频率自优化动态调谐的磁耦合谐振无线输电装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及磁谐振耦合无线输电装置技术领域，具体涉及可根据功率和效率要求 可自调整频率动态调谐的无线输电装置。
【背景技术】
[0002] 2006年，麻省理工学院（MIT)的研究人员利用磁谐振耦合无线输电装置成功的以 40%的效率点亮了一个2m左右处60W的灯泡，该实验打破了当时为实现中长距离高效率无 线输送电能所面临的困境，引发了人们研究并优化磁谐振耦合无线输电装置的热潮。
[0003]磁谐振耦合无线输电装置是一种利用磁谐振耦合技术实现电能从电源无线传输 至负载的装置。磁谐振耦合无线输电装置包括高频功率电源，发射线圈，接收线圈，调谐电 容，整流调压模块和负载。整流调压模块用于变换接收的电能输送至负载，也可实现与负载 端的阻抗匹配改善电能传输的效率和输送至负载的最大传输功率。
[0004] 由于无线传输能量主要依靠发射线圈与相应调谐电容的谐振，接收线圈与相应调 谐电容的谐振形成的耦合磁场，因此保持发射模块和接收模块的谐振频率一致对于保持传 输电能效率及输送功率至关重要。然而高频功率源的频率变化，由温度，时间和周围磁场变 化引起的发射接收线圈，调谐电容参数变化以及负载阻抗角的变化等都会造成发射模块和 接收模块的失谐。同时发射线圈和接收线圈耦合磁场变化（主要由线圈相对位置变化引 起）以及负载的变化（轻载或重载等）也将影响系统的传输功率和效率，引起输出不稳定。
[0005] 现有技术集中于解决高频功率电源与发射模块之间的频率跟踪控制问题或发射 模块频率固定情况下接收模块的失谐问题，主要考虑发射线圈和接收线圈之间传输功率及 效率或发射线圈至负载之间效率，没有从总体上（电源至负载）考虑系统的传输功率和效 率是否达到要求。对磁谐振耦合无线输电装置的优化亟需解决以下问题：当负载变化和发 射线圈与接收线圈位置变化时保持传输功率和效率满足要求以及对高频功率电源效率的 影响；当高频功率电源的频率发生变化时发射模块和接收模块中的电感和电容以及各寄生 参数值都将发生变化，对系统调谐产生不利影响；理论分析中接收系统的负载往往视为纯 电阻负载，而实际的负载往往是阻感性或阻容性负载，负载特性变化往往使得接收系统更 容易失谐，失谐问题也常常更难解决。
【发明内容】
[0006] 鉴于现有技术的以上不足之处，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，应对负载和发射线圈与接收线圈位置变化可实现满足系统效率和传输功 率要求的谐振频率自调节，且接收模块在负载（可将整流调压模块及其所接负载都视为接 收端的负载部分）和元件参数变化的情况下都能跟随最优谐振频率。具体技术方案如下。
[0007] 频率自优化动态调谐的磁耦合谐振无线输电装置，其包含：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、数字控制器、整流调压模块 和负载；高频功率电源的开关器件驱动信号输入端与数字控制器的输出端相连；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。
[0008] 进一步的，所述发射模块包含阻抗变换网络、第一调谐电容和发射线圈，其中第一 调谐电容和发射线圈串联，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和发射线圈的串联电路两端相连；所述接收模块包含第二调谐电容 和接收线圈，其中第二调谐电容和接收线圈并联；第一数字控制器的输出接高频功率电源 的开关器件驱动信号输入端、阻抗变换网络的可变无源器件控制端、第一调谐电容控制端， 控制高频功率电源的开关频率、阻抗变换网络的阻抗值和第一调谐电容的容值；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。
[0009] 进一步的，所述的第一数字控制器和第二数字控制器均包括DSP模块（DSP控制电 路），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。
[0010] 进一步的，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R，进而得 出阻抗变换网络中可变无源元件的值以实现高频功率电源的开关最优工作状态；
[0011]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以及优化的谐振频率信号计算得到第二调谐开关 电容的值。
[0012] 进一步的，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。
[0013] 进一步的，所述阻抗变换网络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。
[0014] 进一步的，所述的频率优化算法从磁耦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的电流、发射线圈两端有功功率和第一调谐电容 电压和接收端检测模块检测的整流调压模块输入端的电压、电流计算出高频功率电源开关 频率、阻抗变换网络阻抗值、第一调谐电容值和第二调谐电容值，实时调整上述值重复计算 直至效率和功率达到要求，发射线圈与第一调谐电容达到谐振以及接收线圈与第二调谐电 容达到谐振。
[0015] 本发明能根据系统效率和传输功率的要求自动地跟随最优谐振频率，不仅实现了 高频功率电源与发射模块的频率跟随，也实现了不同负载下的接收模块的频率跟随，具有 智能性和可靠性。
[0016] 与现有技术相比本发明具有如下优点：
[0017] 1、频率自优化动态调谐的磁耦合谐振无线输电装置可根据负载变化（轻载和重 载等）和发射线圈与接收线圈位置变化（距离、角度和错位等）调节高频功率电源、发射模 块谐振和接收模块谐振共有的频率，以满足既定的功率和效率要求。
[0018] 2、频率自优化动态调谐的磁耦合谐振无线输电装置中数字控制阻抗变换网络中 可变无源元件的值可实现高频功率电源中开关器件的最优工作状态，提高了电源输出性 能。
[0019] 3、频率自优化动态调谐的磁耦合谐振无线输电装置中数字可控的调谐电容可解 决发射模块和接收模块的失谐问题，同时不同于以往仅限于纯电阻负载的分析，针对于阻 感性或阻容性负载同样适用。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明实施例的一种频率自优化动态调谐的