耦合諧振式水下無線充電裝置及方法與流程

本發明涉及無線充電領域，更具體的說，涉及一種耦合諧振式水下無線充電裝置及方法。

背景技術：

在海水環境中，高的工作頻率會導致高的渦流損耗，嚴重影響無線充電的能量傳輸特性。因此水下磁耦合無線充電一般采用幾百khz的工作頻率；同時，對于標稱50ω的負載，傳統空氣中所采用的串聯諧振的傳輸特性并不理想。

而對于磁耦合并聯諧振水下無線充電系統，可以證明傳輸效率和傳輸距離這兩大核心指標之間是相互制約，無法同時優化的。單一參數的變化，對無線充電的臨界耦合距離和臨界耦合效率的影響是相反的。

鑒于此，業內亟需一種能夠解決此問題的方案。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種能量傳輸效率更高的耦合諧振式水下無線充電裝置及方法。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

一種耦合諧振式水下無線充電裝置，其特征在于，包括：

發射端和接收端；

所述發射端包括第一測距單元、第一控制單元、驅動電路和發射線圈，所述第一測距單元和所述驅動電路與所述第一控制單元耦合，所述發射線圈與所述驅動電路相連接，所述第一控制單元根據所述第一測距單元的距離信息控制所述驅動電路的第一諧振頻率；

所述接收端包括第二測距單元、第二控制單元、負載電路和接收線圈，所述第二測距單元和所述負載電路與所述第二控制單元耦合，所述接收線圈與所述負載電路相連接，所述第二控制單元根據所述第二測距單元的距離信息控制所述負載電路的第二諧振頻率；所述第一諧振頻率等于第二諧振頻率。

進一步的，所述驅動電路包括電源和第一調頻電容組，所述電源與所述第一調頻電容組并聯。

進一步的，所述第一調頻電容組包括至少兩個并聯設置的第一電容，至少有一個與所述第一電容串聯的第一調節開關，所述第一控制單元與第一調節開關耦合，所述第一控制單元通過控制所述第一調節開關斷開和閉合；使第一調頻電容組的工作頻率等于所述第一諧振頻率。

進一步的，所述電源為可變信號源；所述可變信號源與第一控制單元耦合；所述第一控制單元控制可變信號源的工作頻率，使可變信號源的工作頻率與所述驅動電路的諧振頻率相等。

進一步的，所述發射線圈與所述第一調頻電容組并聯。

進一步的，所述負載電路包括負載電阻和第二調頻電容組，所述負載電阻與所述第二調頻電容組并聯。

進一步的，所述第二調頻電容組包括至少兩個并聯設置的第二電容，至少有一個與所述第二電容串聯的第二調節開關，所述第二控制單元控制所述第二調節開關斷開和閉合。

進一步的，所述接收線圈與所述第二調頻電容組并聯。

進一步的，所述發射線圈和所述接收線圈的自身參數均相同，所述發射線圈和所述接收線圈為圓形線圈或平面螺旋線圈。

根據本發明的另一個方面，本發明還公開了一種耦合諧振式水下無線充電方法，所述方法包括：

獲取發射端和接收端之間的距離信息；

根據距離信息調節發射端的發頻端的第一諧振頻率和接收端的第二諧振頻率，并使得第一諧振頻率等于第二諧振頻率。

本發明由于通過第一測距單元測量發射端和接收端的距離信息，第一控制單元根據距離信息發送控制指令來控制驅動電路，使得驅動電路的第一諧振頻率調整為最優的諧振頻率，從而使得傳輸效率最佳，通過第二測距單元測量發射端和接收端的距離信息，第二控制單元根據距離信息發送控制指令來控制負載電路，使得負載電路的第二諧振頻率調整為最優的諧振頻率，從而使得傳輸效率最佳，發射端和接收端都達到傳輸效率最優，根據距離不同切換不同的諧振頻率，進而優化傳輸特性，以達到在較大的距離范圍內實現更高效率的無線能量傳輸。

