磁耦合双模无线电能传输装置及其调控方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线电能传输技术领域，尤其涉及一种磁耦合双模无线电能传输装置及其调控方法。
【背景技术】
[0002]随着无线电能传输技术的发展，无线电能传输装置得到广泛应用。
[0003]为无尾家电、电动汽车、无线充电移动设备提供电能的无线供电装置多采用磁耦合感应式无线电能传输技术进行电能传输，虽在一定程度上取代有线电能传输，实现无线供电，但因其传输距离短，传输功率损耗大，传输效率低，且电能接收装置必须与电能发射装置对齐等缺点，难以得到大规模应用。
[0004]自2006年，麻省理工学院的Marin Sol jacic教授利用磁親合谐振式无线电能传输技术，成功在2.1m外点亮60W的灯泡，实现了电能中距离无线传输，突破了制约无线电能传输技术发展的瓶颈。
[0005]理论分析与实验证明，基于磁耦合谐振式无线电能传输技术的无线电能传输装置，其电能传输效率并非随发射端线圈与接收端线圈距离减小而增大。
[0006](I)无线电能传输距离等于谐振临界传输距离时，磁耦合谐振式无线电能传输装置拥有最高传输效率。
[0007](2)无线电能传输距离小于谐振临界传输距离时，磁耦合谐振式无线电能传输装置传输效率随传输距离减小而减小。
[0008](3)无线电能传输距离大于谐振临界传输距离时，磁耦合谐振式无线电能传输装置传输效率随传输距离减小而增大。
[0009]针对目前磁耦合感应式和磁耦合谐振式两种无线电能传输技术的上述缺陷，本发明提出磁耦合双模无线电能传输技术。
[0010](I)无线电能传输距离大于双模临界传输距离时，将磁耦合双模无线电能传输装置调至磁耦合谐振式无线电能传输模式。
[0011](2)无线电能传输距离小于双模临界传输距离时，将磁耦合双模无线电能传输装置调至磁耦合感应式无线电能传输模式。
[0012]基于磁耦合双模无线电能传输技术，结合物联网技术、控制与检测技术，提出磁耦合双模无线电能传输装置及其调控方法，其装置具有传输效率高、传输功率大、可通讯、智能化、低能耗、防水、防尘、防触电、无电弧、免清理、安全性高、便于维护等优点，其调控方法解决了目前无线电能传输装置传输效率低，谐振频率偏移，电能浪费等问题。
【发明内容】
[0013]本发明就是针对上述问题，提供一种可提高电能无线传输效率、电能损耗小的磁耦合双模无线电能传输装置及其调控方法。
[0014]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明磁耦合双模无线电能传输装置包括发射端和接收端，其结构要点发射端包括初级感应线圈、初级谐振线圈、初级谐振电容、初级开关、高频逆变电路、IGBT驱动电路、开关电源、外部电源接口、发射端控制单元、初级感应线圈电压采样模块、ADC转换电路A、W1-Fi模块A，开关电源的电能输入端口与外部电源接口相连，开关电源的电能输出端口与高频逆变电路的电能输入端口相连，开关电源的控制信号输入端口与发射端控制单元的控制信号输出端口相连；高频逆变电路的电能输出端口与初级感应线圈相连，高频逆变电路的驱动信号输入端口与IGBT驱动电路的输出端口相连，IGBT驱动电路的输入端口与发射端控制单元的驱动控制信号输出端口相连，初级感应线圈电压采样模块通过ADC转换电路A与发射端控制单元的信号输入端口相连；W1-Fi模块A的信号传输端口与发射端控制单元的信号传输端口相连；初级谐振线圈、初级谐振电容、初级开关串联组成回路。
[0015]所述接收端包括次级感应线圈、次级谐振线圈、次级谐振电容、次级开关、整流滤波电路、稳压电路、升降压电路、电源输出接口、接收端控制单元、ADC转换电路B、ADC转换电路C、次级感应线圈电压电流采样模块、输出电压电流采样模块、电子开关、W1-Fi模块B，次级感应线圈与电子开关输入端相连，电子开关输出端与整流滤波电路的输入端相连，整流滤波电路的输出端分别与稳压电路的输入端、升降压电路的输入端相连，升降压电路的输出端与电源输出接口相连；接收端控制单元的次级感应线圈电压电流采样信号输入端口通过ADC转换电路B与次级感应线圈电压电流采样模块的输出端口相连，接收端控制单元的电子开关控制信号输出端口与电子开关的开关控制信号输入端口相连，接收端控制单元的电源端与稳压电路的输出端相连，接收端控制单元的输出电压电流采样信号输入端口依次通过ADC转换电路C、输出电压电流采样模块与升降压电路的电压电流采样信号输出端口相连，接收端控制单元的信号传输端口与W1-Fi模块B的信号传输端口相连；次级谐振线圈、次级谐振电容、次级开关串联组成回路。
[0016]作为一种优选方案，本发明所述发射端还包括电力载波通讯模块，电力载波通讯模块的信号传输端口与发射端控制单元信号传输端口相连。
