CN102823148A

CN102823148A - 能够提供高q值的无线电力接收装置

Info

Publication number: CN102823148A
Application number: CN2011800173274A
Authority: CN
Inventors: 古川康夫
Original assignee: Advantest Corp
Current assignee: Advantest Corp
Priority date: 2010-04-02
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-12-12
Also published as: JP5462953B2; US8791601B2; WO2011122048A1; JP2013524743A; KR20130043629A; US20110241436A1; TW201210168A; TWI435509B

Abstract

无线电力接收装置300接收从无线电力供给装置发来的电力信号S1，所述电力信号S1包括电场、磁场或电磁场中的任一种。接收线圈L2被配置成接收所述电力信号S1。电力存储电容器C3被布置成具有设置为固定电位的第一端子。第一开关SW1和第二开关SW2串联连接以形成包括所述接收线圈L2的闭合环路。连接所述第一开关SW1和所述第二开关SW2的连接点N1连接到所述电力存储电容器C3的第二端子。第三开关SW3和第四开关SW4依次串联布置以形成与包括所述第一开关SW1和所述第二开关SW2的路径并联布置的路径。连接所述第三开关SW3和所述第四开关SW4的连接点N2被设置成固定电位。

Description

能够提供高Q值的无线电力接收装置

技术领域

本发明涉及一种无线供电技术。

背景技术

近年来，无线（非接触式）电力传输作为用于电子装置或电动车辆的供电技术而受到关注，其中，电子装置诸如为蜂窝式电话终端、笔记本电脑等。无线供电传输可分为使用电磁感应、电磁波接收和电场/磁场谐振的三种主要方法。

电磁感应方法被用于在短距离（数厘米或更短）内供给电力，这使得能够在等于或者低于数百kHz的频带上传输数百瓦特的电力。其电力利用效率约为60%到98%。

在数米或者更长的相对长距离上供给电力情况下，采用电磁波接收方法。电磁波接收方法允许在中波和微波之间的频带上传输数瓦特或者更少的电力。然而，其电力利用效率低。电场/磁场谐振方法作为在约数米的中等距离内、以相对高的效率供给电力的方法（参见非专利文献1），而受到关注。

引用列表

非专利文献

非专利文献1:A.Karalis,J.D.Joannopoulos,M.Soljacic,“Efficient wirelessnon-radiative mid-range energy transfer”ANNALS of PHYSICS Vol.323,Jan 2008,pp.34-48.

在通过磁场耦合的电力传输中，根据距离的立方减小电磁感应线圈间的耦合系数k。这是因为线圈间的距离是受限的且不能增加。在传统技术中，典型的布置采用布置在彼此附近的线圈，以实现耦合系数约为1的状态。

发明内容

本发明人把注意力引向一个事实：即使耦合系数低，只要Q值高，无线谐振电力供给技术也可以提供谐振状态下的线圈之间的高传输效率（传输效率与k×Q成正比）。也就是说，即使初级线圈和次级线圈之间的距离很大，即，其之间的耦合系数极其低（0.01或者更低），通过提高Q值，这种布置也可以提供提供高效率传输。

例如，在k=0.01或者更低的情况下，Q值必须设置为100或者更高。然而，由于布线电阻和集肤效应，普通线圈难以提供如此高的Q值。尤其是，小型线圈难以提供如此高的Q值。

应当注意，上述考虑决不在本发明的领域中的共同知识和一般知识的范围内。而且，可以说本发明人已经率先进行了上述考虑。

为了解决这样的问题已提出了本发明。因此，本发明的一个示例性的目的是提供能够提供高Q值的电力接收电路。

本发明的实施方式涉及一种无线电力接收装置，所述无线电力接收装置被配置成接收从无线电力供给装置发来的电力信号，所述电力信号包括电场、磁场和电磁场中的任一种。所述无线电力接收装置包括：接收线圈，所述接收线圈被配置成接收所述电力信号；电容器，所述电容器被布置成使得所述电容器的第一端子被设置成固定电位；第一开关和第二开关，所述第一开关和第二开关依次串联连接以与所述接收线圈一起形成闭合环路，并且所述第一开关和第二开关被布置成使得连接所述第一开关和第二开关的连接点连接到所述电容器的第二端子；第三开关和第四开关，所述第三开关和第四开关依次串联布置以形成与包括所述第一开关和第二开关的路径并联布置的路径，并且所述第三开关和第四开关被布置成使得连接所述第三开关和第四开关的连接点被设置成固定电位；以及控制单元，所述控制单元被配置成控制所述第一开关到所述第四开关。

