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一种利用超 声波实现密闭金属容器内负载闭环供电的系统

阅读：61发布：2024-02-12

专利汇可以提供一种利用超声波实现密闭金属容器内负载闭环供电的系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种利用超声波实现密闭金属容器内负载闭环供电的系统属于无线电能传输领域，系统中的电能发射系统中逆变电路的直流侧为控制电路输出直流电，经逆变电路后转换为交流电，传输至接收换能器A，经电能变换电路处理后为直流负载、充放电电路供电，为密闭金属容器内各个电路供电；电压采集得到直流负载电压与三角波电路进行比较，得到带有电压信息的方波信号，经过放大电路后驱动发射换能器B，接收换能器B接收到的信息经过检波电路，得到与直流电压，并与逆变电路直流侧电压共同输入到控制电路，控制电路用于稳定逆变电路直流侧电压。本发明增加发射侧与接收侧之间的电压回送通道，使系统既可以进行能量传输，又可以进行信息传送，实现系统的闭环稳定供电。，下面是一种利用超声波实现密闭金属容器内负载闭环供电的系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种利用超声波实现密闭金属容器内负载闭环供电的系统，其特征在于，所述的闭环供电系统以超声波的形式进行金属介质下的电能传输与信息传输，包括电能发射系统、电能接收系统、信息发射部分、信息接收部分以及金属传输介质；所述的发射、接收换能器通过机械装置、在金属表面涂耦合剂或者两种方式组合的方法固定在金属介质厚壁的两侧；
所述的电能发射系统包括控制电路、逆变电路、发射换能器A；所述的控制电路用输出直流电压并对直流电压进行调节，直流电压经逆变电路后传输至发射换能器A，发射换能器A实现电能向声能的转换，并将超声波发射到金属传输介质中；
所述的电能接收系统包括接收换能器A、电能变换电路、充放电电路、直流负载电路；所述的接收换能器A用于接收从发射换能器A传递到金属传输介质中的超声波，将声能转换为电能传送给电能变换电路；所述的电能变换电路将交流电转换为直流电，并为直流负载电路和充放电电路供电；所述的充放电电路为密闭金属容器内其他电路部分提供稳定电源；
所述的信息发送部分包括电压采集电路、三角波电路、比较电路、放大电路、以及发射换能器B；所述的电压采集电路采集能接收系统中直流负载电路两侧的直流电压，并将其传输至比较电路；所述的三角波比较电路用于提供比较信号，并将其传输至比较电路；所述的比较电路比较采集到的负载电压与三角波信号后，产生固定频率的PWM波，传输至放大电路；所述放大电路驱动发射换能器B，发射换能器B将电能转化为声能，将转化后的超声波传输到金属介质中；
所述的信息接收部分包括接收换能器B、检波电路；所述的接收换能器B接收从发射换能器B传递到金属介质中的超声波，实现声能向电能的转变，并将电能传输至检波电路；所述的检波电路用来检测由接收换能器B接收到的电压有效值，并将该有效值转变为直流电压输出；
所述的金属传输介质为密闭金属容器厚壁，作为超声波的传输路径，金属厚壁的厚度按照实际工程需求选择；
所述的三角波电路的三角波频率、比较电路输出的PWM波的频率以及发射换能器B的最佳工作频率一致。
2.根据权利要求1所述的一种利用超声波实现密闭金属容器内负载闭环供电的系统，其特征在于，所述的电能发射系统中的发射换能器A和电能接受系统中的接收换能器A的工作参数一致，均采用PZT-4压电材料的压电型功率换能器。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用超声波实现密闭金属容器内负载闭环供电的系统，其特征在于，所述的信息发送部分中的发射换能器B和信息接收部分中的接收换能器B工作参数一致。
4.根据权利要求1或2所述的一种利用超声波实现密闭金属容器内负载闭环供电的系统，其特征在于，所述的电能发射系统中的逆变电路采用半桥、全桥扑结构。
5.根据权利要求3所述的一种利用超声波实现密闭金属容器内负载闭环供电的系统，其特征在于，所述的电能发射系统中的逆变电路采用半桥、全桥扑结构。
6.根据权利要求1或2或5所述的一种利用超声波实现密闭金属容器内负载闭环供电的系统，其特征在于，所述的金属容器材料选择铝、不锈钢在实际场合中广泛应用的材料。
7.根据权利要求3所述的一种利用超声波实现密闭金属容器内负载闭环供电的系统，其特征在于，所述的金属容器材料选择铝、不锈钢在实际场合中广泛应用的材料。
8.根据权利要求4所述的一种利用超声波实现密闭金属容器内负载闭环供电的系统，其特征在于，所述的金属容器材料选择铝、不锈钢在实际场合中广泛应用的材料。

