CN103475109B - 一种磁耦合谐振式无线电能传输装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种磁耦合谐振式无线电能传输装置，包括：高频功率放大模块；与所述高频功率放大模块的输出端相连的谐振系统；与所述谐振系统的输出端相连的整流模块；输入端与所述整流模块的输出端连接、输出端与用电设备连接的恒阻型直流变换模块，其中所述恒阻型直流变换模块的输入阻抗与所述高频功率放大模块的输出阻抗共轭匹配；与所述谐振系统连接，当获取的所述谐振系统的输入电压与输入电流的相位不相同时，则调节所述谐振系统中的发射线圈所对应的谐振电容的容值，直至所述输入电压与输入电流的相位相同的反馈控制器，以实现在降低所述反馈控制器的控制难度、简化其程序设计的复杂程度的前提下，自动追踪电能的最大传输效率。
Description
技术领域
本发明涉及无线电力输送技术领域，更具体地说，涉及一种磁耦合谐振式无线电能传输装置。
背景技术
磁耦合谐振式无线电能传输装置即利用磁耦合谐振技术，将电能从供电设备无线输送到用电设备的输电装置。参见图1，具体包括：获取所述供电设备提供的低频电能或直流电能，并将其转换为高频电能的高频功率放大模块100；由电磁发射系统和电磁接收系统组成的、利用磁耦合谐振技术来无线传输所述高频电能的谐振系统200；将无线输送来的所述高频电能转换为直流电能的整流模块300；以及获取所述直流电能，并将其转化为恒压直流电能或恒流直流电能输送至所述用电设备的直流变换模块400。
在实际应用中，考虑到由于无线输电的距离、角度的变化导致所述谐振系统200的耦合系数发生改变时，会出现引起所述谐振系统200的电能传输增益发生改变的问题，此时为保证其电能传输增益最大化，需要适当调节所述电磁发射系统中的发射线圈所对应的谐振电容的容值。
同时考虑到所述谐振电容的容值以及所述用电设备的工作状态发生改变时，均会引起由所述谐振系统200、所述整流模块300、所述直流变换模块400和所述用电设备组成的负载系统的输入阻抗发生改变，因此根据最大功率传输定理，需要在所述负载系统和由所述供电设备和所述高频功率放大模块100组成的电源系统之间引入具有可调电容的阻抗匹配网络500（参见图2），以保证所述电源系统的输出阻抗（即所述高频功率放大模块100的输出阻抗）和所述负载系统的输入阻抗（即所述谐振系统200的输入阻抗）共轭匹配，从而使得所述高频电能可最大效率地从所述电源系统传递到所述负载系统。其中所述阻抗匹配网络500的可调电容即为存在于上述谐振系统200中的谐振电容，因此当调节所述可调电容时又会引起所述谐振系统200的电能传输增益发生改变。
为保证所述磁耦合谐振式无线电能传输装置可自动追踪电能的最大传输效率，现有技术为其专门配置了可根据所述谐振系统200当前的电能传输增益及所述负载系统当前的输入阻抗，来调节所述谐振电容（即所述可调电容）容值的反馈控制器600（参见图2），此时所述反馈控制器600需经过繁复的计算过程，才能计算得到合适的谐振电容的容值，使得所述磁耦合谐振式无线电能传输装置在满足上述共轭匹配要求的同时，还可保证所述谐振系统200的电能传输增益达到最大化，但是由此则会使得所述反馈控制器600的控制难度较大、程序设计复杂。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种磁耦合谐振式无线电能传输装置，以实现在降低所述反馈控制器的控制难度、简化其程序设计的复杂程度的前提下，自动追踪电能的最大传输效率。
一种磁耦合谐振式无线电能传输装置，包括：
与供电设备连接的高频功率放大模块；
输入端与所述高频功率放大模块的输出端相连的谐振系统；
