CN101499683A - 能量传输装置及能量传输系统 - Google Patents

Abstract

能量传输装置及能量传输系统，该能量传输装置包括：第一阻抗匹配器，用以接收该电源端电路提供的该输入能量讯号，以具有第一内部能量讯号；以及第二阻抗匹配器，第一内部能量讯号耦合至第二阻抗匹配器，使得第二阻抗匹配器具有一第二内部能量讯号；其中，该第二阻抗匹配器上的该第二能量讯号更耦合至所述接收端装置，以提供该输出能量讯号至该接收端装置。本发明可用以将电源端的电能无线地提供至接收端装置。相较于传统的能量传输装置，该能量传输装置及能量传输系统具有较高的使用便利性。

Description

能量传输装置及能量传输系统

技术领域

本发明涉及一种无线的能量传输系统，且特别是有关于一种利用阻抗匹配器来进行无线能量传输的。

背景技术

在科技发展日新月异的现今时代，人们已经习惯广泛地利用各种电子装置来便利其日常生活。传统上，电子装置需设置电源模块，来提供电子装置操作所需的电能。例如，无线电子装置中设置有电池，来对无线电子装置进行供电。当电池中的电能耗尽时，使用者将无线电子装置与充电器电性连接，以对无线电子装置中的电池进行充电。举例来说，充电器可为用以将家用插座上的交流电压降压及整流以产生直流电压的变压器与整流器电路。

然而，当无线电子装置在进行充电时，无线电子装置需透过充电器与供电电源电性连接，如此，使用者无法无线地操作无线电子装置，使得传统无线电子装置的使用便利性较低。

发明内容

本发明提供了一种能量传输装置及能量传输系统，其可用以将电源端的电能无线地提供至接收端装置。相较于传统的能量传输装置，该能量传输装置及能量传输系统具有较高的使用便利性。

本发明所采用的技术方案如下：

一种能量传输装置，用以接收一电源端电路提供的一输入能量讯号，并据以无线的提供一输出能量讯号至一接收端装置，其特征在于该能量传输装置包括：

第一阻抗匹配器，用以接收该电源端电路提供的该输入能量讯号，以具有一第一内部能量讯号；以及

第二阻抗匹配器，该第一内部能量讯号耦合至该第二阻抗匹配器，使得该第二阻抗匹配器具有一第二内部能量讯号；

其中，该第二阻抗匹配器上的该第二能量讯号更耦合至所述接收端装置，以提供该输出能量讯号至该接收端装置。

具体的讲，所述第一阻抗匹配器包括：

一金属线圈，具有一线圈起始端及一线圈终止端；及

一电容，具有一第一端及一第二端，该第一端及该第二端分别耦接至该线圈起始端及该线圈终止端。

所述第二阻抗匹配器包括：

一金属线圈，具有一线圈起始端及一线圈终止端；及

一电容，具有一第一端及一第二端，该第一端及该第二端分别耦接至该线圈起始端及该线圈终止端。

一种能量传输系统，其特征在于其包括：

一电源端装置，用以提供一输入能量讯号；

一第一阻抗匹配器，该电源端装置提供的该输入能量讯号耦合至该第一阻抗匹配器，使得该第一阻抗匹配器具有一第一内部能量讯号；

一第二阻抗匹配器，该第一内部能量讯号耦合至该第二阻抗匹配器，使得该第二阻抗匹配器具有一第二内部能量讯号；以及

一接收端装置，该第二阻抗匹配器中的该第二内部能量讯号耦合至该接收端装置，使该接收端装置具有该输出能量讯号。

该能量传输系统中，所述第一阻抗匹配器包括：

一金属线圈，具有一线圈起始端及一线圈终止端；及

一电容，具有一第一端及一第二端，该第一端及该第二端分别耦接至该线圈起始端及该线圈终止端。

所述第二阻抗匹配器包括：

一金属线圈，具有一线圈起始端及一线圈终止端；及

一电容，具有一第一端及一第二端，该第一端及该第二端分别耦接至该线圈起始端及该线圈终止端。

所述电源端装置包括：

一电源电路，用以提供该输入能量讯号；及

一耦合电路，用以接收由该输入能量讯号，并将该输入能量讯号耦合至该第一阻抗匹配器。

所述接收端装置包括：

一耦合电路，该第二组抗匹配器中的该第二内部能量讯号耦合至该耦合电路，使该耦合电路具有该输出能量讯号。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1为依照本发明的能量传输系统的方块图。

