CN103959597A - 无线电力发射器和无线电力发射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线电力发射器及其无线电力发射方法。该无线电力发射器向无线电力接收器无线地发射电力，其包括：电源，用于产生AC电力；发射线圈，用于从所述电源接收电力以产生磁场；发射谐振线圈，其与所述发射线圈耦合以使用谐振向所述无线电力接收器发射由所述磁场产生的电力；以及，检测器，用于通过检测经由所述发射谐振线圈发射的电力来检测所述无线电力接收器的存在状态。

Description

无线电力发射器和无线电力发射方法

技术领域

本公开涉及无线电力发射器及其无线电力发射方法。具体地说，本公开涉及能够通过根据无线电力接收器的识别而主动地控制功率来有效地发射电力的无线电力发射器及其无线电力发射方法。

背景技术

无线电力发射或无线能量传送指的是向期望装置无线地传送电能的技术。在19世纪，已经广泛地使用了应用电磁感应原理的电机或变压器。并且因此已经提出了一种用于通过辐射诸如无线电波或激光的电磁波来传输电能的方法。实际上，基于电磁感应的原理来给在日常生活中频繁使用的电动牙刷或电动剃须刀充电。如今，使用磁感应、谐振和短波长射频的长距离发射已经被用作无线能量传送方案。

无线电力传输系统包括发射器和接收器。发射器向接收器无线地发射电力，并且接收器从发射器接收电力，并且根据电力的接收来执行操作。

在该情况下，因为发射器不能识别接收器的操作状态，所以发射器连续地向接收器发射电力，使得接收器总是可以正常地运行。

然而，如上所述，发射器向接收器发射电力，却不管接收器的操作状态如何，使得给发射器的线圈施加高电压。因此，当其后向接收器发射电力时，发射器的错误操作或损坏可能出现。另外，因为发射器将预定量电力发射到接收器而不管接收器负载所需的电力量为多少，所以可能浪费了除在接收器负载中所用电力之外的剩余电力。

发明内容

技术问题

根据本公开的实施例，确定相对于发射器的接收器的存在状态，并且可以根据检测结果来向接收器选择性地发射电力。

另外，根据本公开的实施例，识别由接收器所需的电力量，使得可以仅选择性地发射接收器所必需的电力量。

而且，根据本公开的另一个实施例，如果接收器并未处于可以发射电力的位置，则可以防止向发射器的线圈施加高电压，使得发射器的错误操作或损坏可以得到防止。

技术解决方案

根据本公开的实施例，提供了一种无线电力发射器，用于向无线电力接收器无线地发射电力。所述无线电力发射器包括：电源，用于产生AC电力；发射线圈，用于从所述电源接收电力以产生磁场；发射谐振线圈，其与所述发射线圈耦合以使用谐振向所述无线电力接收器发射电力；以及，检测器，用于通过检测经由所述发射谐振线圈发射的电力来检测所述无线电力接收器的存在状态。

根据本公开的实施例，提供了一种通过无线电力发射器向无线电力接收器无线地发射电力的无线电力传输方法。所述无线电力传输方法包括：产生AC电力；将自电源供应的电力无线地发射到所述无线电力接收器；检测所发射的电力；以及，通过检测所发射的电力来检测所述无线电力接收器的存在状态。

有益效果

如上所述，根据本公开的实施例，根据接收器的存在状态来确定电力的输出，并且，根据接收器的接近状态来调整电力的强度，使得可以最大程度地减少被无意义地浪费掉的电力损耗。

附图说明

图1是示出根据本公开的一个实施例的无线电力发射系统的视图；

图2是示出根据本公开的一个实施例的发射线圈的电路图；

图3是示出根据本公开的一个实施例的电源和发射器的等效电路的电路图；

图4是示出根据本公开的一个实施例的接收谐振线圈、接收线圈、整流器电路和负载的等效电路的电路图；

图5(a)和图5(b)是示出根据本公开的实施例的线圈的视图；

图6是示出根据本公开的实施例的发射器的框图；

图7是示出根据本公开的实施例的电力的发射状态的曲线图；以及

图8是示出根据本公开的实施例的无线地发射电力的方法的流程图。

具体实施方式

以下，将参考附图更详细地描述本公开的示例性实施例。在下面的说明中，为了本公开的易于理解的目的，相同的元件被分配相同的附图标号，并且，将省略相同元件的重复说明以避免重复。

