磁耦合谐振无线输电装置结 构示意图。
[0021] 图2为本发明实施例的一种频率自优化系统的频率优化算法流程示意图。
[0022] 图3为图1简化的主电路等效图。
[0023] 图4为失谐后阻感性负载变化下的功率变化曲线图。
[0024] 图5为失谐后阻感性负载变化下的效率变化曲线图。
[0025] 图6为失谐后阻容性负载变化下的功率变化曲线图。
[0026] 图7为失谐后阻容性负载变化下的效率变化曲线图。
[0027] 图8为接收线圈第二调谐电容调整简化图。 具体实施方案
[0028] 以下结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的具体实施做出详细说明， 但所描述的实施例仅为本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。需指出的是，以下若有 未特别详细说明书的过程或符号，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或按惯常表达 理解的。
[0029] 如图1所示，为本发明的频率自优化动态调谐的磁耦合谐振无线输电装置结构示 意图，以下结合本图说明本发明的工作原理。
[0030] 图1中，第一数字控制器4针对负载变化、发射线圈与接收线圈位置变化即耦合系 数的变化根据效率和传输功率的要求按照设定的优化算法得出最优频率，根据最优谐振频 率第一数字控制器4和第二数字控制器6分别调节第一调谐电容CdP第二调谐电容C2的 值达到新的谐振状态，此时调节阻抗网络可变无源元件的值使得高频频率电源开关器件工 作在最佳开关状态，然后检验功率和效率是否达到既定要求，如果没有则重复上述过程。根 据图1设定的系统优化算法程序示意图如图2所示。
[0031] 图3为根据图1主电路简化的等效图，其中高频功率电源等效为高频交流源VAC， 第一电感U和第一电容Ci实现发射模块中的谐振，1^等效为发射线圈和电源的电阻，第二 电感L2和第二电容C2实现接收模块的谐振，整流调压系统和负载共同等效于图2中的阻 抗负载ZJ将接收线圈R2纳入到负载中）。假设第一回路1和第二回路2在负载为纯电阻 性负载时已达到谐振状态，谐振频率&等于高频交流源乂 4。的频率f(谐振角频率《 ^满足
【主权项】
1. 频率自优化动态调谐的磁禪合谐振无线输电装置，其特征在于包含： 高频功率电源（1)、发射模块、接收模块、发射端检测模块（3)、接收端检测模块（5)、第 一数字控制器（4)、第二数字控制器（6)、整流调压模块（7)和负载（8);高频功率电源的开 关器件驱动信号输入端与第一数字控制器（4)的输出端相连；高频功率电源的输出与发射 模块相连，发射端检测模块的输入端与发射模块相连，发射端检测模块的输出端与第一数 字控制器的输入端相连，第一数字控制器的输出还与发射模块相连；接收模块的输出端与 整流调压模块相连，接收端检测模块的输入端与接收模块相连，接收端检测模块的输出端 与第二数字控制器相连；第二数字控制器的输出端与接收模块相连；整流调压模块的输出 接负载。
2. 根据权利要求1所述的频率自优化动态调谐的磁禪合谐振无线输电装置，其特征在 于所述发射模块包含阻抗变换网络（2)、第一调谐电容（Cl)和发射线圈（Ls)，其中第一调谐 电容（Cl)和发射线圈（Ls)串联，阻抗变换网络的输入连接高频功率电源的输出，阻抗变换 网络的输出与第一调谐电容（Cl)和发射线圈（Ls)的串联电路两端相连；所述接收模块包含 第二调谐电容（C,)和接收线圈（Ld)，其中第二调谐电容（C,)和接收线圈（Ld)并联；第一数 字控制器（4)的输出接高频功率电源的开关器件驱动信号输入端、阻抗变换网络（2)的可 变无源器件控制端、第一调谐电容（Cl)控制端，控制高频功率电源（1)的开关频率、阻抗变 换网络（2)的阻抗值和第一调谐电容（Cl)的容值；第二数字控制器的输出端与第二调谐电 容控制端相连，控制第二调谐电容的值。