在这样的实施方式中，通过适当地控制所述第一开关到所述第四开关，这种布置能够使电路的Q值提高。因此，即使所述无线电力供给装置和所述无线电力接收装置之间的耦合系数低，这种布置也可以提供高效率电力传输。

此外，所述控制单元可被配置成能够在第一状态和第二状态之间切换状态，在所述第一状态下，所述第一开关和所述第四开关接通且所述第二开关和所述第三开关断开，在所述第二状态下，所述第一开关和所述第四开关断开且所述第二开关和所述第三开关接通。

此外，所述控制单元可以控制在所述第一状态和所述第二状态之间切换状态的切换时间，从而使得流过所述接收线圈的电流的幅值接近最大值。

此外，所述第一开关和所述第二开关可被布置成与紧密耦合于所述接收线圈的辅助线圈一起形成闭合环路，而不是与所述接收线圈一起形成闭合环路。

本发明的另一个实施方式涉及一种无线供电系统。所述无线供电系统包括：无线电力供给装置，所述无线电力供给装置被配置成发送包括电场、磁场和电磁场中的任一种的电力信号；以及上述无线电力接收装置。

应当注意，上述结构部件等的任一任意组合或者再布置作为本发明的实施方式是有效的并且包含在本发明的实施方式中。

此外，本发明的发明内容并不一定描述了所有的必要特征，从而本发明也可能是所描述的这些特征的子组合。

附图说明

下面参照示例性的而非限制性的附图，仅以示例的方式描述实施方式，其中，在几个附图中类似的元件利用类似的附图标记，其中：

图1是示出根据实施方式的无线供电系统的配置的电路图；

图2A是示出图1所示的无线电力接收装置的操作的电路图；

图2B是示出图1所示的无线电力接收装置的操作的电路图；

图3是示出图1所示的无线电力接收装置的操作的波形图；

图4是示出作为比较技术的同步整流电路的操作的波形图；

图5是示出根据第一变型例的无线电力接收装置的配置的电路图；

图6是示出根据第二变型例的无线电力接收装置的配置的电路图；

图7是示出图1所示的无线供电系统的等效电路图；

图8是示出根据第三变型例的无线供电系统的操作的时序图；

图9是示出根据第四变型例的无线电力接收装置的配置的电路图。

具体实施方式

下面基于优选实施方式描述本发明，优选实施方式不意图限制本发明的范围，而是举例说明本发明。实施方式中所描述的所有特征及其组合对于本发明而言不一定是必不可少的。

本说明书中，由表述“部件A连接到部件B”所表示的状态，除了包括部件A物理上直接地连接到部件B的状态，还包括部件A通过不影响其之间的电连接的另一部件间接地连接到部件B的状态。

类似地，由表述“部件C设置在部件A和部件B之间”所表示的状态，除了包括部件A直接连接到部件C、或者部件B直接连接到部件C的状态，还包括部件A通过不影响其之间的电连接的另一部件间接连接到部件C、或者部件B通过不影响其之间的电连接的另一部件间接连接到部件C的状态。

图1是示出根据实施方式的无线供电系统100的配置的电路图。在该电路图中，出于示例性的目的示出电路常数。然而，这些电路常数并不意图限制本发明。无线供电系统100包括无线电力供给装置200和无线电力接收装置300。首先，描述关于无线电力供给装置200的配置。

无线电力供给装置200向无线电力接收装置300发送电力信号。无线供电系统100利用电磁波的近场分量（电场、磁场或电磁场）作为电力信号S1，所述电磁波未变成无线电波。

无线电力供给装置200包括交流电源10、发送线圈L1和电容器C2。交流电源10产生电信号S2，该电信号S2具有预定频率，或者经受频率调制、相位调制、幅度调制等。为了简化说明和便于理解，在本实施方式中将描述电信号S2是具有恒定频率的交流信号的布置。例如，电信号S2的频率是选自数百KHz和数MHz之间的范围内。