附圖說明

圖1是本發明實施例一的諧振頻率對傳輸特性的影響的示意圖；

圖2是本發明實施例一的發射端等效電路圖；

圖3是本發明實施例一的接收端等效電路圖；

圖4是本發明實施例二的線圈的匝數對傳輸特性的影響的示意圖；

圖5是本發明實施例二的發射端等效電路圖；

圖6是本發明實施例二的接收端等效電路圖；

圖7是本發明實施例的無線充電方法的流程圖；

圖8是本發明實施例的無線充電方法的流程圖；

圖9是本發明實施例二的發射端等效電路圖；

圖10是本發明實施例二的接收端等效電路圖。

其中：1、發射端，11、第一測距單元，12、第一控制單元，13、驅動電路，131、可變信號源，132、第一調頻電容組，133、第一調節開關，134、第一電容，135、第一控制開關，14、發射線圈，2、接收端，21、第二測距單元，22、第二控制單元，23、負載電路，231、負載電阻，232、第二調頻電容組，233、第二調節開關，234、第二電容，235、第二控制開關，24、接收線圈。

具體實施方式

這里所公開的具體結構和功能細節僅僅是代表性的，并且是用于描述本發明的示例性實施例的目的。但是本發明可以通過許多替換形式來具體實現，并且不應當被解釋成僅僅受限于這里所闡述的實施例。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“橫向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。另外，術語“包括”及其任何變形，意圖在于覆蓋不排他的包含。

在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

這里所使用的術語僅僅是為了描述具體實施例而不意圖限制示例性實施例。除非上下文明確地另有所指，否則這里所使用的單數形式“一個”、“一項”還意圖包括復數。還應當理解的是，這里所使用的術語“包括”和/或“包含”規定所陳述的特征、整數、步驟、操作、單元和/或組件的存在，而不排除存在或添加一個或更多其他特征、整數、步驟、操作、單元、組件和/或其組合。

下面結合附圖和較佳的實施例對本發明作進一步說明。

實施例一

本實施例公開了一種耦合諧振式水下無線充電裝置，包括：發射端1和接收端2；發射端1包括第一測距單元11、第一控制單元12、驅動電路13和發射線圈14，第一測距單元11和驅動電路13與第一控制單元12耦合，發射線圈14與驅動電路13相連接，第一控制單元12根據第一測距單元11的距離信息控制驅動電路13的第一諧振頻率；接收端2包括第二測距單元21、第二控制單元22、負載電路23和接收線圈24，第二測距單元21和負載電路23與第二控制單元22耦合，接收線圈24與負載電路23相連接，第二控制單元22根據第二測距單元21的距離信息控制負載電路23的第二諧振頻率；第一諧振頻率等于第二諧振頻率。

通過第一測距單元11測量發射端1和接收端2的距離信息，第一控制單元12根據距離信息發送控制指令來控制驅動電路13，使得驅動電路13的第一諧振頻率調整為最優的諧振頻率，從而使得傳輸效率最佳，通過第二測距單元21測量發射端1和接收端2的距離信息，第二控制單元22根據距離信息發送控制指令來控制負載電路23，使得負載電路23的第二諧振頻率調整為最優的諧振頻率，從而使得傳輸效率最佳，發射端1和接收端2都達到傳輸效率最優，根據距離不同切換不同的諧振頻率，進而優化傳輸特性，以達到在較大的距離范圍內實現更高效率的無線能量傳輸。

在海水環境中，高的工作頻率會導致高的渦流損耗，嚴重影響無線充電的能量傳輸特性，水下磁耦合無線充電一般采用幾百khz的工作頻率；同時，對于標稱50ω的負載，傳統空氣中所采用的串聯諧振的傳輸特性并不理想，因此采用這種磁耦合并聯諧振式無線充電裝置，采用低的工作頻率，根據距離不同切換不同的諧振頻率，進而優化傳輸特性，以達到在較大的距離范圍內實現更高效率的無線能量傳輸。

發射線圈和接收線圈的自身參數均相同，對于圓形線圈，其自身參數包括線圈半徑r、線圈高度h、線圈匝數n和銅線半徑a；對于平面螺旋線圈，其自身參數包括線圈外徑r1、線圈內徑r2、線圈匝數n和銅線半徑a。

對于磁耦合并聯諧振式無線充電裝置，無論是圓形線圈還是平面螺旋線圈，在水下進行工作時，典型的諧振頻率對系統的傳輸特性的影響如圖1所示。

如圖1所示，從圖中可以看出，在距離d＝0～5cm，諧振頻率為200khz時傳輸特性最佳；d＝5～9cm，諧振頻率為100khz時傳輸特性最佳；d>9cm時，諧振頻率為50khz時傳輸特性最佳。

