CN106849257A - 磁耦合共振式无线充电系统的自动阻抗匹配装置及方法 - Google Patents

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CN106849257A CN201710145518.8A CN201710145518A CN106849257A CN 106849257 A CN106849257 A CN 106849257A CN 201710145518 A CN201710145518 A CN 201710145518A CN 106849257 A CN106849257 A CN 106849257A
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刘竞升
赵毓斌
须成忠
王晓东
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Abstract

本发明公开了一种磁耦合共振式无线充电系统的自动阻抗匹配装置，其包括有：阻抗匹配网络，包括有多个供于选择的阻抗匹配支路；发射端LC谐振线圈，并联于阻抗匹配网络的后端；检测模块，其用于测量发射端LC谐振线圈的输入阻抗；控制单元，连接于检测模块与阻抗匹配网络之间，所述控制单元用于对检测模块测量的输入阻抗进行运算，在满足发射端LC谐振线圈的输入阻抗与功率放大器的内阻共轭匹配的条件下，运算得出发射端LC谐振线圈所需的阻抗匹配参数，并将所述阻抗匹配网络中与该阻抗匹配参数相对应的阻抗匹配支路连接于发射端LC谐振线圈。本发明实现了磁耦合共振式无线充电系统中的自动阻抗匹配功能。

Description

磁耦合共振式无线充电系统的自动阻抗匹配装置及方法
技术领域
本发明涉及无线充电系统，尤其涉及一种磁耦合共振式无线充电系统的自动阻抗匹配装置及方法。
背景技术
无线充电技术是一种应用前景十分广阔的技术，它的优点是安全，可靠，灵活。当今时代，无线充电主要有三种形式：电磁感应式；磁耦合共振式；微波辐射式。其中磁耦合共振式利用近场区的能量非辐射特性，基于共振原理，通过发射线圈与接收线圈之间的耦合谐振作用令到能量在具有相同谐振频率的发射线圈和接收线圈之间来回传递，而不同频率的物体基本不受影响。这种技术相对于电磁感应式，传输的距离大大增加；相对于微波辐射式，其传输效率大大提高。在磁共振式无线充电的过程中，手机、平板、可穿戴设备等接收端的不断移动会通过互感作用引起较大的发射端LC谐振线圈输入阻抗的变化，导致发射端LC谐振线圈的输入阻抗与电源(功率放大器)的内阻不满足共轭负匹配，从而大大减少发射端LC谐振线圈从电源处获得的功率，严重的时候，甚至导致电源的功率不能够传送至发射端LC谐振线圈，使接收端无法充电。
现有技术中，中国专利CN205647044U在理念上提出了一种具有自适应调节能力的磁耦合谐振式无线充电装置，其中关于自动阻抗匹配网络的设计，它在发射线圈的控制系统中利用了定向耦合器，衰减器及反射系数检测模块，原理上是通过测线发射端网络的S参数，然后再根据特定的算法来计算出所阻抗匹配网络所需要的电感电容值。中国专利CN103825467A提出了一种具有阻抗匹配网络的充电系统的高频变换电路，虽然此专利提及到阻抗匹配，但其设计目的是为了制作宽负载变化范围的无线电能传输发射电路，而且它的技术核心是在发射线圈与常规功率放大器之间增加了一个固定的阻抗匹配网络，并没有应用一些可调电感，可调电容之类的可调元件实行阻抗匹配网络的可调性，从而导致应用范围窄。
经研究表明，现有技术中的阻抗匹配原理多是把发射端线圈作为一个整体二端口网络，测量其S参数，然后通过测量所得的S参数来推导出需要的阻抗匹配网络类型及相应的电感电容元件的值，从而进行发射端线圈的阻抗匹配。这些方法大都采用网络分析仪来实时测量S参数，并将实时测得的S参数反馈到发射端的控制系统，经由控制系统对测得的S参数进行处理，得出相应的电感电容值，然后采取措施搭建阻抗匹配网络。这些方法仅仅适用于实验目的，无法被集成到一个产品中，所以适用范围有限，不适合应用在产品开发上。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种磁耦合共振式无线充电系统的自动阻抗匹配装置及方法，该装置及方法基于对电路Z参数的测量，可有效解决现有共振式无线充电系统中，发射端LC谐振线圈的无法实现阻抗匹配等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种磁耦合共振式无线充电系统的自动阻抗匹配装置，其包括有：一阻抗匹配网络，其前端用于连接功率放大器，所述阻抗匹配网络包括有多个供于选择的阻抗匹配支路，多个阻抗匹配支路的参数不同；一发射端LC谐振线圈，并联于阻抗匹配网络的后端，所述发射端LC谐振线圈用于从功率放大器获取交流电，并在空间中形成交变的电磁场；一检测模块，其用于测量发射端LC谐振线圈的输入阻抗；一控制单元，连接于检测模块与阻抗匹配网络之间，所述控制单元用于对检测模块测量的输入阻抗进行运算，在满足发射端LC谐振线圈的输入阻抗与功率放大器的内阻共轭匹配的条件下，运算得出发射端LC谐振线圈所需的阻抗匹配参数，并将所述阻抗匹配网络中与该阻抗匹配参数相对应的阻抗匹配支路连接于发射端LC谐振线圈。
