[发明专利]基于自适应控制的超声波无线电能传输系统

说明书

本发明公开一种基于自适应控制的超声波无线电能传输系统，包括能量传输部分和自适应控制部分，超声电源将直流电转换成高频交流电以驱动发射换能器，发射换能器将交流电转换成超声波发送到介质中，通过介质传输到接收换能器；接收换能器将接收到的超声波转换成高频交流电，通过接收电路后供电给负载；能量管理模块实现接收电路的控制，并将负载的状态传递给信号反馈通路；信号反馈通路再传送到动态阻抗匹配中，动态阻抗匹配实现超声电源的闭环控制，并根据接收到的负载状态信号调整超声电源的工作状态。此种系统可实现金属密闭场合的无线充电，实现系统的闭环控制，提高稳定性及可靠性。

技术领域

本发明属于无线电能传输和功率变换技术领域，特别涉及一种基于自适应控制的超声波无线电能传输系统。

背景技术

随着电气设备日益普及，以接触导电为主的传统供电模式存在着接触不可靠、安全性差、移动灵活性差等问题，而无线电能传输技术通过其他形式的载体实现无直接电气接触的电能传输，具有移动灵活性高、环境适应性强的特点，受到了越来越多的关注。

无线电能传输技术主要有四种实现方式：电磁式、超声波式、激光式和微波式。电磁式和超声波式适用于短距离无线电能传输场合，激光式和微波式适用于远距离无线电能传输场合。电磁式传输功率大，效率高，但对于存在金属介质的场合，其受电磁干扰严重，甚至不能实现能量的传输。超声波是频率大于20kHz的机械波，可在任何介质中传播，无电磁干扰，且定向性好，尤其适合金属密闭场合，如心脏起搏器、电子耳蜗、体内微型诊疗机器人等人体植入设备，以及核潜艇、核反应堆、压力容器等军工设备。因此对超声波无线电能传输系统的研究是有重大意义的。但目前对超声波无线电能传输系统的研究深度较浅，现有研究均为开环控制，当温度等外界环境发生变化时，系统工作不稳定，效率明显下降。此外，开环系统不能实时反映负载充电状态，过充等会造成系统及负载损坏，系统可靠性降低。同时，目前研究的超声波无线电能传输系统功率等级较低，从而限制了该电能传输系统在某些领域的应用。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种基于自适应控制的超声波无线电能传输系统，其可实现金属密闭场合的无线充电，实现系统的闭环控制，提高稳定性及可靠性。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种基于自适应控制的超声波无线电能传输系统，包括能量传输部分和自适应控制部分，其中，能量传输部分包括超声电源、发射换能器、接收换能器和接收电路，自适应控制部分包括能量管理模块、信号反馈通路和动态阻抗匹配；

在能量传输部分，超声电源将直流电转换成高频交流电以驱动发射换能器，发射换能器利用逆压电效应将交流电转换成超声波发送到介质中，通过介质传输到接收换能器；接收换能器利用正压电效应将接收到的超声波转换成高频交流电，通过接收电路后转换成相应电压等级的直流电供电给负载；

在自适应控制部分，能量管理模块实现接收电路的控制，并将负载的状态转换成相应的数字信号传递给信号反馈通路；信号反馈通路将接收到的负载状态信号传送到动态阻抗匹配中，动态阻抗匹配实现超声电源的闭环控制，并根据接收到的负载状态信号调整超声电源的工作状态。

采用上述方案后，本发明通过超声波实现了能量在金属介质中的无线传输，解决了金属密闭场合无法实现电能有效传输的问题。通过自适应控制实时反馈负载状态，实现系统的闭环控制，提高系统的稳定性及可靠性。采用频率跟踪技术实现了超声电源的动态阻抗匹配，解决了超声波无线电能传输受环境影响大的问题，实现了超声电源闭环控制和系统效率优化。采用了大功率换能器和电路拓扑，提高系统功率等级。

本发明所提供的超声波无线电能传输较心脏起搏器、电子耳蜗等人体植入设备而言，其系统功率等级更高，可应用于导弹、核潜艇、核反应堆、压力容器等军工设备，实现无线充电，其中的高频逆变器、动态匹配方案、信号反馈回路、能量管理模块、接收电路等也可应用于其他无线电能传输和功率变换技术领域。

附图说明