切換諧振頻率不僅要求改變信號源的饋電頻率，還要同時改變調諧電容的值。這里針對一個具體工作模式，給出系統的相關參數、工作原理以及具體的實現方法。

發射線圈14和接收線圈24均采用普通的圓形線圈，半徑r＝7.5cm、匝數n＝5、高度h＝8.5mm、導線半徑a＝0.75mm，通過三維電磁場仿真，得到發射線圈14和接收線圈24在海水環境中的等效電感為l＝8.44μh。為了使系統分別工作在50khz、100khz和200khz三種不同的諧振頻率下，根據公式計算得出50khz頻率的調頻電容為1200nf，100khz頻率的調頻電容為300nf，200khz頻率的調頻電容為75nf。

圖2和圖3分別為發射端1和接收端2的等效電路圖，驅動電路13包括電源和第一調頻電容組132，電源與第一調頻電容組132并聯；第一調頻電容組132包括三個并聯設置的第一電容134，兩個第一電容134串聯有第一調節開關133s1和s2，第一控制單元12與第一調節開關133耦合，第一控制單元12通過控制第一調節開關133斷開和閉合；使第一調頻電容組132的工作頻率等于第一諧振頻率。

電源為可變信號源131；可變信號源131與第一控制單元12耦合；第一控制單元12控制可變信號源131的工作頻率，使可變信號源131的工作頻率與驅動電路13的諧振頻率相等。

發射線圈14與第一調頻電容組132并聯。

負載電路23包括負載電阻231和第二調頻電容組232，負載電阻231與第二調頻電容組232并聯。

第二調頻電容組232包括三個并聯設置的第二電容234，兩個所述第二電容234串聯第二調節開關233s3和s4，第二控制單元22控制第二調節開關233斷開和閉合；接收線圈24與第二調頻電容組232并聯。

根據計算所得的結果，設定第一調頻電容組132包括三個第一電容134的電容分別為cap11＝75nf，cap12＝300-75＝225nf，cap13＝1200-300＝900nf，第二調頻電容組232包括三個第二電容234的電容分別為cap21＝75nf，cap22＝300-75＝225nf，cap23＝1200-300＝900nf。

其中驅動電路13兩個端口signal和gnd并聯連接到發射線圈14的兩端，負載電路23兩個端口signal和gnd并聯連接到接收線圈24的兩端。第一控制單元12和第二控制單元22均包括單片機，所述單片機的型號為at89c2051，根據測距單元反饋得到發射端1和接收端2的距離信息，第一控制單元12和第二控制單元22給出相應的控制信號，調節可變信號源131的頻率和第一調節開關133和第二調節開關233的通斷。具體工作的模式切換情況如下：

(1)距離d＝0～5cm，選擇諧振頻率為200khz，此時第一控制單元12給出控制信息，使信號源工作頻率為200khz，同時第一控制單元12和第二控制單元22控制s1、s2、s3和s4均斷開，此時第一電容134的電容為cap11＝75nf，第二電容234的電容為cap21＝75nf；

(2)d＝5～9cm時，第一控制單元12給出控制信息，使信號源輸出頻率為100khz，同時第一控制單元12控制第一調節開關133s1閉合和s2斷開，第二控制單元22控制第二調節開關s3閉合和s4斷開，此時發射端1的調頻電容為cap11+cap12＝75+225＝300nf，接收端2的調頻電容為cap21+cap22＝75+225＝300nf；

(3)d>9cm時，第一控制單元12給出控制信息，使信號源輸出頻率為50khz，同時第一控制單元12和第二控制單元22控制s1、s2、s3和s4均閉合，此時發射端1的調頻電容為cap11+cap12+cap13＝75+225+900＝1200nf，接收端2的調頻電容為cap21+cap22+cap23＝75+225+900＝1200nf。