优选地，所述阻抗匹配支路的参数包括阻抗匹配类型，以及用于组成阻抗匹配支路的电容的电容值和电感的电感值。
优选地，所述阻抗匹配网络包括有多个相互并联的第一电容支路、多个相互并联的第二电容支路、第一电感支路、第二电感支路和第一继电器，所述第一电感支路和第二电感支路相互并联，所述第一电容支路的前端用于连接功率放大器，所述第一电容支路的后端连接于第一电感支路的前端，所述第一电感支路的后端和所述第二电容支路的后端分别连接于发射端LC谐振线圈的两端，其中：所述第一电容支路包括有第二继电器和第一电容，所述第二继电器的一对触点与第一电容相串联；所述第一电感支路包括有第三继电器和第一电感，所述第三继电器的一对触点与第一电感相串联；所述第二电感支路包括有第八继电器和第二电感，所述第八继电器的一对触点与第二电感相串联；所述第二电容支路包括有第四继电器和第二电容，所述第四继电器的一对触点与第二电容相串联；所述第一继电器的控制端、第二继电器的控制端、第三继电器的控制端、第八继电器的控制端和第四继电器的控制端分别电性连接于控制单元，所述第一继电器为Z型继电器，所述第一继电器的两个静触点分别连接于第一电容支路的前端和第一电感支路的后端，所述第一继电器的动触点连接于第二电容支路的前端，所述第一继电器用于响应控制单元发出的控制指令而驱使其动触点与两个静触点择一吸合；所述控制单元用于运算得出发射端LC谐振线圈所需的阻抗匹配参数，并通过控制第一继电器、第二继电器、第三继电器、第八继电器和第四继电器的通断状态，以令相应的第一电容、相应的第二电容与第一电感组成L型阻抗匹配支路，或者相应的第一电容、相应的第二电容与第二电感组成反L型阻抗匹配支路。
优选地，还包括有第五继电器、第六继电器和第七继电器，所述第五继电器的一对触点并联于第一电容支路的前后两端，所述第六继电器的一对触点并联于第一电感支路的前后两端，所述第七继电器的一对触点串联于第二电容支路的后端，所述第五继电器的控制端、第六继电器的控制端和第七继电器的控制端分别连接于控制单元，藉由所述控制单元而控制第五继电器、第六继电器和第七继电器的触点通断状态。
一种磁耦合共振式无线充电系统的自动阻抗匹配方法，该方法基于一系统实现，所述系统包括有一阻抗匹配网络、一发射端LC谐振线圈、一检测模块及一控制单元，所述阻抗匹配网络的前端用于连接功率放大器，所述发射端LC谐振线圈并联于阻抗匹配网络的后端，所述控制单元连接于检测模块与阻抗匹配网络之间，所述阻抗匹配网络包括有多个供于选择的阻抗匹配支路，多个阻抗匹配支路的参数不同，所述方法包括如下步骤：步骤S1，所述检测模块测量发射端LC谐振线圈的输入阻抗并传输至控制单元；步骤S2，所述控制单元对所述输入阻抗进行运算，在满足发射端LC谐振线圈的输入阻抗与功率放大器的内阻共轭匹配的条件下，运算得出发射端LC谐振线圈所需的阻抗匹配参数；步骤S3，所述控制单元将所述阻抗匹配网络中与该阻抗匹配参数相对应的阻抗匹配支路连接于发射端LC谐振线圈；步骤S4，所述发射端LC谐振线圈从功率放大器获取交流电，并在空间中形成交变的电磁场；每间隔预设时间而重复执行步骤S1至步骤S4。
优选地，所述步骤S2包括：步骤S20，所述控制单元将发射端LC谐振线圈的输入阻抗ZL设定为复数：ZL＝RL+jXL；其中，RL为实部，jXL为虚部；步骤S21，判断实部RL是否大于功率放大器内阻Z0，若是，则执行步骤S22，若否，则执行步骤S23；步骤S22，选择L型阻抗匹配支路，依据如下公式计算L型阻抗匹配支路中并联元件的目标电抗值B：其中，Z0为功率放大器内阻，f为功率放大器输出交流电的频率；再依据如下公式计算L型阻抗匹配支路中串联元件的目标电抗值X：步骤S23，选择反L型阻抗匹配支路，依据如下公式计算反L型阻抗匹配支路中并联元件的目标电抗值B：其中，Z0为功率放大器内阻，f为功率放大器输出交流电的频率；再依据如下公式计算反L型阻抗匹配支路中串联元件的目标电抗值X：
优选地，执行步骤S22之后，还包括L型阻抗匹配支路选择接通步骤：步骤S220，将多个第一电容支路中的多个第一电容记为Ca1...Can电容阵列，多个第二继电器(A1...An)之一闭合，多个第四继电器(D1...Dm)之一闭合，第三继电器闭合，使得第一电容与两个电感支路中的第一电感组成串联等效电感，则该串联等效电感的感抗值XN为：所述控制单元计算出每个第一电容接入时串联等效电感的感抗值XN(N＝1…n)，再将每个感抗值XN(N＝1…n)分别与步骤S22中串联电感的感抗目标值X作差平方运算，将差平方最小的感抗XN确定为L型阻抗匹配支路所需的串联等效电感，指定该感抗值XN所对应的第一电容，并将该第一电容所串联的第二继电器接通；步骤S221，将多个第二电容支路中的多个第二电容记为Cb1…Cbm阵列，所述控制单元计算多个第二电容的容抗值BM：BM＝ωCbM(M＝1…m)；之后，所述控制单元将每个容抗值BM(M＝1…m)与步骤S22中并联电容的容抗值目标值B作差平方运算，将差平方最小的容抗值BM确定为阻抗匹配支路所需的容抗，指定该容抗值BM所对应的第二电容，并将该第二电容所串联的第四继电器接通。