输入端与所述谐振系统的输出端相连的整流模块；
输入端与所述整流模块的输出端连接、输出端与用电设备连接的恒阻型直流变换模块，其中所述恒阻型直流变换模块的输入阻抗与所述高频功率放大模块的输出阻抗共轭匹配；
与所述谐振系统连接，当获取的所述谐振系统的输入电压与输入电流的相位不相同时，则调节所述谐振系统中的发射线圈所对应的谐振电容的容值，直至所述输入电压与输入电流的相位相同的反馈控制器。
其中，所述恒阻型直流变换模块为基于降压-升压型拓扑电路建立，若获取的所述恒阻型直流变换模块的输入电压与输入电流的比值不等于所述恒阻型直流变换模块的输入阻抗的设定值，则调节所述降压-升压型拓扑电路中的开关管的开通时间，直至所述比值等于所述设定值的直流变换模块。
其中，所述恒阻型直流变换模块为基于升压-降压型拓扑电路建立，若获取的所述恒阻型直流变换模块的输入电压与输入电流的比值不等于所述恒阻型直流变换模块的输入阻抗的设定值，则调节所述升压-降压型拓扑电路中的开关管的开通时间，直至所述比值等于所述设定值的直流变换模块。
其中，所述恒阻型直流变换模块为基于降压型拓扑电路建立，若获取的所述恒阻型直流变换模块的输入电压与输入电流的比值不等于所述恒阻型直流变换模块的输入阻抗的设定值，则调节所述降压型拓扑电路中的开关管的开通时间，直至所述比值等于所述设定值的直流变换模块。
其中，所述恒阻型直流变换模块为基于升压型拓扑电路建立，若获取的所述恒阻型直流变换模块的输入电压与输入电流的比值不等于所述恒阻型直流变换模块的输入阻抗的设定值，则调节所述升压型拓扑电路中的开关管的开通时间，直至所述比值等于所述设定值的直流变换模块。
其中，所述谐振系统为具有2个耦合线圈的2线圈型谐振系统。
其中，所述谐振系统为具有3个耦合线圈的3线圈型谐振系统。
其中，所述谐振系统为具有4个耦合线圈的4线圈型谐振系统。
其中，所述谐振系统为具有5个耦合线圈的5线圈型谐振系统。
从上述的技术方案可以看出，本发明实施例利用谐振系统处于最佳谐振状态时，其阻抗为阻性且其阻值很小几乎不会对负载系统（所述负载系统由本实施例所述的谐振系统、整流模块、恒阻型直流变换模块和用电设备组成）的输入阻抗产生影响的特点，也就是说，只要所述谐振系统处于最佳谐振状态时，即可认为所述负载系统的输入阻抗的大小仅受所述用电设备的工作状态变化影响；基于此，本实施例引入恒阻型直流变换模块来代替现有技术中的直流变换模块，所述直流变换模块用于实现：不论所述用电设备处于何种工作状态，对于由所述恒阻型直流变换模块和所述用电设备组成的整体，其输入阻抗均为恒定的设定值，其中所述设定值为与本实施例所述的高频功率放大模块的输出阻抗满足共轭匹配的值。由此可得到，所述负载系统的输入阻抗始终与所述高频功率放大模块的输出阻抗共轭匹配。
从而，在本发明实施例自动追踪电能的最大传输效率时，所述反馈控制器只需通过调节所述谐振电容来使所述谐振系统达到最大电能传输增益即可，而无需去顾及当调节所述谐振电容时，是否会干扰所述谐振系统的输入阻抗与所述高频功率放大模块的输出阻抗之间的共轭匹配关系，从而降低了所述反馈控制器的控制难度、简化了其程序设计的复杂程度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术公开的一种磁耦合谐振式无线电能传输装置结构示意图；
图2为现有技术公开的又一种磁耦合谐振式无线电能传输装置结构示意图；
图3为本发明实施例公开的一种磁耦合谐振式无线电能传输装置结构示意图；
图4为本发明实施例公开的一种谐振系统结构示意图；
图5a为本发明实施例公开的一种处于不同耦合系数下的谐振系统所对应的电能传输增益曲线示意图；
图5b为本发明实施例公开的一种未处于最佳谐振状态的谐振系统的电能传输增益曲线示意图；
