谐振式无线电能传输装置的制作方法

本发明涉及无线电能传输装置，具体是一种谐振式无线电能传输装置。

背景技术：

目前，无线电能传输装置主要包括三种：第一种是基于电磁耦合的无线电能传输装置。此种装置是利用共磁线圈互耦原理进行无线电能传输的，其优点是传输效率高，但其存在的问题是传输距离近（厘米级别）。第二种是基于无线电波的无线电能传输装置。此种装置是利用远场天线收发原理进行无线电能传输的，其优点是传输距离远（千米级别），但其存在的问题是传输效率低。第三种是基于电磁共振的无线电能传输装置。此种装置是利用近场电磁共振原理进行无线电能传输的。相较于前两种装置，此种装置的传输效率居中，传输距离同样居中（米级别）。综上所述，现有无线电能传输装置由于自身结构所限，存在无法兼顾传输效率和传输距离的问题。为此有必要发明一种全新的无线电能传输装置，以解决现有无线电能传输装置存在的上述问题。

技术实现要素：

本发明为了解决现有无线电能传输装置无法兼顾传输效率和传输距离的问题，提供了一种谐振式无线电能传输装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：

谐振式无线电能传输装置，包括MSP430F149单片机、第一IR2110驱动芯片、第二IR2110驱动芯片、第三IR2110驱动芯片、发射模块、接收模块、第一至第四MOS管、第一至第十一二极管、第一至第四键盘开关、第一灯泡、第二灯泡、第一至第十七电阻、第一至第十一电容；

其中，第十三电阻为滑动变阻器；第十四至第十七电阻均为功率电阻；第二电容、第五电容、第六电容、第九电容、第十一电容均为电解电容；

MSP430F149单片机的VCC引脚与+5V电源端连接；MSP430F149单片机的接地引脚接地；MSP430F149单片机的第三十四引脚一方面通过第五电阻与+15V电源端连接，另一方面通过第一键盘开关接地；MSP430F149单片机的第三十五引脚一方面通过第六电阻与+15V电源端连接，另一方面通过第二键盘开关接地；MSP430F149单片机的第三十六引脚一方面通过第八电阻与+15V电源端连接，另一方面通过第三键盘开关接地；MSP430F149单片机的第三十七引脚一方面通过第十电阻与+15V电源端连接，另一方面通过第四键盘开关接地；MSP430F149单片机的第十二引脚与第一IR2110驱动芯片的第十引脚连接；MSP430F149单片机的第十三引脚与第一IR2110驱动芯片的第十二引脚连接；

第一IR2110驱动芯片的第一引脚分别与第二IR2110驱动芯片的第十二引脚和第三IR2110驱动芯片的第十引脚连接；第一IR2110驱动芯片的第二引脚接地；第一IR2110驱动芯片的第三引脚一方面与+15V电源端连接，另一方面通过第七电容接地；第一IR2110驱动芯片的第五引脚接地；第一IR2110驱动芯片的第六引脚一方面与第四二极管的阴极连接，另一方面通过第四电容接地；第四二极管的阳极与+15V电源端连接；第一IR2110驱动芯片的第七引脚分别与第二IR2110驱动芯片的第十引脚和第三IR2110驱动芯片的第十二引脚连接；第一IR2110驱动芯片的第九引脚一方面与+15V电源端连接，另一方面与第五电容的正极连接，第五电容的负极接地；第一IR2110驱动芯片的第十三引脚接地；

第二IR2110驱动芯片的第一引脚一方面与第三二极管的阴极连接，另一方面通过第三电阻与第三MOS管的栅极连接；第三二极管的阳极通过第四电阻与第三MOS管的栅极连接；第二IR2110驱动芯片的第二引脚接地；第二IR2110驱动芯片的第三引脚一方面与+15V电源端连接，另一方面通过第三电容接地；第二IR2110驱动芯片的第五引脚分别与第一MOS管的源极和第三MOS管的漏极连接；第二IR2110驱动芯片的第六引脚一方面与第二二极管的阴极连接，另一方面通过第一电容与第五引脚连接；第二二极管的阳极与+15V电源端连接；第二IR2110驱动芯片的第七引脚一方面与第一二极管的阴极连接，另一方面通过第一电阻与第一MOS管的栅极连接；第一二极管的阳极通过第二电阻与第一MOS管的栅极连接；第二IR2110驱动芯片的第九引脚一方面与+15V电源端连接，另一方面与第二电容的正极连接，第二电容的负极接地；第二IR2110驱动芯片的第十三引脚接地；第一MOS管的漏极一方面与+21V电源端连接，另一方面与第六电容的正极连接，第六电容的负极接地；第三MOS管的源极接地；

