具备高Q和宽频带特性的无线电能传输装置、频带扩展方法

本发明属于无线充电，具体涉及一种具备高q和宽频带特性的无线电能传输装置、频带扩展方法。

背景技术：

1、随着信息化技术的发展，产品信息加载技术在军事、民用等领域应用越来越广泛，比如货物管理、设备管理等。该技术通过加注设备可实现将产品信息存储在产品的信息存储终端内，这些产品信息可以被设备采集作为产品一部分，在产品加电工作时被调用。随着工业科技的发展，新的产品信息加载需求也随之出现，具体表现为：产品结构由金属结构包裹，并且金属结构没有外置电连接器为信息存储终端提供工作电源，需要通过有线方式完成产品信息加载和回读。幸运的是，无线充电技术的出现有效地解决了无连接器条件下，加注设备向信息存储终端供电的难题。

2、然而，目前主流的无线充电技术主要是基于磁谐振原理实现电能从原边传输至副边。其中，当原边和副边的耦合器谐振频率相同时，振系统传输功率最大。因此，谐振系统对原边和副边的谐振频率稳定性要求较高。为了达到高效率的目的，谐振系统往往要求高q特性，以提升谐振系统的效率，然而这也会严重减小谐振系统的带宽。目前，为了使无线电能传输系统工作频率稳定，原边和副边的驱动电路大多以谐振补偿或频点跟踪的方式实现。但是，在产品信息存储终端中耦合器的电感及谐振电容在出厂时存在公差，一般公差约为±10％。同时，随着环境温度、湿度以及存放时间的变化，耦合器电感及谐振电容也可会发生变化。并且，数据装订过程中耦合器不对准也会导致谐振系统电感的变化。以上因素会导致数量繁多的信息存储终端，需要谐振频率处于谐振系统设计的最优点，从而大大削弱加注设备的输电能力，并且由于谐振系统的带宽较窄，严重时信息存储终端的谐振频率偏移出谐振系统的带宽范围，导致装订电路缺电而无法正常工作。目前，已知的解决以上难题的技术主要包括：无源补偿拓扑网络、附加dc-dc变换器、可控逆变器和整流器。

3、然而，上述现有方法需要在接收端设计复杂的电容器矩阵及控制反馈电路，这不仅增加了电路的复杂度和成本，而且需要存储罐体提供较大的安装空间，这些情况对于一些贵重工业原料存储罐体而言是难以实现的。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种具备高q和宽频带特性的无线电能传输装置、频带扩展方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、第一方面，本发明实施例提供了一种具备高q和宽频带特性的无线电能传输装置，应用于无线充电系统的发射端；对应所述装置包括调制器、直流电源、可控开关、过零检测电路，以及由可控单向导通开关、单向导通电路、谐振电容和耦合线圈构成的谐振系统；其中，

3、所述调制器，用于在初始阶段产生闭合所述可控开关的第一路控制信号；

4、所述可控开关，连接所述调制器和所述直流电源，用于在所述可控开关为闭合状态时，实现所述直流电源为所述谐振电容充电；

5、所述调制器，还用于产生随机扩频间隙，并根据所述随机扩频间隙产生闭合所述可控单向导通开关的第二路控制信号，同时产生断开所述可控开关的第一路控制信号，以使所述直流电源停止为所述谐振电容充电；

6、所述可控单向导通开关，连接所述调制器，用于在所述可控单向导通开关为闭合状态时，由所述谐振电容产生交流振荡电流，所述耦合线圈根据所述交流振荡电流产生交变磁场，以通过空间辐射将所述交变磁场辐射到无线充电系统的接收端，实现无线电能传输；

