CN106464033A

CN106464033A - 到多个负载的多频无线功率传输的选择和增强的辅助电路

Info

Publication number: CN106464033A
Application number: CN201480075324.XA
Authority: CN
Inventors: 钟文兴; 许树源
Original assignee: University of Hong Kong HKU
Current assignee: University of Hong Kong HKU
Priority date: 2014-02-12
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2034-05-26
Also published as: EP3105835B1; US9787102B2; EP3105835A1; EP3105835A4; US20150228402A1; CN106464033B; WO2015120672A1

Abstract

本发明与在具有多个接收机的无线功率传输系统中提供选择性且增强的功率流的新颖方法和装置相关。在接收机电路（和中继电路，如果可适用的话）中引入了辅助电路，从而确保到适合的作为目标的接收机的适当的频率选择性的无线功率流，其中通过非作为目标的接收机的拾取功率被基本上减少，即使用于不同接收机的所选的被调谐的频率不是广泛分离的。

Description

到多个负载的多频无线功率传输的选择和增强的辅助电路

技术领域

本发明涉及无线功率（power）传输，并且更特别地涉及多频无线功率传输。

背景技术

无线功率传输技术已经作为用于家庭和工业应用的可行技术再度兴起。近来，多频无线功率传送已被作为增强无线功率传输的手段提出。在K. Lee和S. Lukic的标题是“Inductive power transfer by means of multiple frequencies in the magneticlink”，IEEE Energy Conversion Congress and Exposition （ECCE），美国丹佛，2013年9月，页码：2912-2919的文章中，在发射机和接收机处使用多谐振回路以在多个频率处放大和提取功率。在Lee文章中，在25 kHz的基频和75 kHz的三次谐波处执行功率传输。功率传输遍布多于一个频率，从而增加功率传输。单频接收机被用来接收在不同的频率处发送的功率。例如，如果作为目标的接收机被调谐在25 kHz处，则在25 kHz处传送功率将理论上将功率传输到被调谐在25 kHz处的接收机线圈。被调谐在75 kHz处的接收机线圈将是非作为目标的接收机并且将不接收任何功率。然而，这样的方法仍具有较大的限制。它们之中的主要限制是残余功率将被非作为目标的接收机拾取，除非所选频率是广泛分离的和/或谐振器的品质因数非常高（且因此非常昂贵）。广泛分离的频率的选择还导致对功率发射机设计和线圈谐振器设计的相当大的技术和成本约束。在Lee文章中，基频（25 kHz）和三次谐波（75 kHz）被加在一起并且这些电流分量的和由功率发射机产生。然而，不能容易地控制在两个不同频率处的功率传输速率的独立控制。

可以参考图1中示出的无线功率传输（WPT）系统布局来理解将多频用于WPT的某些关键问题。在图1中，假设发射机T能够在多于一个频率处操作。出于简单，假设发射机可以在两个操作频率和处操作，并且WPT系统具有被分别地调谐成在频率和处接收功率的两个接收机-A和B。这样，可以通过控制具有相应频率的电源来单独地控制每个接收机的功率流。

出于简单，在该部分的分析中没有包括中继谐振器R。在图2中示出了具有串联补偿的双接收机系统的集总电路模型，并且下面针对一个操作频率列出了其电路等式。

其中；是发射机环路（loop）中的总电阻，其包括源的源电阻及电感器和电容器的寄生电阻；和是双接收机环路中的电阻，其包括针对N＝A或B的电感器和电容器的“负载”电阻（）（在该分析中假设纯电阻负载）和“寄生”电阻（）；是环路N中的电抗，其等于。例如，针对接收机-A，。

用于每个接收机的主要功率传输路径直接从发射机到接收机。如果接收机被调谐在发射机的操作频率处，则接收机被称作“作为目标的”接收机。否则，其被称作“非作为目标的”接收机。假设接收机-A被调谐到，并且接收机-B被调谐到。由于接收机-A和接收机-B包括谐振器，它们也被称作谐振器-A和谐振器-B。