优选地，执行步骤S23之后，还包括反L型阻抗匹配支路选择接通步骤：步骤S230，将多个第一电容支路中的多个第一电容记为Ca1...Can电容阵列，多个第二继电器(A1...An)之一闭合，多个第四继电器(D1...Dm)之一闭合，第八继电器闭合，使得第一电容与两个电感支路中的第二电感组成串联等效电感，则该串联等效电感的感抗值XN为：所述控制单元计算出每个第一电容接入时串联等效电感的感抗值XN(N＝1…n)，再将每个感抗值XN(N＝1…n)分别与步骤S23中串联电感的感抗目标值X作差平方运算，将差平方最小的感抗XN确定为反L型阻抗匹配支路所需的串联等效电感，指定该感抗值XN所对应的第一电容，并将该第一电容所串联的第二继电器接通；步骤S231，将多个第二电容支路中的多个第二电容记为Cb1…Cbm阵列，所述控制单元计算多个第二电容的容抗值BM：BM＝ωCbM(M＝1…m)；之后，所述控制单元将每个容抗值BM(M＝1…m)与步骤S23中并联电容的容抗值目标值B作差平方运算，将差平方最小的容抗值BM确定为阻抗匹配支路所需的容抗，指定该容抗值BM所对应的第二电容，并将该第二电容所串联的第四继电器接通。
本发明公开的磁耦合共振式无线充电系统的自动阻抗匹配装置中，首先由所述检测模块测量发射端LC谐振线圈的输入阻抗并传输至控制单元，之后所述控制单元对所述输入阻抗进行运算，在满足发射端LC谐振线圈的输入阻抗与功率放大器的内阻共轭匹配的条件下，运算得出发射端LC谐振线圈所需的阻抗匹配参数，再将所述阻抗匹配网络中与该阻抗匹配参数相对应的阻抗匹配支路连接于发射端LC谐振线圈，最后发射端LC谐振线圈从功率放大器获取交流电，并在空间中形成交变的电磁场。每隔预设时间重复上述过程，以确保整个系统能够对不断变化的发射端LC谐振线圈的输入阻抗及时应对，使得阻抗匹配网络和发射端LC谐振线圈构成的能量辐射单元能够最大程度上与功率放大器共轭负匹配，从而保证功率能够高效地传输。
附图说明
图1为无线充电系统的组成框图。
图2为阻抗匹配网络的电路原理图。
图3为本发明优选实施例中自动阻抗匹配方法的流程图。
图4为计算阻抗匹配参数过程的流程图。
图5为L型阻抗匹配支路的等效电路图。
图6为反L型阻抗匹配支路的等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
本发明公开了一种磁耦合共振式无线充电系统的自动阻抗匹配装置，结合图1和图2所示，其包括有：
一阻抗匹配网络1，其前端用于连接功率放大器5，所述阻抗匹配网络1包括有多个供于选择的阻抗匹配支路，多个阻抗匹配支路的参数不同；
一发射端LC谐振线圈2，并联于阻抗匹配网络1的后端，所述发射端LC谐振线圈2用于从功率放大器获取交流电，并在空间中形成交变的电磁场；
一检测模块3，其用于测量发射端LC谐振线圈2的输入阻抗；
一控制单元4(即为MCU)，连接于检测模块3与阻抗匹配网络1之间，所述控制单元4用于对检测模块3测量的输入阻抗进行运算，在满足发射端LC谐振线圈2的输入阻抗与功率放大器的内阻共轭匹配的条件下，运算得出发射端LC谐振线圈2所需的阻抗匹配参数，并将所述阻抗匹配网络1中与该阻抗匹配参数相对应的阻抗匹配支路连接于发射端LC谐振线圈2。
上述自动阻抗匹配装置中，首先由所述检测模块3测量发射端LC谐振线圈2的输入阻抗并传输至控制单元4，之后所述控制单元4对所述输入阻抗进行运算，在满足发射端LC谐振线圈2的输入阻抗与功率放大器的内阻共轭匹配的条件下，运算得出发射端LC谐振线圈2所需的阻抗匹配参数，再将所述阻抗匹配网络1中与该阻抗匹配参数相对应的阻抗匹配支路连接于发射端LC谐振线圈2，最后发射端LC谐振线圈2从功率放大器获取交流电，并在空间中形成交变的电磁场，使得处于该电磁场内的接收端能够产生感应电动势，从而实现能量的传输。每隔预设时间重复上述过程，以确保整个系统能够对不断变化的发射端LC谐振线圈的输入阻抗及时应对，使得阻抗匹配网络和发射端LC谐振线圈构成的能量辐射单元能够最大程度上与功率放大器共轭负匹配，从而保证功率能够高效地传输。
其中，功率放大器5用于进行功率放大，进而提高能量强度。对于接收端而言，其包括接收端LC谐振线圈100、全桥整理电路101、DC-DC稳压模块102和负载103，实际应用中，接收端也可设置阻抗匹配网络，本发明仅对发射端进行配置，因此，对接收端的具体结构不作赘述。
作为一种优选方式，所述阻抗匹配支路的参数包括阻抗匹配类型，以及用于组成阻抗匹配支路的电容的电容值和电感的电感值。
关于阻抗匹配网络的具体结构，请参照图2、图5和图6，所述阻抗匹配网络1包括有多个相互并联的第一电容支路10、多个相互并联的第二电容支路12、第一电感支路11、第二电感支路13和第一继电器K1，所述第一电感支路11和第二电感支路13相互并联，所述第一电容支路10的前端用于连接功率放大器，所述第一电容支路10的后端连接于第一电感支路11的前端，所述第一电感支路11的后端和所述第二电容支路12的后端分别连接于发射端LC谐振线圈2的两端，其中：
所述第一电容支路10包括有第二继电器和第一电容，所述第二继电器的一对触点与第一电容相串联；
所述第一电感支路11包括有第三继电器H1和第一电感L1，所述第三继电器H1的一对触点与第一电感L1相串联；
所述第二电感支路13包括有第八继电器H2和第二电感L2，所述第八继电器H2的一对触点与第二电感L2相串联；