第三IR2110驱动芯片的第一引脚一方面与第七二极管的阴极连接，另一方面通过第十一电阻与第四MOS管的栅极连接；第七二极管的阳极通过第十二电阻与第四MOS管的栅极连接；第三IR2110驱动芯片的第二引脚接地；第三IR2110驱动芯片的第三引脚一方面与+15V电源端连接，另一方面通过第十电容接地；第三IR2110驱动芯片的第五引脚分别与第二MOS管的源极和第四MOS管的漏极连接；第三IR2110驱动芯片的第六引脚一方面与第六二极管的阴极连接，另一方面通过第八电容与第五引脚连接；第六二极管的阳极与+15V电源端连接；第三IR2110驱动芯片的第七引脚一方面与第五二极管的阴极连接，另一方面通过第七电阻与第二MOS管的栅极连接；第五二极管的阳极通过第九电阻与第二MOS管的栅极连接；第三IR2110驱动芯片的第九引脚一方面与+15V电源端连接，另一方面与第九电容的正极连接，第九电容的负极接地；第三IR2110驱动芯片的第十三引脚接地；第二MOS管的漏极一方面与+21V电源端连接，另一方面与第六电容的正极连接，第六电容的负极接地；第四MOS管的源极接地；

所述发射模块包括发射线圈、第一谐振电容、第二谐振电容、第一拨码开关；发射线圈的首端作为发射模块的一个输入端；发射线圈的末端与第一拨码开关的可动触点连接；第一拨码开关的两个固定触点分别与第一谐振电容的首端和第二谐振电容的首端连接；第一谐振电容的末端和第二谐振电容的末端共同作为发射模块的另一个输入端；发射模块的两个输入端分别与第二IR2110驱动芯片的第五引脚和第三IR2110驱动芯片的第五引脚连接；

所述接收模块包括接收线圈、第三谐振电容、第四谐振电容、第二拨码开关、第三拨码开关；接收线圈与发射线圈相互耦合；接收线圈的首端一方面作为接收模块的一个输出端，另一方面与第三拨码开关的一个固定触点连接；接收线圈的末端与第二拨码开关的可动触点连接；第三拨码开关的可动触点与第四谐振电容的首端连接；第二拨码开关的一个固定触点与第三谐振电容的首端连接；第二拨码开关的另一个固定触点、第三谐振电容的末端、第四谐振电容的末端共同作为接收模块的另一个输出端；

第八至第十一二极管共同构成全桥整流电路；接收模块的两个输出端分别与全桥整流电路的两个输入端连接；第十一电容的正极与全桥整流电路的正输出端连接；第十一电容的负极与全桥整流电路的负输出端连接；由第十四至第十七电阻串接而成的串联支路两端分别与全桥整流电路的正输出端和负输出端连接；由第一灯泡和第二灯泡串接而成的串联支路一端通过第十三电阻与全桥整流电路的正输出端连接，另一端与全桥整流电路的负输出端连接。

