耦合谐振式水下无线充电装置及方法与流程

本发明涉及无线充电领域，更具体的说，涉及一种耦合谐振式水下无线充电装置及方法。

背景技术：

在海水环境中，高的工作频率会导致高的涡流损耗，严重影响无线充电的能量传输特性。因此水下磁耦合无线充电一般采用几百khz的工作频率；同时，对于标称50ω的负载，传统空气中所采用的串联谐振的传输特性并不理想。

而对于磁耦合并联谐振水下无线充电系统，可以证明传输效率和传输距离这两大核心指标之间是相互制约，无法同时优化的。单一参数的变化，对无线充电的临界耦合距离和临界耦合效率的影响是相反的。

鉴于此，业内亟需一种能够解决此问题的方案。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种能量传输效率更高的耦合谐振式水下无线充电装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种耦合谐振式水下无线充电装置，其特征在于，包括：

发射端和接收端；

所述发射端包括第一测距单元、第一控制单元、驱动电路和发射线圈，所述第一测距单元和所述驱动电路与所述第一控制单元耦合，所述发射线圈与所述驱动电路相连接，所述第一控制单元根据所述第一测距单元的距离信息控制所述驱动电路的第一谐振频率；

所述接收端包括第二测距单元、第二控制单元、负载电路和接收线圈，所述第二测距单元和所述负载电路与所述第二控制单元耦合，所述接收线圈与所述负载电路相连接，所述第二控制单元根据所述第二测距单元的距离信息控制所述负载电路的第二谐振频率；所述第一谐振频率等于第二谐振频率。

进一步的，所述驱动电路包括电源和第一调频电容组，所述电源与所述第一调频电容组并联。

进一步的，所述第一调频电容组包括至少两个并联设置的第一电容，至少有一个与所述第一电容串联的第一调节开关，所述第一控制单元与第一调节开关耦合，所述第一控制单元通过控制所述第一调节开关断开和闭合；使第一调频电容组的工作频率等于所述第一谐振频率。

进一步的，所述电源为可变信号源；所述可变信号源与第一控制单元耦合；所述第一控制单元控制可变信号源的工作频率，使可变信号源的工作频率与所述驱动电路的谐振频率相等。

进一步的，所述发射线圈与所述第一调频电容组并联。

进一步的，所述负载电路包括负载电阻和第二调频电容组，所述负载电阻与所述第二调频电容组并联。

进一步的，所述第二调频电容组包括至少两个并联设置的第二电容，至少有一个与所述第二电容串联的第二调节开关，所述第二控制单元控制所述第二调节开关断开和闭合。

进一步的，所述接收线圈与所述第二调频电容组并联。

进一步的，所述发射线圈和所述接收线圈的自身参数均相同，所述发射线圈和所述接收线圈为圆形线圈或平面螺旋线圈。

根据本发明的另一个方面，本发明还公开了一种耦合谐振式水下无线充电方法，所述方法包括：

获取发射端和接收端之间的距离信息；

根据距离信息调节发射端的发频端的第一谐振频率和接收端的第二谐振频率，并使得第一谐振频率等于第二谐振频率。

本发明由于通过第一测距单元测量发射端和接收端的距离信息，第一控制单元根据距离信息发送控制指令来控制驱动电路，使得驱动电路的第一谐振频率调整为最优的谐振频率，从而使得传输效率最佳，通过第二测距单元测量发射端和接收端的距离信息，第二控制单元根据距离信息发送控制指令来控制负载电路，使得负载电路的第二谐振频率调整为最优的谐振频率，从而使得传输效率最佳，发射端和接收端都达到传输效率最优，根据距离不同切换不同的谐振频率，进而优化传输特性，以达到在较大的距离范围内实现更高效率的无线能量传输。

