一种高频兆赫兹磁耦合谐振式无线电能传输系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，特别涉及一种高频兆赫兹磁耦合谐振式无线电能传输系统。

背景技术

目前无线电能传输技术已广泛应用于移动机电设备、电动汽车、水下设备、植入式医疗设备等。无线电能传输是指无需导线或其它物理接触，直接将电能转化为电磁波、光波等形式，通过空间将能量从电源传递到负载。这实现了电源与负载之间的完全电气隔离，具有安全、可靠、灵活等传统电能传输方式无可比拟的优点。

无线电能传输技术主要分为感应无线电能传输和谐振无线电能传输。但感应无线电能传输距离很短，一般在几厘米以下，传输效率随传输距离的增大迅速减小，变压器损耗大，而且感应无线电能传输系统一般只能一对一的供电，即一个发射线圈对应一个接收线圈。而谐振无线电能传输系用近场为储能场的性质，通过发射线圈与接收线圈的同频谐振，一个发射线圈可以给多个接收线圈供电，传输距离从十几厘米到几米，传输功率从几十瓦到几千瓦。由于磁耦合谐振式无线电能传输系统具有适用于中距离传输、传输效率高、供电相对安全等特点，因此目前主要广泛研究磁耦合谐振无线电能传输。

目前，对于无线电能传输系统的研究主要包括拓扑结构的连接方式、耦合方式的选择、线圈结构及绕制方式、补偿网路拓扑模型等。当前，对无线电能传输技术有了相关的理论研究，但依然存在传输距离、成本价格等问题。对于磁耦合谐振式无线电能传输来说，其传输频率可以是几百KHz到几十MHz不等，因此无线电能传输系统的高频信号源的设计非常重要，在高频的工作情况下，可以对系统的传输特性有重要影响。

中国专利《基于13.56MHz磁耦合谐振式无线电能传输装置》(申请号：CN201710621432.8，授权公开号：CN107196423A，授权公开日：2017.09.22)公开了一种基于13.56MHz磁耦合谐振式无线电能传输装置，可以有效解决物联网中各种传感器供电效率低的问题，结构简单体积小，提高了无线电能传输的效率。但是其所用的发射线圈和接收线圈采用的线圈材料是铜，高频时磁导率较低，涡流损耗较大且铜的电阻率也不高。

中国专利《一种用于无线电能传输系统的高频发射源》(申请号：CN201610662115.6，授权公开号：CN106059364A，授权公开日：2016.10.26)公开了一种用于无线电能传输系统的高频发射源，可以解决磁耦合谐振无线电能传输系统的发射源问题，对于系统的功率、效率的测量和优化提供保障。但是其所用的发射源频率只是十到几百kHz,适用的传输距离较小，且传输效率并不高。

因此如何能创造一种高频传输距离远，功率大，传输效率高的无线电能传输装置是目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高频兆赫兹磁耦合谐振式无线电能传输系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高频兆赫兹磁耦合谐振式无线电能传输系统，包括发射端、接收端和负载，其中发射端一端与交流电压源相接，发射端另一端与接收端连接，接收端与负载相接；

交流电压源发出的电能通过发射端转化为直流电后在正弦信号驱动下经过逆变、谐振产生磁场能；

磁场能经过与耦合谐振作用以交流电的形式被传递到接收端，通过整流滤波输出高频的直流电传递给负载。

进一步地，发射端包括AC-DC整流器、斩波电路、驱动电路、逆变器、发射线圈和第一谐振电路，交流电压源与AC-DC整流器的一端连接，AC-DC整流器的另一端接在斩波电路上，斩波电路与驱动电路、逆变器、第一谐振电路和发射线圈依次连接。

进一步地，驱动电路中设有单片机、DDS信号发生器、反相器、推挽功率放大电路以及变压器，单片机与DDS信号发生器连接，DDS信号发生器与推挽功率放大电路相接，推挽功率放大电路与变压器相接。

进一步地，推挽功率放大电路由两个单独对称功率放大电路和发射线圈串联而成，其中，DDS信号发生器分两路，一路与功率放大电路相接，另一路串联反相器与另一个功率放大电路相接。

进一步地，每组功率放大电路都是NPN型三极管和PNP型三极管的基极连接在一起，接DDS信号发生器的输出信号。

进一步地，逆变器由第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂组成，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂串联连接在一支路上，第三桥臂和第四桥臂串联连接在另一条支路上，第一桥臂和第二桥臂之间线路与发射线圈的上端电连接，第三桥臂和第四桥臂之间线路与发射线圈的下端电连接。

进一步地，接收端包括第二谐振电路、接收线圈和整流滤波电路，第二谐振电路的接收线圈与发射线圈耦合，第二谐振电路通过整流滤波电路与负载连接，发射线圈与接收线圈之间的耦合谐振作用以交流电的形式被传递到整流滤波电路，整流滤波电路将高频直流电传递至负载。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出的一种高频兆赫兹磁耦合谐振式无线电能传输系统，通过单片机控制DDS信号发生器，DDS信号发生器内部加上调频控制，就可以实现频率可调，接上精密时钟源可产生模拟正弦波，此正弦波可作为高频信号源，提高了无线电能传输系统的工作频率，进一步提高了系统线圈间的传输效率，让其高频传输距离远，功率大，传输效率高，采用的电路简单，能够在近场范围内实现中远距离的无线电能传输。