图2为依照本发明能量传输系统的另一方块图。

图3为图2中阻抗匹配器20a的示意图。

图4为图2中阻抗匹配器20b的示意图。

图5为本实施例的能量传输系统的另一电路图。

图6为阻抗匹配后的能量传输系统3的电路图。

图7为图6中能量传输系统的等效电路。

具体实施方式

请参照图1，其绘示依照本发明的能量传输系统的方块图。能量传输系统1包括电源端装置12、接收端装置14及能量传输装置10。电源端装置12用以提供输入能量讯号Pi至能量传输装置10，并经由能量传输装置10提供输出能量讯号Po至接收端装置14。

能量传输装置10包括阻抗匹配器10a及10b。电源端装置12提供的输入能量讯号Pi耦合至阻抗匹配器10a，使得阻抗匹配器10a具有内部能量讯号Pt1。

阻抗匹配器10a上的内部能量讯号Pt1耦合至阻抗匹配器10b，使得阻抗匹配器10b具有内部能量讯号Pt2。阻抗匹配器10b上的内部能量讯号Pt2耦合至接收端装置14，使接收端装置14具有输出能量讯号Po。接下来，举例对本实施例的能量传输系统1作进一步说明。

请参照图2，其绘示依照本发明的能量传输系统的另一方块图。能量传输装置20中的阻抗匹配器20a包括电容C1和电感L1，而其中的阻抗匹配器20b包括电容C2及电感L2。另外电源端装置22包括交流电源Sac及电感L3，接收端装置24包括电感L4及负载电路ZL。

电源端装置22的电感L3与阻抗匹配器20a的电感L1彼此感应产生互感值，使得电源端装置22上的输入能量讯号Pi耦合至阻抗匹配器20a上，使阻抗匹配器20a具有内部能量讯号Pt1。其中电源端装置22与阻抗匹配器20a间的耦合量对应至耦合参数K1，耦合参数K1是相干于电感L3与L1的互感值。

相似地，电感L1与L2之间及电感L2与L4之间也具有相似的能量耦合情形，其中阻抗匹配器20a与20b间之耦合量对应至耦合参数K2，而阻抗匹配器20b与接收端装置24间的耦合量对应至耦合参数K3。

如此，阻抗匹配器20a上的内部能量讯号Pt1耦合至阻抗匹配器20b上，使阻抗匹配器20b具有内部能量讯号Pt2；阻抗匹配器20b上的内部能量讯号Pt2耦合至接收端装置24，使接收端装置24具有输出能量讯号Po。在一个例子中，前述输入能量讯号Pi、内部能量讯号Pt1及Pt2与输出能量讯号Po均例如为功率讯号。

请参照图3，其绘示了图2的阻抗匹配器20a的示意图。在一个例子中，阻抗匹配器20a包括金属线圈MC1及电容Cr1。金属线圈MC1具有线圈起始端ET1及线圈终止端ET2，其分别耦接至电容Cr1的两端，以形成阻抗匹配器20a。

请参照图4，其绘示了图2中阻抗匹配器20b的示意图。与阻抗匹配器20a相似地，阻抗匹配器20b包括金属线圈MC2及电容Cr2，其的电路结构相似于阻抗匹配器20a，于此不再进行赘述。

另外，阻抗匹配器20a及20b更分别用以对能量传输系统2的输入端与输出端进行阻抗匹配，使得能量传输系统2具有较佳的能量传输效率。

更详细的说，请参照图5，其绘示了本实施例的能量传输系统的另一电路图。能量传输系统3为省略阻抗匹配器的设置，而直接透过电源端装置32与装置端装置34中的电感L3′及L4′进行能量耦合。

假设能量从电源端装置32传送至装置端装置34的操作中没有电阻性耗损，则输入能量讯号Pi即是交流电源Sac’输出的实功(Real Power)Pr1实质上等于输出能量讯号Po即是提供至负载电路ZL的实功Pr2。