所述第二电容支路12包括有第四继电器和第二电容，所述第四继电器的一对触点与第二电容相串联；
所述第一继电器K1的控制端、第二继电器的控制端、第三继电器H1的控制端、第八继电器H2的控制端和第四继电器的控制端分别电性连接于控制单元4，所述第一继电器K1为Z型继电器，所述第一继电器K1的两个静触点分别连接于第一电容支路10的前端和第一电感支路11的后端，所述第一继电器K1的动触点连接于第二电容支路12的前端，所述第一继电器K1用于响应控制单元4发出的控制指令而驱使其动触点与两个静触点择一吸合；
所述控制单元4用于运算得出发射端LC谐振线圈2所需的阻抗匹配参数，并通过控制第一继电器K1、第二继电器、第三继电器H1、第八继电器H2和第四继电器的通断状态，以令相应的第一电容、相应的第二电容与第一电感L1组成L型阻抗匹配支路，或者相应的第一电容、相应的第二电容与第二电感L2组成反L型阻抗匹配支路。
本实施例中，所述第一继电器K1包括有两个静触点及一动触点，动触点位于两个静触点之间，根据Z型继电器的原理，当所述第一继电器K1接收到控制单元4发出的控制指令时，驱使动触点跳变，使得该动触点与两个静触点中的一个吸合连接，当控制指令发生变化时，可驱使该动触点与两个静触点中的另一个吸合连接。本实施例以动触点与两个静触点择一选通的方式实现了电路切换，其仅是本发明的一个较佳的电路结构，并不用于限制本发明，在实际应用中，还可以根据需要而选用其他具有同等功能的器件或者组合开关电路，而这些器件、电路的选择均是在本发明的精神指导下进行的，因此均应当包含在本发明的保护范围之内。
进一步地，本实施例还包括有第五继电器E1、第六继电器F1和第七继电器K2，所述第五继电器E1的一对触点并联于第一电容支路10的前后两端，所述第六继电器F1的一对触点并联于第一电感支路11的前后两端，所述第七继电器K2的一对触点串联于第二电容支路12的后端，所述第五继电器E1的控制端、第六继电器F1的控制端和第七继电器K2的控制端分别连接于控制单元4，藉由所述控制单元4而控制第五继电器E1、第六继电器F1和第七继电器K2的触点通断状态。其中，第六继电器F1用于第一电感支路11短接、第七继电器K2用于将第二电容支路12短接，第七继电器K2用于控制阻抗匹配网络的接入与否。
上述电路结构为本发明优选的实施例，但是在实际应用中，还可以预设多条供切换的阻抗匹配支路，每条阻抗匹配支路中设有固定参数的电容和电感，控制单元经运算确定电容电感的参数时，可直接选择切换相对应的阻抗匹配支路，这种方式的劣势在于需要配置较多的阻抗匹配支路，其优势在于开关器件数量较少，方便于切换并且故障率较低。
在上述电路结构的基础上，本发明通过如下方法实现自动阻抗匹配。
结合图1至图6所示，该方法基于一系统实现，所述系统包括有一阻抗匹配网络1、一发射端LC谐振线圈2、一检测模块3及一控制单元4，所述阻抗匹配网络1的前端用于连接功率放大器，所述发射端LC谐振线圈2并联于阻抗匹配网络1的后端，所述控制单元4连接于检测模块3与阻抗匹配网络1之间，所述阻抗匹配网络1包括有多个供于选择的阻抗匹配支路，多个阻抗匹配支路的参数不同，所述方法包括如下步骤：
步骤S1，所述检测模块3测量发射端LC谐振线圈2的输入阻抗并传输至控制单元4；
步骤S2，所述控制单元4对所述输入阻抗进行运算，在满足发射端LC谐振线圈2的输入阻抗与功率放大器的内阻共轭匹配的条件下，运算得出发射端LC谐振线圈2所需的阻抗匹配参数；
步骤S3，所述控制单元4将所述阻抗匹配网络1中与该阻抗匹配参数相对应的阻抗匹配支路连接于发射端LC谐振线圈2；
步骤S4，所述发射端LC谐振线圈2从功率放大器获取交流电，并在空间中形成交变的电磁场；
每间隔预设时间而重复执行步骤S1至步骤S4。
上述方法中，由于存在自动阻抗匹配过程，所以无论接收端怎样移动，发射端的输入阻抗都能够因为阻抗匹配网络的作用被最大程度调整到与功率放大器内阻共轭负匹配，使得功率放大器的能量始终能够最大程度地传送到发射端LC谐振线圈上，从而能够大大提高无线充电系统的充电效率及延长充电距离。
关于具体的匹配运算过程，有如下原理说明：在电磁学里，关于功率传输有一条重要的理论：当负载阻抗值ZL跟功率放大器内阻Z0互为共轭复数时，即负载与功率放大器内阻共轭负匹配时，负载端能够获得最大功率。一般情况下，磁共振式无线充电系统是由一个输出为高频正弦波信号的功率放大器驱动的，该功率放大器可以等效为一个幅值为US，等效串联内阻为Z0的电源网络，而无线充电系统中的发射端LC谐振线圈则为该电源网络的负载。假设发射端线圈的输入阻抗为ZL(即负载阻抗值为ZL)，在实际的充电活动中，接收端(便携式电子设备等)多数情况下处于一个移动状态，由于发射线圈与接收线圈之间存在互感效应，发射端线圈的输入阻抗ZL变化非常巨大，这直接导致了ZL的值跟Z0的值严重不匹配，使发射线圈接收到的功率很小，导致整体的充电效果大大降低。本发明的基本内容就是就是在电源网络与发射端线圈之间增加自动阻抗匹配网络，检测模块以及控制单元，控制单元通过检测模块从发射端LC谐振线圈两端检测得到的数据对该阻抗匹配网络进行自动控制和调节，无论接收端(充电设备)怎样移动，发射端的LC谐振线圈都能够因为阻抗匹配网络的存在而被调整到与非常接近于与Z0共轭负匹配的状态，从而实现功率的高效传输。