根據本發明的另一個方面，如圖7所示，本發明還公開了一種耦合諧振式水下無線充電方法，方法包括：

s101：獲取發射端和接收端之間的距離信息；

s102：根據距離信息調節發射端的發頻端的第一諧振頻率和接收端的第二諧振頻率，并使得第一諧振頻率等于第二諧振頻率。

采用上述方法，就可以根據距離不同切換不同的驅動電路13的第一諧振頻率和負載電路23的第二諧振頻率，并使得第一諧振頻率等于第二諧振頻率，使得發射端1和接收端2都達到最優的諧振頻率，進而優化傳輸特性，以達到在較大的距離范圍內實現更高效率的無線能量傳輸。

實施例二

該耦合諧振式水下無線充電裝置相對于實施例一改進在于發射端1的驅動電路13和發射線圈14，以及接收端2的負載電路23和接收線圈24，根據距離不同切換不同的線圈匝數，進而優化傳輸特性，以達到在較大的距離范圍內實現更高效率的無線能量傳輸。

發射端1包括第一測距單元11、第一控制單元12、驅動電路13和發射線圈14，第一測距單元11和驅動電路13與第一控制單元12耦合，發射線圈14與驅動電路13相連接，第一控制單元12根據第一測距單元11的距離信息調節發射線圈14的匝數；

接收端2包括第二測距單元21、第二控制單元22、負載電路23和接收線圈24，第二測距單元21和負載電路23與第二控制單元22耦合，接收線圈24與負載電路23相連接，第二控制單元22根據第二測距單元21的距離信息調節接收線圈24的匝數；發射線圈14的匝數等于接收線圈24的匝數。

通過第一測距單元11測量發射端1和接收端2的距離信息，第一控制單元12根據距離信息發送控制指令來控制驅動電路13，使得驅動電路13的發射線圈14的匝數調整為最佳，從而使得傳輸效率最佳，根據距離不同切換不同的線圈匝數；通過第二測距單元21測量發射端1和接收端2的距離信息，第二控制單元22根據距離信息發送控制指令來控制負載電路23，使得負載電路23的發射線圈14的匝數調整為最佳，從而使得傳輸效率最佳，根據距離不同切換不同的線圈匝數，使得發射端1和接收端2的線圈匝數都達到傳輸效率最優選擇，進而優化傳輸特性，以達到在較大的距離范圍內實現更高效率的無線能量傳輸。

對于圓形線圈，可以通過切換線圈匝數來達到優化傳輸特性效果，典型的線圈匝數對傳輸特性的影響如圖4所示。

如圖4所示，在距離d＝0～3cm時，線圈匝數為n＝10時傳輸特性最佳；d＝3～5cm時，線圈匝數為n＝7時傳輸特性最佳；d＝5～6cm時，線圈匝數為n＝6時傳輸特性最佳；d>6cm時，線圈匝數為n＝5時傳輸特性最佳。

切換線圈匝數要求線圈除了接gnd端，還需要具有至少2個連接signal的抽頭進行切換。線圈匝數的變化會改變線圈的電感值，因此還要同時改變調諧電容的值。這里針對一個具體工作模式，給出系統的相關參數、工作原理以及具體的實現方法。

工作頻率設定為100khz，發射線圈14和接收線圈24均采用圓形線圈，半徑r＝7.5cm、導線半徑a＝0.75mm。假定在匝數n＝5和n＝10這兩種情況下切換、對應線圈高度h＝8.5mm和h＝17mm、通過三維電磁場仿真，得到線圈在海水環境中的等效電感分別為l＝8.44μh和l＝28.13μh。

圖5和圖6分別為發射端1和接收端2的等效電路圖，驅動電路13包括電源和第一調頻電容組132，電源與第一調頻電容組132并聯，電源為可變信號源131；可變信號源131與第一控制單元12耦合；第一控制單元12控制可變信號源131的工作頻率，使第一調頻電容組132的諧振頻率與可變信號源131的工作頻率相等，當然可變信號源也可以是固定頻率的信號源。

第一調頻電容組132包括兩個第一電容134，第二電容234串聯兩個第一調節開關133s11和s21，第一控制單元12與第一調節開關133耦合，第一控制單元12控制第一調節開關133的斷開和閉合，使第一調頻電容組132的諧振頻率與可變信號源131的工作頻率相等。

發射線圈14包括接地端(gnd端)和兩個連接端(signal1端和signal2端)，每個連接端對應不同的接收線圈24的匝數，signal1端對應的匝數n＝10，signal2端對應的匝數n＝5，每個連接端均設有第一控制開關135s12和s22，第一控制單元12與第一控制開關135耦合，第一控制單元12控制第一控制開關135的斷開和閉合，使連接端與第一調頻電容組132的接通或斷開。