具体工作过程如下：MSP430F149单片机输出两路带有死区时间的方波（通过第一至第四键盘开关可以调节两路方波的占空比和频率）。两路方波各自经第一IR2110驱动芯片进行放大后分别进入第二IR2110驱动芯片和第三IR2110驱动芯片，由此一方面使得第二IR2110驱动芯片的第一引脚和第七引脚交替输出高低电平，另一方面使得第三IR2110驱动芯片的第一引脚和第七引脚交替输出高低电平，从而有效解决了第二IR2110驱动芯片和第三IR2110驱动芯片发烫的问题。当第二IR2110驱动芯片的第七引脚输出高电平（第一引脚输出低电平）时，第三IR2110驱动芯片的第一引脚输出高电平（第七引脚输出低电平）。此时，第一MOS管和第四MOS管均导通，由此使得第二IR2110驱动芯片的第五引脚和第三IR2110驱动芯片的第五引脚之间产生正向电压，从而使得发射线圈中产生正向电流。当第二IR2110驱动芯片的第一引脚输出高电平（第七引脚输出低电平）时，第三IR2110驱动芯片的第七引脚输出高电平（第一引脚输出低电平）。此时，第二MOS管和第三MOS管均导通，由此使得第二IR2110驱动芯片的第五引脚和第三IR2110驱动芯片的第五引脚之间产生反向电压，从而使得发射线圈中产生反向电流。以此类推，发射线圈中即可持续产生交流电，由此使得接收线圈中谐振产生交流电。该交流电经全桥整流电路进行整流后向第一灯泡和第二灯泡供电，由此使得第一灯泡和第二灯泡点亮，从而实现无线电能传输。

在上述过程中，若要测量无线电能的传输效率，则一方面拨动第一拨码开关，使得发射线圈的末端与第一谐振电容的首端接通，另一方面拨动第二拨码开关和第三拨码开关，使得接收线圈的末端既与第三谐振电容的首端接通又与第四谐振电容的首端断开，由此达到发射模块串联、接收模块也串联的效果（流过第一灯泡和第二灯泡的电流规定为0.5A）。若要测量无线电能的传输距离，则一方面拨动第一拨码开关，使得发射线圈的末端与第二谐振电容的首端接通，另一方面拨动第二拨码开关和第三拨码开关，使得接收线圈的末端既与第三谐振电容的末端接通又与第四谐振电容的首端接通，由此达到发射模块串联、接收模块并联的效果。四个功率电阻（即第十四至第十七电阻）可通过与MSP430F149单片机的连接来采集10cm处负载（即第一灯泡和第二灯泡）两端的电压。

基于上述过程，与现有无线电能传输装置相比，本发明所述的谐振式无线电能传输装置利用全新的谐振原理实现了无线电能传输，因此其充分兼顾了传输效率和传输距离。试验表明：当发射线圈和接收线圈间隔10cm时，本发明的传输效率可以达到55%。当发射线圈和接收线圈间隔160cm时，本发明能够点亮两个功率为1W的灯泡。

除此之外，本发明所述的谐振式无线电能传输装置还具备了如下优点：一、在本发明中，发射线圈和接收线圈是整个装置的核心部件。在1KHZ的频率下，发射线圈的品质因数为8，接收线圈的品质因数为9.6，两个线圈的品质因数相近而且都很高，这使得两线圈的耦合程度更好，传输效率更高；两线圈的电感和自身电容使得整个装置在40KHZ频率下达到阻抗匹配（这是影响传输效率的一个很大的因素），由此提高了传输效率。二、本发明采用集总电容调频法，即在线圈两端接入匹配电容，通过精调谐振电容使得线圈的谐振频率与输入波形的频率相吻合，使得两线圈达到完全谐振，从而提高了传输效率。三、本发明在测量传输效率和传输距离时改变了线圈和电容的串并联方式。事先调整好在各种测量情况下的最佳谐振电容，当测量传输效率时，发射线圈与谐振电容采用串联方式连接，接收线圈与谐振电容也采用串联方式连接，当测量传输距离时，发射线圈与谐振电容仍采用串联方式连接，但电容值已改变，接收线圈与谐振电容改为并联连接，发射模块与接收模块各采用两套谐振电容来配合不同的测量环境，通过三个拨码开关来实现连接方式的改变。通过改变连接方式使得本发明达到最高的传输效率以及最远的传输距离。四、本发明加入波形放大模块可有效解决驱动芯片发烫的问题，从而使得驱动电路输出波形正确，这是电路正常工作的前提。五、本发明采用MSP430F149单片机，可输出8MHZ以内的两路方波，波形极值最大为3.3V，通过程序可以精调频率和占空比，不仅输出波形稳定，工整无杂波，而且波的参数容易人为改变，在调谐过程中方便实用，是本发明的基础。通过与1602液晶显示的连接，使得对波的频率以及占空比能实时了解，对负载两端的电压也能实时显示。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有无线电能传输装置无法兼顾传输效率和传输距离的问题，适用于无线电能传输。