在图1的示例中，频率的主要功率传输路径是T-A，因为接收机-A是作为目标的接收机，并且传统上针对的功率流阻塞功率传输路径T-B-A以便减少处的谐振器-B中的功率接收。因此，可以将图1中的示例视为两个2谐振器系统的组合。电气先驱NikolaTesla证明了接收机的谐振频率应该等于操作频率以便获得2谐振器系统的最大功率传输效率。参见Lee文章和1914年12月1日发布的N. Tesla的标题是“Apparatus fortransmitting electrical energy”的美国专利号1,119,732。因此，谐振器-A的谐振频率应该等于，并且谐振器-B的谐振频率应该等于F2。因此，

且　　　　　　　　　　　　（4）

针对像被调谐谐振器一样表现的每个接收机，其像带通滤波器一样操作。以谐振器-A为例。它的电流可以被表示为：

　　（5）

其中；是谐振频率处的谐振器-A的品质因数。图3示出了根据操作频率f和品质因数的电流变化。重要的是注意到电流-频率特性的形状取决于线圈谐振器的品质因数（或Q-因数）。如果Q-因数非常高（例如Q＝1000，其难以以低成本实现），则仅陡的电流-频率特性是可能的。一般地，该电流-频率特性展示出钟形曲线，其中它的峰值在谐振频率处或附近。因此，如果非目标接收机的被调谐的谐振频率接近于目标接收机的被调谐的谐振频率，则非目标接收机将也拾取某些电流并且因此非故意地拾取某些功率。由非目标接收机进行的该非故意的功率拾取被称作“交叉干扰”。另一方面，如果Q-因数非常高且电流-频率曲线非常陡，则归因于诸如分量值的温度漂移之类的各种原因的操作频率的轻微偏差可能使得功率传输急剧地减少。

重要的是注意到，在传统方法中正常地不使用非作为目标的接收机谐振器，因为其不是作为目标的接收机。然而，已经论证了（具有一个中继线圈谐振器的）3线圈无线功率传输系统可以在某些设计条件下实现比2线圈对应物更高的能量效率。参见X. Liu在2013年5月31日提交的美国专利申请13/907,483“Inductive power transfer using a relaycoil”。

根据等式（2）和（3），谐振器-A与谐振器-B中的电流之间的比可以被表示为

因为本方法不仅允许在单个频率处到作为目标的接收机的无线功率传输，而且允许在多个频率处到多个作为目标的接收机的无线功率传输，所以以下解释不限于单频操作。

为了量化由作为目标的接收机中的非期望的电流引入的交叉干扰，提出了等于接收机中的由非期望的电流谐波引起的最大功率与由被指定的电流谐波产生的感兴趣的最小输出功率的比的指标，其是预定值。例如，如果接收机的额定输出功率是5 W，并且甚至在输出功率低到额定功率的1/10时也需要将非作为目标的功率限于作为目标的功率的5%内，则该接收机的感兴趣的最小输出功率是0.5 W。假设在图1中的频率和两者处传送功率的一般情况，针对谐振器-A，指标是

其中，是由的电流引起的最大功率并且是由等效负载中的的电流引起的感兴趣的最小功率。

类似地，针对谐振器-B

其中，是由的电流引起的最大功率并且是由等效负载中的的电流引起的感兴趣的最小功率。可以从等式（7）和（8）看出大的指标意味着交叉干扰是显著的且情况不是所期望的。

通过利用等式（6）、（7）和（8），指标可以被重写为

结合图4的系统示出了设计示例，其中给定参数是：；；；；；；；；＝600 kHz；＝500kHz。通过解等式（9）和（10）而计算出的负载电阻的值是和。根据先前的分析，负载电阻值小以便增加接收机的品质因数。然而，小的负载电阻值可能导致低效率。在该情况下，如果负载电阻值被优化，其是且＝1.76Ω，则总效率是48.2%而系统的可能最大效率是59.6%。可以进一步调整负载电阻和操作频率以获得较高的功率传输效率，但是一直存在（由操作频率和负载电阻值决定的）频率差与效率之间做出的折中。并且，应注意的是等式（9）和（10）仅对其中谐振的AC电阻可以被视为恒定的窄频率范围有效。