本实施例中的匹配运算过程请参照图4，所述步骤S2包括：
步骤S20，所述控制单元4将发射端LC谐振线圈2的输入阻抗ZL设定为复数：
ZL＝RL+jXL；
其中，RL为实部，jXL为虚部；
步骤S21，判断实部RL是否大于功率放大器内阻Z0，若是，则执行步骤S22，若否，则执行步骤S23；
步骤S22，选择L型阻抗匹配支路，依据如下公式计算L型阻抗匹配支路中并联元件的目标电抗值B：
其中，Z0为功率放大器内阻，f为功率放大器输出交流电的频率；从公式上看，B可取正值或负值，+B代表电容，-B代表电感，由相应的容抗值与电容值的关系或感抗值与电感值的关系即能求出相应的电容值或电感值；
再依据如下公式计算L型阻抗匹配支路中串联元件的目标电抗值X：
从公式上看，X可取正值或负值。正X代表电抗，负X代表电容。由相应的容抗值与电容值的关系或感抗值与电感值的关系能求出相应的电容值或电感值；
步骤S23，选择反L型阻抗匹配支路，依据如下公式计算反L型阻抗匹配支路中并联元件的目标电抗值B：
其中，Z0为功率放大器内阻，f为功率放大器输出交流电的频率；从公式上看，B可取正值或负值。+B代表电容，-B代表电感，由相应的容抗值与电容值的关系或感抗值与电感值的关系能求出相应的电容值或电感值。
再依据如下公式计算反L型阻抗匹配支路中串联元件的目标电抗值X：
从公式上看，X可取正值或负值，+X代表电感，-X代表电容，由相应的容抗值与电容值的关系或感抗值与电感值的关系能求出相应的电容值或电感值；
处理过程中，发射端LC谐振线圈的输入阻抗ZL多数情况下是一个复数，由实部和虚部构成，本实施例假设为ZL＝RL+jXL。本实施例中，功率放大器的等效内阻Z0，根据共轭负匹配时功率传输效率最大的原理，应将发射端LC谐振线圈的输入阻抗匹配成，即阻抗匹配网络加上发射端LC谐振线圈后，总的输入阻抗为Z0。首先，控制单元会对这个阻抗值的实部RL进行一个初步的判断，当RL的值大于Z0，阻抗匹配网络应选用L型阻抗匹配网络。
理论上RL的值可能会刚好等于Z0，但是这种情况出现的可能性十分低，为了减少自动阻抗匹配系统网络的复杂度，本实施例对此情况不作考虑。
在系统的初始状态的时候，阻抗匹配网络是不被接入到发射端LC谐振线圈的，故第五继电器E1、第六继电器F1闭合，第七继电器K2断开，第一继电器K1可以打向A或B任意一端。阻抗匹配过程中，参数确定过程可参考如下步骤。
以上所叙述的是整个通用的L型阻抗匹配网络设计思路，但是在实际应用中，并不需要考虑那么多的情况。正如前面所述的，对应于L型阻抗匹配网络，会有4种不同的组合。对应于反L型阻抗匹配网络，系统会有4种不同的组合。在设计L型阻抗匹配网络之前，应该先应用网络分析仪对可能出现的阻抗变换范围作一个初步的预估，然后计算出所需要的并联元件以及串联元件的值的范围，再根据计算出的值的范围选取相应的元件，设计相应的阻抗匹配网络。本实施例提出的阻抗匹配网络，是针对一个具体的实际系统，经过网络分析仪测量，发现其串联元件总是呈现感性，其并联元件总是呈现容性，所以本实施例的技术方案就默认串联元件为电感性元件，并联元件为电容元件，并根据测得的值，提前预估所需要的电感电容元件的值，然后构建出本实施例所展示的阻抗匹配网络。
本实施例中，对于L型电路而言，执行步骤S22之后，还包括L型阻抗匹配支路选择接通步骤：
步骤S220，将多个第一电容支路10中的多个第一电容记为Ca1...Can电容阵列，多个第二继电器(A1...An)之一闭合，多个第四继电器(D1...Dm)之一闭合，第三继电器H1闭合，使得第一电容与两个电感支路11中的第一电感L1组成串联等效电感，则该串联等效电感的感抗值XN为：
所述控制单元4计算出每个第一电容接入时串联等效电感的感抗值XN(N＝1…n)，再将每个感抗值XN(N＝1…n)分别与步骤S22中串联电感的感抗目标值X作差平方运算，将差平方最小的感抗XN确定为L型阻抗匹配支路所需的串联等效电感，指定该感抗值XN所对应的第一电容，并将该第一电容所串联的第二继电器接通；
步骤S221，将多个第二电容支路12中的多个第二电容记为Cb1…Cbm阵列，所述控制单元4计算多个第二电容的容抗值BM：
BM＝ωCbM(M＝1…m)；
之后，所述控制单元4将每个容抗值BM(M＝1…m)与步骤S22中并联电容的容抗值目标值B作差平方运算，将差平方最小的容抗值BM确定为阻抗匹配支路所需的容抗，指定该容抗值BM所对应的第二电容，并将该第二电容所串联的第四继电器接通。
上述L型阻抗匹配支路选择接通步骤的原理举例：例如图2中所示，当控制单元判定认为需要接入L型阻抗匹配网络时，K1打向B端，H1闭合，H2，F1断开，即在电感阵列中的L1接入电路，L2不接。在Can电容阵列中，电磁继电器A1到An的其中一个闭合；在Cbm电容阵列中，继电器D1到Dm的其中一个闭合，通过这样的方式，一个L型阻抗匹配网络就形成了。在这个形成的L型阻抗匹配网络中，串联等效电感的感抗值为控制单元会计算出所有XN(N＝1…n)的值，然后将每个XN(N＝1…n)值分别与步骤S22中计算得到的关于L型阻抗匹配网络的X值进行比较，与X的差的平方最小的XN将被确定为最终L型阻抗匹配网络所采用的XN，其对应于Can电容阵列中的Can上的电磁继电器An将会被闭合。同理，并联电容的容抗值为BM＝ωCbM(M＝1…m)，控制单元会计算出所有BM(M＝1…m)的值，然后将每个BM(M＝1…m)与步骤S22所计算得到的关于L型阻抗匹配网络的B值进行比较，与B值的差的平方最小的BM值将会作为最终的BM值，与其对应的Cbm电容阵列中的Cbm上的电磁继电器Dm将会被闭合D1。