图1是示出根据本公开的一个实施例的无线电力发射系统的视图。

参见图1，该无线电力发射系统可以包括电源10、发射器20、接收器30、整流器电路40和负载50。

以下，将描述具有上述结构的无线电力发射系统的操作。从电源10产生的电力被发射到发射器20，并且然后被发射到接收器30，接收器30与发射器20进行谐振，即，具有与使用谐振的发射器20的谐振频率相等的谐振频率。

被发射到接收器30的电力通过整流器电路40被传输到负载50。负载50可以是电池或需要电力的其他装置。

更详细地，电源10是AC电源，用于提供具有预定频率的AC电力。

发射器20包括发射线圈21和发射谐振线圈22。

发射线圈21连接到电源10，并且AC电流流过发射线圈21。当AC电流流过发射线圈21时，AC电流通过电磁感应被感应到与发射线圈21物理地间隔开的发射谐振线圈22。

被传输到发射谐振线圈22的电力被传输到接收器30，接收器30通过谐振与发射器20一起形成谐振电路。

根据使用谐振的电力传输，可以在阻抗匹配的两个LC电路之间传输电力。使用谐振的电力发射方案可以比使用电磁感应的电力发射方案更远地发射电力，且电力发射效率较高。

接收器30包括接收谐振线圈31和接收线圈32。

通过发射谐振线圈22发射的电力被接收在接收谐振线圈31中，使得AC电流流过接收谐振线圈31。

被发射到接收谐振线圈31的电力通过电磁感应被传输到接收线圈32。被传输到接收线圈32的电力通过整流器电路40被整流，并且然后被传输到负载50。

在该情况下，根据接收电力的电子装置的类型，如果需要DC电力的供应，则接收器可以包括整流器电路40，该整流器电路40被设置在接收线圈32的后端处，并且包括整流器二极管和平流电容器，用于对经整流的信号平流，或者，在某些部件需要具有AC波形的电力供应的情况下，接收器的结构中可以不具有包括二极管和平流电容器的整流器电路40。

另外，发射谐振线圈22和接收谐振线圈21是用于增大无线电力的发射效率的元件。因此，可以仅使用发射谐振线圈22和接收谐振线圈21中的一者，或者，对于发射谐振线圈22和接收谐振线圈21两者可以均不使用。

发射器的发射谐振线圈22可以通过磁场向接收器30的接收谐振线圈31发射电力。更详细而言，发射谐振线圈22和接收谐振线圈31彼此谐振耦合，使得发射谐振线圈22和接收谐振线圈31在谐振频率下运行。

因为在发射谐振线圈22和接收谐振线圈31之间的谐振耦合，可以大大地改善在发射器20与接收器30之间的电力发射效率。

图2是示出根据本公开的一个实施例的发射线圈21的电路图。

如图2中所示，发射线圈21可以包括电感器L1和电容器C1，并且可以通过使用电感器L1和电容器C1来形成具有预定电感值和电容值的电路。

电容器C1可以包括可变电容器，并且可以通过调整该可变电容器来执行阻抗匹配。在该情况下，该可变电容器可以串联连接。另外，该可变电容器可以并联连接。发射谐振线圈22、接收谐振线圈31和接收线圈22的等效电路可以与在图2中所示的等效电路相同。

图3是示出根据本公开的一个实施例的电源10和发射器20的等效电路的视图。

如图3中所示，可以通过使用具有预定电感值的电感器L1和L2与具有预定电容值的电容器C1和C2来构造发射线圈21和发射谐振线圈22。

图4是示出根据本公开的一个实施例的接收谐振线圈31、接收线圈32、整流器电路40和负载50的等效电路的视图。

参见图4，可以通过使用具有预设电感值的电感器L3和L3与具有预设电容值的电容器C3和C4来构造接收谐振线圈31和接收线圈31。

整流器电路40可以包括二极管D1和平流电容器C5，以将AC电力转换为要输出的DC电力。

虽然负载50被标注为1.3V的DC电压源，但是负载50可以包括预定可充电电池或需要DC电力的装置。

可以使用下面的等式1和2来表达在图5(a)和图5(b)中所示的螺线管类型的自感L和寄生电容C。

【等式1】

$L=3.94x{10}^{-5}\frac{r^2{N}^2}{(9r+10l)}\left[\mathrm{\μH}\right]$

【等式2】

$C=\frac{4{\mathrm{\ϵ}}_{0}l}{\mathrm{\π}}(1+0.8249\frac{D}{l}+2.329\sqrt[3]{\frac{D}{l}})$ [法拉]

