无线能量传输系统的谐振频率控制方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线能量传输技术领域，特别涉及一种无线能量传输系统的谐振频率 控制方法和用于无线能量传输的装置。
【背景技术】
[0002] 各种用电设备通常使用有线连接来实现能量的传输。由于能量的无线传输具有使 用安全和方便的特点，实现能量的无线传输一直是人们渴望实现的梦想。在一些特殊的应 用场所，如水下作业、医用植入设备、无线网络等不方便或不能使用导线提供能量的场合， 实现无线能量传输具有较高的应用价值。
[0003] 根据能量传输原理，目前，在国内外所研究的无线能量传输技术主要有电磁波能 量传输技术、感应禪合式无线能量传输技术和谐振式无线能量传输技术。
[0004] 电磁波能量传输技术是利用天线发送和接收的原理，比如使用微波进行无线能量 传输，送种技术能够实现极高的传输功率，该技术存在的主要问题是在能量传输路径上不 能有障碍物遮挡，即能量传输无法绕过或穿过障碍物。
[0005] 感应禪合式无线能量传输技术是利用电磁感应原理，采用松禪合变压器或可分离 式变压器实现非接触式功率传输。该种技术存在的主要问题是能量传输距离受到传输原理 的局限而被限制在毫米等级。
[0006] 谐振式无线电能传输技术是一种使相隔一定距离的发射回路和接收回路都处于 谐振状态的能量传输技术，它适合在中等距离实现无线能量的传输。由于发射回路和接收 回路在实际的工作环境中容易受到各种干扰，使整个系统难W工作于谐振状态，而系统的 失谐将使系统的传输效率急剧下降。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于，在无线能量传输系统中，能够自动调整或控制系统的谐振频 率并使整个系统工作于谐振状态。
[0008] 为了实现本发明的目的，本发明的第一方面是要提供一种无线能量传输系统的谐 振频率控制方法，所述无线能量传输系统利用电磁场的禪合从位于发射端的发射回路向位 于接收端的接收回路传输能量，其特征在于，所述谐振频率控制方法包括，检测被接入发射 回路的激励电源的输出电压和输出电流；使激励电源的工作频率和发射回路的固有频率分 别在第一频率区域和第二频率区域扫描变化，其中，第一频率区域和第二频率区域都包括 接收回路的固有频率所处的第H频率区域，激励电源的工作频率和发射回路的固有频率分 别扫描第一频率区域和第二频率区域至少一遍；记录在扫描过程中激励电源的输出电压与 输出电流处于同相时所检测到的激励电源的各个输出电流的大小和频率；选择出所记录的 各个输出电流中的最小输出电流的频率；再使激励电源的工作频率和发射回路的固有频率 都与该最小输出电流的频率相同。
[0009] 在实际的应用系统中，发射回路和接收回路的电路参数都要受到环境的影响而变 化，使发射回路和接收回路的固有频率都要发生变化，事实上，发射回路的固有频率和接收 回路的固有频率都可能在各自的某一频率区域内变化，例如，接收回路的固有频率可能在 所述的第H频率区域内变化，因此在实际的工作环境中，发射回路和接收回路的失谐是很 容易发生的。
[0010] 本发明的谐振频率控制方法，仅仅在系统的发射端采取控制措施，使激励电源的 工作频率和发射回路的固有频率都扫描变化并动态跟踪接收回路的固有频率，从而使整个 系统处于谐振工作状态。
[0011] 而现有的技术通常需要在发射端和接收端都采取控制措施，才能使使整个系统处 于谐振工作状态；而在诸如医用植入设备等应用中，在系统的接收端采取控制措施是十分 困难的，甚至是不可能的；因此，本发明的谐振频率控制方法仅仅在系统的发射端采取控制 措施就能实现系统的谐振工作，送在技术上是一项重大突破并具有很高的应用价值。
[0012] 由于激励电源的输出电流的频率与激励电源的工作频率相同，所W激励电源的输 出电流的频率也就是激励电源的工作频率。
[0013] 扫描第一频率区域一遍是指从第一频率区域的一端开始扫描至第一频率区域的 另一端结束送样扫描一遍；同样，扫描第二频率区域一遍是指从第二频率区域的一端开始 扫描至第二频率区域的另一端结束送样扫描一遍。
[0014] 在所述谐振频率控制方法中，第一频率区域可W大于第二频率区域，第一频率区 域可W等于第二频率区域，第一频率区域也可W小于第二频率区域。
[0015] 在一个优选的实施方式中，第一频率区域包含第二频率区域。在另一个优选的实 施实施方式中，第二频率区域包含第一频率区域。