附图说明

图1是本发明实施例一的谐振频率对传输特性的影响的示意图；

图2是本发明实施例一的发射端等效电路图；

图3是本发明实施例一的接收端等效电路图；

图4是本发明实施例二的线圈的匝数对传输特性的影响的示意图；

图5是本发明实施例二的发射端等效电路图；

图6是本发明实施例二的接收端等效电路图；

图7是本发明实施例的无线充电方法的流程图；

图8是本发明实施例的无线充电方法的流程图；

图9是本发明实施例二的发射端等效电路图；

图10是本发明实施例二的接收端等效电路图。

其中：1、发射端，11、第一测距单元，12、第一控制单元，13、驱动电路，131、可变信号源，132、第一调频电容组，133、第一调节开关，134、第一电容，135、第一控制开关，14、发射线圈，2、接收端，21、第二测距单元，22、第二控制单元，23、负载电路，231、负载电阻，232、第二调频电容组，233、第二调节开关，234、第二电容，235、第二控制开关，24、接收线圈。

具体实施方式

这里所公开的具体结构和功能细节仅仅是代表性的，并且是用于描述本发明的示例性实施例的目的。但是本发明可以通过许多替换形式来具体实现，并且不应当被解释成仅仅受限于这里所阐述的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。

下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。

实施例一

本实施例公开了一种耦合谐振式水下无线充电装置，包括：发射端1和接收端2；发射端1包括第一测距单元11、第一控制单元12、驱动电路13和发射线圈14，第一测距单元11和驱动电路13与第一控制单元12耦合，发射线圈14与驱动电路13相连接，第一控制单元12根据第一测距单元11的距离信息控制驱动电路13的第一谐振频率；接收端2包括第二测距单元21、第二控制单元22、负载电路23和接收线圈24，第二测距单元21和负载电路23与第二控制单元22耦合，接收线圈24与负载电路23相连接，第二控制单元22根据第二测距单元21的距离信息控制负载电路23的第二谐振频率；第一谐振频率等于第二谐振频率。

通过第一测距单元11测量发射端1和接收端2的距离信息，第一控制单元12根据距离信息发送控制指令来控制驱动电路13，使得驱动电路13的第一谐振频率调整为最优的谐振频率，从而使得传输效率最佳，通过第二测距单元21测量发射端1和接收端2的距离信息，第二控制单元22根据距离信息发送控制指令来控制负载电路23，使得负载电路23的第二谐振频率调整为最优的谐振频率，从而使得传输效率最佳，发射端1和接收端2都达到传输效率最优，根据距离不同切换不同的谐振频率，进而优化传输特性，以达到在较大的距离范围内实现更高效率的无线能量传输。

在海水环境中，高的工作频率会导致高的涡流损耗，严重影响无线充电的能量传输特性，水下磁耦合无线充电一般采用几百khz的工作频率；同时，对于标称50ω的负载，传统空气中所采用的串联谐振的传输特性并不理想，因此采用这种磁耦合并联谐振式无线充电装置，采用低的工作频率，根据距离不同切换不同的谐振频率，进而优化传输特性，以达到在较大的距离范围内实现更高效率的无线能量传输。

发射线圈和接收线圈的自身参数均相同，对于圆形线圈，其自身参数包括线圈半径r、线圈高度h、线圈匝数n和铜线半径a；对于平面螺旋线圈，其自身参数包括线圈外径r1、线圈内径r2、线圈匝数n和铜线半径a。

对于磁耦合并联谐振式无线充电装置，无论是圆形线圈还是平面螺旋线圈，在水下进行工作时，典型的谐振频率对系统的传输特性的影响如图1所示。

如图1所示，从图中可以看出，在距离d＝0～5cm，谐振频率为200khz时传输特性最佳；d＝5～9cm，谐振频率为100khz时传输特性最佳；d>9cm时，谐振频率为50khz时传输特性最佳。