除实现高效率的困难之外，传统方法的缺点还包括：（1）其不能基本上移除非期望的电流；（2）间接功率传输路径（例如图4中的用于系统中的谐振器-B的T-A-B）未被利用，这是系统的功率传输能力的浪费；以及（3）干扰由于高品质因数而对谐振器的谐振频率（即谐振器的电感和电容值）高度敏感。

存在其中应利用间接功率路径以便提高功率传输能力的许多实际应用。例如，针对图4中示出的系统，用于谐振器-B的直接路径是T-B并且间接功率路径是T-A-B。如果仅使用直接路径，则系统的功率传输效率将低得多。可以利用交叉耦合（或间接）功率传输路径来进一步增加针对单个负载的单个频率处的功率传输的能力已经被发明人论证。参见C.K.Lee、W.X. Zhong和S.Y.R. Hui，“Effects of Magnetic Coupling of Non-adjacentResonators on Wireless Power Domino-Resonator Systems”，IEEE Trans. PowerElectronics, 卷 27，号4,页码：1905-1916，2012年4月。

发明内容

本发明与用于多频无线功率传输系统的方法和装置相关，在所述多频无线功率传输系统中无线功率可以从发射机通过一个或多个无线功率传输通道在一个或多于一个频率处传送，并根据其被具体调谐的频率由一个或多个接收机接收。包括带通和/或带阻电路的辅助电路被并入接收机电路和可选地并入中继电路中，从而促进到被指定的负载的无线功率传输的选择和增强而不引起归因于多频无线功率流控制的使用的显著交叉干扰。

接收机可以包括被调谐在不同的谐振频率处的线圈。如果功率发射机在接收机的被调谐的频率处传送能量，则该接收机被称作作为目标的接收机。否则，其被称作非作为目标的接收机。根据本发明，使用非作为目标的接收机作为中继谐振器来增强发射机线圈与作为目标的接收机线圈之间的耦合并且因此增强它们之间的功率传输。结果，本发明的方法和辅助电路向具有多个接收机的WPT系统添加优点，因为非作为目标的接收机（其传统上未被使用）将被用作中继谐振器。

本发明的新颖的特征是使得对于到多个作为目标的负载的同时功率传输而言多频无线功率传送成为可能。不同于使用不同频率来选择到不同的作为目标的负载的功率传输的其他方法，本发明的一个独有特征是非作为目标的接收机将自动地充当中继谐振器来增强（ⅰ）功率发射机与作为目标的接收机之间的磁耦合并且因此增强（ⅱ）它们之间的功率传输。

