CN104009555B

CN104009555B - 谐振型非接触供电装置、电能发射端和非接触供电方法

Info

Publication number: CN104009555B
Application number: CN201410268724.4A
Authority: CN
Inventors: 余峰; 张望
Original assignee: Nanjing Xilijie Semiconductor Technology Co Ltd
Current assignee: Nanjing Sili Microelectronics Technology Co., Ltd
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2034-06-16
Also published as: US9979234B2; US11159051B2; CN104009555A; US20150364927A1; TW201601440A; US20180254668A1; TWI549414B

Abstract

公开了一种谐振型非接触供电装置、电能发射端和非接触供电方法，所述谐振型非接触供电装置包括:高频电源，输出具有漏感谐振频率的高频交流电，漏感谐振频率通过在扫频时间段内依次检测不同频率的高频交流电对应的电源输出电流获得；发射侧谐振电路，包括发射线圈，用于从高频电源接收高频交流电；接收侧谐振电路，包括接收线圈，接收线圈与发射线圈分离地以非接触方式耦合，接收侧谐振电路用于从发射线圈接收电能；调节电路，并联在供电装置的输出端口，用于使得在扫频时间段内输出端口的阻抗小于预定阻抗值。由此，可以使得输出为一个较稳定的电压源，可以直接连接负载，减小了失谐对效率的影响，从而提高了系统的效率。

Description

谐振型非接触供电装置、电能发射端和非接触供电方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种谐振型非接触供电装置、电能发射端和非接触供电方法。

背景技术

非接触供电技术基于其方便实用的特点而广泛应用于电子产品领域，尤其是小功率电子产品行业如移动电话、MP3播放器、数码照相机、便携式电脑等。现有技术的非接触供电装置通常包含有一个由发射线圈L1和接收线圈L2构成的变压器，通常利用变压器初、次级线圈间磁场耦合的性能将能量从电能发射端向电能接收端传送。

现有技术的无线电能传输系统多工作于系统自感谐振频率，系统自感谐振频率是指能使发射端和接收端的电容和线圈的自感的阻抗相互抵消的频率。但是，工作在自感谐振频率下时，接收侧向负载提供较稳定的电流，输出不能直接接负载，且对原副边通信的要求较高。

发明内容

有鉴于此，提供一种谐振型非接触供电装置、电能发射端和非接触供电方法，可以使得电流更加稳定，提高系统效率。

第一方面，提供一种谐振型非接触供电装置，包括:

高频电源，输出具有漏感谐振频率的高频交流电，所述漏感谐振频率通过在扫频时间段内依次检测不同频率的高频交流电对应的电源输出电流获得；

发射侧谐振电路，包括发射线圈，用于从所述高频电源接收高频交流电；

接收侧谐振电路，包括接收线圈，所述接收线圈与所述发射线圈分离地以非接触方式耦合，所述接收侧谐振电路用于从所述发射线圈接收电能；

调节电路，并联在所述供电装置的输出端口，用于使得在所述扫频时间段内输出端口的阻抗小于预定阻抗值，从而使得所述高频电源输出具有漏感谐振频率的高频交流电时，电源输出电流最大。

优选地，所述高频电源包括逆变电路、控制电路和电流检测电路；

所述逆变电路用于根据控制电路提供的频率控制信号输出高频交流电，所述高频交流电具有与所述频率控制信号对应的频率；

所述电流检测电路用于检测所述逆变电路输出的电源输出电流的强度；

所述控制电路用于在扫频时间段内控制所述逆变电路依次输出具有不同频率的高频交流电，并获取每一频率所对应的电源输出电流的强度，将对应的电源输出电流的强度最大的频率作为所述漏感谐振频率，在扫频时间段结束后输出具有所述漏感谐振频率的频率控制信号。