说明书全文

一种利用超 声波实现密闭金属容器内负载闭环供电的系统

技术领域

[0001] 本发明属于无线电能传输领域，涉及一种利用超声波为密闭金属容器内电气负载，以非电气接触方式实现闭环供电的系统。

背景技术

[0002] 超声波无线电能传输技术，是一种利用超声波，以非电气接触方式传递能量的技术，即利用超声换能器，实现电-声-电转换的技术。现阶段已较为成熟的电磁感应耦合和电磁谐振式无线电能传输技术均以电磁场作为传递的媒介，但当电磁场在遇到金属一类的障碍物时，能量传输会被减弱，甚至阻断。而超声波作为一种机械波，具有方向性强、能量易于集中，尤其可以穿透金属介质等特点，因此在需要对密闭金属容器(如金属管道、液罐、储气罐等)内部电气负载进行充电的场合，利用超声波可以作为一种有效的传递方式。

[0003] 在超声波无线电能传输系统中，目前受到重点关注的是能量的传输，即从能量发射侧到能量接收侧的传输过程中，如何提高能量的传输效率以及传输功率。与此同时，对于接收到的电能质量的要求也越来越高。通常情况下，在接收侧加上稳压环节，便可达到一定程度的稳压。但当能量接收侧有切换电气负载的情况发生时，因接收侧电压受负载参数影响较大，此时电压会产生明显的变化，而能量接收侧的稳压环节的稳压范围小，能力有限，由于能量接收侧主要受到能量发射侧的工作参数影响，这就需要将负载的状态反映到能量发射侧，对发射侧的工作参数进行调整，从而稳定能量接收侧电压；或者有接收侧负载短路、断路等突发状况时，普通的稳压环节已不能达到效果，需要将该状态反馈到发射侧，及时停止发射侧供电。因此，需要有一条反馈负载电压的信息通道，形成系统的“闭环”供电，用于实现能量接收侧稳定供电。

[0004] 本发明提出了一种基于超声波对密闭金属容器内电气负载闭环供电方法，它使用两对换能器分别实现系统能量的传输与信息的传送。能量换能器在前向通道上为电气负载提供能量从系统发射侧到接收侧的传输，信息换能器引入到反馈通道上实现负载电压信息从系统接收侧到发射侧的传送。两对换能器产生的超声波互相独立并且频率相差较大，在金属介质传递过程中，不会互相干扰。由于引入了信息的反馈通道，实现了对能量接收侧的有效监控，使得电能质量提高了许多，从而增加了超声波无线电能传输系统的可靠性。这为密闭金属容器内的精密电气设备(如电气仪表、传感器等)的持续稳定供电，提供了一种实现的方式。

发明内容

[0005] 针对现有技术存在的问题，本发明提供一种在超声波无线电能传输系统中，为密闭容器内负载稳定供电的系统及方法，以解决超声波无线电能系统中发射侧与接收侧之间没有负载信息反馈通道的问题，即在接收侧对负载进行能量供给时，反馈给能量发射侧负载的电压情况，并能够根据负载的电压情况，调整能量发射侧工作参数，以达到稳定负载电压的目的。

[0006] 为达此目的，本发明采用以下技术方案：

[0007] 一种利用超声波实现密闭金属容器内负载闭环供电的系统，该闭环供电系统以超声波的形式进行金属介质下的电能传输与信息传输，包括电能发射系统、电能接收系统、信息发射部分、信息接收部分以及金属传输介质。

[0008] 所述的电能发射系统包括控制电路、逆变电路、发射换能器A。所述的控制电路用于给定直流电压与反馈的直流电压之间的偏差进行调节，控制器部分可由PI控制器或模糊控制实现，即控制电路输出直流电压并对直流电压进行调节。控制电路输出的直流电压经逆变电路后，得到满足发射换能器A最佳工作状态频率的交流电，发射换能器A实现电能向声能的转换，并将超声波发射到金属传输介质中。所述的电能发射系统中的发射换能器A采用PZT-4压电材料的压电型功率换能器。所述的电能发射系统中的逆变电路可以采用半桥、全桥扑结构。

[0009] 所述的电能接收系统包括接收换能器A、电能变换电路、充放电电路、直流负载电路。所述的接收换能器A用于接收从发射换能器A传递到金属传输介质中的超声波，将声能转换为电能传送给电能变换电路；所述的电能变换电路为基本二极管桥式整流滤波电路，将接收到的与所述发射电能系统频率一致的交流电转换为直流电，并为直流负载电路和充放电电路供电。所述的充放电电路为密闭金属容器内其他电路部分提供稳定电源。所述的接收换能器A与电能发射系统中发射换能器A参数一致的同类型设备，即采用PZT-4压电材料的压电型功率换能器。