附图说明

图1为本发明的无线电能传输系统主体结构示意图；

图2为本发明的无线电能传输系统驱动电路结构示意图。

图中：1、交流电压源；2、AC-DC整流器；3、斩波电路；4、第一桥臂；5、第二桥臂；6、第三桥臂；7、第四桥臂；8、第一谐振电路；9、发射线圈；10、第二谐振电路；11、接收线圈；12、整流滤波电路；13、负载；14、单片机；15、DDS信号发生器；16、反相器；17、推挽功率放大电路；18、变压器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，一种高频兆赫兹磁耦合谐振式无线电能传输系统，包括发射端、接收端和负载13，其中发射端一端与交流电压源1相接，发射端另一端与接收端连接，接收端与负载13相接；

交流电压源1发出的电能通过发射端转化为直流电后在正弦信号驱动下经过逆变、谐振产生磁场能；

磁场能经过与耦合谐振作用以交流电的形式被传递到接收端，通过整流滤波输出高频的直流电传递给负载13。

发射端包括AC-DC整流器2、斩波电路3、驱动电路、逆变器、发射线圈9和第一谐振电路8，交流电压源1与AC-DC整流器2的一端连接，AC-DC整流器2的另一端接在斩波电路3上，斩波电路3与驱动电路、逆变器、第一谐振电路8和发射线圈9依次连接。

交流电通过AC-DC整流器2被转变为直流，接着通过直流的斩波电路3，此时的直流电再通过逆变器转化为高频交流电，此时第一谐振电路8将高频交流电转化为磁场能。

逆变器由第一桥臂4、第二桥臂5、第三桥臂6和第四桥臂7组成，第一桥臂4、第二桥臂5、第三桥臂6和第四桥臂7串联连接在一支路上，第三桥臂6和第四桥臂7串联连接在另一条支路上，第一桥臂4和第二桥臂5之间线路与发射线圈9的上端电连接，第三桥臂6和第四桥臂7之间线路与发射线圈9的下端电连接，逆变器可以看成由两个半桥电路组合而成，把第一桥臂4和第四桥臂7作为一对，第二桥臂5和第三桥臂6作为另一对，两队交替各导通180°，通过控制四个桥臂导通实现不同频率交流电源输出。

接收端包括第二谐振电路10、接收线圈11和整流滤波电路12，第二谐振电路10的接收线圈11与发射线圈9耦合，第二谐振电路10通过整流滤波电路12与负载13连接，发射线圈9与接收线圈11之间的耦合谐振作用以交流电的形式被传递到整流滤波电路12，第一谐振电路8由电容C1及发射线圈9组成，第二谐振电路10由电容C2及接收线圈11组成，整流滤波电路12将高频直流电传递至负载13，整流滤波电路12将交流电转化为直流电，然后再传递给负载13。

请参阅图2，驱动电路中设有单片机14、DDS信号发生器15、反相器16、推挽功率放大电路17以及变压器18，单片机14采用STM32型号。单片机14与DDS信号发生器15连接，DDS信号发生器15与推挽功率放大电路17相接，推挽功率放大电路17与变压器18相接。

DDS信号发生器15采用AD9850芯片，为了发挥芯片的高速性能，单片机14与AD9850接口采取并行方式，这样AD9850芯片输出信号频率高达62.5MHz，输出信号稳定且信噪比高。通过运用单片机14实现对DDS的控制，具有编程简便、接口简单、成本低,使得系统小型化等优点。

反相器16可以将输入信号的相位反转180度。

从交流电压源1发出的电能通过AC-DC整流器2被转化为直流电，接着通过斩波电路3，通过驱动电路中单片机14控制DDS信号发生器15进行频率合成能够产生5-60MHz的幅值可调的正弦信号，再连接推挽功率放大电路17，流过同名端一样的变压器18，把直流电传输到逆变器，逆变器传出高频交流电到第一谐振电路8，产生磁场能，此时的磁场能经过与第二谐振电路10之间的耦合谐振作用以交流电的形式被传递到整流滤波电路12，通过整流滤波电路12输出高频的直流电传递给负载13以完成无线电能传输。

推挽功率放大电路17由两个单独对称功率放大电路和发射线圈9串联而成，其中，DDS信号发生器15分两路，一路与功率放大电路相接，另一路串联反相器16与另一个功率放大电路相接。

每组功率放大电路都是NPN型三极管和PNP型三极管的基极连接在一起，接DDS信号发生器15的输出信号。

从DDS信号发生器15发出的高电平高频信号经过电阻流向上端推挽功率放大电路17的NPN型三极管的发射极，再流过变压器18的线圈正极到负极，从推挽功率放大电路17的PNP三极管的发射极流过集电极到接地端。从DDS信号发生器15发出的低电平高频信号经过反相器16流到电阻，再流向下端推挽功率放大电路17的NPN三极管的发射极，经过变压器18的线圈负极到正极，从上端推挽功率放大电路17的PNP三极管的发射极流过集电极到接地端。

综上所述；本发明的高频兆赫兹磁耦合谐振式无线电能传输系统，通过单片机14控制DDS信号发生器15，DDS信号发生器15内部加上调频控制，就可以实现频率可调，接上精密时钟源可产生模拟正弦波，此正弦波可作为高频信号源，提高了无线电能传输系统的工作频率，进一步提高了系统线圈间的传输效率，让其高频传输距离远，功率大，传输效率高，采用的电路简单，能够在近场范围内实现中远距离的无线电能传输。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。