反馈调谐法提高无线能量传输效率的方法和系统

摘要

本发明公开了一种反馈调谐法提高无线能量传输效率的方法和系统。包括锁相环振荡电路、驱动放大电路、发射谐振电路、电流提取电路、接收调谐电路、整流滤波电路和数字控制电路。在发射端，发射振荡电路的输出频率，使用锁相环方式，将频率锁定在发射谐振电路的振荡频率上；在接收端，根据整流滤波电路的输出，使用数字反馈方式，控制接收调谐电路的谐振频率；发射端和接收端通过磁场耦合实现；本发明锁相环振荡电路的输出频率和接收调谐电路的谐振频率，都自适应地调谐到发射谐振电路的谐振频率上，从而提高无线能量传输系统的电压输出效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种反馈调谐法提高无线能量传输效率的方法和系统。

背景技术

长久以来，我国电力输送主要是通过有线传输实现的。其具有布线复杂，使用不便等缺点。近年来，随着科学技术的不断进步，家用电器供电、电池充电、射频识别等领域已经逐渐开始使用无线方式传输能量。

无线能量传输是利用磁场共振原理，将电能从发射谐振电路耦合到接收谐振电路上。当外界温度、系统负载和传输距离等因素发生变化时，发射谐振电路的谐振频率，接收谐振电路的谐振频率会和振荡电路的输出频率产生偏差，这将严重影响到系统的传输效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种反馈调谐法提高无线能量传输效率的方法和系统，自适应地将锁相环振荡电路的输出频率和接收调谐电路的谐振频率，调谐到发射振荡电路的谐振频率上，从而提高无线能量传输系统的传输效率。

本发明采用的技术方案是：

一、一种反馈调谐法提高无线能量传输效率的方法：

本发明在发射端，发射振荡电路的输出频率，使用锁相环方式，将频率锁定在发射谐振电路的振荡频率上；在接收端，根据整流滤波电路的输出，使用数字反馈方式，控制接收调谐电路的谐振频率；发射端和接收端通过磁场耦合实现；使锁相环振荡电路的输出频率和接收调谐电路的谐振频率，都自适应地调谐到发射谐振电路的谐振频率上，从而提高无线能量传输系统的电压输出效率。

二、一种反馈调谐法提高无线能量传输效率的系统：

本发明包括锁相环振荡电路、驱动放大电路、发射谐振电路、电流提取电路、接收调谐电路、整流滤波电路和数字控制电路；锁相环振荡电路经驱动放大电路、发射谐振电路、电流提取电路再与锁相环振荡电路连接；接收调谐电路经整流滤波电路和数字控制电路再与接收调谐电路连接，整流滤波电路电压输出；发射谐振电路与接收调谐电路间磁场耦合。

所述的锁相环振荡电路为CD4046搭建的锁相环振荡电路，使用芯片CD4046，其IN端接电流提取电路，其OUT端接驱动放大电路。

所述的驱动放大电路为B类驱动放大电路，其NPN三极管的发射极和PNP三级管相连后接发射谐振电路，其一个两极管D1的负极与另一个两极管D2的的正极相连后接锁相环振荡电路的OUT端。

所述的发射谐振电路为电感线圈L1与电容C3耦合，电容C3接驱动放大电路NPN三极管的发射极和PNP三级管相连的端口，电感线圈L1接电流提取电路。

所述的电流提取电路为互感式电流提取电路，其中原边的第一端口接发射谐振电路电感线圈L1端口，副边的第四端口接锁相环振荡电路的IN端。

所述的接收调谐电路为电感线圈L2与可调电容VC耦合，输出端接整流滤波电路和数字控制电路。

所述的整流滤波电路，其二极管D3正端接接收调谐电路输出端，可调电容VC端作为电压输出端，同时和数字控制电路相连接。

所述的数字控制电路为MSP430F2013搭建的数字控制电路，芯片MSP430F2013的ADC1端接整流滤波电路可调电容VC端，P1.5端和TA1端作为接口J2，连接到整流滤波电路可调电容VC端。

信号工作途径如下：锁相环振荡电路产生的高频振荡信号，经过驱动放大器后，流向发射谐振电路；接收调谐电路利用磁场共振原理，从发射谐振回路中耦合出部分能量，产生高频振荡电流；整流滤波电路将高频振荡电流转换为直流电压。外界温度、系统负载或传输距离等因素发生变化时，发射谐振电路的谐振频率，接收谐振电路的谐振频率会和振荡电路的输出频率之间会产生偏差，影响到系统传输效率。在发射端，电流提取电路对经过发射谐振电路的电流进行提取，之后利用锁相环技术将振荡电路的输出频率锁定在发射谐振电路的谐振频率上；在接收端，数字控制电路不断检测整流滤波电路的输出电压，并反馈作用于接收调谐电路的可调电容上，改变接收调谐电路的谐振频率，使整流滤波电路的输出逐步达到最大值。

本发明具有的有益效果：

本发明提出一种反馈调谐法提高无线能量传输效率的方法和系统实现。当发射谐振电路的谐振频率随外界温度、系统负载或传输距离等因素发生变化时，利用锁相环技术，把振荡电路的输出频率锁定到发射谐振电路的谐振频率上，解决发射端的频率失谐问题。对于接收端，则通过不断检测整流滤波电路的输出，利用数字反馈的方式，调节接收调谐电路的谐振频率，使整流滤波电路的输出最终达到最大值。通过以上方法，将锁相环振荡电路的输出频率和接收调谐电路的谐振频率，自适应地调谐到发射振荡电路的谐振频率上，从而提高无线能量传输系统的传输效率。

