關(guān)管Ql提供高
頻工作所需的驅(qū)動能力，此時給開關(guān)管Ql提供的開關(guān)頻率同樣為f\。由于在接收端線圈L1C1=L2C2,因此L2線圈能夠接收到磁諧振傳遞的能量并為負載提供電能。占空比控制信號控制開關(guān)管Q2的導(dǎo)通，實現(xiàn)無線電能傳輸?shù)钠骄β士刂?。如圖2所示，其給出了磁耦合諧振磁場傳遞能量特征示意圖。為方便體現(xiàn)本實用新型的思想，圖2中僅定義每8個磁場諧振振蕩周期為本專利所定義的控制周期，即T=Sf10事實上本實用新型可以定義任意多個磁場諧振振蕩周期作為一個控制周期以達到最好的控制效果。如圖3所示，其給出了本實用新型的優(yōu)選實例的一種工作情況下(D=0.5)示意圖。圖3中方波發(fā)生器始終給出高頻信號f1;同時通過數(shù)字控制器控制開關(guān)管Q2實現(xiàn)占空比控制。當(dāng)開關(guān)管Q2斷開時，高頻信號通過驅(qū)動電路對開關(guān)管Ql進行高頻開關(guān)控制，原邊
發(fā)射線圈的諧振頻率為，此時傳遞無線電能；當(dāng)開關(guān)管Q2閉合時，驅(qū)動電路接收
不到驅(qū)動信號，此時開關(guān)管Ql始終處于斷路狀態(tài)，此時不能傳遞無線電能。在圖3中示出定義在8個電磁波振蕩周期內(nèi)只有4個周期傳輸無線電能，即D=0.5的情況。由以上分析可知，本實用新型通過定義任意個電磁振蕩周期的倍數(shù)為一個控制周期，在定義的控制周期內(nèi)進行占空比控制，即可實現(xiàn)對期望平均傳輸功率的控制。通過這樣的設(shè)計，就可以極大的降低無線電能傳輸裝置的成本，提高了系統(tǒng)可靠性。
權(quán)利要求1.一種傳輸功率可控的無線電能傳輸裝置，其特征在于:包括方波發(fā)生器、數(shù)字控制器、驅(qū)動電路、第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、磁耦合諧振電路，其中所述方波發(fā)生器產(chǎn)生高頻開關(guān)信號傳輸給驅(qū)動電路，驅(qū)動電路接收高頻開關(guān)信號后，驅(qū)動與磁耦合諧振電路相連接的第一開關(guān)管導(dǎo)通，通過磁耦合諧振電路將電能無線傳輸至負載；所述第二開關(guān)管的漏極與驅(qū)動電路的信號輸入端連接，第二開關(guān)管的柵極與數(shù)字控制器的信號輸出端連接，第二開關(guān)管的源極接地；數(shù)字控制器向第二開關(guān)管傳輸占空比控制信號，來實現(xiàn)第二開關(guān)管周期性的關(guān)斷和閉合，間接控制磁耦合諧振電路的工作周期，從而達到無線電能傳輸功率的控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傳輸功率可控的無線電能傳輸裝置，其特征在于:所述磁耦合諧振電路由發(fā)射電路和接收電路組成，其中發(fā)射電路由直流電源、與直流電源的輸出串聯(lián)的發(fā)射線圈L1、以及與發(fā)射線圈LI并聯(lián)的第一諧振電容Cl構(gòu)成；所述接收電路由相互并聯(lián)的接收線圈L2、第二諧振電容C2構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種傳輸功率可控的無線電能傳輸裝置，其特征在于:所述接收線圈的諧振頻率與發(fā)射線圈的諧振頻率相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傳輸功率可控的無線電能傳輸裝置，其特征在于:所述方波發(fā)生器為555芯片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傳輸功率可控的無線電能傳輸裝置，其特征在于:數(shù)字控制器采用型號為AD89S51單片機芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傳輸功率可控的無線電能傳輸裝置，其特征在于:驅(qū)動芯片的型號為IR2100。
專利摘要本實用新型公開了一種傳輸功率可控的無線電能傳輸裝置，包括方波發(fā)生器、數(shù)字控制器、驅(qū)動電路、第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、磁耦合諧振電路，其中所述方波發(fā)生器產(chǎn)生高頻開關(guān)信號傳輸給驅(qū)動電路，驅(qū)動電路接收高頻開關(guān)信號后，驅(qū)動與磁耦合諧振電路相連接的第一開關(guān)管導(dǎo)通，通過磁耦合諧振電路將電能無線傳輸至負載；數(shù)字控制器向第二開關(guān)管傳輸占空比控制信號，來實現(xiàn)第二開關(guān)管周期性的關(guān)斷和閉合，間接控制磁耦合諧振電路的工作周期，從而達到無線電能傳輸功率的控制。本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點，普通單片機就可以實現(xiàn)該電路全部功能，可廣泛應(yīng)用于無線供電電動汽車充電時的平均功率控制、無線供電加熱設(shè)備等場。
文檔編號H02J17/00GK203039440SQ20122074227
公開日2013年7月3日 申請日期2012年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月30日
發(fā)明者周巖, 劉赟, 呂小妹, 謝俊, 岳東 申請人:南京郵電大學(xué)