7、所述单向导通电路，连接所述耦合线圈，用于将所述交变磁场转化为电场，以使谐振系统中谐振电流逐渐减小直至减小为0，此时谐振系统振荡了一个完整周期；

8、所述过零检测电路，用于实时检测谐振系统在完整周期内是否存在过零时间点，当检测到存在过零时间点的完整周期数目达到预设周期阈值时，输出调制使能信号；

9、所述调制器，连接所述过零检测电路，还用于根据所述调制使能信号产生断开所述可控单向导通开关的第二路控制信号，同时产生闭合所述可控开关的第一路控制信号。

10、在本发明的一个实施例中，所述调制器产生的随机扩频间隙采用均值分布的随机值。

11、在本发明的一个实施例中，谐振系统采用均值分布的随机值进行调制输出的谐振电流波形，公式表示为：

12、

13、其中，fadj(t)表示t时刻调制输出的谐振电流波形，g(t)表示t时刻的门函数，t表示谐振系统的周期长度，n表示谐振系统的周期数目，a表示谐振电流波形的幅度，ω0表示谐振系统的初始谐振频率，τi表示第i个周期谐振电流波形与第i-1个周期谐振电流波形之间的延迟时间且τi为服从均值分布的随机值。

14、在本发明的一个实施例中，所述调制器采用微处理器实现。

15、在本发明的一个实施例中，所述可控单向导通开关采用可控硅实现。

16、在本发明的一个实施例中，所述可控开关采用继电器实现。

17、在本发明的一个实施例中，所述过零检测电路采用霍尔电流传感器实现。

18、在本发明的一个实施例中，所述单向导通电路采用功率二极管实现。

19、在本发明的一个实施例中，所述过零检测电路中预设周期阈值为3*t，其中，t表示谐振系统一个完整周期的周期长度。

20、第二方面，本发明实施例提供了一种频带扩展方法，应用于第一方面任意一所述的具备高q和宽频带特性的无线电能传输装置，对应方法包括：

21、调制器在初始阶段产生闭合可控开关的第一路控制信号，以使所述可控开关闭合，直流电源开始为谐振电容充电；

22、所述调制器产生随机扩频间隙，并根据所述随机扩频间隙产生闭合所述可控单向导通开关的第二路控制信号，同时产生断开所述可控开关的第一路控制信号，以使所述直流电源停止为所述谐振电容充电；

23、所述可控单向导通开关闭合，所述谐振电容产生交流振荡电流，耦合线圈根据所述交流振荡电流产生交变磁场，以通过空间辐射将所述交变磁场辐射到无线充电系统的接收端，实现无线电能传输，同时单向导通电路将所述交变磁场转化为电场，以使谐振系统中谐振电流逐渐减小直至减小为0，此时谐振系统振荡了一个完整周期；

24、过零检测电路实时检测谐振系统在完整周期内是否存在过零时间点，当检测到存在过零时间点的完整周期数目达到预设周期阈值时，输出调制使能信号，所述调制器根据所述调制使能信号产生断开所述可控单向导通开关的第二路控制信号，同时产生闭合所述可控开关的第一路控制信号，以使所述可控开关再次闭合，所述直流电源再次开始为所述谐振电容充电。

25、本发明的有益效果：

26、本发明提出的具备高q和宽频带特性的无线电能传输装置，创新地设计了由可控单向导通开关、单向导通电路、谐振电容和耦合线圈构成的谐振系统，虽然本质上仍是基于谐振方法实现的无线电能传输，但是通过引入随机扩频间隙的控制策略来控制谐振系统的开启时机，解耦了谐振系统的带宽与q之间的关联性，突破了谐振系统的带宽与q值之间的相互限制，且通过引入随机扩频间隙使得谐振系统的带宽拓展可根据应用需求进行调节，从而可以将原有的窄带谐振信号转化为频率随机变化的宽带信号，随机扩频间隔的长度可进行调节，使得设计具有很强的灵活性，提升了发射端对不同接收端的兼容性，即适用于单一发射端向不同厂家、不同型号接收端进行无线供电的应用场景，比如电动汽车无线充电桩等；本发明谐振系统无需设计多个谐振源，其能够在单谐振源条件下工作在高q状态，该高q状态下谐振系统中电容与电感抗性相消，使得耦合线圈加载大功率交变电流具有可行性，从而谐振系统具备大功率无线电能传输的能力，实现了使用简单的电路设计就可以完成大功率宽带电能的无线传输；本发明实现频带扩展时，不需要额外的电路设计，也不需要在接收端设计因为频带扩展对应的特殊电路，电路设计简单，提升了谐振系统的可靠性和可行性。

27、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。