[发明专利]一种无线电能传输设备发射端自适应调谐装置及调谐方法

说明书

一种无线电能传输设备发射端自适应调谐装置及调谐方法，该装置由交流电源、整流滤波电路、高频逆变电路、电压检测装置、LC可调网络、补偿电容C_P、发射线圈L_P、发射端阻抗R_P、电流检测装置之间依次电连接。控制器接收电流和电流检测装置的输出，并计算控制高频逆变电路和LC可调网络。其中LC可调网络的组成是由M1、M2两个全控型器件串联二极管D1，D2后反并联，与固定电感L_T串联，在与功率普通电容C_T并联，构成一个相控电感电容并联电路，S1、S2为LC控制电路控制M1、M2的开关的方波。该调谐装置及其调谐方法能增强能量传输系统稳定性，解决了现有无线能量传输系统易失谐和发射装置不能给多种接收端传输能量的缺点。

技术领域

本发明属于无线电能传输技术和新型能量转换技术领域，具体涉及一种磁耦合谐振式无线电能传输设备自适应调谐装置及调谐方法。

背景技术

无线能量传输，即用电设备能以非接触方式从电网获取电能的传输方式。目前的无线能量传输方式主要是基于电磁辐射的传输方式、基于电磁感应原理的传输方式、基于磁耦合谐振式的传输方式。基于磁耦合谐振方式是通过两个具有相同谐振频率的谐振体以磁场为媒介来实现能量传输，传输的距离在米级别，系统对外界的影响很小，接收端和发送端无严格方向性，传输功率可以达到千瓦级别。

基于电磁辐射和电磁感应的无线能量传输方式在传输功率、传输效率、传输距离等方面不可兼得的缺点，而基于磁耦合谐振式无线能量传输方式具有传输距离远、安全、可靠、高效等诸多优点而备受关注，被认为最具有潜力的无线能量传输实施性方案。但目前研究的磁耦合谐振式无线能量传输系统都是要求发射端和接收端的谐振频率相同，发射线圈和接收线圈参数相同，这也就意味着每个接收端都需要与之相匹配的发射端。但作为一种电源系统，无线电能传输系统的接收端负载往往具有很大的随机性，这就不能保证最大传输功率和系统的稳定工作。这一弊端影响了无线电能传输系统的通用性。因为在我们生活和生产中，并不希望每个用电设备都必须使用相应的能量发射设备，更多的是希望一个发射设备就能为不同的用电设备提供能量，比如：在消费电子产品中，希望一个能量发射设备能为手机、笔记本电脑、平板电脑等不同设备充电。

由于不同接收端的谐振频率可能不一样，而磁耦合谐振式无线能量传输系统要想实现高效能量传输，就要求发射端和接收端的谐振频率相同，因此磁耦合谐振式无线电能传输装置的核心问题就是接收线圈和发射线圈之间的能量传输。理想情况下磁耦合谐振式无线电能传输装置的发射端与接收端LC电路的固有谐振频率和电源激励频率应处于同一频率，这样才能建立有效电能传输通路，接收端电路才能从发射端产生的交变磁场中获得最大电能。由于磁耦合谐振式无线能量传输系统很容易受外界的影响或负载改变使得发射端电路或者接收电路的L、C参数发生改变，从而改变线圈的固有谐振频率，产生失谐现象，降低无线电能传输功率，使传输效率急剧降低。

在单个发射端能给不同的接收端传输能量的条件下，为了维持电能的稳定传输，增强无线电能传输装置的通用性，就必须在不同的接收端负载下调整发射端的L或C的值，使其和接收端的谐振频率匹配，甚至要调整电源的激励频率，使系统在新的频率点谐振，这样才能维持高效电能传输。传统的做法是通过手动调节线圈的匝数或者使用离散电容阵列。由于手动调节会存在一定误差，不能保证系统工作在谐振状态，传输效率低，系统不具有实用性；离散阵列电容调节连续性差，调节精度差且成本高，不利于推行，如何实现发射装置根据接收端的谐振频率不同自动调整自身的谐振频率，并具有响应速度快、精度高、稳定性好的性能，是一个亟需解决的问题。因此，有必要提供一种改进的无线能量发射装置来解决上述的问题。

发明内容

本发明的第一目的是提供了一种无线电能传输设备发射端自适应调谐装置，该调谐装置能使发射端保持在最大电流有效值下运行，即发射端电路更接近完全谐振状态，发射端电压和电流相位差为零，降低了发射端的系统损耗，以提高接收端的有功功率，进而提高无线电能传输设备的传输功率和效率。