專利名稱：反饋調(diào)諧法提高無線能量傳輸效率的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種反饋調(diào)諧法提高無線能量傳輸效率的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
長久以來，我國電力輸送主要是通過有線傳輸實(shí)現(xiàn)的。其具有布線復(fù)雜，使用不便 等缺點(diǎn)。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，家用電器供電、電池充電、射頻識別等領(lǐng)域已經(jīng) 逐漸開始使用無線方式傳輸能量。無線能量傳輸是利用磁場共振原理，將電能從發(fā)射諧振電路耦合到接收諧振電路 上。當(dāng)外界溫度、系統(tǒng)負(fù)載和傳輸距離等因素發(fā)生變化時，發(fā)射諧振電路的諧振頻率，接收 諧振電路的諧振頻率會和振蕩電路的輸出頻率產(chǎn)生偏差，這將嚴(yán)重影響到系統(tǒng)的傳輸效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種反饋調(diào)諧法提高無線能量傳輸效率的方法和系統(tǒng)，自 適應(yīng)地將鎖相環(huán)振蕩電路的輸出頻率和接收調(diào)諧電路的諧振頻率，調(diào)諧到發(fā)射振蕩電路的 諧振頻率上，從而提高無線能量傳輸系統(tǒng)的傳輸效率。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一、一種反饋調(diào)諧法提高無線能量傳輸效率的方法本發(fā)明在發(fā)射端，發(fā)射振蕩電路的輸出頻率，使用鎖相環(huán)方式，將頻率鎖定在發(fā)射 諧振電路的振蕩頻率上；在接收端，根據(jù)整流濾波電路的輸出，使用數(shù)字反饋方式，控制接 收調(diào)諧電路的諧振頻率；發(fā)射端和接收端通過磁場耦合實(shí)現(xiàn)；使鎖相環(huán)振蕩電路的輸出頻 率和接收調(diào)諧電路的諧振頻率，都自適應(yīng)地調(diào)諧到發(fā)射諧振電路的諧振頻率上，從而提高 無線能量傳輸系統(tǒng)的電壓輸出效率。二、一種反饋調(diào)諧法提高無線能量傳輸效率的系統(tǒng)本發(fā)明包括鎖相環(huán)振蕩電路、驅(qū)動放大電路、發(fā)射諧振電路、電流提取電路、接收 調(diào)諧電路、整流濾波電路和數(shù)字控制電路；鎖相環(huán)振蕩電路經(jīng)驅(qū)動放大電路、發(fā)射諧振電 路、電流提取電路再與鎖相環(huán)振蕩電路連接；接收調(diào)諧電路經(jīng)整流濾波電路和數(shù)字控制電 路再與接收調(diào)諧電路連接，整流濾波電路電壓輸出；發(fā)射諧振電路與接收調(diào)諧電路間磁場 華禹合。所述的鎖相環(huán)振蕩電路為⑶4046搭建的鎖相環(huán)振蕩電路，使用芯片⑶4046，其IN 端接電流提取電路，其OUT端接驅(qū)動放大電路。所述的驅(qū)動放大電路為B類驅(qū)動放大電路，其NPN三極管的發(fā)射極和PNP三級管 相連后接發(fā)射諧振電路，其一個兩極管Dl的負(fù)極與另一個兩極管D2的的正極相連后接鎖 相環(huán)振蕩電路的OUT端。所述的發(fā)射諧振電路為電感線圈Ll與電容C3耦合，電容C3接驅(qū)動放大電路NPN 三極管的發(fā)射極和PNP三級管相連的端口，電感線圈Ll接電流提取電路。
所述的電流提取電路為互感式電流提取電路，其中原邊的第一端口接發(fā)射諧振電 路電感線圈Ll端口，副邊的第四端口接鎖相環(huán)振蕩電路的IN端。所述的接收調(diào)諧電路為電感線圈L2與可調(diào)電容VC耦合，輸出端接整流濾波電路 和數(shù)字控制電路。所述的整流濾波電路，其二極管D3正端接接收調(diào)諧電路輸出端，可調(diào)電容VC端作為電壓輸出端，同時和數(shù)字控制電路相連接。所述的數(shù)字控制電路為MSP430F2013搭建的數(shù)字控制電路，芯片MSP430F2013的 ADCl端接整流濾波電路可調(diào)電容VC端，P1.5端和TAl端作為接口 J2，連接到整流濾波電 路可調(diào)電容VC端。信號工作途徑如下鎖相環(huán)振蕩電路產(chǎn)生的高頻振蕩信號，經(jīng)過驅(qū)動放大器后，流 向發(fā)射諧振電路；接收調(diào)諧電路利用磁場共振原理，從發(fā)射諧振回路中耦合出部分能量，產(chǎn) 生高頻振蕩電流；整流濾波電路將高頻振蕩電流轉(zhuǎn)換為直流電壓。