图5c为本发明实施例公开的一种处于最佳谐振状态的谐振系统的电能传输增益曲线示意图；
图6a为本发明实施例公开的一种恒阻型直流变换模块结构示意图；
图6b为本发明实施例公开的又一种恒阻型直流变换模块结构示意图；
图6c为本发明实施例公开的又一种恒阻型直流变换模块结构示意图；
图6d为本发明实施例公开的又一种恒阻型直流变换模块结构示意图；
图7a为本发明实施例公开的一种2线圈型谐振系统结构示意图；
图7b为本发明实施例公开的一种4线圈型谐振系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种磁耦合谐振式无线电能传输装置，以实现在降低所述反馈控制器的控制难度、简化其程序设计复杂程度的前提下，自动追踪电能的最大传输效率。参见图3，利用磁耦合谐振技术，将电能从供电设备无线输送到用电设备的所述磁耦合谐振式无线电能传输装置，具体包括：
与所述供电设备连接的高频功率放大模块100；
输入端与所述高频功率放大模块100的输出端相连的谐振系统200；
输入端与所述谐振系统200的输出端相连的整流模块300；
输入端与所述整流模块300的输出端连接、输出端与所述用电设备连接的恒阻型直流变换模块400，其中所述恒阻型直流变换模块400的输入阻抗与所述高频功率放大模块100的输出阻抗共轭匹配；
与所述谐振系统200连接，当获取的所述谐振系统200的输入电压与输入电流的相位不相同时，则调节所述谐振系统200中的发射线圈所对应的谐振电容的容值，直至所述输入电压与输入电流的相位相同的反馈控制器500。
其中，所述谐振系统200中至少包含两个耦合线圈，所述任一耦合线圈可与与之对应连接的谐振电容（包括该耦合线圈自身的寄生电容和外接电容）组成一个具有独立回路的谐振单元，当且仅当所述各个谐振单元的谐振频率一致时，所述谐振单元间会发生共振，即出现强耦合谐振现象，此时电能可通过所述各个谐振单元实现无线传输。一般情况下，参见图4，我们把所述谐振系统200中靠近所述高频功率放大模块100一侧、用于发射电能的谐振单元组称为电磁发射系统201，把所述谐振系统200中靠近所述整流模块300一侧、用于接收电能的谐振单元组称为电磁接收系统202。
由于所述谐振系统200存在公知的频率分叉现象，即工作在特定频段的所述谐振系统200的电能传输增益会随所述电磁发射系统201中的发射线圈对应的谐振电容的变化而变化（具体分析过程参见下述①部分），因此需要通过所述反馈控制器500来调节所述发射线圈对应的谐振电容，使得所述谐振系统200具有最大的电能传输增益（具体分析过程参见下述②部分）。其中所述谐振系统200工作的特定频段为国际通信联盟无线电通信局开放的ISM（Industrial Scientific Medical，工业、科学和医用）频段，包括6.78MHz±15KHz频段和13.56MHz±7KHz频段等。
①关于所述频率分叉现象的解释说明：
图5a示出了一种处于不同耦合系数下的谐振系统200分别对应的电能传输增益曲线示意图，其中横轴表示所述谐振频率freq，纵轴表示所述谐振系统200的电能传输增益mag，假设本实施例要求的ISM频率为13.56MHz。当所述谐振系统200中的所述电磁发射系统201和所述电磁接收系统202之间进行无线输电的距离及角度确定后，所述耦合系数也就唯一确定，此时可在图5a中找到所述谐振系统200当前唯一对应的一条电能传输增益曲线，假设该曲线即为图5b中示出的电能传输增益曲线，记为曲线C。若所述曲线C在谐振频率freq为13.56MHz时，其对应的电能传输增益mag未达到最大值，则说明所述谐振系统200当前未处于最佳谐振状态，此时需要通过调节所述发射线圈对应的谐振电容的容值，来改变所述谐振系统200的最大电能传输增益点所对应的谐振频率freq，直至所述fr为13.56MHz时恰好可以使所述谐振系统200达到最大电能传输增益为止，此时所述谐振系统200处于最佳谐振状态，变化后的曲线C如图5c所示。