l：螺线管线圈的长度

r：螺线管线圈的半径

D：螺线管线圈的直径

N：匝数

以下，将更详细地描述无线电力发射器。

图6是示出根据本公开的实施例的发射器的视图，并且图7是示出根据本公开的实施例的电力发射状态的视图。

在该情况下，图6示出具有图1的电源10和发射器20的结构。在图6中，可以在发射器20中包括或可以在电源10中包括除了电源10、发射线圈21和发射谐振线圈22之外的剩余组件。

参见图6，发射器20可以包括：电源10，用于供应发射电力；发射线圈21，其连接到电源10并且通过所供应的电力来产生磁场；发射谐振线圈22，其与发射线圈21耦合以发射电力；检测器23，用于检测接收器30的存在状态；以及，控制器29，用于根据检测器23的检测结果来控制通过电源10供应的电力的状态。

根据一个实施例，检测器23可以检测通过发射谐振线圈22发射的电力的状态，并且可以向控制器29发射电力状态的检测结果。

检测器23包括：第一电力检测器24，用于检测通过电源10输出的电力的强度，以将该电力转换为DC电力；检测线圈25，用于检测从发射谐振线圈22产生的磁场的强度；第二电力检测器26，用于将由被检测线圈25检测的磁场产生的电力转换为DC电力；以及，比较器28，用于将第一电力检测器24的输出与第二电力检测器26的输出作比较，并且向控制器29发射比较结果。

另外，检测器23可以进一步包括放大器27，用于放大通过第二电力检测器26的转换而获得的DC电力。

检测器23检测从发射谐振线圈23产生的磁场的强度，并且如果从检测器23检测的磁场的强度大于或等于预设参考值，则控制器29确定用于接收磁场的接收器不存在。另外，如果该磁场的强度小于参考值，则控制器29确定接收器存在。

根据另一个实施例，检测器23可以包括连接到电源10的前端或后端的电流传感器，用于测量在电源10的前端或后端处的电流强度。根据一个实施例，可以在电源10和发射线圈21之间布置该电流传感器。控制器29通过电流传感器来测量从电源10输出的电流强度，并且如果所测量的电流强度大于或等于阈值电流值则确定接收器存在。另外，如果所测量的电流强度小于阈值电流值，则控制器29确定接收器不存在。在该情况下，阈值电流值可以是用于检测接收器的最小值。

根据本公开的发射器的目的是在检测到下列情况时自动地防止发射电力：远离发射器的接收器几乎不能接收从发射器发射的电力，或者，发射器不必产生电力，因为在发射器周围不存在接收器。

换句话说，在无线电力发射器安装在内部区域中并且无线电力接收器安装在蜂窝电话或膝上型计算机上的情况下，如果蜂窝电话或膝上型计算机不存在于该内部区域或者远离该内部区域，则可以自动地防止发射器输出电力，或者，可以通过降低输出电力的强度来防止高电压被施加给发射器的线圈。因此，可以防止发射器的错误操作或发射器的损坏。当蜂窝电话或膝上型计算机位于电力发射可能区域中并且随后使得发射器向蜂窝电话或膝上型计算机发射电力时，原本可能会出现发射器的错误操作或损坏的情况。

根据本公开实施例的发射器的原理如下。在图6中所示的发射谐振线圈22通过使用谐振来储存电力。在发射谐振线圈22中储存的能量的量被表示为“输入电压*Q(Q＝品质因数)”，并且当由接收器接收的电力根据与发射器的接近程度而增大时，发射谐振线圈22的Q值降低。

另外，因为从发射谐振线圈22产生的磁力与在发射谐振线圈22中储存的能量成比例，所以当接收器接近发射器时在发射谐振线圈22中储存的能量的量减少，使得磁场强度变弱。因此，在检测线圈25中检测到的电力的量减少。