本实施例中，对于反L型电路而言，执行步骤S23之后，还包括反L型阻抗匹配支路选择接通步骤：
步骤S230，将多个第一电容支路10中的多个第一电容记为Ca1...Can电容阵列，多个第二继电器(A1...An)之一闭合，多个第四继电器(D1...Dm)之一闭合，第八继电器H2闭合，使得第一电容与两个电感支路11中的第二电感L2组成串联等效电感，则该串联等效电感的感抗值XN为：
所述控制单元4计算出每个第一电容接入时串联等效电感的感抗值XN(N＝1…n)，再将每个感抗值XN(N＝1…n)分别与步骤S23中串联电感的感抗目标值X作差平方运算，将差平方最小的感抗XN确定为反L型阻抗匹配支路所需的串联等效电感，指定该感抗值XN所对应的第一电容，并将该第一电容所串联的第二继电器接通；
步骤S231，将多个第二电容支路12中的多个第二电容记为Cb1…Cbm阵列，所述控制单元4计算多个第二电容的容抗值BM：
BM＝ωCbM(M＝1…m)；
之后，所述控制单元4将每个容抗值BM(M＝1…m)与步骤S23中并联电容的容抗值目标值B作差平方运算，将差平方最小的容抗值BM确定为阻抗匹配支路所需的容抗，指定该容抗值BM所对应的第二电容，并将该第二电容所串联的第四继电器接通。
上述反L型阻抗匹配支路选择接通步骤的原理举例：例如图2中所示，当控制单元判定认为需要接入反L型阻抗匹配网络时，开关K1打向A端，电磁继电器H2闭合，H1，F1断开，即在电感阵列中接入电感L2,然后在Can电容阵列中，电磁继电器A1到An的任意一个闭合，然后在Cbm电容阵列中，电磁继电器D1到Dm的任意一个闭合，通过这样的方式，一个反L型阻抗匹配网络就形成了。在这个形成的反L型阻抗匹配网络中，串联等效电感的感抗值为(N＝1…n)，控制单元会计算出所有XN(N＝1…n)的值，然后将每个XN(N＝1…n)值分别与步骤S23中计算得到的关于反L型阻抗匹配网络的X值进行比较，与X的差的平方最小的XN将被确定为最终L型阻抗匹配网络所采用的XN，其对应于Can电容阵列中的Can上的电磁继电器An将会被闭合。同理，并联电容的容抗值为BM＝ωCbM(M＝1…m)，控制单元会计算出所有BM(M＝1…m)的值，然后将每个BM(M＝1…m)与步骤S23中计算得到的关于反L型阻抗匹配网络的B值进行比较，与B值的差的平方最小的BM值将会作为最终的BM值，与其对应的Cbm电容阵列中的Cbm上的电磁继电器Dm将会被闭合。
关于Can电容阵列中的各个电容(Ca1…Can)的选值，Cbm电容阵列中的各个电容(Cb1…Cbm)选值，以及电感阵列L1，L2的选值，对于不同频率的磁耦合谐振式无线充电系统，其选值差别很大，故在本实施例中不作叙述。一般的方法是，在设计自动阻抗匹配网络前，通过实验利用网络分析仪进行相关实验，对接收端移动过程中，发射端LC谐振线圈的输入阻抗的变化进行记录，然后获得输入阻抗变化的最大范围，然后根据这个最大的变化范围来对Can电容阵列、Cbm电容阵列以及电感阵列进行选值。
实际应用中，控制单元会根据结果，驱动相应的数字端口至高电平状态，相应的电磁继电器会迅速闭合，而未被驱动的数字端口保持低电平状态，相应的电磁继电器保持断开，从而搭建相应的阻抗匹配网络。
本发明公开的磁耦合共振式无线充电系统的自动阻抗匹配装置及方法，其相比现有技术而言的有益效果在于，本发明解决了磁耦合谐振式无线充电系统的发射端阻抗匹配问题。同时，本发明采用了简单高效，体积小的检测模块对发射端LC谐振线圈的输入阻抗进行测量，使得开发出来的产品发射端体积小，便于集成，也降低了成本。
以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种磁耦合共振式无线充电系统的自动阻抗匹配装置，其特征在于，包括有：
一阻抗匹配网络(1)，其前端用于连接功率放大器(5)，所述阻抗匹配网络(1)包括有多个供于选择的阻抗匹配支路，多个阻抗匹配支路的参数不同；
一发射端LC谐振线圈(2)，并联于阻抗匹配网络(1)的后端，所述发射端LC谐振线圈(2)用于从功率放大器获取交流电，并在空间中形成交变的电磁场；
一检测模块(3)，其用于测量发射端LC谐振线圈(2)的输入阻抗；
一控制单元(4)，连接于检测模块(3)与阻抗匹配网络(1)之间，所述控制单元(4)用于对检测模块(3)测量的输入阻抗进行运算，在满足发射端LC谐振线圈(2)的输入阻抗与功率放大器的内阻共轭匹配的条件下，运算得出发射端LC谐振线圈(2)所需的阻抗匹配参数，并将所述阻抗匹配网络(1)中与该阻抗匹配参数相对应的阻抗匹配支路连接于发射端LC谐振线圈(2)。
2.如权利要求1所述的磁耦合共振式无线充电系统的自动阻抗匹配装置，其特征在于，所述阻抗匹配支路的参数包括阻抗匹配类型，以及用于组成阻抗匹配支路的电容的电容值和电感的电感值。