切换谐振频率不仅要求改变信号源的馈电频率，还要同时改变调谐电容的值。这里针对一个具体工作模式，给出系统的相关参数、工作原理以及具体的实现方法。

发射线圈14和接收线圈24均采用普通的圆形线圈，半径r＝7.5cm、匝数n＝5、高度h＝8.5mm、导线半径a＝0.75mm，通过三维电磁场仿真，得到发射线圈14和接收线圈24在海水环境中的等效电感为l＝8.44μh。为了使系统分别工作在50khz、100khz和200khz三种不同的谐振频率下，根据公式计算得出50khz频率的调频电容为1200nf，100khz频率的调频电容为300nf，200khz频率的调频电容为75nf。

图2和图3分别为发射端1和接收端2的等效电路图，驱动电路13包括电源和第一调频电容组132，电源与第一调频电容组132并联；第一调频电容组132包括三个并联设置的第一电容134，两个第一电容134串联有第一调节开关133s1和s2，第一控制单元12与第一调节开关133耦合，第一控制单元12通过控制第一调节开关133断开和闭合；使第一调频电容组132的工作频率等于第一谐振频率。

电源为可变信号源131；可变信号源131与第一控制单元12耦合；第一控制单元12控制可变信号源131的工作频率，使可变信号源131的工作频率与驱动电路13的谐振频率相等。

发射线圈14与第一调频电容组132并联。

负载电路23包括负载电阻231和第二调频电容组232，负载电阻231与第二调频电容组232并联。

第二调频电容组232包括三个并联设置的第二电容234，两个所述第二电容234串联第二调节开关233s3和s4，第二控制单元22控制第二调节开关233断开和闭合；接收线圈24与第二调频电容组232并联。

根据计算所得的结果，设定第一调频电容组132包括三个第一电容134的电容分别为cap11＝75nf，cap12＝300-75＝225nf，cap13＝1200-300＝900nf，第二调频电容组232包括三个第二电容234的电容分别为cap21＝75nf，cap22＝300-75＝225nf，cap23＝1200-300＝900nf。

其中驱动电路13两个端口signal和gnd并联连接到发射线圈14的两端，负载电路23两个端口signal和gnd并联连接到接收线圈24的两端。第一控制单元12和第二控制单元22均包括单片机，所述单片机的型号为at89c2051，根据测距单元反馈得到发射端1和接收端2的距离信息，第一控制单元12和第二控制单元22给出相应的控制信号，调节可变信号源131的频率和第一调节开关133和第二调节开关233的通断。具体工作的模式切换情况如下：

(1)距离d＝0～5cm，选择谐振频率为200khz，此时第一控制单元12给出控制信息，使信号源工作频率为200khz，同时第一控制单元12和第二控制单元22控制s1、s2、s3和s4均断开，此时第一电容134的电容为cap11＝75nf，第二电容234的电容为cap21＝75nf；

(2)d＝5～9cm时，第一控制单元12给出控制信息，使信号源输出频率为100khz，同时第一控制单元12控制第一调节开关133s1闭合和s2断开，第二控制单元22控制第二调节开关s3闭合和s4断开，此时发射端1的调频电容为cap11+cap12＝75+225＝300nf，接收端2的调频电容为cap21+cap22＝75+225＝300nf；

(3)d>9cm时，第一控制单元12给出控制信息，使信号源输出频率为50khz，同时第一控制单元12和第二控制单元22控制s1、s2、s3和s4均闭合，此时发射端1的调频电容为cap11+cap12+cap13＝75+225+900＝1200nf，接收端2的调频电容为cap21+cap22+cap23＝75+225+900＝1200nf。

根据本发明的另一个方面，如图7所示，本发明还公开了一种耦合谐振式水下无线充电方法，方法包括：

s101：获取发射端和接收端之间的距离信息；

s102：根据距离信息调节发射端的发频端的第一谐振频率和接收端的第二谐振频率，并使得第一谐振频率等于第二谐振频率。

采用上述方法，就可以根据距离不同切换不同的驱动电路13的第一谐振频率和负载电路23的第二谐振频率，并使得第一谐振频率等于第二谐振频率，使得发射端1和接收端2都达到最优的谐振频率，进而优化传输特性，以达到在较大的距离范围内实现更高效率的无线能量传输。