检测线圈25与从发射谐振线圈22产生的磁场耦合，并且该磁场在第二电力检测器26中被转换为DC信号。因为第二电力检测器26的输出信号显著地弱，所以可以在放大器27中放大该输出信号。

因为第一电力检测器24的输出恒定，所以第一电力检测器24的输出可以被用作参考值。在该情况下，比较器28将第二电力检测器26的输出信号基于第一电力检测器24的输出信号的比较结果输出给控制器29。

当接收器远离发射器或不存在时，在发射谐振线圈22中储存的能量增大，使得由第二电力检测器24检测的磁场强度增大。

在该情况下，通过比较器28输出的比较结果可以是在第一电力检测器24的输出值和第二电力检测器26的输出值之间的差。

如果接收器在发射器周围存在，则比较器28的输出值是零或近似于零的值。如果接收器逐渐远离发射器，则比较器28的输出值逐渐增大。如果接收器不存在，则比较器28的输出值可以等于第一电力检测器24的输出值。

因此，控制器29可以根据检测部分23的检测结果来确定接收器是否存在于发射器周围。

另外，如果控制器29确定接收器不存在，则控制器29停止电源10的电力的输出。另外，如果控制器29确定接收器存在，则控制器29连续地输出来自电源10的电力。

同时，为了在接收器不存在的状态中周期性地确定接收器的存在状态(接收器的接近状态)，控制器29在预定时间段输出来自电源10的电力。

另外，控制器29基于在预定时间段输出的电力来重新确定接收器的存在状态，并且根据确定结果来连续地停止电力的输出或恢复电力的输出。

在该情况下，控制器29通过时分方案(time-division scheme)来在预定时间段输出电力，以便最小化电力损耗。

换句话说，如果在预定时间段连续地输出电力达特定时间，则可能出现电力损耗。因此，控制器29在该特定时间内以预定时间间隔输出时分的电力，以基于该时分的电力来确定接收器的存在状态。

同时，控制器29周期性地检查检测器23的检测结果，并且因此基于检测结果来调整电力强度。

例如，如果从电源10供应的电力的量等于或略微不同于在接收器中接收的电力的量，则控制器29增大从电源10输出的电力的强度。

相比之下，如果从电源10供应的电力的量显著地小于在接收器中接收的电力的量，则控制器29减小从电源10输出的电力的强度。

如上所述，根据本公开的实施例，基于从发射器20产生的磁场的强度来检测接收器30的存在状态，使得发射器20可以连续地发射电力或停止电力的发射。

在该情况下，为了在接收器30不存在的状态中检测接收器30的存在状态，通过时分方案在预定时间段处产生磁场，由此在检测接收器30的存在状态的同时最小化电力损耗。

另外，即使当接收器30存在时，连续地检测磁场的强度，使得从电源10仅供应在接收器30中接收的电力的量。

本公开适用于基于电磁感应的电力发射技术。在该情况下，无线电力发射器可以不包括发射谐振线圈，并且检测器23可以通过使用从发射线圈21产生的磁场的强度来检测接收器30的存在状态。换句话说，即使在基于电磁感应的电力发射技术中，控制器29可以通过根据接收器30的存在状态调整电源10的输出来增强电力发射效率。

图8是根据步骤示出根据本公开的实施例的发射电力的方法的流程图。

以下，将参考图7和图8来描述发射电力的方法。

首先，在接收器30不存在的状态中通过时分方案来在预定时间段处供应电力(A，步骤S101)。

然后，根据通过时分方案供应的电力来检测磁场的强度(步骤S102)。在该情况下，基于磁场的强度来确定接收器30的存在状态(步骤103)。

如果确定接收器30不存在，则步骤S101返回。如果确定接收器30存在，则连续地供应具有预定强度a的电力(B，步骤104)。

在该情况下，即使在接收器30存在使得连续地供应电力的状态中也连续地检测磁场的强度(B)。

另外，基于磁场的强度来重新确定接收器30的存在状态。

此外，如果在供应具有预定强度a的电力的状态中磁场的强度增大，则通过电源10来供应比接收器30所需的功率大的电力。因此，降低了电源10的输出的强度(C，步骤S105)。