优选地，所述扫频时间段为检测到发射线圈和接收线圈耦合后的预定时间段。

优选地，所述调节电路包括调节电阻和调节开关；

所述调节电阻和调节开关串联连接，所述调节开关在所述扫频时间段内导通，所述调节电阻小于所述预定阻抗值。

优选地，所述预定阻抗值小于等于ω₀L_M，其中，ω₀为所述供电装置的自感谐振频率，L_M为所述发射线圈和所述接收线圈的互感。

优选地，所述不同频率位于上限扫描频率和下限扫描频率之间，所述控制电路按频率由高至低或由低至高依次输出频率控制信号以确定所述漏感谐振频率。

优选地，所述不同频率为上限扫描频率和下限扫描频率之间相隔预定步长的不同频率。

优选地，所述下限扫描频率为所述供电装置的自感谐振频率。

第二方面，提供一种谐振型非接触电能发射端，用于向分离地以非接触方式耦合的电能接收端供电，所述电能发射端包括：

发射侧谐振电路，包括发射线圈，用于从所述高频电源接收高频交流电。

优选地，所述扫频时间段为检测到第一谐振线圈和第二谐振线圈耦合后的预定时间段。

第三方面，提供一种非接触供电方法，用于通过发射线圈向与所述发射线圈分离地以非接触耦合的接收线圈传输电能，所述方法包括：

在扫频时间段内，使得在输出端口阻抗小于预定阻抗值，从而使得向所述发射线圈输出具有漏感谐振频率的高频交流电时，对应的电源输出电流最大；

在扫频时间段内，依次对所述发射线圈输出具有不同频率的高频交流电，并获取每一频率所对应的电源输出电流电流强度，将对应的电源输出电流的强度最大的频率作为所述漏感谐振频率；

在扫频时间段结束后，对所述发射线圈输出具有所述漏感谐振频率的高频交流电。

优选地，所述扫频时间段为检测到发射线圈和接收线圈耦合后的预定时间段；

所述不同频率位于上限扫描频率和下限扫描频率之间；

依次对所述发射线圈输出具有不同频率的高频交流电包括：按频率由高至低或由低至高依次输出具有不同频率的高频交流电。

优选地，所述下限扫描频率为自感谐振频率。

通过检测获得谐振型非接触供电装置的漏感谐振频率，并使得所述谐振型非接触供电装置工作在漏感谐振频率，可以使得输出为一个较稳定的电压源，可以直接连接负载，减小了失谐对效率的影响，从而提高了系统的效率。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是本发明第一实施例的谐振型非接触供电装置的电路示意图；

图2是本发明第一实施例的谐振型非接触供电装置的谐振和磁耦合电路的示意图；

图3是图2所示的谐振和磁耦合电路的等效电路图；

图4是图2所示的谐振和磁耦合电路中输入电流随频率变化的曲线图；

图5是图2所示谐振和磁耦合电路工作在漏感谐振频率时的等效电路图；

图6是本发明第二实施例的非接触供电方法的流程图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图1是本发明第一实施例的谐振型非接触供电装置的电路示意图。如图1所示，谐振型非接触供电装置10包括电能发射端11和电能接收端12。

其中，电能发射端11包括高频电源111和发射侧谐振电路112。高频电源111输出具有漏感谐振频率的高频交流电，发射侧谐振电路112包括发射线圈L1，用于从高频电源111接收高频交流电，并通过发射线圈L1向电能接收端12传输电能。其中，漏感谐振频率通过在扫频时间段内依次检测不同频率的高频交流电对应的电源输出电流获得。

在本实施例中，漏感谐振频率是指将发射线圈和接收线圈的自感解耦为漏感和互感两部分，解耦后使得发射侧谐振电路中漏感和谐振电容的阻抗以及接收侧谐振电路的漏感和谐振电容阻抗均相互抵消的谐振频率。当电路工作在漏感谐振频率下时，系统效率较高。