外界溫度、系統(tǒng)負(fù)載或傳 輸距離等因素發(fā)生變化時，發(fā)射諧振電路的諧振頻率，接收諧振電路的諧振頻率會和振蕩 電路的輸出頻率之間會產(chǎn)生偏差，影響到系統(tǒng)傳輸效率。在發(fā)射端，電流提取電路對經(jīng)過發(fā) 射諧振電路的電流進(jìn)行提取，之后利用鎖相環(huán)技術(shù)將振蕩電路的輸出頻率鎖定在發(fā)射諧振 電路的諧振頻率上；在接收端，數(shù)字控制電路不斷檢測整流濾波電路的輸出電壓，并反饋?zhàn)?用于接收調(diào)諧電路的可調(diào)電容上，改變接收調(diào)諧電路的諧振頻率，使整流濾波電路的輸出 逐步達(dá)到最大值。本發(fā)明具有的有益效果本發(fā)明提出一種反饋調(diào)諧法提高無線能量傳輸效率的方法和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)發(fā)射諧 振電路的諧振頻率隨外界溫度、系統(tǒng)負(fù)載或傳輸距離等因素發(fā)生變化時，利用鎖相環(huán)技術(shù)， 把振蕩電路的輸出頻率鎖定到發(fā)射諧振電路的諧振頻率上，解決發(fā)射端的頻率失諧問題。 對于接收端，則通過不斷檢測整流濾波電路的輸出，利用數(shù)字反饋的方式，調(diào)節(jié)接收調(diào)諧電 路的諧振頻率，使整流濾波電路的輸出最終達(dá)到最大值。通過以上方法，將鎖相環(huán)振蕩電路 的輸出頻率和接收調(diào)諧電路的諧振頻率，自適應(yīng)地調(diào)諧到發(fā)射振蕩電路的諧振頻率上，從 而提高無線能量傳輸系統(tǒng)的傳輸效率。


圖1是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的原理框圖。 圖2是⑶4046搭建的鎖相環(huán)振蕩電路原理圖。圖3是B類驅(qū)動放大電路原理圖。圖4是發(fā)射諧振電路原理圖。圖5是互感式電流提取電路原理圖。圖6是接收調(diào)諧電路原理圖。圖7是半波整流濾波電路原理圖。圖8是MSP430F2013搭建的數(shù)字控制電路原理圖。圖中1鎖相環(huán)振蕩電路、2驅(qū)動放大電路、3發(fā)射諧振電路、4電流提取電路、5接 收調(diào)諧電路、6整流濾波電路和7數(shù)字控制電路。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1所示，本發(fā)明包括鎖相環(huán)振蕩電路1、驅(qū)動放大電路2、發(fā)射諧振電路3、電流提取電路4、接收調(diào)諧電路5、整流濾波電路6和數(shù)字控制電路7 ；鎖相環(huán)振蕩電路1經(jīng)驅(qū)動 放大電路2、發(fā)射諧振電路3、電流提取電路4再與鎖相環(huán)振蕩電路1連接；接收調(diào)諧電路5 經(jīng)整流濾波電路6和數(shù)字控制電路7再與接收調(diào)諧電路5連接，整流濾波電路6電壓輸出； 發(fā)射諧振電路3與接收調(diào)諧電路5間磁場耦合。 如圖2所示，鎖相環(huán)振蕩電路1為⑶4046搭建的鎖相環(huán)振蕩電路，使用芯片 CD4046，其IN端接電流提取電路4，其OUT端接驅(qū)動放大電路2。如圖3所示，驅(qū)動放大電路2為B類驅(qū)動放大電路，其NPN三極管的發(fā)射極和PNP 三級管相連后接發(fā)射諧振電路3，其一個兩極管Dl的負(fù)極與另一個兩極管D2的的正極相連 后接鎖相環(huán)振蕩電路1的OUT端。如圖4所示，發(fā)射諧振電路3為電感線圈Ll與電容C3耦合，電容C3接驅(qū)動放大 電路NPN三極管的發(fā)射極和PNP三級管相連的端口，電感線圈Ll接電流提取電路4。如圖5所示，所述的電流提取電路4為互感式電流提取電路，其中原邊的第一端口 接發(fā)射諧振電路3電感線圈Ll端口，副邊的第四端口接鎖相環(huán)振蕩電路1的IN端。如圖6所示，所述的接收調(diào)諧電路5為電感線圈L2與可調(diào)電容VC耦合，輸出端接 整流濾波電路6和數(shù)字控制電路7。如圖7所示，整流濾波電路6，其二極管D3正端接接收調(diào)諧電路5輸出端，電容C4 端作為電壓輸出端，同時和數(shù)字控制電路7相連接。如圖8所示，數(shù)字控制電路7為MSP430F2013搭建的數(shù)字控制電路，芯片 MSP430F2013的ADCl端接整流濾波電路6可調(diào)電容VC端，Pl. 5端和TAl端作為接口 J2， 連接到整流濾波電路6可調(diào)電容VC端。