[0017]作为另一种优选方案，本发明所述初级谐振线圈和次级谐振线圈的固有谐振频率均为 10kHz ?200kHz。
[0018]另外，本发明所述发射端控制单元和接收端控制单元均采用DSPIC微控制器；所述稳压电路采用+5V稳压电路；所述发射端设置在密封、绝缘的机壳A内，接收端设置在密封、绝缘的机壳B内。
[0019]本发明磁耦合双模无线电能传输调控方法包括以下步骤。
[0020]I)在磁耦合谐振式无线电能传输模式，初级开关S1、次级开关S2闭合，处于低功耗休眠状态，发射端控制单元、初级感应线圈电压采样模块、ADC转换电路A、W1-Fi模块A、IGBT驱动电路、高频逆变电路不连续工作，发射端控制单元发出试探脉冲经IGBT驱动电路、高频逆变电路，作用于初感应线圈，初级感应线圈与初级谐振线圈互感，初级谐振线圈感生电流；通过初级感应线圈电压采样模块，采样初级感应线圈电压幅值，通过ADC转换电路A，反馈给发射端控制单元捕捉次级谐振线圈谐振频率并做出是否有次级谐振线圈靠近的判断。
[0021]2)发射端控制单元根据捕捉到的谐振频率值，使用频率查表模糊控制法，寻找对应无线电能传输距离，判断出初级谐振线圈与次级谐振线圈之间的耦合状态，若处于过耦合状态，则切换到磁耦合感应式无线电能传输模式，即断开S1、S2，若处于临界耦合或欠耦合状态则维持磁耦合谐振式无线电能传输模式不变。
[0022]3)初级感应线圈的电能间接親合到次级感应线圈后，接收端控制单元通过W1-Fi模块B将已成功接收电能信息发送至W1-Fi模块A，发射端控制单元根据此信息判断靠近物体确实为可匹配的负载侧，将发射端控制单元、初级感应线圈电压采样模块、ADC转换电路
A,W1-Fi模块A置于工作状态，发射端控制单元输出PWM信号频率为fm ;若一定时间内发射端控制单元没接收到接收端控制单元发送的信息则判断接近物体为不可匹配物体或其他干扰，将发射端控制单元、初级感应线圈电压采样模块、ADC转换电路A、W1-Fi模块A置于低功耗休眠状态。
[0023]4)接收端控制单元开始工作时，当用电设备连接到电源输出接口，接收端控制单元通过W1-Fi模块B连接客户端，客户端设置所接用电设备的额定功率、额定电压、额定电流参数，或在出厂时即设定该磁耦合双模无线电能传输装置接收端专用用电设备的额定功率、额定电压、额定电流参数；接收端控制单元根据额定功率额定电压判断，升降压电路应该输出的电压值，调整接收端控制单元输出PWM占空比及频率，控制升降压电路的输出电压，使升降压电路输出符合用电器工作的电压值。
[0024]5)输出电压电流采样模块实时采样升降压电路的输出电压及电流，通过ADC转换电路C，反馈给接收端控制单元，调节PWM输出，以校正输出电压、输出电流满足额定值。
[0025]6)次级感应线圈电流电压采样模块，采样次级感应线圈电压电流值，经ADC转换电路B，反馈给接收端控制单元，接收端控制单元将次级感应线圈输出电压值与升降压电路输出电压值通过W1-Fi模块B发送到发射端控制单元。
[0026]若次级感应线圈电压高于升降压电路输出电压值超过0.5V，则发射端控制单元减少PWM 1%占空比，对高频逆变电路的输出进行校正减小初级感应线圈、次级感应线圈两侧电压值。
[0027]若次级感应线圈输出电压值低于升降压电路输出电压值，则发射端控制单元增加PWM 1%占空比，对高频逆变电路的输出进行校正增大初级感应线圈、次级感应线圈输出电压值，减少升降压电路调整范围。
[0028]若发射端控制单元未调整输出PWM占空比及频率时，次级感应线圈输出电压值自动下降，或调整PWM频率后次级感应线圈输出电压值发生严重下降时，则视为谐振频率偏移，接收端移动，在10kHz?300kHz重新捕捉次级谐振线圈谐振频率。
[0029]作为一种优选方案，本发明所述步骤I)发射端控制单元通过每Is发出一持续
0.1s的试探脉冲经IGBT驱动电路、高频逆变电路，作用于初感应线圈；所述步骤3)—定时间为10ms。
[0030]作为另一种优选方案，本发明所述步骤I)的判断方式为:发射端控制单元连续3s检测采样初级感应线圈电压幅值变化超过3V时，发射端控制单元将发射端控制系统置于预工作状态，发射端控制单元、IGBT驱动电路、高频逆变电路连续工作1ms ;令发射端控制单元在Ims内连续输出从10kHz开始每0.1ms增加1kHz的PWM信号，发射端控制单元通过采样此Ims内初级感应线圈电压幅值，选出电压值最大时对应频率fl ;发射端控制单元在Ims内连续输出从f I开始每0.1ms增加IkHz的PWM信号，下Ims内连续输出从f I开始每0.1ms减少IkHz的PWM信号，发射端控制单元通过采样此2ms内初级感应线圈电压幅值，选出电压值最大时对应频率f2 ;发射端控制单元