本發(fā)明屬于無線充電，具體涉及一種具備高q和寬頻帶特性的無線電能傳輸裝置、頻帶擴展方法。

背景技術(shù)：

1、隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品信息加載技術(shù)在軍事、民用等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，比如貨物管理、設(shè)備管理等。該技術(shù)通過加注設(shè)備可實現(xiàn)將產(chǎn)品信息存儲在產(chǎn)品的信息存儲終端內(nèi)，這些產(chǎn)品信息可以被設(shè)備采集作為產(chǎn)品一部分，在產(chǎn)品加電工作時被調(diào)用。隨著工業(yè)科技的發(fā)展，新的產(chǎn)品信息加載需求也隨之出現(xiàn)，具體表現(xiàn)為：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)由金屬結(jié)構(gòu)包裹，并且金屬結(jié)構(gòu)沒有外置電連接器為信息存儲終端提供工作電源，需要通過有線方式完成產(chǎn)品信息加載和回讀。幸運的是，無線充電技術(shù)的出現(xiàn)有效地解決了無連接器條件下，加注設(shè)備向信息存儲終端供電的難題。

2、然而，目前主流的無線充電技術(shù)主要是基于磁諧振原理實現(xiàn)電能從原邊傳輸至副邊。其中，當(dāng)原邊和副邊的耦合器諧振頻率相同時，振系統(tǒng)傳輸功率最大。因此，諧振系統(tǒng)對原邊和副邊的諧振頻率穩(wěn)定性要求較高。為了達到高效率的目的，諧振系統(tǒng)往往要求高q特性，以提升諧振系統(tǒng)的效率，然而這也會嚴(yán)重減小諧振系統(tǒng)的帶寬。目前，為了使無線電能傳輸系統(tǒng)工作頻率穩(wěn)定，原邊和副邊的驅(qū)動電路大多以諧振補償或頻點跟蹤的方式實現(xiàn)。但是，在產(chǎn)品信息存儲終端中耦合器的電感及諧振電容在出廠時存在公差，一般公差約為±10％。同時，隨著環(huán)境溫度、濕度以及存放時間的變化，耦合器電感及諧振電容也可會發(fā)生變化。并且，數(shù)據(jù)裝訂過程中耦合器不對準(zhǔn)也會導(dǎo)致諧振系統(tǒng)電感的變化。以上因素會導(dǎo)致數(shù)量繁多的信息存儲終端，需要諧振頻率處于諧振系統(tǒng)設(shè)計的最優(yōu)點，從而大大削弱加注設(shè)備的輸電能力，并且由于諧振系統(tǒng)的帶寬較窄，嚴(yán)重時信息存儲終端的諧振頻率偏移出諧振系統(tǒng)的帶寬范圍，導(dǎo)致裝訂電路缺電而無法正常工作。目前，已知的解決以上難題的技術(shù)主要包括：無源補償拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)、附加dc-dc變換器、可控逆變器和整流器。

3、然而，上述現(xiàn)有方法需要在接收端設(shè)計復(fù)雜的電容器矩陣及控制反饋電路，這不僅增加了電路的復(fù)雜度和成本，而且需要存儲罐體提供較大的安裝空間，這些情況對于一些貴重工業(yè)原料存儲罐體而言是難以實現(xiàn)的。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種具備高q和寬頻帶特性的無線電能傳輸裝置、頻帶擴展方法。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

2、第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種具備高q和寬頻帶特性的無線電能傳輸裝置，應(yīng)用于無線充電系統(tǒng)的發(fā)射端；對應(yīng)所述裝置包括調(diào)制器、直流電源、可控開關(guān)、過零檢測電路，以及由可控單向?qū)ㄩ_關(guān)、單向?qū)娐?、諧振電容和耦合線圈構(gòu)成的諧振系統(tǒng)；其中，

3、所述調(diào)制器，用于在初始階段產(chǎn)生閉合所述可控開關(guān)的第一路控制信號；

4、所述可控開關(guān)，連接所述調(diào)制器和所述直流電源，用于在所述可控開關(guān)為閉合狀態(tài)時，實現(xiàn)所述直流電源為所述諧振電容充電；

5、所述調(diào)制器，還用于產(chǎn)生隨機擴頻間隙，并根據(jù)所述隨機擴頻間隙產(chǎn)生閉合所述可控單向?qū)ㄩ_關(guān)的第二路控制信號，同時產(chǎn)生斷開所述可控開關(guān)的第一路控制信號，以使所述直流電源停止為所述諧振電容充電；

6、所述可控單向?qū)ㄩ_關(guān)，連接所述調(diào)制器，用于在所述可控單向?qū)ㄩ_關(guān)為閉合狀態(tài)時，由所述諧振電容產(chǎn)生交流振蕩電流，所述耦合線圈根據(jù)所述交流振蕩電流產(chǎn)生交變磁場，以通過空間輻射將所述交變磁場輻射到無線充電系統(tǒng)的接收端，實現(xiàn)無線電能傳輸；

7、所述單向?qū)娐?，連接所述耦合線圈，用于將所述交變磁場轉(zhuǎn)化為電場，以使諧振系統(tǒng)中諧振電流逐漸減小直至減小為0，此時諧振系統(tǒng)振蕩了一個完整周期；

8、所述過零檢測電路，用于實時檢測諧振系統(tǒng)在完整周期內(nèi)是否存在過零時間點，當(dāng)檢測到存在過零時間點的完整周期數(shù)目達到預(yù)設(shè)周期閾值時，輸出調(diào)制使能信號；

9、所述調(diào)制器，連接所述過零檢測電路，還用于根據(jù)所述調(diào)制使能信號產(chǎn)生斷開所述可控單向?qū)ㄩ_關(guān)的第二路控制信號，同時產(chǎn)生閉合所述可控開關(guān)的第一路控制信號。