附图说明

图1是本发明的电路原理图。

图2是本发明中发射模块的电路原理图。

图3是本发明中接收模块的电路原理图。

具体实施方式

谐振式无线电能传输装置，包括MSP430F149单片机U1、第一IR2110驱动芯片U2、第二IR2110驱动芯片U3、第三IR2110驱动芯片U4、发射模块U5、接收模块U6、第一至第四MOS管Q1~Q4、第一至第十一二极管D1~D11、第一至第四键盘开关S1~S4、第一灯泡DS1、第二灯泡DS2、第一至第十七电阻R1~R17、第一至第十一电容C1~C11；

其中，第十三电阻R13为滑动变阻器；第十四至第十七电阻R14~R17均为功率电阻；第二电容C2、第五电容C5、第六电容C6、第九电容C9、第十一电容C11均为电解电容；

MSP430F149单片机U1的VCC引脚与+5V电源端连接；MSP430F149单片机U1的接地引脚接地；MSP430F149单片机U1的第三十四引脚一方面通过第五电阻R5与+15V电源端连接，另一方面通过第一键盘开关S1接地；MSP430F149单片机U1的第三十五引脚一方面通过第六电阻R6与+15V电源端连接，另一方面通过第二键盘开关S2接地；MSP430F149单片机U1的第三十六引脚一方面通过第八电阻R8与+15V电源端连接，另一方面通过第三键盘开关S3接地；MSP430F149单片机U1的第三十七引脚一方面通过第十电阻R10与+15V电源端连接，另一方面通过第四键盘开关S4接地；MSP430F149单片机U1的第十二引脚与第一IR2110驱动芯片U2的第十引脚连接；MSP430F149单片机U1的第十三引脚与第一IR2110驱动芯片U2的第十二引脚连接；

第一IR2110驱动芯片U2的第一引脚分别与第二IR2110驱动芯片U3的第十二引脚和第三IR2110驱动芯片U4的第十引脚连接；第一IR2110驱动芯片U2的第二引脚接地；第一IR2110驱动芯片U2的第三引脚一方面与+15V电源端连接，另一方面通过第七电容C7接地；第一IR2110驱动芯片U2的第五引脚接地；第一IR2110驱动芯片U2的第六引脚一方面与第四二极管D4的阴极连接，另一方面通过第四电容C4接地；第四二极管D4的阳极与+15V电源端连接；第一IR2110驱动芯片U2的第七引脚分别与第二IR2110驱动芯片U3的第十引脚和第三IR2110驱动芯片U4的第十二引脚连接；第一IR2110驱动芯片U2的第九引脚一方面与+15V电源端连接，另一方面与第五电容C5的正极连接，第五电容C5的负极接地；第一IR2110驱动芯片U2的第十三引脚接地；

第二IR2110驱动芯片U3的第一引脚一方面与第三二极管D3的阴极连接，另一方面通过第三电阻R3与第三MOS管Q3的栅极连接；第三二极管D3的阳极通过第四电阻R4与第三MOS管Q3的栅极连接；第二IR2110驱动芯片U3的第二引脚接地；第二IR2110驱动芯片U3的第三引脚一方面与+15V电源端连接，另一方面通过第三电容C3接地；第二IR2110驱动芯片U3的第五引脚分别与第一MOS管Q1的源极和第三MOS管Q3的漏极连接；第二IR2110驱动芯片U3的第六引脚一方面与第二二极管D2的阴极连接，另一方面通过第一电容C1与第五引脚连接；第二二极管D2的阳极与+15V电源端连接；第二IR2110驱动芯片U3的第七引脚一方面与第一二极管D1的阴极连接，另一方面通过第一电阻R1与第一MOS管Q1的栅极连接；第一二极管D1的阳极通过第二电阻R2与第一MOS管Q1的栅极连接；第二IR2110驱动芯片U3的第九引脚一方面与+15V电源端连接，另一方面与第二电容C2的正极连接，第二电容C2的负极接地；第二IR2110驱动芯片U3的第十三引脚接地；第一MOS管Q1的漏极一方面与+21V电源端连接，另一方面与第六电容C6的正极连接，第六电容C6的负极接地；第三MOS管Q3的源极接地；