电能接收端12可以以分离地以及非接触方式耦合到发射端11接收电能，其包括接收侧谐振电路121。接收侧谐振电路121包括接收线圈L2，接收线圈L2与发射线圈L1分离地以非接触方式耦合，接收侧谐振电路112用于从发射线圈接收电能。电能接收端12通常还可以包括整流电路，对接收侧谐振电路接收的信号进行整流。

在本实施例中，高频电源111可以包括逆变电路111a、控制电路111b和电流检测电路111c。

其中，逆变电路111a用于根据控制电路111b提供的频率控制信号v_f输出高频交流电v_ac，高频交流电v_ac具有与频率控制信号v_f对应的频率。

控制电路111b用于在扫频时间段T_s内控制逆变电路111a依次输出具有不同频率的高频交流电v_ac，并获取每一频率所对应的电源输出电流电流i_in的强度，将对应的电源输出电流的强度最大的频率作为漏感谐振频率ω1，在扫频时间段T_s结束后输出与漏感谐振频率ω1对应的频率控制信号v_f。

电流检测电路111c用于检测逆变电路111a输出的电源输出电流强度i_in。

发射侧谐振电路112包括发射线圈L1，其用于从高频电源111接收高频交流电。为了平衡发射侧谐振电路112的漏感抗和接收侧谐振电路121的反射感抗以及电路中由寄生参数引起的感抗，消除高频下由于这些寄生参数存在而产生的电压尖峰和浪涌电流，减小电磁干扰和电源噪声并达到减小电源的视在功率，提高电源的功率因数，发射侧谐振电路112中可以加入发射侧谐振电容C_s，其与发射线圈L1串联或并联，以与发射线圈L1形成谐振电路。当然，本领域技术人员可以理解，在某些情况下可以利用电路的分布电容(例如发射线圈导线之间的分布电容)来做为发射侧谐振电容，从而不必在电路中设置独立的电容元件。

电能接收端12包括接收侧谐振电路121。接收侧谐振电路121包括接收线圈L2，接收线圈L2可以与发射线圈L1分离地以非接触方式耦合(耦合度为k)，从发射线圈L1接收电能。同时，为了减小接收侧消耗的无功功率，增大磁耦合结构传输的有功功率，接收侧谐振电路121还可以加入接收侧谐振电容C_d。如上所述，接收侧谐振电容C_d可以利用电路其它元件的分布电容(例如线圈导线之间的分布电容)来实现，从而不必在电路中设置专门的电容元件。

电能接收端12还包括调节电路122，其并联在所述供电装置的输出端口，用于使得在所述扫频时间段内输出端口的阻抗小于预定阻抗值，从而使得所述高频电源输出具有漏感谐振频率的高频交流电时，电源输出电流最大。

图2是本发明第一实施例的谐振型非接触供电装置的谐振和磁耦合电路的示意图，也即发射侧谐振电路112和接收侧谐振电路121的电路示意图。

如图2所示，发射线圈L1可以等效为第一理想线圈L_s以及线圈电阻R_s，同样，接收线圈L2可以等效为第二理想线圈L_d以及线圈电阻R_d。第一理想线圈L_s和第二理想线圈L_d相互耦合。在图2中，发射侧谐振电路112和接收侧谐振电路121均采用串联谐振电阻的方式来组成谐振电路，其中，发射侧谐振电路112具有发射侧谐振电容C_s，接收侧具有接收侧谐振电容C_d。如上所述，发射侧谐振电容C_s和接收侧谐振电容C_d可以为集中元件或者利用其它元件的分布参数实现。

由此，谐振和磁耦合电路构成一互感耦合电路。

通常，为了使得发射侧谐振电路112和接收侧谐振电路121能够以谐振方式传递能量，两者具有相同的谐振频率，也即：

f_{s} = 1 / 2 π \cdot \sqrt{L_{s} \cdot C_{s}} = 1 / 2 π \cdot \sqrt{L_{d} \cdot C_{d}} = f_{d}