10、在本發(fā)明的一個實施例中，所述調(diào)制器產(chǎn)生的隨機擴頻間隙采用均值分布的隨機值。

11、在本發(fā)明的一個實施例中，諧振系統(tǒng)采用均值分布的隨機值進行調(diào)制輸出的諧振電流波形，公式表示為：

12、

13、其中，fadj(t)表示t時刻調(diào)制輸出的諧振電流波形，g(t)表示t時刻的門函數(shù)，t表示諧振系統(tǒng)的周期長度，n表示諧振系統(tǒng)的周期數(shù)目，a表示諧振電流波形的幅度，ω0表示諧振系統(tǒng)的初始諧振頻率，τi表示第i個周期諧振電流波形與第i-1個周期諧振電流波形之間的延遲時間且τi為服從均值分布的隨機值。

14、在本發(fā)明的一個實施例中，所述調(diào)制器采用微處理器實現(xiàn)。

15、在本發(fā)明的一個實施例中，所述可控單向?qū)ㄩ_關(guān)采用可控硅實現(xiàn)。

16、在本發(fā)明的一個實施例中，所述可控開關(guān)采用繼電器實現(xiàn)。

17、在本發(fā)明的一個實施例中，所述過零檢測電路采用霍爾電流傳感器實現(xiàn)。

18、在本發(fā)明的一個實施例中，所述單向?qū)娐凡捎霉β识O管實現(xiàn)。

19、在本發(fā)明的一個實施例中，所述過零檢測電路中預(yù)設(shè)周期閾值為3*t，其中，t表示諧振系統(tǒng)一個完整周期的周期長度。

20、第二方面，本發(fā)明實施例提供了一種頻帶擴展方法，應(yīng)用于第一方面任意一所述的具備高q和寬頻帶特性的無線電能傳輸裝置，對應(yīng)方法包括：

21、調(diào)制器在初始階段產(chǎn)生閉合可控開關(guān)的第一路控制信號，以使所述可控開關(guān)閉合，直流電源開始為諧振電容充電；

22、所述調(diào)制器產(chǎn)生隨機擴頻間隙，并根據(jù)所述隨機擴頻間隙產(chǎn)生閉合所述可控單向?qū)ㄩ_關(guān)的第二路控制信號，同時產(chǎn)生斷開所述可控開關(guān)的第一路控制信號，以使所述直流電源停止為所述諧振電容充電；

23、所述可控單向?qū)ㄩ_關(guān)閉合，所述諧振電容產(chǎn)生交流振蕩電流，耦合線圈根據(jù)所述交流振蕩電流產(chǎn)生交變磁場，以通過空間輻射將所述交變磁場輻射到無線充電系統(tǒng)的接收端，實現(xiàn)無線電能傳輸，同時單向?qū)娐穼⑺鼋蛔兇艌鲛D(zhuǎn)化為電場，以使諧振系統(tǒng)中諧振電流逐漸減小直至減小為0，此時諧振系統(tǒng)振蕩了一個完整周期；

24、過零檢測電路實時檢測諧振系統(tǒng)在完整周期內(nèi)是否存在過零時間點，當(dāng)檢測到存在過零時間點的完整周期數(shù)目達到預(yù)設(shè)周期閾值時，輸出調(diào)制使能信號，所述調(diào)制器根據(jù)所述調(diào)制使能信號產(chǎn)生斷開所述可控單向?qū)ㄩ_關(guān)的第二路控制信號，同時產(chǎn)生閉合所述可控開關(guān)的第一路控制信號，以使所述可控開關(guān)再次閉合，所述直流電源再次開始為所述諧振電容充電。

25、本發(fā)明的有益效果：

26、本發(fā)明提出的具備高q和寬頻帶特性的無線電能傳輸裝置，創(chuàng)新地設(shè)計了由可控單向?qū)ㄩ_關(guān)、單向?qū)娐?、諧振電容和耦合線圈構(gòu)成的諧振系統(tǒng)，雖然本質(zhì)上仍是基于諧振方法實現(xiàn)的無線電能傳輸，但是通過引入隨機擴頻間隙的控制策略來控制諧振系統(tǒng)的開啟時機，解耦了諧振系統(tǒng)的帶寬與q之間的關(guān)聯(lián)性，突破了諧振系統(tǒng)的帶寬與q值之間的相互限制，且通過引入隨機擴頻間隙使得諧振系統(tǒng)的帶寬拓展可根據(jù)應(yīng)用需求進行調(diào)節(jié)，從而可以將原有的窄帶諧振信號轉(zhuǎn)化為頻率隨機變化的寬帶信號，隨機擴頻間隔的長度可進行調(diào)節(jié)，使得設(shè)計具有很強的靈活性，提升了發(fā)射端對不同接收端的兼容性，即適用于單一發(fā)射端向不同廠家、不同型號接收端進行無線供電的應(yīng)用場景，比如電動汽車無線充電樁等；本發(fā)明諧振系統(tǒng)無需設(shè)計多個諧振源，其能夠在單諧振源條件下工作在高q狀態(tài)，該高q狀態(tài)下諧振系統(tǒng)中電容與電感抗性相消，使得耦合線圈加載大功率交變電流具有可行性，從而諧振系統(tǒng)具備大功率無線電能傳輸?shù)哪芰?，實現(xiàn)了使用簡單的電路設(shè)計就可以完成大功率寬帶電能的無線傳輸；本發(fā)明實現(xiàn)頻帶擴展時，不需要額外的電路設(shè)計，也不需要在接收端設(shè)計因為頻帶擴展對應(yīng)的特殊電路，電路設(shè)計簡單，提升了諧振系統(tǒng)的可靠性和可行性。

27、以下將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步詳細(xì)說明。