第三IR2110驱动芯片U4的第一引脚一方面与第七二极管D7的阴极连接，另一方面通过第十一电阻R11与第四MOS管Q4的栅极连接；第七二极管D7的阳极通过第十二电阻R12与第四MOS管Q4的栅极连接；第三IR2110驱动芯片U4的第二引脚接地；第三IR2110驱动芯片U4的第三引脚一方面与+15V电源端连接，另一方面通过第十电容C10接地；第三IR2110驱动芯片U4的第五引脚分别与第二MOS管Q2的源极和第四MOS管Q4的漏极连接；第三IR2110驱动芯片U4的第六引脚一方面与第六二极管D6的阴极连接，另一方面通过第八电容C8与第五引脚连接；第六二极管D6的阳极与+15V电源端连接；第三IR2110驱动芯片U4的第七引脚一方面与第五二极管D5的阴极连接，另一方面通过第七电阻R7与第二MOS管Q2的栅极连接；第五二极管D5的阳极通过第九电阻R9与第二MOS管Q2的栅极连接；第三IR2110驱动芯片U4的第九引脚一方面与+15V电源端连接，另一方面与第九电容C9的正极连接，第九电容C9的负极接地；第三IR2110驱动芯片U4的第十三引脚接地；第二MOS管Q2的漏极一方面与+21V电源端连接，另一方面与第六电容C6的正极连接，第六电容C6的负极接地；第四MOS管Q4的源极接地；

所述发射模块U5包括发射线圈、第一谐振电容、第二谐振电容、第一拨码开关；发射线圈的首端作为发射模块U5的一个输入端；发射线圈的末端与第一拨码开关的可动触点连接；第一拨码开关的两个固定触点分别与第一谐振电容的首端和第二谐振电容的首端连接；第一谐振电容的末端和第二谐振电容的末端共同作为发射模块U5的另一个输入端；发射模块U5的两个输入端分别与第二IR2110驱动芯片U3的第五引脚和第三IR2110驱动芯片U4的第五引脚连接；

所述接收模块U6包括接收线圈、第三谐振电容、第四谐振电容、第二拨码开关、第三拨码开关；接收线圈与发射线圈相互耦合；接收线圈的首端一方面作为接收模块U6的一个输出端，另一方面与第三拨码开关的一个固定触点连接；接收线圈的末端与第二拨码开关的可动触点连接；第三拨码开关的可动触点与第四谐振电容的首端连接；第二拨码开关的一个固定触点与第三谐振电容的首端连接；第二拨码开关的另一个固定触点、第三谐振电容的末端、第四谐振电容的末端共同作为接收模块U6的另一个输出端；

第八至第十一二极管D8~D11共同构成全桥整流电路；接收模块U6的两个输出端分别与全桥整流电路的两个输入端连接；第十一电容C11的正极与全桥整流电路的正输出端连接；第十一电容C11的负极与全桥整流电路的负输出端连接；由第十四至第十七电阻R14~R17串接而成的串联支路两端分别与全桥整流电路的正输出端和负输出端连接；由第一灯泡DS1和第二灯泡DS2串接而成的串联支路一端通过第十三电阻R13与全桥整流电路的正输出端连接，另一端与全桥整流电路的负输出端连接。

所述发射线圈、接收线圈均采用螺旋状空心线圈；所述发射线圈的匝数为56匝、在1KHZ的频率下电感值为1132μH、电容值为22.36μF、品质因数为8；所述接收线圈的匝数为70匝、在1KHZ的频率下电感值为1735μH、电容值为14μF、品质因数为9.6。

所述第一至第四MOS管Q1~Q4均采用IRFZ48N MOS管。

所述第一至第七二极管D1~D7均采用开关二极管；所述第八至第十一二极管D8~D11均采用1N5819肖特基二极管。