[0016] 在所述谐振频率控制方法中，所述发射回路的固有频率在第二频率区域W-定的 步进量扫描变化，并且所述发射回路的固有频率每扫描变化一个步进量，所述激励电源的 工作频率就扫描第一频率区域一遍。
[0017] 送里所述的每扫描变化一个步进量是指每增加或减少一个步进量。如果步进量为 100赫兹，一个步进量就代表100赫兹，固有频率每扫描变化一个步进量是指固有频率每增 加或减少100赫兹。
[0018] 在所述谐振频率控制方法中，所述激励电源的工作频率在第一频率区域W-定的 步进量扫描变化，并且所述激励电源的工作频率每扫描变化一个步进量，所述发射回路的 固有频率就扫描第二频率区域一遍。
[0019] 在所述谐振频率控制方法中，可W通过控制发射回路的谐振元件的参数来使发射 回路的固有频率扫描变化。优选地，通过控制发射回路的谐振电容的大小来使发射回路的 固有频率扫描变化。
[0020] 在所述谐振频率控制方法中，接收回路的固有频率所处的第H频率区域通常预先 设定，并通过实验来验证所设定的准确性，通常要求第H频率区域尽量小，但要求接收回路 的固有频率只能在第H频率区域内变化。
[0021] 本发明的第二方面是要提供一种用于无线能量传输的装置，所述装置利用电磁场 的禪合从位于发射端的发射回路向位于接收端的接收回路传送能量，其特征在于，所述装 置包括，电容矩阵，作为发射回路的谐振元件；检测电路，用于检测被接入发射回路的激励 电源的输出电压和输出电流；继电器系统，用于控制电容矩阵W使发射回路的固有频率能 扫描变化；振荡器，用于控制激励电源的工作频率；单片机控制单元，所述单片机控制单元 被设置成，能控制振荡器的振荡频率使激励电源的工作频率扫描变化，能控制继电器系统 使发射回路的固有频率扫描变化，能记录在激励电源的输出电压与输出电流同相时检测电 路所检测到的激励电源的各个输出电流的大小和频率，能选择出所记录的各个输出电流中 的最小输出电流的频率，还能控制振荡器和继电器系统使激励电源的工作频率和发射回路 的固有频率都与该最小输出电流的频率相同；其中，激励电源的工作频率和发射回路的固 有频率分别在第一频率区域和第二频率区域扫描变化，第一频率区域和第二频率区域都包 括接收回路的固有频率所处的第H频率区域。
[0022] 本发明的装置，仅仅在系统的发射端设置控制装置，就能使激励电源的工作频率 和发射回路的固有频率都扫描变化并动态跟踪接收回路的固有频率，就能实现整个系统的 谐振工作。而现有的技术通常需要在系统的发射端和系统的接收端都设置控制装置，才能 使整个系统谐振工作。因此，本发明的装置在技术上具有显著的进步。
[0023] 在所述的装置中，第一频率区域可W大于第二频率区域，第一频率区域可W等于 第二频率区域，第一频率区域也可W小于第二频率区域。
[0024] 在一个优选的实施例中，第一频率区域包含第二频率区域。在另一个优选的实施 例中，第二频率区域包含第一频率区域。
[00巧]优选地，所述发射回路的固有频率在第二频率区域W-定的步进量扫描变化，并 且所述发射回路的固有频率每扫描变化一个步进量，所述激励电源的工作频率就扫描第一 频率区域一遍。
[0026] 优选地，所述激励电源的工作频率在第一频率区域W-定的步进量扫描变化，并 且所述激励电源的工作频率每扫描变化一个步进量，所述发射回路的固有频率就扫描第二 频率区域一遍。
[0027] 在所述无线能量传输装置中，可W通过改变电容矩阵的参数来使发射回路的固有 频率扫描变化。
【附图说明】
[0028] 图1是本发明的用于无线能量传输的装置的结构示意图。
[0029] 图2是图1所示的用于无线能量传输的装置中激励电源的工作频率、发射回路的 固有频率和接收回路的固有频率之间的关系示意图。
[0030] 图3是无线能量传输系统的谐振频率控制方法的控制流程示意图。
[0031] 图4是无线能量传输系统的谐振频率控制方法的另一个实施例的控制流程。
【具体实施方式】
[0032] 图1是本发明的用于无线能量传输的装置的结构示意图， 它由发射端与接收端所组成。在图1中，发射端包括由激励电源 、发射线圈:?、发射电容G和电容矩阵Tf所构成的发射回路和主要由单片机控制单 元、继电器系统和检测电路所构成的控制电路。其中，激励电源A包括直流电源U、由场 效应管?!和?L所构成的半桥式电路、驱动电路和振荡器。接收端包括由接收线圈I、接收 电容驾和负