a)鎖相環(huán)振蕩電路產(chǎn)生的特定頻率的振蕩信號。b)驅(qū)動放大電路，對上一步產(chǎn)生的高頻振蕩信號進(jìn)行功率放大，以提供足夠的能 量用于無線傳輸。c)發(fā)射調(diào)諧電路將高頻振蕩信號的能量轉(zhuǎn)換為磁場能量。d)接收調(diào)諧電路通過磁場共振的方式，從周期變化的磁場中耦合到部分能量，并 轉(zhuǎn)換為高頻振蕩電流。e)整流濾波電路將高頻振蕩電流轉(zhuǎn)換為直流電壓。f)外界溫度、系統(tǒng)負(fù)載或傳輸距離等因素發(fā)生變化時，發(fā)射諧振電路的諧振頻率， 接收諧振電路的諧振頻率會和振蕩電路的輸出頻率產(chǎn)生偏差。g)在發(fā)射端，電流提取電路對經(jīng)過發(fā)射諧振電路的電流進(jìn)行提取。之后利用鎖相 環(huán)技術(shù)將振蕩電路的輸出頻率鎖定在發(fā)射諧振電路的諧振頻率上。h)在接收端，數(shù)字控制電路不斷檢測整流濾波電路的輸出電壓，并反饋?zhàn)饔糜诮?收調(diào)諧電路的可調(diào)電容上，改變其諧振頻率。使整流濾波電路的輸出達(dá)到最大值。i)通過步驟g和h，自適應(yīng)地將鎖相環(huán)振蕩電路的輸出頻率和接收調(diào)諧電路的諧 振頻率，調(diào)諧到發(fā)射振蕩電路的諧振頻率上，從而減小外界因素對系統(tǒng)傳輸效率的影響。以下具體闡述各個部分的實(shí)施方式
鎖相環(huán)振蕩電路選用集成鎖相環(huán)芯片搭建，如使用芯片⑶4046搭建的電路原理 圖如圖2所示。驅(qū)動放大電路使用B類、D類或E類功率放大電路。使用B類推挽互補(bǔ)放大電路 時，電路原理圖如圖3所示。該電路架構(gòu)一方面可以提供足夠的輸出功率，另一方面可減小 其輸出阻抗對發(fā)射諧振電路品質(zhì)因數(shù)的影響。
發(fā)射調(diào)諧電路使用串聯(lián)諧振電路，如圖4所示。其中，電感線圈Ll使用漆包線盤 旋繞制空芯電感，或者在電路板上印制平面螺旋電感；電容C3使用固定電容。電流提取電路使用互感式電流提取電路，如圖5所示；或者適用光電耦合式電流 提取電路。用以減小其對發(fā)射諧振電路品質(zhì)因數(shù)的影響，起到隔離的作用。接收調(diào)諧電路使用并聯(lián)諧振電路，如圖6所示。其中，電感線圈L2使用漆包線盤 旋繞制空芯電感，或者在電路板上印制平面螺旋電感；可調(diào)電容VC使用大功率固定電容與 電可調(diào)諧電容(如MAXIM公司生產(chǎn)的MAX1474)并聯(lián)的方式構(gòu)成。整流濾波電路在小功率應(yīng)用中使用半波整流電路，如圖7所示；在大功率應(yīng)用中 使用全波整流電路。數(shù)字控制電路使用帶模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的低功耗單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，如使用 TexasInstruments公司生產(chǎn)的芯片MSP430F2013，其電路原理圖如圖8所示。其中，模數(shù)轉(zhuǎn) 換功能用于采集整流濾波電路的輸出電壓Jl接口為SpyBiWire接口，用于單片機(jī)編程；J2 接口用于控制接收調(diào)諧電路中的可調(diào)電容。
權(quán)利要求
一種反饋調(diào)諧法提高無線能量傳輸效率的方法，其特征在于在發(fā)射端，發(fā)射振蕩電路的輸出頻率，使用鎖相環(huán)方式，將頻率鎖定在發(fā)射諧振電路的振蕩頻率上；在接收端，根據(jù)整流濾波電路的輸出，使用數(shù)字反饋方式，控制接收調(diào)諧電路的諧振頻率；發(fā)射端和接收端通過磁場耦合實(shí)現(xiàn)；使鎖相環(huán)振蕩電路的輸出頻率和接收調(diào)諧電路的諧振頻率，都自適應(yīng)地調(diào)諧到發(fā)射諧振電路的諧振頻率上，從而提高無線能量傳輸系統(tǒng)的電壓輸出效率。