3.如权利要求2所述的磁耦合共振式无线充电系统的自动阻抗匹配装置，其特征在于，所述阻抗匹配网络(1)包括有多个相互并联的第一电容支路(10)、多个相互并联的第二电容支路(12)、第一电感支路(11)、第二电感支路(13)和第一继电器(K1)，所述第一电感支路(11)和第二电感支路(13)相互并联，所述第一电容支路(10)的前端用于连接功率放大器，所述第一电容支路(10)的后端连接于第一电感支路(11)的前端，所述第一电感支路(11)的后端和所述第二电容支路(12)的后端分别连接于发射端LC谐振线圈(2)的两端，其中：
所述第一电容支路(10)包括有第二继电器和第一电容，所述第二继电器的一对触点与第一电容相串联；
所述第一电感支路(11)包括有第三继电器(H1)和第一电感(L1)，所述第三继电器(H1)的一对触点与第一电感(L1)相串联；
所述第二电感支路(13)包括有第八继电器(H2)和第二电感(L2)，所述第八继电器(H2)的一对触点与第二电感(L2)相串联；
所述第二电容支路(12)包括有第四继电器和第二电容，所述第四继电器的一对触点与第二电容相串联；
所述第一继电器(K1)的控制端、第二继电器的控制端、第三继电器(H1)的控制端、第八继电器(H2)的控制端和第四继电器的控制端分别电性连接于控制单元(4)，所述第一继电器(K1)为Z型继电器，所述第一继电器(K1)的两个静触点分别连接于第一电容支路(10)的前端和第一电感支路(11)的后端，所述第一继电器(K1)的动触点连接于第二电容支路(12)的前端，所述第一继电器(K1)用于响应控制单元(4)发出的控制指令而驱使其动触点与两个静触点择一吸合；
所述控制单元(4)用于运算得出发射端LC谐振线圈(2)所需的阻抗匹配参数，并通过控制第一继电器(K1)、第二继电器、第三继电器(H1)、第八继电器(H2)和第四继电器的通断状态，以令相应的第一电容、相应的第二电容与第一电感(L1)组成L型阻抗匹配支路，或者相应的第一电容、相应的第二电容与第二电感(L2)组成反L型阻抗匹配支路。
4.如权利要求3所述的磁耦合共振式无线充电系统的自动阻抗匹配装置，其特征在于，还包括有第五继电器(E1)、第六继电器(F1)和第七继电器(K2)，所述第五继电器(E1)的一对触点并联于第一电容支路(10)的前后两端，所述第六继电器(F1)的一对触点并联于第一电感支路(11)的前后两端，所述第七继电器(K2)的一对触点串联于第二电容支路(12)的后端，所述第五继电器(E1)的控制端、第六继电器(F1)的控制端和第七继电器(K2)的控制端分别连接于控制单元(4)，藉由所述控制单元(4)而控制第五继电器(E1)、第六继电器(F1)和第七继电器(K2)的触点通断状态。
5.一种磁耦合共振式无线充电系统的自动阻抗匹配方法，其特征在于，该方法基于一系统实现，所述系统包括有一阻抗匹配网络(1)、一发射端LC谐振线圈(2)、一检测模块(3)及一控制单元(4)，所述阻抗匹配网络(1)的前端用于连接功率放大器，所述发射端LC谐振线圈(2)并联于阻抗匹配网络(1)的后端，所述控制单元(4)连接于检测模块(3)与阻抗匹配网络(1)之间，所述阻抗匹配网络(1)包括有多个供于选择的阻抗匹配支路，多个阻抗匹配支路的参数不同，所述方法包括如下步骤：
步骤S1，所述检测模块(3)测量发射端LC谐振线圈(2)的输入阻抗并传输至控制单元(4)；
步骤S2，所述控制单元(4)对所述输入阻抗进行运算，在满足发射端LC谐振线圈(2)的输入阻抗与功率放大器的内阻共轭匹配的条件下，运算得出发射端LC谐振线圈(2)所需的阻抗匹配参数；
步骤S3，所述控制单元(4)将所述阻抗匹配网络(1)中与该阻抗匹配参数相对应的阻抗匹配支路连接于发射端LC谐振线圈(2)；
步骤S4，所述发射端LC谐振线圈(2)从功率放大器获取交流电，并在空间中形成交变的电磁场；
每间隔预设时间而重复执行步骤S1至步骤S4。
6.如权利要求5所述的磁耦合共振式无线充电系统的自动阻抗匹配方法，其特征在于，所述阻抗匹配支路的参数包括阻抗匹配类型，以及用于组成阻抗匹配支路的电容的电容值和电感的电感值型。
7.如权利要求6所述的磁耦合共振式无线充电系统的自动阻抗匹配方法，其特征在于，所述阻抗匹配网络(1)包括有多个相互并联的第一电容支路(10)、多个相互并联的第二电容支路(12)、第一电感支路(11)、第二电感支路(13)和第一继电器(K1)，所述第一电感支路(11)和第二电感支路(13)相互并联，所述第一电容支路(10)的前端用于连接功率放大器，所述第一电容支路(10)的后端连接于第一电感支路(11)的前端，所述第一电感支路(11)的后端和所述第二电容支路(12)的后端分别连接于发射端LC谐振线圈(2)的两端，其中：
所述第一电容支路(10)包括有第二继电器和第一电容，所述第二继电器的一对触点与第一电容相串联；
所述第一电感支路(11)包括有第三继电器(H1)和第一电感(L1)，所述第三继电器(H1)的一对触点与第一电感(L1)相串联；
所述第二电感支路(13)包括有第八继电器(H2)和第二电感(L2)，所述第八继电器(H2)的一对触点与第二电感(L2)相串联；
所述第二电容支路(12)包括有第四继电器和第二电容，所述第四继电器的一对触点与第二电容相串联；