本发明的第二个新颖的特征是用于被调谐的接收机的所选操作频率不需要是广泛分离的，因为辅助电路包括带通和/或带阻滤波器，其减少来自非作为目标的频率的任何交叉干扰。

附图说明

根据本发明的说明性实施例的以下详细描述和图，本发明的前述及其他特征将较容易地显而易见，在所述图中：

图1是多频无线功率传输系统的示意性布局；

图2是具有图1中示出的串联补偿的双接收机系统的集总电路模型；

图3示出了根据图2的电路的操作频率f和品质因数QA1的电流变化；

图4示出了从发射机T到谐振器-A和从谐振器-A到谐振器-B的传送路径的示意性视图；

图5是根据本发明的利用辅助电路的多频无线功率传输系统的示意性电路；

图6A-6D示出了四个类型的辅助电路，其针对接收机中的串联连接和并联连接的负载阻塞非作为目标的频率的功率流；

图7示出了用于作为目标的和非作为目标的频率的图4的两个等效电路；

图8A示出了可以用两个被调谐的频率操作的中继谐振器的示例，并且图8B示出了用于针对两个频率的谐振器部分的两个等效电路；

图9是利用辅助电路的图4的布置的电路图；

图10示出了图9的系统的输入电压的波形及其快速傅立叶变换；以及

图11示出了其中针对相应的作为目标的频率设计两个接收机的无线充电工作台（charging table）。

具体实施方式

根据本发明，为了利用间接功率路径，如图5中示出的那样提供了新的辅助电路。假设谐振器-A和谐振器-B的被调谐的谐振频率分别是和，借助于图6中示出的图来解释用于接收机的辅助电路的功能。

图6A-6D示出了四个类型的辅助电路以覆盖针对接收机中的串联连接和并联连接的负载使非作为目标的频率的功率流旁路的分流（shunt）谐振分支和阻塞非作为目标的频率的功率流的并联谐振分支的使用。在传统方法中，接收机包括谐振电感器（L）、谐振电容器（C）和与L和C串联并与C并联连接的负载R。

图6A示出了包括针对串联连接的负载绕过非作为目标的频率处的电流的分流谐振分支的示例性电路。该电路包括用于接收机-A的线圈的（被包围在虚线框中的）辅助电路。线圈电感是并且线圈电阻是。针对接收机-A，是作为目标的频率并且是其非作为目标的频率。在用于接收机-A的辅助电路中，包括和的谐振分支被设计成在频率处谐振，使得其充当分流电路以使由在频率处的功率传送引起的电流短路（旁路）。这样，非作为目标的频率的电流将在闭合环路内循环。该特殊现象提供两个有利的功能。

• 第一，如果发射机正在处传送功率，则的该电流环路将充当中继环路谐振器以增强发射机与（具有作为目标的频率的）接收机-B之间的磁耦合和功率传输。因此，其提供从发射机到接收机-B的额外的功率流路径。

• 第二，闭合环路中的频率的循环电流将不影响（具有其作为目标的频率的）负载。

应注意，两个电容器和被用来形成针对用于接收机-A的谐振频率的谐振电路的部分，并且分流谐振电路被连接在地与和的接合点之间。

为了将图6A的电路设计为接收机-A，使其谐振频率被调谐在目标频率处或附近是必要的。在图7中的等效电路的帮助下，可以实现谐振电感器和电容器的设计。图7示出了图4的两个等效电路——在左边的那个针对频率且在右边的那个针对频率。

在操作频率处，必要的是设计图7中的接收机-A的等效电路使得其在的作为目标的频率处接收功率。在处，与负载连接的辅助电路的总阻抗将等效于与等效负载电阻串联的电容器的总阻抗。接收机-A的总阻抗可以被表示为

其中。因此，用于等效负载电阻和电容器的表达式是：

根据等式（13），可以计算等效电容。然后电感和可以被设计成使得分支在其作为目标的谐振频率处或附近形成谐振回路，其中：

在处，和将使的电流旁路，因此谐振器-A等效于具有作为其补偿电容的中继器（repeater）谐振器，如图7的右边的等效电路中示出的那样。

应用于图6A的设计原理可以被应用于图6B。仅有的差别是在图6B中，负载被跨电容器连接。此外，和被设计成形成针对非作为目标的频率的旁路谐振回路。然后，可以将图6B的电路变换成图7中示出的等效形式。然后，可以导出针对图6B的电路特定的等效负载和等效电容器的等式。根据这些等式，可以用来选择以在根据等式（14）的其作为目标的频率处或附近的频率处形成调谐回路。