另外，即使供应了具有强度b的电力，也连续地监控磁场的强度，使得强度b可以增大或减小(D)。

同时，如果在供应电力的状态中磁场的强度显著地增大，则确定接收器不存在，使得停止电力的输出。

然后，通过时分方案在预定时间段处供应电力，使得接收器的存在状态被确定(E)。

如上所述，根据本公开的实施例，根据接收器的存在状态来确定电力的输出，并且，根据接收器的接近程度来调整电力的强度，由此最小化被无意义地浪费的电力损耗。

虽然已经参考其多个说明性实施例而描述了实施例，但是应当明白，本领域内的技术人员可以设计落在本公开的精神和原理范围内的多种其他修改和实施例。更具体地，在本公开、附图和所附的权利要求的范围内的主组合布置的部件部分和/或布置中，各种改变和修改是可能的。除了在部件部分和/或布置中的改变和修改之外，替代使用对于本领域内的技术人员也是显见的。

Claims (14)

1.一种无线电力发射器，其向无线电力接收器无线地发射电力，所述无线电力发射器包括：

电源，用于产生AC电力；

发射线圈，用于从所述电源接收电力以产生磁场；

发射谐振线圈，其与所述发射线圈耦合以使用谐振向所述无线电力接收器发射电力；以及

检测器，用于通过检测经由所述发射谐振线圈发射的电力来检测所述无线电力接收器的存在状态。

2.根据权利要求1所述的无线电力发射器，其中，根据检测结果来调整所述电源的输出。

3.根据权利要求1所述的无线电力发射器，其中，所述电源在预定时间段产生用于检测所述无线电力接收器的所述存在状态的电力。

4.根据权利要求3所述的无线电力发射器，其中，所述电源通过时分方案在所述预定时间段处产生所述电力，并且所述检测器根据通过所述时分方案产生的所述电力来检测所述无线电力接收器的所述存在状态。

5.根据权利要求2所述的无线电力发射器，其中，如果确定所述无线电力接收器不存在，则停止所述电源的所述电力的供应，并且如果所述无线电力接收器存在，则保持所述电源的所述电力的所述供应。

6.根据权利要求1所述的无线电力发射器，其中，所述检测器检测从所述发射谐振线圈产生的磁场的强度，并且基于所述磁场的所述强度来检测所述无线电力接收器的所述存在状态。

7.根据权利要求6所述的无线电力发射器，其中，所述检测器包括电流传感器。

8.根据权利要求6所述的无线电力发射器，其中，所述检测器包括：

第一电力检测器，用于将从所述电源供应的电力转换为DC电力；

检测线圈，用于检测从所述发射谐振线圈产生的所述磁场的所述强度；

第二电力检测器，用于将通过被所述检测线圈检测的所述磁场产生的电力转换为DC电力；以及

比较器，用于将所述第一电力检测器的输出与所述第二电力检测器的输出作比较。

9.一种通过无线电力发射器向无线电力接收器无线地发射电力的无线电力发射方法，所述无线电力发射方法包括：

产生AC电力；

向所述无线电力接收器无线地发射从电源供应的电力；

检测所发射的电力；以及

通过检测所发射的电力来检测所述无线电力接收器的存在状态。

10.根据权利要求9所述的无线电力发射方法，进一步包括：根据所发射的电力的检测结果来调整所述电源的输出。

11.根据权利要求10所述的无线电力发射方法，其中，在根据所发射的电力的检测结果的所述电源的输出的调整中，如果确定所述无线电力接收器不存在，则停止所述电源的所述电力的供应，并且如果所述无线电力接收器存在，则保持所述电源的所述电力的所述供应。

12.根据权利要求11所述的无线电力发射方法，进一步包括：

通过在预定时间段处恢复所述电源的所述电力来发射电力；以及

根据所发射的电力的状态来重新确定所述无线电力接收器的所述存在状态。

13.根据权利要求12所述的无线电力发射方法，其中，通过在所述预定时间段处的所述电源的所述电力的重新供应进行的所述电力的所述发射包括：通过时分方案基于来自所述电源的电力来在所述预定时间段处发射所述电力。

14.根据权利要求9所述的无线电力发射方法，其中，通过在所述预定时间段处的所述电源的所述电力的供应进行的所述电力的所述发射包括：检测所述磁场的强度，并且基于所检测的所述磁场的强度来确定所述无线电力接收器的所述存在状态。