所述第一继电器(K1)的控制端、第二继电器的控制端、第三继电器(H1)的控制端、第八继电器(H2)的控制端和第四继电器的控制端分别电性连接于控制单元(4)，所述第一继电器(K1)为Z型继电器，所述第一继电器(K1)的两个静触点分别连接于第一电容支路(10)的前端和第一电感支路(11)的后端，所述第一继电器(K1)的动触点连接于第二电容支路(12)的前端，所述第一继电器(K1)用于响应控制单元(4)发出的控制指令而驱使其动触点与两个静触点择一吸合；
所述控制单元(4)用于运算得出发射端LC谐振线圈(2)所需的阻抗匹配参数，并通过控制第一继电器(K1)、第二继电器、第三继电器(H1)、第八继电器(H2)和第四继电器的通断状态，以令相应的第一电容、相应的第二电容与第一电感(L1)组成L型阻抗匹配支路，或者相应的第一电容、相应的第二电容与第二电感(L2)组成反L型阻抗匹配支路。
8.如权利要求7所述的磁耦合共振式无线充电系统的自动阻抗匹配方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S20，所述控制单元(4)将发射端LC谐振线圈(2)的输入阻抗ZL设定为复数：
ZL＝RL+jXL；
其中，RL为实部，jXL为虚部；
步骤S21，判断实部RL是否大于功率放大器内阻Z0，若是，则执行步骤S22，若否，则执行步骤S23；
步骤S22，选择L型阻抗匹配支路，依据如下公式计算L型阻抗匹配支路中并联元件的目标电抗值B：
B = X L ± R L / Z 0 R L 2 + X L 2 - Z 0 R L ( R L 2 + X L 2 ) ;
其中，Z0为功率放大器内阻，f为功率放大器输出交流电的频率；
再依据如下公式计算L型阻抗匹配支路中串联元件的目标电抗值X：
X = 1 B + X L Z 0 R L - Z 0 BR L ;
步骤S23，选择反L型阻抗匹配支路，依据如下公式计算反L型阻抗匹配支路中并联元件的目标电抗值B：
B = ± ( Z 0 - R L ) / R L Z 0 ;
其中，Z0为功率放大器内阻，f为功率放大器输出交流电的频率；
再依据如下公式计算反L型阻抗匹配支路中串联元件的目标电抗值X：
X = ± R L ( Z 0 - R L ) - X L .
9.如权利要求8所述的磁耦合共振式无线充电系统的自动阻抗匹配方法，其特征在于，执行步骤S22之后，还包括L型阻抗匹配支路选择接通步骤：
步骤S220，将多个第一电容支路(10)中的多个第一电容记为Ca1...Can电容阵列，多个第二继电器(A1...An)之一闭合，多个第四继电器(D1...Dm)之一闭合，第三继电器(H1)闭合，使得第一电容与两个电感支路(11)中的第一电感(L1)组成串联等效电感，则该串联等效电感的感抗值XN为：
X N = ωL 1 - 1 ωC a N , ( N = 1 ... n ) ;
所述控制单元(4)计算出每个第一电容接入时串联等效电感的感抗值XN(N＝1…n)，再将每个感抗值XN(N＝1…n)分别与步骤S22中串联电感的感抗目标值X作差平方运算，将差平方最小的感抗XN确定为L型阻抗匹配支路所需的串联等效电感，指定该感抗值XN所对应的第一电容，并将该第一电容所串联的第二继电器接通；
步骤S221，将多个第二电容支路(12)中的多个第二电容记为Cb1…Cbm阵列，所述控制单元(4)计算多个第二电容的容抗值BM：
BM＝ωCbM(M＝1…m)；
之后，所述控制单元(4)将每个容抗值BM(M＝1…m)与步骤S22中并联电容的容抗值目标值B作差平方运算，将差平方最小的容抗值BM确定为阻抗匹配支路所需的容抗，指定该容抗值BM所对应的第二电容，并将该第二电容所串联的第四继电器接通。
10.如权利要求8所述的磁耦合共振式无线充电系统的自动阻抗匹配方法，其特征在于，执行步骤S23之后，还包括反L型阻抗匹配支路选择接通步骤：
步骤S230，将多个第一电容支路(10)中的多个第一电容记为Ca1...Can电容阵列，多个第二继电器(A1...An)之一闭合，多个第四继电器(D1...Dm)之一闭合，第八继电器(H2)闭合，使得第一电容与两个电感支路(11)中的第二电感(L2)组成串联等效电感，则该串联等效电感的感抗值XN为：
X N = ωL 1 - 1 ωC a N , ( N = 1 ... n ) ;
所述控制单元(4)计算出每个第一电容接入时串联等效电感的感抗值XN(N＝1…n)，再将每个感抗值XN(N＝1…n)分别与步骤S23中串联电感的感抗目标值X作差平方运算，将差平方最小的感抗XN确定为反L型阻抗匹配支路所需的串联等效电感，指定该感抗值XN所对应的第一电容，并将该第一电容所串联的第二继电器接通；
步骤S231，将多个第二电容支路(12)中的多个第二电容记为Cb1…Cbm阵列，所述控制单元(4)计算多个第二电容的容抗值BM：
BM＝ωCbm(M＝1…m)；
之后，所述控制单元(4)将每个容抗值BM(M＝1…m)与步骤S23中并联电容的容抗值目标值B作差平方运算，将差平方最小的容抗值BM确定为阻抗匹配支路所需的容抗，指定该容抗值BM所对应的第二电容，并将该第二电容所串联的第四继电器接通。
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