发送线圈L1是配置成发射由交流电源10产生的电信号S2的天线，电信号S2作为近场信号（电力信号），包括电场、磁场或者电磁场的任一种。发送电容器C2被布置成与发送线圈L1串联。电阻器R1表示与发送线圈L1串联的电阻分量。

上述是无线电力供给装置200的配置。接下来将描述关于无线电力接收装置300的配置。

无线电力接收装置300接收从无线电力供给装置200发来的电力信号S1。

接收线圈20接收来自发送线圈L1的电力信号S1。对应于电力信号S1的感应电流（谐振电流）I_COIL流过接收线圈L2。无线电力接收装置300通过这样产生的感应电流获得电力。

无线电力接收装置300包括接收线圈L2、谐振电容器C1、H型桥式电路12、控制单元14和电力存储电容器C3。谐振电容器C1与接收线圈L2一起形成谐振电路。

电力存储电容器C3的第一端子接地，且其电位是固定的。H型桥式电路12包括第一开关SW1到第四开关SW4。第一开关SW1和第二开关SW2依次串联连接以形成包括接收线圈L2和谐振电容器C1的闭合回路。连接第一开关SW1和第二开关SW2的连接点N1连接至电力存储电容器C3的第二端子。损耗电阻器R2表示发生在无线电力接收装置300中的电力损耗。负载电阻器R3表示由存储在电力存储电容器C3中的电力驱动的负载，并不表示布置为电路部件的电阻器。在电力存储电容器C3中产生的电压V_PWR供给负载电阻器R3。

依次串联布置第三开关SW3和第四开关SW4，以便形成与包括第一开关SW1和第二开关SW2的路径并联的路径。连接第三开关SW3和第四开关SW4的连接点N2接地，且有固定的电位。可以控制负载电阻器R3使得在电力存储电容器C3中产生的电压V_PWR变为最优值，用以提高Q值。

第一开关SW1到第四开关SW4中的每一个被配置成金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET，Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、双极型晶体管、或者绝缘栅双极型晶体管（IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor）等。

控制单元14控制第一开关SW1到第四开关SW4。具体地，控制单元14被配置成能够在第一状态phi1和第二状态phi2之间切换状态。单词“phi”表示希腊字母“phi”。在第一状态phi1下，第一开关SW1和第四开关SW4接通，且第二开关SW2和第三开关SW3断开。在第二状态phi2下，第一开关SW1和第四开关SW4断开，且第二开关SW2和第三开关SW3接通。

接收线圈L2中产生的感应电流I_COIL具有交流波形。控制单元14调整状态在第一状态phi1和第二状态phi2之间切换的切换时间（相位），使得感应电流I_COIL的幅值接近最大值。

上述是无线供电系统100的配置。接下来将描述其操作。图2A和图2B是电路图，均示出图1所示的无线电力接收装置300的操作。图2A示出在第一状态phi1下的各开关的状态和电流，且图2B示出在第二状态phi2下的各开关的状态和电流。图3是示出图1所示的无线电力接收装置300的操作的波形图。按从上到下顺序，图3示出在电力存储电容器C3中产生的电压V_PWR、流入电力存储电容器C3的电流I_C3、第二开关SW2和第三开关SW3的状态、第一开关SW1和第四开关SW4的状态和在接收线圈L2中产生的感应电流I_COIL。

在图3中，第二开关SW2和第三开关SW3的状态均对应于电压为正1V时的完全接通状态及电压为0V时的断开状态。另外，第一开关SW1和第四开关SW4的状态均对应于电压为负1V时的完全接通状态及电压为0V时的断开状态。为方便起见，确定指示每个开关的状态的电压电平。利用图1所示的箭头方向作为正方向示出波形。

