頻率自優(yōu)化動(dòng)態(tài)調(diào)諧的磁耦合諧振無線輸電裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及磁諧振耦合無線輸電裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及可根據(jù)功率和效率 要求可自調(diào)整頻率動(dòng)態(tài)調(diào)諧的無線輸電裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 2006年，麻省理工學(xué)院（MIT)的研宄人員利用磁諧振耦合無線輸電裝置成功的以 40%的效率點(diǎn)亮了一個(gè)2m左右處60W的燈泡，該實(shí)驗(yàn)打破了當(dāng)時(shí)為實(shí)現(xiàn)中長(zhǎng)距離高效率無 線輸送電能所面臨的困境，引發(fā)了人們研宄并優(yōu)化磁諧振耦合無線輸電裝置的熱潮。
[0003]磁諧振耦合無線輸電裝置是一種利用磁諧振耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)電能從電源無線傳輸 至負(fù)載的裝置。磁諧振耦合無線輸電裝置包括高頻功率電源，發(fā)射線圈，接收線圈，調(diào)諧電 容，整流調(diào)壓模塊和負(fù)載。整流調(diào)壓模塊用于變換接收的電能輸送至負(fù)載，也可實(shí)現(xiàn)與負(fù)載 端的阻抗匹配改善電能傳輸?shù)男屎洼斔椭霖?fù)載的最大傳輸功率。
[0004] 由于無線傳輸能量主要依靠發(fā)射線圈與相應(yīng)調(diào)諧電容的諧振，接收線圈與相應(yīng)調(diào) 諧電容的諧振形成的耦合磁場(chǎng)，因此保持發(fā)射模塊和接收模塊的諧振頻率一致對(duì)于保持傳 輸電能效率及輸送功率至關(guān)重要。然而高頻功率源的頻率變化，由溫度，時(shí)間和周圍磁場(chǎng)變 化引起的發(fā)射接收線圈，調(diào)諧電容參數(shù)變化以及負(fù)載阻抗角的變化等都會(huì)造成發(fā)射模塊和 接收模塊的失諧。同時(shí)發(fā)射線圈和接收線圈耦合磁場(chǎng)變化（主要由線圈相對(duì)位置變化引 起）以及負(fù)載的變化（輕載或重載等）也將影響系統(tǒng)的傳輸功率和效率，引起輸出不穩(wěn)定。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)集中于解決高頻功率電源與發(fā)射模塊之間的頻率跟蹤控制問題或發(fā)射 模塊頻率固定情況下接收模塊的失諧問題，主要考慮發(fā)射線圈和接收線圈之間傳輸功率及 效率或發(fā)射線圈至負(fù)載之間效率，沒有從總體上（電源至負(fù)載）考慮系統(tǒng)的傳輸功率和效 率是否達(dá)到要求。對(duì)磁諧振耦合無線輸電裝置的優(yōu)化亟需解決以下問題：當(dāng)負(fù)載變化和發(fā) 射線圈與接收線圈位置變化時(shí)保持傳輸功率和效率滿足要求以及對(duì)高頻功率電源效率的 影響；當(dāng)高頻功率電源的頻率發(fā)生變化時(shí)發(fā)射模塊和接收模塊中的電感和電容以及各寄生 參數(shù)值都將發(fā)生變化，對(duì)系統(tǒng)調(diào)諧產(chǎn)生不利影響；理論分析中接收系統(tǒng)的負(fù)載往往視為純 電阻負(fù)載，而實(shí)際的負(fù)載往往是阻感性或阻容性負(fù)載，負(fù)載特性變化往往使得接收系統(tǒng)更 容易失諧，失諧問題也常常更難解決。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上不足之處，本實(shí)用新型提供一種頻率自優(yōu)化動(dòng)態(tài)調(diào)諧的磁耦 合諧振無線輸電裝置，不僅電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且應(yīng)對(duì)負(fù)載和發(fā)射線圈與接收線圈位置變化可 實(shí)現(xiàn)滿足系統(tǒng)效率和傳輸功率要求的諧振頻率自調(diào)節(jié)，且接收模塊在負(fù)載（可將整流調(diào)壓 模塊及其所接負(fù)載都視為接收端的負(fù)載部分）和元件參數(shù)變化的情況下都能跟隨最優(yōu)諧 振頻率。具體技術(shù)方案如下。
[0007] 頻率自優(yōu)化動(dòng)態(tài)調(diào)諧的磁耦合諧振無線輸電裝置，其包含：高頻功率電源、發(fā)射模 塊、接收模塊、發(fā)射端檢測(cè)模塊、接收端檢測(cè)模塊、數(shù)字控制器、數(shù)字控制器、整流調(diào)壓模塊 和負(fù)載；高頻功率電源的開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端與數(shù)字控制器的輸出端相連；高頻功率 電源的輸出與發(fā)射模塊相連，發(fā)射端檢測(cè)模塊的輸入端與發(fā)射模塊相連，發(fā)射端檢測(cè)模塊 的輸出端與第一數(shù)字控制器的輸入端相連，第一數(shù)字控制器的輸出還與發(fā)射模塊相連；接 收模塊的輸出端與整流調(diào)壓模塊相連，接收端檢測(cè)模塊的輸入端與接收模塊相連，接收端 檢測(cè)模塊的輸出端與第二數(shù)字控制器相連；第二數(shù)字控制器的輸出端與接收模塊相連；整 流調(diào)壓模塊的輸出接負(fù)載。