(1)Pr1＝Pr2

根据方程式：

(2)V_i＝jωL3′I_i+jωMI_o

(3)V_o＝jωMI_i+jωL4′I_o

可知

(4)V_i×I_i ^*＝jωL3′I_i ²+jωMI_oI_i ^*

(5)V_o×I_o ^*＝jωMI_iI_o ^*+jωL4′I_o ²

其中M为电感L3’与L4’的互感值，其满足：

(6) $M=K\sqrt{L3\′L4\′}$

又输入能量讯号(即是输入功率)Pi与输出能量讯号(即是输出功率)Po应满足：

(7)P_i+P_o＝V_i×I_i ^*-V_o×I_o ^*

则方程式(4)及(5)带入方程式(7)得到方程式：

(8)P_i+P_o＝(jωL3′I_i ²-jωL4′I_o ²)+2IM{ωMI_iI_o ^*}

同时参考方程式(1)及(8)可得到：

(9)Pr1＝Pr2＝IM{ωMI_iI_o ^*}

又电流Io＊满足：

(10) ${I_o}^{*}=\frac{-\mathrm{j\ω}{\mathrm{MI}}_i}{Z_L+\mathrm{j\ωL}4\′}=\frac{[-\mathrm{\ωM}\×(\mathrm{Im}\left\{Z_L\right\}+\mathrm{\ωL}4\′)+\mathrm{j\ωMRe}\left\{Z_L\right\}]\×{I_i}^{*}}{{\left(\mathrm{Re}\left\{Z_L\right\}\right)}^2+{(\mathrm{Im}\left\{Z_L\right\}+\mathrm{\ωL}4\′)}^2}$

将方程式(10)带入方程式(9)可得到：

(11) $\mathrm{Pr}2=\mathrm{Im}\left\{\mathrm{\ω}{\mathrm{MI}}_i{I_o}^{*}\right\}=\mathrm{Im}\left\{K\sqrt{L3\′L4\′}{I}_i\frac{[-\mathrm{\ωM}\×(\mathrm{Im}\left\{Z_L\right\}+\mathrm{\ωL}4\′)+\mathrm{j\ωMRe}\left\{Z_L\right\}]\×{I_i}^{*}}{{\left(\mathrm{Re}\left\{Z_L\right\}\right)}^2+{(\mathrm{Im}\left\{Z_L\right\}+\mathrm{\ωL}4\′)}^2}\right\}$

       $=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{K}^{2}L3\′L4\′}{{\left(\mathrm{Re}\left\{Z_L\right\}\right)}^2+{(\mathrm{Im}\left\{Z_L\right\}+\mathrm{\ωL}4\′)}^2}\mathrm{Re}\left\{Z_L\right\}{\left|I_i\right|}^2$

使用者可在电源端装置32侧设置对应的阻抗匹配器，使电流Ii具有较高的电流值，并可在装置端装置34侧设置对应的阻抗匹配器，使得方程式(11)中分母部分(Im{ZL}+ωL4′)趋近于零。透过前述的设置，可使传送至负载电路ZL的实功Pr2提高至任意值。在实例中，可使实功Pr2趋近于其的最大值。

假定在图5的能量传输系统3中，交流电流源Sac′输出均方根(Root MeanSquare，RMS)电压5伏特，负载电路ZL为10欧姆(Ω)，电感L3′与L4′分别为558.5纳亨利(Nanohenry，nH)及358nH，而互感系数K等于0.0025。在这个例子中输入阻抗Zin为0.0043+j24.75Ω，输入电流Ii为0.21∠-89.99°安培(Amp)，输出电压Vo等于0.005∠-56.8°，而传送至负载电路ZL的实功Pr2满足：

$\mathrm{Pr}2=\frac{\left|0.005\right|}{10}=2.5\×{10}^{-6}\left(\mathrm{Watt}\right)=2.5\left(\mathrm{Microwatt}\right)$

请参照图6，其绘示了阻抗匹配后的能量传输系统3的电路图。在另一情况下，图5中的能量传输系统3中增加阻抗匹配器40a及40b。阻抗匹配器40a包括电容值为944微微法拉(Picofarad，pF)的电容C1′及电感值分别为539nH与21.5nH的电感L11与L12。阻抗匹配器40b包括电容值为1441pF的电容C2′及电感值分别为22nH及355nH的电感L21及L22。