首先，从图1所示的无线电力供给装置200发送交流电力信号S1。感应电流I_COIL是交流电流且根据电力信号S1流过接收线圈L2。

控制单元14与电力信号S1同步控制第一开关SW1到第四开关SW4的每一个的接通/断开状态。如图2A所示，在第一状态phi1下，电流I_C3从接地端通过第四开关SW4、接收线圈L2、谐振电容器C1和第一开关SW1流出。如图2B所示，在第二状态phi2下，电流I_C3从接地端通过第三开关SW3、接收线圈L2、共振电容器C1和第二开关SW2流出。控制单元14可以监控感应电流I_COIL或者供给负载电阻器R3的电力，并且可以优化切换H型桥式电路12的切换时间（相位），使得其幅值接近最大值。

在电力存储电容器C3具有足够的电容量来充当电压源的情况下，这种电力存储电容器C3可以用作谐振电路的驱动电压源。因此，通过以相对于感应电流（谐振电流）I_COIL的过零点相移90度的相位耦合电力存储电容器C3与接收线圈L2，这种布置通过充当电源的电力存储电容器C3使由于接收线圈L2等的电阻分量引起的损耗能够得到补偿。

谐振电路的Q值与电阻R成反比。然而，如果电力存储电容器C3可以完全补偿由电阻R引起的电力损耗，则电阻R可以视为零，从而提供了与具有无穷大的Q值的谐振电路等效的电路。

如上所述，利用根据实施方式的无线电力接收装置300，通过优化H型桥式电路12的状态在第一状态phi1和第二状态phi2之间切换的切换时间（相位），这种布置能够使在电力存储电容器C3中产生的电压在适当的时间施加到接收线圈L2，从而极大地提高有效的Q值。

图7是示出图1所示的无线供电系统100的等效电路图。在图1所示的无线供电系统100中，以耦合系数k耦合的发送线圈L1和接收线圈L2，可以视为T型电路20，该T型电路20包括电感器L5到电感器L7。当L1=L2=L时，电感器L5和电感器L6的电感均由L×（1-k）表示，电感器L7的电感由L×k表示。

H型桥式电路12在第一状态phi1和第二状态phi2之间切换的切换时间的优化，等效于交流电源10和负载电阻器R3之间的阻抗匹配的优化。也就是说，H型桥式电路12可以视为切换模式阻抗匹配电路。如果交流电源10的输出阻抗或者耦合系数改变，阻抗匹配条件也改变。控制H型桥式电路12的切换操作的相位，以提供优化的阻抗匹配。

传统的布置中，谐振电容器C1或谐振电容器C2被配置为可变电容器，并通过电动机机械地控制该可变电容器，以提供这种阻抗匹配。相反，本实施方式中，通过控制H型桥式电路12的切换状态，这种配置以电的方式而非机械的方式提供阻抗匹配。

通过机械方法的阻抗匹配中，不能进行高速控制操作。这导致的问题是，在无线电力接收装置300移动的情况下，这种布置不能保持阻抗匹配，从而导致供电效率恶化。相反，与这种传统的布置相比，本实施方式提供高速阻抗匹配。即使无线电力接收装置300移动，或者即使无线电力供给装置200的供电状态被高速切换，本布置也可以提供高效率的供电。

即使发送线圈L1和接收线圈L2之间的耦合系数k低，即，即使无线电力接收装置300和无线电力供给装置200之间存在很大的距离，具有高Q值的无线电力接收装置300也可以提供高效率的电力传输。

应当注意，第一开关SW1到第四开关SW4的每一开关的切换时间不仅限于参照图3所描述的这种布置。通过控制接通/断开的切换时间，这种布置能够控制谐振电路的Q值。在意图提供低Q值的情况下，这种布置可以有意地将接通/断开的切换时间从图3所示的接通/断开的切换时间移开。

此外，在图1所示的这种配置中，配置成提高Q值的H型桥式电路12也充当整流电路。因此，这种布置的另一优点为，与稍后描述的变型例不同，不需要提供作为附加电路的、包括二极管等的整流电路。

应当注意，上述H型桥式电路12一定不能被确定为通常的同步整流电路。图4是示出作为比较技术的同步整流电路的操作的波形图。利用这种同步整流电路，当在谐振电流I_COIL中发生过零点时，在第一状态phi1和第二状态phi2之间切换状态。在这种情况下，流入电力存储电容器C3的电流I_C3具有经受全波整流的波形。应当注意，与借助二极管的整流不同，在这种整流中没有发生电压损耗。这种同步整流电路不能补偿谐振电路中产生的损耗。因此，这种布置不能提供改进的Q值。