其中，f_s为发射侧谐振电路112的谐振频率，f_d为接收侧谐振电路121的谐振频率；L_s为第一理想线圈L_s的电感值，L_d为第二理想线圈L_d的电感值；C_s为发射侧谐振电容的电容值，C_d为接收侧谐振电容的电容值。

优选地，可以设置使得第一理想线圈L_s的电感值等于第二理想线圈L_d的电感值，并且发射侧谐振电容的电容值C_s等于接收侧谐振电容的电容值C_d，从而使得发射侧谐振电路112和接收侧谐振电路121谐振频率相同。

通常，将上述谐振频率称为自感谐振频率。工作在上述谐振频率下时，发射侧谐振电路112和接收侧谐振电路121同时谐振，谐振和磁耦合电路中所有的电感和电容阻抗均相互抵消，系统具有很高的效率。

但是，一旦失谐，电路效率会大幅下降。

图3是图2所示的谐振和磁耦合电路的等效电路图。由于发射线圈L1和接收线圈L2的耦合存在漏感和互感，图2所示的磁耦合电路可以等效为图3的形式，即，将相互耦合的理想线圈L_s和L_d解耦为发射侧漏电感L_s’、接收侧漏电感L_d’和互感L_M。

图4是图2所示的谐振和磁耦合电路中输入电流随频率变化的曲线图。对于图2所示电路，耦合度会随着其相对位置的变化以及周边环境的影响而变化，进而导致图3中发射侧漏电感L_s’、接收侧漏电感L_d’和互感L_M变化。在电能发射端11和电能接收端12除负载外其他电路元件确定的前提下，负载阻抗R_L和互感L_M(也即两者之间的耦合度)的关系不同，输入电流i_in随输入电压v_ac的频率的变化规律(也即谐振特性)也会不同。

在负载R_L<ω₀L_M时(ω₀为发射侧谐振电路谐振角频率)，谐振特性曲线呈现为双峰值曲线，输入电流i_in在漏感谐振频率ω1处呈现峰值，并在ω₀处为谷值。也即，向谐振和磁耦合电路输入具有漏感谐振频率ω1的高频交流电时，发射侧输入电流达到最大，而向谐振和磁耦合电路输入具有自感谐振频率ω₀的高频交流电时，发射侧输入电流为谷值。

其中，在L_s’C_s＝L_d’C_d的前提下，漏感谐振频率ω1可以等于其中，L_s’为发射侧漏电感的电感值，其等于L_s-L_M。

在负载R_L＝ω₀L_M时，谐振特性曲线呈现为双峰值曲线，输入电流i_in在漏感谐振频率ω1处呈现峰值，并在ω₀处为谷值。

在负载R_L>ω₀L_M时,谐振特性曲线呈现为单峰值曲线，输入电流在ω₀处为峰值。

利用该特性，可以扫描获取漏感谐振频率。本实施例在电路输出端阻抗小于ω₀L_M时使得逆变电路111a依次输出不同频率的高频交流电，通过检测不同频率高频交流点所对应的输入电流强度i_in，将对应的电流强度最大的频率作为漏感谐振频率ω1。

优选地，不同频率位于上限扫描频率ω_ul和下限扫描频率ω_dl之间，控制电路111b按频率由高至低依次输出频率控制信号以确定漏感谐振频率ω1。当然，本领域技术人员容易理解，也可以按频率由低至高依次输出频率控制信号以确定漏感谐振频率ω1。