②关于所述反馈控制器500对于所述发射线圈对应的谐振电容的调节：
所述反馈控制器500实时获取所述谐振系统200当前的输入电压的相位及其输入电流的相位，并进行判断：若所述输入电压的相位与所述输入电流的相位不相等，则说明所述谐振系统200当前未处于所述最佳谐振状态（即所述电能传输增益mag未达到最大值）；此时所述反馈控制器500自动调节所述谐振电容的容值，直至其相位相等，从而使得所述磁耦合谐振式无线电能传输装置可自动追踪所述谐振系统200的最大电能传输增益。
最大功率传输定理规定：负载系统与电源系统相匹配时，所述负载系统能获得最大的传输功率。对于交流传输电路来说，所述负载系统与电源系统匹配是指负载阻抗等于电源内阻抗的共轭复数，即所述电源系统的输出阻抗与所述负载系统的输入阻抗共轭匹配。
在本实施例中，对于由所述谐振系统200、所述整流模块300、所述恒阻型直流变换模块400和所述用电设备组成的负载系统，以及由所述供电设备和所述高频功率放大模块100组成的电源系统来说，只有当所述电源系统的输出阻抗（即所述高频功率放大模块100的输出阻抗）和所述负载系统的输入阻抗（即所述谐振系统200的输入阻抗）共轭匹配时，所述高频电能才能最大效率地从所述高频功率放大模块100传递到所述负载系统。由于所述电源系统的输出阻抗始终保持不变，而所述负载系统由于所述发射线圈对应的谐振电容的容值变化及其所述用电设备的工作状态变化均会引起所述负载系统的输入阻抗变化，因此保证所述共轭匹配的关键在于保证所述负载系统的输入阻抗不变。
其中，对于由所述恒阻型直流变换模块400和所述用电设备组成的整体，其输入阻抗Rin与其输入电压Vin、输入电流Iin之间满足关系式：Rin＝Vin/Iin。所述恒阻型直流变换模块400根据获取的所述Vin的值，对所述Iin的值进行实时调控，以保证所述Vin与Iin的比值恒定，由此即便所述用电设备的工作状态改变，所述输入阻抗Rin的值也始终保持不变，也就是说，所述用电设备工作状态的改变不会再引起所述负载系统输入阻抗的变化。其中，所述Rin的设定值与所述高频功率放大模块100的输出阻抗满足共轭匹配，即对于由所述恒阻型直流变换模块400和所述用电设备组成的整体，其输入阻抗（即所述恒阻型直流变换模块400的输入阻抗）与所述高频功率放大模块100的输出阻抗共轭匹配。
其中，参见图6a，所述恒阻型直流变换模块400可采用基于现有的降压-升压型拓扑电路建立，若获取的所述恒阻型直流变换模块的输入电压Vin与输入电流Iin的比值不等于所述恒阻型直流变换模块的输入阻抗Rin的设定值，则调节所述降压-升压型拓扑电路中的开关管Q1的开通时间，直至所述比值等于所述设定值的直流变换模块。
或者，参见图6b，所述恒阻型直流变换模块400也可采用基于现有的升压-降压型拓扑电路建立，若获取的所述恒阻型直流变换模块的输入电压Vin与输入电流Iin的比值不等于所述恒阻型直流变换模块的输入阻抗Rin的设定值，则调节所述升压-降压型拓扑电路中的开关管Q1的开通时间，直至所述比值等于所述设定值的直流变换模块。
或者，参见图6c，所述恒阻型直流变换模块400也可采用基于现有的升压型拓扑电路建立，若获取的所述恒阻型直流变换模块的输入电压Vin与输入电流Iin的比值不等于所述恒阻型直流变换模块的输入阻抗Rin的设定值，则调节所述升压型拓扑电路中的开关管Q1的开通时间，直至所述比值等于所述设定值的直流变换模块。