实施例二

该耦合谐振式水下无线充电装置相对于实施例一改进在于发射端1的驱动电路13和发射线圈14，以及接收端2的负载电路23和接收线圈24，根据距离不同切换不同的线圈匝数，进而优化传输特性，以达到在较大的距离范围内实现更高效率的无线能量传输。

发射端1包括第一测距单元11、第一控制单元12、驱动电路13和发射线圈14，第一测距单元11和驱动电路13与第一控制单元12耦合，发射线圈14与驱动电路13相连接，第一控制单元12根据第一测距单元11的距离信息调节发射线圈14的匝数；

接收端2包括第二测距单元21、第二控制单元22、负载电路23和接收线圈24，第二测距单元21和负载电路23与第二控制单元22耦合，接收线圈24与负载电路23相连接，第二控制单元22根据第二测距单元21的距离信息调节接收线圈24的匝数；发射线圈14的匝数等于接收线圈24的匝数。

通过第一测距单元11测量发射端1和接收端2的距离信息，第一控制单元12根据距离信息发送控制指令来控制驱动电路13，使得驱动电路13的发射线圈14的匝数调整为最佳，从而使得传输效率最佳，根据距离不同切换不同的线圈匝数；通过第二测距单元21测量发射端1和接收端2的距离信息，第二控制单元22根据距离信息发送控制指令来控制负载电路23，使得负载电路23的发射线圈14的匝数调整为最佳，从而使得传输效率最佳，根据距离不同切换不同的线圈匝数，使得发射端1和接收端2的线圈匝数都达到传输效率最优选择，进而优化传输特性，以达到在较大的距离范围内实现更高效率的无线能量传输。

对于圆形线圈，可以通过切换线圈匝数来达到优化传输特性效果，典型的线圈匝数对传输特性的影响如图4所示。

如图4所示，在距离d＝0～3cm时，线圈匝数为n＝10时传输特性最佳；d＝3～5cm时，线圈匝数为n＝7时传输特性最佳；d＝5～6cm时，线圈匝数为n＝6时传输特性最佳；d>6cm时，线圈匝数为n＝5时传输特性最佳。

切换线圈匝数要求线圈除了接gnd端，还需要具有至少2个连接signal的抽头进行切换。线圈匝数的变化会改变线圈的电感值，因此还要同时改变调谐电容的值。这里针对一个具体工作模式，给出系统的相关参数、工作原理以及具体的实现方法。

工作频率设定为100khz，发射线圈14和接收线圈24均采用圆形线圈，半径r＝7.5cm、导线半径a＝0.75mm。假定在匝数n＝5和n＝10这两种情况下切换、对应线圈高度h＝8.5mm和h＝17mm、通过三维电磁场仿真，得到线圈在海水环境中的等效电感分别为l＝8.44μh和l＝28.13μh。

图5和图6分别为发射端1和接收端2的等效电路图，驱动电路13包括电源和第一调频电容组132，电源与第一调频电容组132并联，电源为可变信号源131；可变信号源131与第一控制单元12耦合；第一控制单元12控制可变信号源131的工作频率，使第一调频电容组132的谐振频率与可变信号源131的工作频率相等，当然可变信号源也可以是固定频率的信号源。

第一调频电容组132包括两个第一电容134，第二电容234串联两个第一调节开关133s11和s21，第一控制单元12与第一调节开关133耦合，第一控制单元12控制第一调节开关133的断开和闭合，使第一调频电容组132的谐振频率与可变信号源131的工作频率相等。

发射线圈14包括接地端(gnd端)和两个连接端(signal1端和signal2端)，每个连接端对应不同的接收线圈24的匝数，signal1端对应的匝数n＝10，signal2端对应的匝数n＝5，每个连接端均设有第一控制开关135s12和s22，第一控制单元12与第一控制开关135耦合，第一控制单元12控制第一控制开关135的断开和闭合，使连接端与第一调频电容组132的接通或断开。