同时，可以设置不同频率为上限扫描频率和下限扫描频率之间相隔预定步长的不同频率。通过调整步长可以调整对漏感谐振频率ω1的扫频精度。

可以通过扫描整个频率范围的频率可以保证找到合适的漏感谐振频率。也可以依次进行扫描，一旦发现的输入电流强度i_in上升到峰值后下降即停止扫描。

根据图4所示的曲线，漏感谐振频率ω1必然大于自感谐振频率ω₀，因此，可以优选将下限扫描频率设置为所述发射侧谐振电路的自感谐振频率ω₀。

如上所示，在供电装置的输出端口并联调节电路122，可以使得电路输出端口阻抗小于ω₀L_M，也即，使得在所述扫频时间段内输出端口的阻抗小于预定阻抗值(预定阻抗值小于等于ω₀L_M)，从而使得高频电源111输出具有漏感谐振频率ω1的高频交流电时，电源输出电流(也即输入到发射侧谐振电路的输入电流i_in)最大。

优选地，调节电路122可以包括调节电阻R_MOD和调节开关S₁,调节电阻R_MOD和调节开关S₁串联后并联连接在供电装置的输出端口。调节开关S₁在扫频时间段内导通，在扫频时间段结束后关断。调节电阻R_MOD可以设置为小于预定阻抗值，即为一较小的值，以使得在扫频时间段T_s期间，无论互感L_M如何变化都能保证电路输出端阻抗小于ω₀L_M。

在电路初始工作后(例如，电能发射端11检测到与电能接收端12耦合后)，在预设扫频时间段内，高频电源111中的逆变电路111a接收输入的直流电压源，将其逆变为高频交流电，向发射侧谐振电路112输出电源输出电流i_in。逆变电路111a可以是全桥式逆变电路、半桥式逆变电路以及其他任何公知的具有逆变功能的逆变电路。

电流检测电路111c检测逆变电路111a输出的电源输出电流强度i_p，并将检测结果输出给控制电路111b。

控制电路111b可以输出对应于不同频率的频率控制信号，其在扫频时间段内按照上限扫描频率和下限扫描频率之间相隔预定步长的不同频率依次输出频率控制信号(可以按频率由高至低输出，也可以按频率由低至高输出)，其中下限扫描频率为自感谐振频率ω₀，其可以根据发射侧谐振电路112的电路元件参数预先计算获得并设置于控制电路111b中。控制电路111b控制逆变电路111a依次输出具有不同频率的高频交流电，并从电流检测电路111c获取每一频率所对应的电源输出电流电流强度，将对应的电源输出电流的强度最大的频率作为漏感谐振频率ω1，在扫频时间段结束后输出与漏感谐振频率ω1对应的频率控制信号。

扫频时间段T_s为检测到发射线圈和接收线圈耦合后的预定时间段T_s。

图5是图2所示谐振和磁耦合电路工作在漏感谐振频率时的等效电路图。工作在漏感谐振频率ω1下时，发射侧谐振电路112和接收侧谐振电路121中的发射侧漏感L_s’、发射侧谐振电容C_s、接收侧漏感L_d’和接收侧谐振电容C_d的阻抗相互抵消，使得电路等效为仅包括互感L_M和线圈电阻R_s和R_d的两端口网络。在线圈电阻R_s和R_d很小的前提下，其可以被忽略，此时，互感L_M可以看作并联在输出端口，则磁耦合电路可以输出一个恒定的与输入电压基本一致的电压，即

虽然输出端口阻抗在不同范围时，谐振和磁耦合电路呈现出不同的谐振特性，但是，无论输出端口阻抗如何变化，只要发射线圈L1和接收线圈L2的耦合关系不变(也即，互感L_M不变)，在工作在漏感谐振频率ω1下时，发射侧谐振电路112和接收侧谐振电路121中的发射侧漏感L_s’、发射侧谐振电容C_s、接收侧漏感L_d’和接收侧谐振电容C_d的阻抗仍会相互抵消。由此，在扫频时间段T_s结束后，虽然调节电路122会使得输出端口阻抗恢复为负载本身的阻抗，供电装置工作在漏感谐振频率仍然使得谐振和磁耦合电路的等效电路如图3所示，并且，电路还具有在线圈耦合关系改变后重新确定漏感谐振频率的能力。由此，本实施例的谐振型非接触供电装置可以使得输出为一个较稳定的电压，并可以直接连接负载，减小失谐对效率的影响，从而提高系统效率。