3. 根据权利要求1所述的频率自优化动态调谐的磁禪合谐振无线输电装置，其特征在 于所述的第一数字控制器和第二数字控制器均包括DSP模块，具体工作过程是；当发射端 检测模块的检测信号和接收端检测模块的检测信号输送至相应的DSP模块中，第一数字控 制器通过频率优化算法计算得出的频率改变高频功率电源的频率，相应的阻抗变化网络的 可变无源元件值和第一调谐电容值；第一数字控制器中内置的无线通信模块将优化的谐振 频率信号传送至第二数字控制器，第二数字控制器根据优化的谐振频率改变第二调谐电容 的值重新达到新的谐振状态；重复上述工作过程直至发射端检测模块和接收端检测模块检 测的传输功率和效率满足要求，计算停止，此时的谐振频率为最终系统优化谐振频率。
4. 根据权利要求3所述的频率自优化动态调谐的磁禪合谐振无线输电装置，其特征在 于当第一数字控制器中的DSP模块接收到发射端检测模块的电压和电流信号，计算两者相 位差，调节第一调谐电容的值直至相位差减小至零；同时根据发射端检测模块电压和电流 的信号，数字控制器计算发射线圈和第一调谐电容的等效电阻值，进而得出阻抗变换网络 中可变无源元件的值W实现高频功率电源的开关最优工作状态； 当负载阻抗角变化或接收模块中接收线圈电感和寄生电容参数变化或第二数字控制 器接收到数字控制器发送的优化的谐振频率信号，第二数字控制器中DSP模块根据接收到 的接收端检测模块电压和电流信号W及优化的谐振频率信号计算得到第二调谐开关电容 的值。
5. 根据权利要求3所述的频率自优化动态调谐的磁禪合谐振无线输电装置，其特征在 于发射端检测模块包括电压电流霍尔传感器及其调理电路，第一调谐电容与发射线圈组成 部分的电压、电流和有功功率检测电路；所述接收端检测模块包括电压电流霍尔传感器及 其调理电路，整流调压模块输入端有功功率检测电路。
6. 根据权利要求1所述的一种频率自优化动态调谐的磁禪合谐振无线输电装置，其特 征在于所述阻抗变换网络（2)由可变的电容和电感组成，阻抗值的改变由第一数字控制器 (4)控制，通过改变其自身阻抗值实现高频功率电源开关器件的最佳开关工作状态。
7. 根据权利要求3所述的一种频率自优化动态调谐的磁禪合谐振无线输电装置，其特 征在于所述的频率优化算法从磁禪合谐振无线输电装置的整体功率和效率的角度根据发 射端检测模块检测的发射线圈（Ls)的电流（Ii)、发射线圈（Ls)两端有功功率P和第一调谐 电容电压（Uci )和接收端检测模块检测的整流调压模块（7 )输入端的电压化）、电流（12)计 算出高频功率电源（1)开关频率、阻抗变换网络（2)阻抗值、第一调谐电容（C1)值和第二调 谐电容（C2)值，实时调整上述值重复计算直至效率和功率达到要求，发射线圈（Ls)与第一 调谐电容（Cl)达到谐振W及接收线圈（Ld)与第二调谐电容（C2)达到谐振。
【专利摘要】本发明提供一种频率自优化动态调谐的磁耦合谐振无线输电装置。该装置包括高频功率电源、发射模块、接收模块、发射端检测模块、接收端检测模块、数字控制器、整流调压模块和负载。本发明的主要特点在于能够根据发射线圈和接收线圈耦合磁场变化、主电路参数变化以及负载变化实时跟随优化的频率，从而提高系统总体上（电源至负载）的功率和效率，既可应用于固定频率条件下失谐问题的解决方案，也可应用于频率可变稳定功率和效率的场合，具有广泛的应用前景。
【IPC分类】H02J17-00
【公开号】CN104578453
【申请号】CN201510017622
【发明人】肖文勋, 周佳丽, 张波, 郭上华, 刘红伟
【申请人】华南理工大学, 珠海许继电气有限公司
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月13日