不同于使用串联连接和作为带通滤波器使非作为目标的频率的电流短路的图6A和6B的辅助电路，图6C和图6D中的那些使用并联连接的和作为带阻滤波器来阻塞来自接收机-A的非作为目标的频率的电流。图6C具有与电容器串联连接的负载，而图6D具有与并联连接的负载。不管负载的串联或并联连接，图6C和图6D的辅助电路的设计方法遵循与先前描述的原理类似的原理。可以将辅助电路变换成图7的等效形式。然后可以导出等效负载和等效电容等式。可以一起设计和以满足等式（14）。

用于接收机-B的设计方法与用于接收机-A的设计方法相同，除了作为目标的频率是而不是。

基本上，通过用短路来替换图6中的提出的辅助电路中的负载，可以将辅助电路应用于中继谐振器。应将这样的谐振器调谐到多个频率，如果其一般地被用作中继谐振器的话。图8A示出了可以用多于一个被调谐的频率操作的中继谐振器的示例。在该示例中，其被调谐到在频率和处工作。在图8B中示出了针对和的两个等效电路。在处，在框中指示的整个辅助电路具有电容阻抗，其可以补偿并在处形成L-C谐振。在处，和将是谐振的并形成短路以使旁路，从而使得和在处形成L-C谐振。

为了论证本发明的原理，如图4中示出的那样，建立了3线圈无线功率传输系统。在该示例中，成一直线地放置发射机、接收机-A和接收机-B。针对图4中示出的成直线的（straight）系统，在功率传输效率方面，用于谐振器-B的间接路径T-A-B比直接路径T-B有意义得多。因此，应利用该间接路径。然而，用于谐振器-A的间接路径T-B-A具有可忽略的效果，由于直接路径T-A是非常高效的。一般地，如果用于接收机中的一个（例如B）的间接路径是重要的，则其意味着T-A（路径T-A-B的部分）之间的耦合应比T-B（直接路径）之间的耦合的更强。针对谐振器-A，间接路径T-B-A较弱，因为T-B（T-B-A的部分）之间的耦合已经比T-A（直接路径）之间的耦合弱。因此，间接路径T-B-A具有比直接路径T-A少得多的针对功率传输的贡献。

基于图4中的系统，在谐振器-A中使用一个辅助电路。在图9中的系统的电路图中示出了参数和负载电阻值。使用包括两个频率（即500 kHz和600 kHz）的激励电压来驱动发射机线圈。

表Ⅰ列出了在有和没有辅助电路的情况下的计算的和实验的结果。根据这些结果，具有提出的辅助电路的系统的交叉干扰在与没有辅助电路的那些相比较时减少很多。在额定输出功率的情况下，通过应用提出的辅助电路，功率传输效率（PTE）提高是约13%。

表Ⅰ——在具有辅助电路和不具有辅助电路的成直线的WPT系统的计算的和实验的结果之间的比较

图10示出了系统的输入电压的波形及其快速傅立叶变换（FFT）。清楚的是，输入电压主要包括两个分量500 kHz和600 kHz。表Ⅱ-Ⅳ示出了在具有和不具有提出的辅助电路的系统之间的输出电压波形比较。

表Ⅱ在具有辅助电路和不具有辅助电路的成直线的WPT系统的干扰之间的比较且P _A＝P _B＝2.5W

表Ⅲ——在具有辅助电路和不具有辅助电路的成直线的WPT系统的干扰之间的比较且P _A＝2.5W；P _B＝0.25W

表Ⅳ——在具有辅助电路和不具有辅助电路的成直线的WPT系统的干扰之间的比较且P _A＝0.25W；P _B＝2.5W

基于这些实际测量，可以推断辅助电路适合于具有多频操作的无线功率传输系统。辅助电路减少了来自非作为目标的频率的功率的交叉干扰。同时，其提高了总的系统能量效率。

一个应用示例是在在两个或更多类型的负载在其上面被充电的无线充电平台的设计中使用本发明。如果不同类型的负载被分配有不同的作为目标的频率，则非目标接收机仍可以改进发射机与作为目标的接收机之间的耦合和功率流传输。以图11的无线系统为例，其中两个接收机被针对相应的作为目标的频率和设计。可以以多个负载可以被放置在其上并被同时充电的无线充电工作台的形式实现该示例。当由发射机提供多频功率激励时，两个接收机将根据其相应的作为目标的频率接收功率。用辅助电路，接收机-A将充当用于增强用于接收机B的功率传输的中继线圈。这样，实质上扩展了充电器的高效功率传输范围。