已经参照实施方式描述了本发明。已经描述的上述实施方式仅用于示例性目的，并不意图解释为限制性的。相反，本领域的技术人员可以容易地构思，通过对上述部件或过程进行各种组合，可以进行各种变型，而这些变型例也包含在本发明的技术范围内。以下将说明这些变型例。

图5是示出根据第一变型例的无线电力接收装置300a的配置的电路图。应当注意，未示出与图1所示的电路部件重叠的一部分电路部件。图5所示的无线电力接收装置300a和图1所示的无线电力接收装置300的不同点在于负载的位置。具体地，图5中，电阻器R6充当负载，而不是电阻器R3。与电力存储电容器C3并联布置的电阻器R3的作用可以忽略。

图5所示的无线电力接收装置300a，除了包括图1所示的无线电力接收装置300，还包括辅助线圈L3、整流电路16和电感器L4。

辅助线圈L3与接收线圈L2紧密耦合。整流电路16进行流过辅助线圈L3电流I_L3的全波整流。电感器L4被布置在整流电路16的输出侧并且与负载电阻器R6串联。

根据图5所示的这种配置，通过Q值放大电路提高谐振电路的Q值，其中，谐振电路包括接收线圈L2和谐振电容器C1，Q值放大电路包括H型桥式电路12和电力存储电容器C3。因此，在与接收线圈L2紧密耦合的辅助线圈L3中感生大量的电流I_L3，从而给负载电阻器R6提供大量的电力。

图6是示出根据第二变型例的无线电力接收装置300b的配置的电路图。无线电力接收装置300b包括与接收线圈L2紧密耦合的辅助线圈L3。在这种布置中，H型桥式电路12b连接至辅助线圈L3，而不是接收线圈L2。并联连接的电感器L4和电阻器R5被布置在H型桥式电路12b和电力存储电容器C3之间。

整流电路16b进行流过谐振电路的电流的全波整流，谐振电路包括接收线圈L2和谐振电容器C1。电力存储电容器C4被布置在整流电路16b的输出侧，并且被配置成平滑经受整流电路16b的全波整流的电流。在电力存储电容器C4中产生的电压供给负载电阻器R6。

根据图6所示的这种配置，包括H型桥式电路12b和电力存储电容器C3的Q值放大电路，凭借辅助线圈L3，能够使谐振电路的Q值提高，该谐振电路包括接收线圈L2和谐振电容器C1。因此，这种布置能够高效率地接收电力。

在实施方式中已经描述了可以在第一状态phi1和第二状态phi2之间切换H型桥式电路12，和可以控制切换这些状态的相位的布置。在第三变型例中，进行以下控制操作，而不是相位控制；或除了相位控制，还进行以下控制操作。

在第三变型例中，控制单元14能够使状态切换至除了第一状态phi1和第二状态phi2之外的第三状态f3，在第三状态f3中，第一开关SW1到第四开关SW4全部断开。控制单元14提供第三状态f3作为从第一状态phi1到第二状态phi2的切换、或从第二状态phi2到第一状态phi1的切换中的至少一种切换中的中间状态，以调节第三状态f3的时间周期的长度（也可以被称为“死区时间Td”），从而使得流过接收线圈L2的感应电流I_COIL的幅值接近最大值。图8是示出根据第三变型例的无线供电系统100的操作的时序图。

包括接收线圈L2、谐振电容器C1和H型桥式电路12的谐振电路的谐振频率不需要匹配由无线电力供给装置200产生的电力信号S1的频率。在这种情况下，通过调节死区时间Td的长度，这种布置允许在第一状态phi1和第二状态phi2下流动的感应电流I_COIL与包括在无线电力接收装置300中的谐振电路部分地谐振。也就是说，这种布置能够使无线电力供给装置200中的谐振频率调谐为电力信号S1的频率，从而提高供电效率。