或者，参见图6d，所述恒阻型直流变换模块400也可采用基于现有的降压型拓扑电路建立，若获取的所述恒阻型直流变换模块的输入电压Vin与输入电流Iin的比值不等于所述恒阻型直流变换模块的输入阻抗Rin的设定值，则调节所述降压型拓扑电路中的开关管Q1的开通时间，直至所述比值等于所述设定值的直流变换模块。
另外，由于所述谐振系统200具有如下特性：当且仅当所述谐振系统200呈现最佳谐振现象时，所述谐振系统200的阻抗为阻性，否则其阻抗为感性或容性。因此当为保证所述谐振系统200能达到最大电能传输增益而需要调节所述发射线圈对应的谐振电容时，不会引起所述谐振系统200的输入阻抗发生改变。
当所述谐振系统200呈阻性时，其阻值远远小于所述Rin的值，且所述整流模块300的阻抗也远远小于所述Rin的值，均可忽略不计，因此当所述Rin与所述高频功率放大模块100的输出阻抗共轭匹配时，即可认为所述电源系统的输出阻抗与所述负载系统的输入阻抗满足共轭匹配。也就是说，当所述谐振系统200处于最佳谐振状态时，即便所述谐振电容的容值发生改变也不会再引起所述负载系统输入阻抗的变化，所述磁耦合谐振式无线电能传输装置达到了可自动追踪所述电源系统与所述负载系统之间的最大传输功率的目的。
由此，在所述磁耦合谐振式无线电能传输装置可实现可自动追踪所述谐振系统200的最大电能传输增益，以及可实现自动追踪所述电源系统与所述负载系统之间的最大传输功率时，对于所述磁耦合谐振式无线电能传输装置整体而言，其达到了可自动追踪电能的最大传输效率的目的。
此外，针对本实施例所述的高频功率放大模块100，需要说明的是，所述高频功率放大模块100在保证自身输出阻抗不变的情况下，可根据获取的所述用电设备的输入功率大小来自动调节自身的输出功率（如根据所述用电设备的输入功率大小，通过调节自身反馈电阻的阻值来调节自身输出功率的大小）；具体的，当所述用电设备的输入功率变大时则增大所述高频功率放大模块100的输出功率，反之则降低所述高频功率放大模块100的输出功率，从而达到根据所述用电设备的功率需求来自动调节所述高频功率放大模块100的输出功率的目的。其中，所述高频功率放大模块100对所述输入功率的获取，可采用现有的磁耦合谐振式无线电能传输装置获取用电设备输入功率的相关技术实现，本实施例不再赘述。
最后针对于至少具有两个耦合线圈的所述谐振系统200，需要说明的是：所述谐振系统200中至少包括一个发射线圈和一个接收线圈，所述发射线圈存在于所述电磁发射系统中，所述接收线圈存在于所述电磁接收系统中，所述电磁发射系统可利用磁耦合谐振技术将电能无线输送到所述电磁接收系统，因此结构最简单的所述谐振系统200为具有2个耦合线圈的2线圈型谐振系统，如图7a所示（图中未示出所述各耦合线圈对应的谐振电容）。
但是在实际应用中，考虑到所述2线圈型谐振系统中耦合线圈的品质因数问题，参见图7b（图中未示出所述各耦合线圈对应的谐振电容），从电能传输方向来看，需要在所述发射线圈1的左侧以及所述接收线圈2的右侧分别增设一个耦合线圈，由此形成的所述谐振系统200即为具有4个耦合线圈的4线圈型谐振系统。
或者，为增大所述2线圈型谐振系统进行电能无线输送的距离，从电能传输方向来看，需要在所述发射线圈和所述接收线圈之间增设一个耦合线圈（一般称为中继线圈），由此形成的所述谐振系统200即为具有3个耦合线圈的3线圈型谐振系统。其中需要说明的是，所述中继线圈的个数可根据实际需要的电能输送距离来具体设定。
或者，同时考虑所述2线圈型谐振系统的品质因数问题以及电能无线输送的距离问题，从电能传输方向来看，可以在所述发射线圈的左侧、所述接收线圈的右侧以及所述发射线圈和所述接收线圈之间分别增设一个耦合线圈，由此形成的所述谐振系统200即为具有5个耦合线圈的5线圈型谐振系统。