虽然已参考本发明的优选实施例特别地示出和描述了本发明，但将由本领域那些技术人员理解的是可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下在其中做出形式和细节上的各种改变。

Claims

1.一种用于在多于一个频率处传输功率的无线功率传输系统，包括：

发射机，其能够在多于一个频率处无线地传送功率；

第一作为目标的接收机，其用于从发射机接收在第一频率处的功率；

第二非作为目标的接收机，其用于从发射机接收在第二频率而不是第一频率处的功率；

在所述第二非作为目标的接收机中的辅助电路，从而确保从所述第二非作为目标的接收机到作为目标的接收机的适当的频率选择性的无线功率流，其中由非作为目标的接收机保持的拾取功率被基本上减少，即使用于作为目标的和非作为目标的接收机的所选的被调谐的频率不是广泛分离的。

2.根据权利要求1所述的功率传输系统，其中辅助电路充当用以在使第一频率处的功率分流到第二非作为目标的接收机的负载之前分流到地的带通滤波器或用以防止第一频率处的功率到第二非作为目标的接收机的负载的流动的带阻滤波器中的一个。

3.根据权利要求1所述的功率传输系统，其中辅助电路使得第二非作为目标的接收机的部分充当针对第一频率的谐振器，从而在第一频率处从第一作为目标的接收机向第二非作为目标的接收机传送功率。

4. 根据权利要求1所述的功率传输系统，其中第二非作为目标的接收机是中继电路。

5.根据权利要求2所述的功率传输系统，其中第二非作为目标的接收机包括谐振电感器、谐振电容器和负载，负载能与谐振电感器和电容器串联连接或者与谐振电容器并联连接；以及

其中辅助电路被进一步设计成充当针对第一频率的谐振器，从而在第一频率处从第一作为目标的接收机向第二非作为目标的接收机传送功率。

6.根据权利要求5所述的功率传输系统，其中谐振电容器在与被连接到负载的一侧的谐振电容器的一部分串联连接的两个部分中，并且

其中辅助电路是包括连接的谐振电容器、辅助电感器和辅助电容器的带通滤波器，辅助电容器和电感器被串联连接在谐振电容器的两个部分与负载的另一侧之间。

7.根据权利要求5所述的功率传输系统，其中谐振电容器在两个部分中，其中一部分与负载并联连接并且另一部分与负载和谐振电感器串联连接，并且

其中辅助电路是包括谐振电容器、辅助电感器和辅助电容器的带通滤波器，其中辅助电感器和辅助电容器被串联地连接并且该组合与谐振电容器的一部分和负载并联连接。

8.根据权利要求5所述的功率传输系统，其中谐振电容器在两个部分中，其中一部分与负载的一侧串联连接，并且

其中辅助电路是带阻滤波器，其包括相互并联连接且在接合点处与谐振电感器串联连接的辅助电感器和辅助电容器以及谐振电容器的一部分，所述辅助电路进一步包括谐振电容器的另一部分，其被连接在辅助电容器和电感器与谐振电感器的接合点与负载的另一侧之间。

9.根据权利要求5所述的功率传输系统，其中谐振电容器在两个部分中，其中一部分与负载并联连接，并且

辅助电路是带阻滤波器，其包括相互并联连接且在接合点处与谐振电感器串联连接并与负载串联连接的辅助电感器和辅助电容器，所述辅助电路进一步包括谐振电容器的一部分和谐振电容器的另一部分，其被连接在辅助电容器和电感器与谐振电感器的接合点与负载的另一侧之间。