实施方式中已经描述了关于H型桥式电路12用作切换模式阻抗匹配电路的布置。此外，可以采用半桥式电路。

图9是示出根据第四变型例的无线电力接收装置300c的配置的电路图。图9所示的无线电力接收装置300c具有通过将包括在图6所示的无线电力接收装置300b中的H型桥式电路12b替换为半桥式电路12c而获得的配置。半桥式电路12c包括第五开关SW5和第六开关SW6。第五开关SW5连接至电力存储电容器C3和辅助线圈L3，以形成闭合环路。第六开关SW6被布置在辅助线圈L3的两端子之间。

根据第四变型例，通过控制切换第五开关SW5和第六开关SW6的接通和断开的相位，这种布置能够提供阻抗匹配。此外，通过调节死区时间的长度，这种布置能够利用部分谐振以提高传输效率，其中，在该死区时间期间，第五开关SW5和第六开关SW6同时断开。

实施方式中已经描述了关于切换模式阻抗匹配电路12仅设置在无线电力接收装置300侧的布置。此外，切换模式阻抗匹配电路诸如半桥式电路和H型桥式电路优选也设置在无线电力供给装置200侧，具体地，设置在交流电源10的输出级。

虽然已经使用特定的术语描述了本发明的优选实施方式，但该描述只是出于示例性目的，并且应当理解，可以做出改变和变化而不脱离所附权利要求的精神或范围。

Claims

1.一种无线电力接收装置，所述无线电力接收装置被配置成接收从无线电力供给装置发来的电力信号，所述电力信号包括电场、磁场和电磁场中的任一种，所述无线电力接收装置包括：

接收线圈，所述接收线圈被配置成接收所述电力信号；

电容器，所述电容器被布置成使得所述电容器的第一端子设置成固定电位；

第一开关和第二开关，所述第一开关和第二开关依次串联连接以与所述接收线圈一起形成闭合环路，并且所述第一开关和第二开关被布置成使得连接所述第一开关和第二开关的连接点连接到所述电容器的第二端子；

第三开关和第四开关，所述第三开关和第四开关依次串联布置以形成与包括所述第一开关和第二开关的路径并联布置的路径，并且所述第三开关和第四开关被布置成使得连接所述第三开关和第四开关的连接点设置成固定电位；以及

控制单元，所述控制单元被配置成控制所述第一开关到所述第四开关。

2.如权利要求1所述的无线电力接收装置，其中，所述控制单元被配置成能够在第一状态和第二状态之间切换状态，在所述第一状态下，所述第一开关和所述第四开关接通且所述第二开关和所述第三开关断开，在所述第二状态下，所述第一开关和所述第四开关断开且所述第二开关和所述第三开关接通。

3.如权利要求2所述的无线电力接收装置，其中，所述控制单元控制在所述第一状态和所述第二状态之间切换状态的切换时间，使得流过所述接收线圈的电流的幅值接近最大值。

4.如权利要求2所述的无线电力接收装置，其中，所述控制单元被配置成具有除了所述第一状态和第二状态之外的可切换的第三状态，在所述第三状态下，所述第一开关到所述第四开关全部断开。

5.如权利要求4所述的无线电力接收装置，其中，控制所述第三状态的长度，使得流过所述接收线圈的电流的幅值接近最大值。

6.一种如权利要求1到5中任一项所述的无线电力接收装置，其中，所述第一开关和第二开关被布置成与紧密耦合于所述接收线圈的辅助线圈一起形成闭合环路，而不是与所述接收线圈一起形成闭合环路。

7.一种无线电力接收装置，所述无线电力接收装置被配置成接收从无线电力供给装置发来的电场、磁场和电磁场中的任一种，所述无线电力接收装置包括：

接收线圈，所述接收线圈被配置成接收电力信号；

阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路包括至少一个开关并且被配置成能够改变至少一个所述开关的接通/断开时间，并且所述阻抗匹配电路被布置在所述电容器和所述接收线圈之间。

8.如权利要求7所述的无线电力接收装置，其中，所述阻抗匹配电路被布置在所述电容器和辅助线圈之间，而不是所述电容器和所述接收线圈之间，其中，所述辅助线圈与所述接收线圈紧密耦合。

9.一种无线供电系统，所述无线供电系统包括：

无线电力供给装置，所述无线电力供给装置被配置成发送电力信号，所述电力信号包括电场、磁场和电磁场中的任一种；以及

如权利要求1到8中任一项所述的无线电力接收装置。