综上所述，本发明实施例利用谐振系统处于最佳谐振状态时，其阻抗为阻性且其阻值较小可忽略不计的特点，引入恒阻型直流变换模块来代替现有技术中的直流变换模块，以达到不论用电设备处于何种工作状态下均可保证由所述恒阻型直流变换模块和所述用电设备组成的整体的输入阻抗始终不变的目的，从而实现了只要所述谐振系统处于最佳谐振状态时，所述电源系统的输出阻抗与所述负载系统的输入阻抗始终满足共轭匹配的技术效果。由此，在本实施例可实现自动追踪电能的最大传输效率的情况下，所述反馈控制器只需通过调节所述谐振电容来控制所述谐振系统达到最大电能传输增益即可，而无需去顾及当调节所述发射线圈对应的谐振电容时，所述负载系统是否能获得最大的传输功率，从而降低了所述反馈控制器的控制难度、简化了其程序设计的复杂程度，进而提高了所述磁耦合谐振式无线电能传输装置的可靠性，降低了对所述反馈控制器在数据处理能力上的要求，节约了所述反馈控制器的生成成本，更有利于所述磁耦合谐振式无线电能传输装置的商业化应用。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (5)
1.一种磁耦合谐振式无线电能传输装置，其特征在于，包括：
与供电设备连接的高频功率放大模块；
输入端与所述高频功率放大模块的输出端相连的谐振系统；
输入端与所述谐振系统的输出端相连的整流模块；
输入端与所述整流模块的输出端连接、输出端与用电设备连接，且根据输入电压的值来调整输入电流的值以实现输入阻抗等于设定值的恒阻型直流变换模块，其中所述恒阻型直流变换模块的输入阻抗与所述高频功率放大模块的输出阻抗共轭匹配；
与所述谐振系统连接，当获取的所述谐振系统的输入电压与输入电流的相位不相同时，则调节所述谐振系统中的发射线圈所对应的谐振电容的容值，直至所述输入电压与输入电流的相位相同的反馈控制器；
其中，所述恒阻型直流变换模块为基于降压-升压型拓扑电路建立，若获取的所述恒阻型直流变换模块的输入电压与输入电流的比值不等于所述恒阻型直流变换模块的输入阻抗的设定值，则调节所述降压-升压型拓扑电路中的开关管的开通时间，直至所述比值等于所述设定值的直流变换模块；
或所述恒阻型直流变换模块为基于升压-降压型拓扑电路建立，若获取的所述恒阻型直流变换模块的输入电压与输入电流的比值不等于所述恒阻型直流变换模块的输入阻抗的设定值，则调节所述升压-降压型拓扑电路中的开关管的开通时间，直至所述比值等于所述设定值的直流变换模块；
或所述恒阻型直流变换模块为基于降压型拓扑电路建立，若获取的所述恒阻型直流变换模块的输入电压与输入电流的比值不等于所述恒阻型直流变换模块的输入阻抗的设定值，则调节所述降压型拓扑电路中的开关管的开通时间，直至所述比值等于所述设定值的直流变换模块；
或所述恒阻型直流变换模块为基于升压型拓扑电路建立，若获取的所述恒阻型直流变换模块的输入电压与输入电流的比值不等于所述恒阻型直流变换模块的输入阻抗的设定值，则调节所述升压型拓扑电路中的开关管的开通时间，直至所述比值等于所述设定值的直流变换模块。
2.根据权利要求1所述的磁耦合谐振式无线电能传输装置，其特征在于，所述谐振系统为具有2个耦合线圈的2线圈型谐振系统。
3.根据权利要求1所述的磁耦合谐振式无线电能传输装置，其特征在于，所述谐振系统为具有3个耦合线圈的3线圈型谐振系统。
4.根据权利要求1所述的磁耦合谐振式无线电能传输装置，其特征在于，所述谐振系统为具有4个耦合线圈的4线圈型谐振系统。
5.根据权利要求1所述的磁耦合谐振式无线电能传输装置，其特征在于，所述谐振系统为具有5个耦合线圈的5线圈型谐振系统。
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