在这个例子中输入阻抗Zin′等于15.9+j3.9Ω，输入电流Ii′8.49∠-24.6°为，输出电压Vo′等于3.85∠-151.5°，而传送至负载电路ZL′的实功Pr2满足：

$\mathrm{Pr}2=\frac{\left|3.85\right|}{10}=1.48\left(\mathrm{Watt}\right)$

根据前述例子可知，透过在能量传输系统3中设置阻抗匹配器40a及40b，可有效地使传输至负载电路ZL′的实功提升59万倍。

又图6所示的能量传输系统4可等效为图7所示的电路，因此图7所示的电路可以达到与图6相同的阻抗匹配功能。其中等效电感Leq1～Leq4的电感值分别为560nH、580nH、380nH及377nH，等效电容Cequ1???及Cequ2的电容值分别等于944pF及1441pF，而互感系数K1′～K3′分别为0.0377、0.0024及0.0583。如此综上所述，使得本实施例的能量传输系统可有效地透过阻抗匹配器来将电源端装置提供的能量传输至接收端装置。

本发明的能量传输系统是透过阻抗匹配器来将电源端装置提供的能量传送至接收端装置。如此，相较于传统的能量传输装置，本发明的能量传输装置具有较高的使用便利性。另外，本发明的能量传输系统更透过阻抗匹配器来对电源端装置及接收端装置间的能量传输进行阻抗匹配，使得本发明的能量传输系统更具有能量传输效率较高的优点。

Claims (8)

1.一种能量传输装置，用以接收一电源端电路提供的一输入能量讯号，并据以无线的提供一输出能量讯号至一接收端装置，其特征在于该能量传输装置包括：

第一阻抗匹配器，用以接收该电源端电路提供的该输入能量讯号，以具有一第一内部能量讯号；以及

第二阻抗匹配器，该第一内部能量讯号耦合至该第二阻抗匹配器，使得该第二阻抗匹配器具有一第二内部能量讯号；

其中，该第二阻抗匹配器上的该第二能量讯号更耦合至所述接收端装置，以提供该输出能量讯号至该接收端装置。

2.如权利要求1所述的能量传输装置，其特征在于所述第一阻抗匹配器包括：

一金属线圈，具有一线圈起始端及一线圈终止端；及

一电容，具有一第一端及一第二端，该第一端及该第二端分别耦接至该线圈起始端及该线圈终止端。

3.如权利要求1所述的能量传输装置，其特征在于所述第二阻抗匹配器包括：

一金属线圈，具有一线圈起始端及一线圈终止端；及

一电容，具有一第一端及一第二端，该第一端及该第二端分别耦接至该线圈起始端及该线圈终止端。

4.一种能量传输系统，其特征在于其包括：

一电源端装置，用以提供一输入能量讯号；

一第一阻抗匹配器，该电源端装置提供的该输入能量讯号耦合至该第一阻抗匹配器，使得该第一阻抗匹配器具有一第一内部能量讯号；

一第二阻抗匹配器，该第一内部能量讯号耦合至该第二阻抗匹配器，使得该第二阻抗匹配器具有一第二内部能量讯号；以及

一接收端装置，该第二阻抗匹配器中的该第二内部能量讯号耦合至该接收端装置，使该接收端装置具有该输出能量讯号。

5.如权利要求4所述的能量传输系统，其特征在于所述第一阻抗匹配器包括：

一金属线圈，具有一线圈起始端及一线圈终止端；及

一电容，具有一第一端及一第二端，该第一端及该第二端分别耦接至该线圈起始端及该线圈终止端。

6.如权利要求4所述的能量传输系统，其特征在于所述第二阻抗匹配器包括：

一金属线圈，具有一线圈起始端及一线圈终止端；及

一电容，具有一第一端及一第二端，该第一端及该第二端分别耦接至该线圈起始端及该线圈终止端。

7.如权利要求4所述的能量传输系统，其特征在于所述电源端装置包括：

一电源电路，用以提供该输入能量讯号；及

一耦合电路，用以接收由该输入能量讯号，并将该输入能量讯号耦合至该第一阻抗匹配器。

8.如权利要求4所述的能量传输系统，其特征在于所述接收端装置包括：

一耦合电路，该第二组抗匹配器中的该第二内部能量讯号耦合至该耦合电路，使该耦合电路具有该输出能量讯号。

Images