负载电路23包括负载电阻231和第二调频电容组232，负载电阻231与第二调频电容组232并联。

第二调频电容组232包括两个第二电容234，第二电容234串联两个第二调节开关233为s31和s41，第二控制单元22控制第二调节开关233的断开和闭合，使第二调频电容组232的谐振频率与第一调频电容组132的谐振频率相等。

接收线圈24包括接地端(gnd端)和两个连接端(signal1端和signal2端)，每个连接端对应不同的接收线圈24的匝数，signal1端对应的匝数n＝10，signal2端对应的匝数n＝5，每个连接端均设有第二控制开关235为s32和s42，第二控制单元22与第二控制开关235耦合，第二控制单元22控制第二控制开关235的断开和闭合，使连接端与第二调频电容组232的接通或断开。

根据式计算得到，调频电容分别为300nf和90nf，因此设定第一调频电容组132包括两个第一电容134的电容分别为cap31＝90nf和cap32＝300nf，第二调频电容组232包括两个第二电容234的电容分别为cap41＝90nf和cap42＝300nf。

其中发射线圈14和接收线圈24与驱动电路13和负载电路23的端口按照电路图示中的名称对应连接，第一控制单元12和第二控制单元22均包括单片机，所述单片机的型号为at89c2051，根据测距单元反馈得到发射端1和接收端2的距离信息，第一控制单元12和第二控制给出相应的控制信号，调节第一调节开关、第一控制开关135、第二调节开关和第二控制开关235的通断。具体工作的模式切换情况如下：

(1)d＝0～4cm时选择n＝10，此时等效电感l＝28.13μh，控制单元给出相应的控制信息，开关s11和s12、s31和s32闭合，s21和s22、s41和s42断开，此时线圈n＝10，发射端1的调频电容为cap31＝90nf，接收端2的调频电容为cap41＝90nf；

(2)d>4cm时选择n＝5，此时此时等效电感l＝8.44μh，控制单元给出相应的控制信息，开关s11和s12、s31和s32断开，s21和s22、s41和s42闭合，此时线圈n＝5，发射端1的调频电容为cap32＝300nf，接收端2的调频电容为cap42＝300nf。

根据本发明的另一个方面，如图8所示，本发明还公开了一种耦合谐振式水下无线充电方法，方法包括：

s201：获取发射端和接收端之间的距离信息；

s202：根据距离信息调节发射线圈的匝数和接收线圈的匝数；所述发射线圈的匝数等于所述接收线圈的匝数。

采用上述的方法就可以根据距离不同切换不同的线圈匝数，使得发射端1和接收端2的线圈匝数都达到传输效率最优选择，进而优化传输特性，以达到在较大的距离范围内实现更高效率的无线能量传输。

如图9和图10所示，对于平面螺旋线圈，接地端为平面螺旋线圈的外径接头，可以通过切换平面螺旋线圈内径的大小，即改变平面螺旋线圈的螺旋的匝数，来达到优化传输特性效果；发射线圈14包括接地端(gnd端)和两个连接端(signal1端和signal2端)，每个连接端对应不同的接收线圈24的匝数，signal1端对应的匝数n＝5，signal2端对应的匝数n＝2，其工作原理与图2所示的圆形线圈相对应；接收线圈24包括接地端(gnd端)和两个连接端(signal1端和signal2端)，每个连接端对应不同的接收线圈24的匝数，signal1端对应的匝数n＝5，signal2端对应的匝数n＝2，其工作原理与图3所示的圆形线圈相对应；通过连接端(signal端)的改变来改变切换不同的匝数，对应的平面螺旋线圈的内径的改变。

根据距离平面螺旋线圈内径的大小，实际上对应的是切换不同的平面螺旋线圈的螺旋的匝数，使得发射端1和接收端2的线圈匝数都达到传输效率最优选择，进而优化传输特性，以达到在较大的距离范围内实现更高效率的无线能量传输。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。