图6本发明第二实施例的非接触供电方法的流程图，所述方法用于通过发射线圈向与所述发射线圈分离并非接触耦合的接收线圈供电。如图6所示，所述方法包括：

步骤610、在扫频时间段内，使得在输出端口阻抗小于预定阻抗值，从而使得向所述发射线圈输出具有漏感谐振频率的高频交流电时，对应的电源输出电流最大。

步骤620、在扫频时间段内，依次对所述发射线圈输出具有不同频率的高频交流电，并获取每一频率所对应的电源输出电流的电流强度，将对应的电源输出电流的电流强度最大的频率作为所述漏感谐振频率。

步骤630、在扫频时间段结束后，对所述发射线圈输出具有所述漏感谐振频率的高频交流电。

所述多个不同频率位于上限扫描频率和下限扫描频率之间依次对所述发射线圈输出具有不同频率的高频交流电包括：按频率由高至低依次输出具有不同频率的高频交流电。

优选地，所述下限扫描频率为自感谐振频率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种谐振型非接触供电装置，包括:

调节电路，并联在所述供电装置的输出端口，用于使得在所述扫频时间段内输出端口的阻抗小于预定阻抗值，从而使得所述高频电源输出具有漏感谐振频率的高频交流电时，电源输出电流最大；

其中，所述预定阻抗值小于等于ω₀L_M，其中，ω₀为所述供电装置的自感谐振频率，L_M为所述发射线圈和所述接收线圈的互感。

2.根据权利要求1所述的谐振型非接触供电装置，其特征在于，所述高频电源包括逆变电路、控制电路和电流检测电路；

3.根据权利要求2所述的谐振型非接触供电装置，其特征在于，所述扫频时间段为检测到发射线圈和接收线圈耦合后的预定时间段。

4.根据权利要求3所述的谐振型非接触供电装置，其特征在于，所述调节电路包括调节电阻和调节开关；

5.根据权利要求2所述的谐振型非接触供电装置，其特征在于，所述不同频率位于上限扫描频率和下限扫描频率之间，所述控制电路按频率由高至低或由低至高依次输出频率控制信号以确定所述漏感谐振频率。

6.根据权利要求5所述的谐振型非接触供电装置，其特征在于，所述不同频率为上限扫描频率和下限扫描频率之间相隔预定步长的不同频率。

7.根据权利要求5所述的谐振型非接触供电装置，其特征在于，所述下限扫描频率为所述供电装置的自感谐振频率。

8.一种非接触供电方法，用于通过发射线圈向与所述发射线圈分离地以非接触耦合的接收线圈传输电能，所述方法包括：

在扫频时间段内，使得输出端口阻抗小于预定阻抗值，从而使得向所述发射线圈输出具有漏感谐振频率的高频交流电时，对应的电源输出电流最大；

在扫频时间段内，依次对所述发射线圈输出具有不同频率的高频交流电，并获取每一频率所对应的电源输出电流强度，将对应的电源输出电流的强度最大的频率作为所述漏感谐振频率；

在扫频时间段结束后，对所述发射线圈输出具有所述漏感谐振频率的高频交流电；

其中，所述预定阻抗值小于等于ω₀L_M，其中，ω₀为所述发射线圈和所述接收线圈的自感谐振频率，L_M为所述发射线圈和所述接收线圈的互感。

9.根据权利要求8所述的非接触供电方法，其特征在于，所述扫频时间段为检测到发射线圈和接收线圈耦合后的预定时间段；

所述不同频率位于上限扫描频率和下限扫描频率之间；

10.根据权利要求9所述的非接触供电方法，其特征在于，所述不同频率为上限扫描频率和下限扫描频率之间相隔预定步长的不同频率。

11.根据权利要求9所述的非接触供电方法，其特征在于，所述下限扫描频率为自感谐振频率。