附图说明

图1是本发明实现的原理框图。

图2是CD4046搭建的锁相环振荡电路原理图。

图3是B类驱动放大电路原理图。

图4是发射谐振电路原理图。

图5是互感式电流提取电路原理图。

图6是接收调谐电路原理图。

图7是半波整流滤波电路原理图。

图8是MSP430F2013搭建的数字控制电路原理图。

图中：1锁相环振荡电路、2驱动放大电路、3发射谐振电路、4电流提取电路、5接收调谐电路、6整流滤波电路和7数字控制电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括锁相环振荡电路1、驱动放大电路2、发射谐振电路3、电流提取电路4、接收调谐电路5、整流滤波电路6和数字控制电路7；锁相环振荡电路1经驱动放大电路2、发射谐振电路3、电流提取电路4再与锁相环振荡电路1连接；接收调谐电路5经整流滤波电路6和数字控制电路7再与接收调谐电路5连接，整流滤波电路6电压输出；发射谐振电路3与接收调谐电路5间磁场耦合。

如图2所示，锁相环振荡电路1为CD4046搭建的锁相环振荡电路，使用芯片CD4046，其IN端接电流提取电路4，其OUT端接驱动放大电路2。

如图3所示，驱动放大电路2为B类驱动放大电路，其NPN三极管的发射极和PNP三级管相连后接发射谐振电路3，其一个两极管D1的负极与另一个两极管D2的的正极相连后接锁相环振荡电路1的OUT端。

如图4所示，发射谐振电路3为电感线圈L1与电容C3耦合，电容C3接驱动放大电路NPN三极管的发射极和PNP三级管相连的端口，电感线圈L1接电流提取电路4。

如图5所示，所述的电流提取电路4为互感式电流提取电路，其中原边的第一端口接发射谐振电路3电感线圈L1端口，副边的第四端口接锁相环振荡电路1的IN端。

如图6所示，所述的接收调谐电路5为电感线圈L2与可调电容VC耦合，输出端接整流滤波电路6和数字控制电路7。

如图7所示，整流滤波电路6，其二极管D3正端接接收调谐电路5输出端，电容C4端作为电压输出端，同时和数字控制电路7相连接。

如图8所示，数字控制电路7为MSP430F2013搭建的数字控制电路，芯片MSP430F2013的ADC1端接整流滤波电路6可调电容VC端，P1.5端和TA1端作为接口J2，连接到整流滤波电路6可调电容VC端。

a)锁相环振荡电路产生的特定频率的振荡信号。

b)驱动放大电路，对上一步产生的高频振荡信号进行功率放大，以提供足够的能量用于无线传输。

c)发射调谐电路将高频振荡信号的能量转换为磁场能量。

d)接收调谐电路通过磁场共振的方式，从周期变化的磁场中耦合到部分能量，并转换为高频振荡电流。

e)整流滤波电路将高频振荡电流转换为直流电压。

f)外界温度、系统负载或传输距离等因素发生变化时，发射谐振电路的谐振频率，接收谐振电路的谐振频率会和振荡电路的输出频率产生偏差。

g)在发射端，电流提取电路对经过发射谐振电路的电流进行提取。之后利用锁相环技术将振荡电路的输出频率锁定在发射谐振电路的谐振频率上。

h)在接收端，数字控制电路不断检测整流滤波电路的输出电压，并反馈作用于接收调谐电路的可调电容上，改变其谐振频率。使整流滤波电路的输出达到最大值。

i)通过步骤g和h，自适应地将锁相环振荡电路的输出频率和接收调谐电路的谐振频率，调谐到发射振荡电路的谐振频率上，从而减小外界因素对系统传输效率的影响。

以下具体阐述各个部分的实施方式：

锁相环振荡电路选用集成锁相环芯片搭建，如使用芯片CD4046搭建的电路原理图如图2所示。

驱动放大电路使用B类、D类或E类功率放大电路。使用B类推挽互补放大电路时，电路原理图如图3所示。该电路架构一方面可以提供足够的输出功率，另一方面可减小其输出阻抗对发射谐振电路品质因数的影响。

发射调谐电路使用串联谐振电路，如图4所示。其中，电感线圈L1使用漆包线盘旋绕制空芯电感，或者在电路板上印制平面螺旋电感；电容C3使用固定电容。

电流提取电路使用互感式电流提取电路，如图5所示；或者适用光电耦合式电流提取电路。用以减小其对发射谐振电路品质因数的影响，起到隔离的作用。

接收调谐电路使用并联谐振电路，如图6所示。其中，电感线圈L2使用漆包线盘旋绕制空芯电感，或者在电路板上印制平面螺旋电感；可调电容VC使用大功率固定电容与电可调谐电容(如MAXIM公司生产的MAX1474)并联的方式构成。

整流滤波电路在小功率应用中使用半波整流电路，如图7所示；在大功率应用中使用全波整流电路。

数字控制电路使用带模数转换功能的低功耗单片机实现，如使用TexasInstruments公司生产的芯片MSP430F2013，其电路原理图如图8所示。其中，模数转换功能用于采集整流滤波电路的输出电压；J1接口为SpyBiWire接口，用于单片机编程；J2接口用于控制接收调谐电路中的可调电容。