2.按權(quán)利要求1所述方法的一種反饋調(diào)諧法提高無線能量傳輸效率的系統(tǒng)，其特征在 于包括鎖相環(huán)振蕩電路(1)、驅(qū)動放大電路(2)、發(fā)射諧振電路(3)、電流提取電路(4)、接 收調(diào)諧電路(5)、整流濾波電路(6)和數(shù)字控制電路(7)；鎖相環(huán)振蕩電路⑴經(jīng)驅(qū)動放大 電路(2)、發(fā)射諧振電路(3)、電流提取電路(4)再與鎖相環(huán)振蕩電路(1)連接；接收調(diào)諧電 路(5)經(jīng)整流濾波電路(6)和數(shù)字控制電路(7)再與接收調(diào)諧電路(5)連接，整流濾波電 路(6)電壓輸出；發(fā)射諧振電路(3)與接收調(diào)諧電路(5)間磁場耦合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種反饋調(diào)諧法提高無線能量傳輸效率的系統(tǒng)，其特征在 于所述的鎖相環(huán)振蕩電路(1)為CD4046搭建的鎖相環(huán)振蕩電路，使用芯片CD4046，其IN 端接電流提取電路(4)，其OUT端接驅(qū)動放大電路⑵。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種反饋調(diào)諧法提高無線能量傳輸效率的系統(tǒng)，其特征在 于所述的驅(qū)動放大電路(2)為B類驅(qū)動放大電路，其NPN三極管的發(fā)射極和PNP三級管相 連后接發(fā)射諧振電路(3)，其一個兩極管D1的負(fù)極與另一個兩極管D2的的正極相連后接鎖 相環(huán)振蕩電路⑴的OUT端。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種反饋調(diào)諧法提高無線能量傳輸效率的系統(tǒng)，其特征在 于所述的發(fā)射諧振電路⑶為電感線圈L1與電容C3耦合，電容C3接驅(qū)動放大電路⑵ NPN三極管的發(fā)射極和PNP三級管相連的端口，電感線圈L1接電流提取電路⑷。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種反饋調(diào)諧法提高無線能量傳輸效率的系統(tǒng)，其特征在 于所述的電流提取電路(4)為互感式電流提取電路，其中原邊的第一端口接發(fā)射諧振電 路(3)電感線圈L1端口，副邊的第四端口接鎖相環(huán)振蕩電路(1)的IN端。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種反饋調(diào)諧法提高無線能量傳輸效率的系統(tǒng)，其特征在 于所述的接收調(diào)諧電路(5)為電感線圈L2與可調(diào)電容VC耦合，輸出端接整流濾波電路 (6)和數(shù)字控制電路(7)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種反饋調(diào)諧法提高無線能量傳輸效率的系統(tǒng)，其特征在 于所述的整流濾波電路(6)，其二極管D3正端接接收調(diào)諧電路(5)輸出端，電容C4端作 為電壓輸出端，同時和數(shù)字控制電路(7)相連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種反饋調(diào)諧法提高無線能量傳輸效率的系統(tǒng)，其特征在 于所述的數(shù)字控制電路(7)為MSP430F2013搭建的數(shù)字控制電路，芯片MSP430F2013的 ADC1端接整流濾波電路(6)可調(diào)電容VC端，P1. 5端和TA1端作為接口 J2，連接到整流濾 波電路(6)可調(diào)電容VC端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種反饋調(diào)諧法提高無線能量傳輸效率的方法和系統(tǒng)。包括鎖相環(huán)振蕩電路、驅(qū)動放大電路、發(fā)射諧振電路、電流提取電路、接收調(diào)諧電路、整流濾波電路和數(shù)字控制電路。在發(fā)射端，發(fā)射振蕩電路的輸出頻率，使用鎖相環(huán)方式，將頻率鎖定在發(fā)射諧振電路的振蕩頻率上；在接收端，根據(jù)整流濾波電路的輸出，使用數(shù)字反饋方式，控制接收調(diào)諧電路的諧振頻率；發(fā)射端和接收端通過磁場耦合實(shí)現(xiàn)；本發(fā)明鎖相環(huán)振蕩電路的輸出頻率和接收調(diào)諧電路的諧振頻率，都自適應(yīng)地調(diào)諧到發(fā)射諧振電路的諧振頻率上，從而提高無線能量傳輸系統(tǒng)的電壓輸出效率。
文檔編號H02J17/00GK101860087SQ20101016946
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月11日
發(fā)明者冉立新, 呂波, 宋慶慶, 王靜雨, 皇甫江濤 申請人:浙江大學(xué)