負載電路23包括負載電阻231和第二調頻電容組232，負載電阻231與第二調頻電容組232并聯。

第二調頻電容組232包括兩個第二電容234，第二電容234串聯兩個第二調節開關233為s31和s41，第二控制單元22控制第二調節開關233的斷開和閉合，使第二調頻電容組232的諧振頻率與第一調頻電容組132的諧振頻率相等。

接收線圈24包括接地端(gnd端)和兩個連接端(signal1端和signal2端)，每個連接端對應不同的接收線圈24的匝數，signal1端對應的匝數n＝10，signal2端對應的匝數n＝5，每個連接端均設有第二控制開關235為s32和s42，第二控制單元22與第二控制開關235耦合，第二控制單元22控制第二控制開關235的斷開和閉合，使連接端與第二調頻電容組232的接通或斷開。

根據式計算得到，調頻電容分別為300nf和90nf，因此設定第一調頻電容組132包括兩個第一電容134的電容分別為cap31＝90nf和cap32＝300nf，第二調頻電容組232包括兩個第二電容234的電容分別為cap41＝90nf和cap42＝300nf。

其中發射線圈14和接收線圈24與驅動電路13和負載電路23的端口按照電路圖示中的名稱對應連接，第一控制單元12和第二控制單元22均包括單片機，所述單片機的型號為at89c2051，根據測距單元反饋得到發射端1和接收端2的距離信息，第一控制單元12和第二控制給出相應的控制信號，調節第一調節開關、第一控制開關135、第二調節開關和第二控制開關235的通斷。具體工作的模式切換情況如下：

(1)d＝0～4cm時選擇n＝10，此時等效電感l＝28.13μh，控制單元給出相應的控制信息，開關s11和s12、s31和s32閉合，s21和s22、s41和s42斷開，此時線圈n＝10，發射端1的調頻電容為cap31＝90nf，接收端2的調頻電容為cap41＝90nf；

(2)d>4cm時選擇n＝5，此時此時等效電感l＝8.44μh，控制單元給出相應的控制信息，開關s11和s12、s31和s32斷開，s21和s22、s41和s42閉合，此時線圈n＝5，發射端1的調頻電容為cap32＝300nf，接收端2的調頻電容為cap42＝300nf。

根據本發明的另一個方面，如圖8所示，本發明還公開了一種耦合諧振式水下無線充電方法，方法包括：

s201：獲取發射端和接收端之間的距離信息；

s202：根據距離信息調節發射線圈的匝數和接收線圈的匝數；所述發射線圈的匝數等于所述接收線圈的匝數。

采用上述的方法就可以根據距離不同切換不同的線圈匝數，使得發射端1和接收端2的線圈匝數都達到傳輸效率最優選擇，進而優化傳輸特性，以達到在較大的距離范圍內實現更高效率的無線能量傳輸。

如圖9和圖10所示，對于平面螺旋線圈，接地端為平面螺旋線圈的外徑接頭，可以通過切換平面螺旋線圈內徑的大小，即改變平面螺旋線圈的螺旋的匝數，來達到優化傳輸特性效果；發射線圈14包括接地端(gnd端)和兩個連接端(signal1端和signal2端)，每個連接端對應不同的接收線圈24的匝數，signal1端對應的匝數n＝5，signal2端對應的匝數n＝2，其工作原理與圖2所示的圓形線圈相對應；接收線圈24包括接地端(gnd端)和兩個連接端(signal1端和signal2端)，每個連接端對應不同的接收線圈24的匝數，signal1端對應的匝數n＝5，signal2端對應的匝數n＝2，其工作原理與圖3所示的圓形線圈相對應；通過連接端(signal端)的改變來改變切換不同的匝數，對應的平面螺旋線圈的內徑的改變。

根據距離平面螺旋線圈內徑的大小，實際上對應的是切換不同的平面螺旋線圈的螺旋的匝數，使得發射端1和接收端2的線圈匝數都達到傳輸效率最優選擇，進而優化傳輸特性，以達到在較大的距離范圍內實現更高效率的無線能量傳輸。

以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的保護范圍。