[0010] 所述的信息发送部分包括电压采集电路、三角波电路、比较电路、放大电路、以及发射换能器B。所述的电压采集电路采集能接收系统中直流负载电路两侧的直流电压，并将其传输至比较电路，因负载对超声波无线电能传输系统影响较大，所述的电压采集电路采用电压跟随器，用于可靠采集负载的直流电压。所述的三角波比较电路用于提供比较信号，并将其传输至比较电路，其三角波频率为与发射换能器B工作频率一致。所述的比较电路对采集到的负载电压与三角波信号进行比较，产生固定频率的PWM波，传输至放大电路，该固定频率与发射换能器B的最佳工作频率一致，因负载电压的不同，经所述比较电路输出的PWM波的占空比也不同。所述放大电路为PWM波放大电路，用于提高PWM波的幅值驱动发射换能器B的工作，发射换能器B用于实现电能向声能的转变，将转化后的超声波传输到金属介质中。所述的发射换能器B也可采用PZT-4压电材料的功率压电换能器。所述的三角波电路的三角波频率、比较电路输出的PWM波的频率以及发射换能器B的最佳工作频率一致。

[0011] 所述的信息接收部分包括接收换能器B、检波电路。所述的接收换能器B的工作参数应与信息传送部分中发射换能器B的参数一致，接收从发射换能器B传递到金属介质中的超声波，实现声能向电能的转变，并将电能传输至检波电路。所述的检波电路用来检测由接收换能器B接收到的电压有效值，并将该有效值转变为直流电压输出，具体可由AD637组成的真均方根—直流模块实现，该电压值对应着金属容器内部负载电压，作为由密闭金属容器内部的反馈电压输出。

[0012] 所述的金属传输介质为密闭金属容器的厚壁，作为超声波的传输路径。所述的金属容器材料可选择铝、不锈钢这类在实际场合中广泛应用的材料，金属厚壁的厚度按照实际工程需求选择。

[0013] 所述的发射、接收换能器通过机械装置、在金属表面涂耦合剂或者两种方式组合的方法固定在金属介质厚壁的两侧。

[0014] 所述的两对换能器的工作参数可以不完全一致，同对换能器的工作参数应保持一致，即电能发射系统中的发射换能器A和电能接受系统中的接收换能器A的工作参数一致，信息发送部分中的发射换能器B和信息接收部分中的接收换能器B工作参数一致。但发射换能器A与发射换能器B的工作参数不一定一致，在实际过程中，也需要其工作参数相差很大，这样可以减小超声波在金属介质中的互相干扰。所述的工作参数最主要的是指换能器的工作频率，即在最佳工作状态时发射、接收的超声波的频率。

[0015] 本发明的有益效果为：本发明通过增加发射侧与接收侧之间的电压的回送通道，使得整体系统既可以进行能量的传输，又可以进行信息的传送，接收侧可以将负载电压信息反馈给发射侧，使发射侧了解负载电压状态，并根据负载电压状态及时调整发射部分工作参数，实现对密闭金属容器中的负载稳定供电。附图说明

[0016] 图1是利用超声波实现金属容器内负载稳定供电的系统框图。

具体实施方式

[0017] 下面结合说明书附图和技术方案，对本发明的具体实施方案作详细说明。

[0018] 一种利用超声波实现密闭金属容器内负载稳定供电的方法，该系统框图如图1所示，包括电能发射系统、电能接收系统、信息发射部分、信息接收部分、金属传输介质。电能发射系统中的逆变电路可采用半桥逆变或全桥逆变电路，驱动信号可由TCL555构成的震荡电路产生或由DSP产生，以使其工作频率需满足发射换能器最佳工作频率，发射换能器A和接收换能器A是两个参数完全一致的使用PZT-4压电材料的压电型功率换能器，分别实现从电能到声能、声能到电能的能量转换。能量接收系统包括的电能变换电路由基本二极管桥式整流滤波电路实现，输出电压一部分用于对直流负载的供电，一部分用于充放电电路，用来为密闭金属容器内其他电路部分提供稳定电源。信息发射部分由三角波电路与负载电压经过比较电路，产生与三角波频率一致的PWM波，因负载电压的不同，经比较电路输出的PWM波的占空比也不同，三角波的频率、输出的PWM波的频率以及发射换能器B的最佳工作频率一致。放大电路用来放大经比较电路输出的PWM波，驱动发射换能器B工作，完成电能到声能的转化，超声波在金属介质中传播，被接收换能器B接收，并实现声能到电能的转换。发射换能器B与接收换能器B是也是两个参数完全一致的使用PZT-4压电材料的压电型功率换能器，两对换能器的工作参数理论可以不完全一致，只要满足同对换能器的工作参数一致即可。但实际上，两对换能器的产生的超声波频率要有差别，避免在同一个传播介质下的互相干扰。检波电路检测接收到的有效值转换为直流电压输出，这一电路可由AD637组成的真均方根-直流模块实现，该电压对应着密闭金属容器内相应的负载电压。控制电路将给定电压与反馈直流电压之间的偏差进行调节，控制器部分可由PI控制器或模糊控制实现。换能器通过机械装置、在金属表面涂耦合剂或者两种方式组合的方法固定在金属介质厚壁的两侧。所述的金属传输介质为在本示例中选择50mm的厚壁有较好的传输效果。

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