[0008] 進(jìn)一步的，所述發(fā)射模塊包含阻抗變換網(wǎng)絡(luò)、第一調(diào)諧電容和發(fā)射線圈，其中第一 調(diào)諧電容和發(fā)射線圈串聯(lián)，阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的輸入連接高頻功率電源的輸出，阻抗變換網(wǎng)絡(luò) 的輸出與第一調(diào)諧電容和發(fā)射線圈的串聯(lián)電路兩端相連；所述接收模塊包含第二調(diào)諧電容 和接收線圈，其中第二調(diào)諧電容和接收線圈并聯(lián)；第一數(shù)字控制器的輸出接高頻功率電源 的開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端、阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的可變無源器件控制端、第一調(diào)諧電容控制端， 控制高頻功率電源的開關(guān)頻率、阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的阻抗值和第一調(diào)諧電容的容值；第二數(shù)字 控制器的輸出端與第二調(diào)諧電容控制端相連，控制第二調(diào)諧電容的值。
[0009] 進(jìn)一步的，所述的第一數(shù)字控制器和第二數(shù)字控制器具體工作過程是：當(dāng)發(fā)射端 檢測(cè)模塊的檢測(cè)信號(hào)和接收端檢測(cè)模塊的檢測(cè)信號(hào)輸送至相應(yīng)的數(shù)字控制器中，第一數(shù)字 控制器得出的優(yōu)化頻率改變高頻功率電源的頻率，相應(yīng)的阻抗變化網(wǎng)絡(luò)的可變無源元件值 和第一調(diào)諧電容值；第一數(shù)字控制器中內(nèi)置的無線通信模塊將優(yōu)化的諧振頻率信號(hào)傳送至 第二數(shù)字控制器，第二數(shù)字控制器根據(jù)優(yōu)化的諧振頻率改變第二調(diào)諧電容的值重新達(dá)到新 的諧振狀態(tài)；重復(fù)上述工作過程直至發(fā)射端檢測(cè)模塊和接收端檢測(cè)模塊檢測(cè)的傳輸功率和 效率滿足要求，此時(shí)的諧振頻率為最終系統(tǒng)優(yōu)化諧振頻率。
[0010] 進(jìn)一步的，當(dāng)?shù)谝粩?shù)字控制器接收到發(fā)射端檢測(cè)模塊的電壓和電流信號(hào)，調(diào)節(jié)第 一調(diào)諧電容的值直至電壓電流相位差減小至零；同時(shí)根據(jù)發(fā)射端檢測(cè)模塊電壓和電流的信 號(hào)，數(shù)字控制器獲得發(fā)射線圈和第一調(diào)諧電容的等效電阻值R，進(jìn)而得出阻抗變換網(wǎng)絡(luò)中可 變無源元件的值以實(shí)現(xiàn)高頻功率電源的開關(guān)最優(yōu)工作狀態(tài)；
[0011] 當(dāng)負(fù)載阻抗角變化或接收模塊中接收線圈電感和寄生電容參數(shù)變化或第二數(shù)字 控制器接收到數(shù)字控制器發(fā)送的優(yōu)化的諧振頻率信號(hào)，第二數(shù)字控制器根據(jù)接收到的接收 端檢測(cè)模塊電壓和電流信號(hào)以及優(yōu)化的諧振頻率信號(hào)得到第二調(diào)諧開關(guān)電容的值。
[0012] 進(jìn)一步的，發(fā)射端檢測(cè)模塊包括電壓電流霍爾傳感器及其調(diào)理電路，第一調(diào)諧電 容與發(fā)射線圈組成部分的電壓、電流和有功功率檢測(cè)電路；所述接收端檢測(cè)模塊包括電壓 電流霍爾傳感器及其調(diào)理電路，整流調(diào)壓模塊輸入端有功功率檢測(cè)電路。
[0013] 進(jìn)一步的，所述阻抗變換網(wǎng)絡(luò)由可變的電容和電感組成，阻抗值的改變由第一數(shù) 字控制器控制，通過改變其自身阻抗值實(shí)現(xiàn)高頻功率電源開關(guān)器件的最佳開關(guān)工作狀態(tài)。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0015] 1、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻率自優(yōu)化動(dòng)態(tài)調(diào)諧的磁耦合諧振無線輸電裝置可根據(jù)負(fù)載變 化（輕載和