CN107565705B - 电能发射端的控制方法、电能发射端及非接触电能传输装置 - Google Patents

电能发射端的控制方法、电能发射端及非接触电能传输装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电能发射端的控制方法、电能发射端及非接触电能传输装置，通过控制电能发射端的逆变器在待机模式下间隔式输入电压值，并且，当有电压值输入时，控制逆变器的输入电压值是呈逐渐增大或逐渐减小趋势。依据本发明的电能发射端的控制方法、电能发射端及非接触电能传输装置可以使得从待机状态到正常状态能顺利转换，并且待机效率和正常工作时效率均能得到有效提高。

Description

电能发射端的控制方法、电能发射端及非接触电能传输装置
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，更具体地说，涉及一种电能发射端的控制方法、电能发射端及非接触电能传输装置。
背景技术
磁共振式非接触电能传输装置一般包括电能发射端和电能接收端，如图1所示，电能发射端包括直流-直流变换器(如DC-DC变换器)、逆变器(如DC-AC逆变器)、原边谐振电容Cs和原边发射线圈Ls，其连接方式如图1中所示；电能接收端包括副边谐振电容Cd和副边发射线圈Ld，本领域技术人员可知，电能发射端还可以包括阻抗匹配电路，电能接收端还可以包括整流电路、直流-直流变换器等部分，图1中未一一示出。电能发射端通过原边谐振电容Cs和原边发射线圈Ls谐振，以产生高频空间磁场，电能接收端通过耦合所述高频磁场来获得能量。
一般而言，当电能发射端在有效充电区域内检测到有电能接收端放入时，电能发射端需要立刻激活，进入正常能量传输状态，以给电能接收端的电子设备供电；当电能发射线圈有效充电区域内没有电能接收端放入时，电能发射端需要进入待机状态，这样可以减少损耗，提高待机效率。
通常，在待机状态下，DC-DC变换器输出一定的电压值，电能发射端的DC-AC逆变器工作在打嗝模式，即工作一段时间然后休息一段时间的方式来工作，以此降低发射端的待机损耗；当电能发射端在有效充电范围内检测到电能接收端放入时，开始进入持续工作状态。
但是，这种方法的不足在于：为了满足负载在不同情况下的用电需求，例如耦合位置不好时的用电需求，DC-DC变换器的输出电压值设置为不能太小。而另一方面，为了提高电能接收端电路的效率，往往选择低耐压的器件，如整流电路中的肖特基二极管，DC-DC变换器中的开关器件等，为了使低压器件能够安全可靠地工作，电能接收端一般设置有过压保护电路。因此，存在一个问题就是：若电能接收端进入到发射线圈的有效充电区域时，并且耦合位置较好时，则电能接收端会获得大量能量，过压保护电路可能一直处于过压保护状态，导致系统不能正常工作。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种电能发射端的控制方法、电能发射端及非接触电能传输装置，通过设置逆变器在待机模式下的输入电压值是呈一定趋势变化，从而使得系统能够稳定正常的工作。
第一方面，依据本发明的一种电能发射端的控制方法，所述控制方法包括：
当所述电能发射端的充电区域放置接收负载时，则控制电能发射端中的逆变器输入预定的电压值；
当所述电能发射端的充电区域没有放置接收负载时，在一个工作周期中，控制所述逆变器间歇式输入电压值，并且当所述逆变器有电压值输入时，控制所述逆变器输入的电压值呈逐渐增大或逐渐减小趋势。
优选地，当所述逆变器有电压值输入时，控制所述逆变器输入的电压值呈线性增大或呈线性减小。
优选地，当所述逆变器有电压值输入时，所述逆变器输入的电压值呈阶梯增大或阶梯减小。
优选地，当所述逆变器有电压值输入时，所述逆变器输入的电压值包括多个不同电压值，所述多个不同电压值呈依次增大的脉冲形状或呈依次减小的脉冲形状。
第二方面，依据本发明的一种电能发射端，包括逆变器和控制电路，
所述控制电路用以检测在所述电能发射端的充电区域内是否放置接收负载，
当检测到所述充电区域放置接收负载时，则控制电路控制所述逆变器输出预定的电压值；
当检测到所述充电区域没有放置接收负载时，则控制电路控制所述逆变器在一个工作周期中间歇式输入电压值，并且当所述逆变器有电压值输入时，控制所述逆变器输出的电压值呈逐渐增大或逐渐减小趋势。
优选地，当所述逆变器有电压值输入时，所述控制电路控制所述逆变器输入的电压值呈线性增大或呈线性减小。
优选地，当所述逆变器有电压值输入时，所述控制电路控制所述逆变器输入的电压值呈阶梯增大或阶梯减小。
优选地，当所述逆变器有电压值输入时，所述控制电路控制所述逆变器输入的电压值包括多个不同电压值，所述多个不同电压值呈依次增大的脉冲形状或呈依次减小的脉冲形状。
进一步地，所述电能发射端还包括DC-DC变换器，
所述DC-DC变换器连接在所述逆变器的输入端，通过调整DC-DC变换器的输出电压值以调整所述逆变器的输入电压值。
优选地，当所述电能发射端的充电区域内没有放置接收负载时，所述控制电路控制所述DC-DC变换器与所述逆变器同步工作在间歇式工作模式；
或者是，所述控制电路控制上述DC-DC变换器处于间歇式工作模式，所述逆变器一直处于工作模式；
或者是，所述DC-DC变换器一直处于工作模式，所述逆变器处于间歇式工作模式。
第三方面，依据本发明的一种非接触电能传输装置，包括电能发射端和电能接收端，所述电能发射端上述的电能发射端，
当所述电能接收端放置入所述电能发射端的充电区域时，则控制电能发射端中的逆变器输入预定的电压值；
当所述电能接收端没有放置所述电能发射端的充电区域时，在一个工作周期中，控制所述逆变器间歇式输入电压值，并且当所述逆变器有电压值输入时，控制所述逆变器输入的电压值呈逐渐增大或逐渐减小趋势。
综上所述，依据本发明的一种电能发射端的控制方法、电能发射端及非接触电能传输装置，通过控制电路控制电能发射端的逆变器在待机模式下间隔式输入电压值，并且，当有电压值输入时，控制逆变器的输入电压值是呈逐渐增大或逐渐减小趋势。依据本发明的电能发射端的控制方法、电能发射端及非接触电能传输装置具有以下有益效果：第一方面，可以使得从待机状态到正常状态能顺利转换；第二方面，由于在待机状态时，其DC-DC变换器的输出电压值是变化的，可以使得待机损耗减小，待机效率提高；第三方面，由于在待机状态进入到正常工作状态时的启动电压是优选的合适电压，因此系统在正常工作中没有过多能量浪费，系统的工作效率高。
附图说明
图1为依据现有技术的一种非接触电能传输装置的示意图；
图2为依据本发明的一种电能发射端的示意图；
图3所示为依据本发明的逆变器的输入电压值第一实施例的示意图；
图4所示为依据本发明的逆变器的输入电压值第二实施例的示意图；
图5所示为依据本发明的逆变器的输入电压值第三实施例的示意图；
图6所示为依据本发明的一种非接触电能传输装置的示意图；
图7所示为依据本发明的非接触电能传输装置的第一种情况正常工作状态启动点；
图8所示为依据本发明的非接触电能传输装置的第二种情况正常工作状态启动点。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明的一些优选实施例，但本发明不限于此。
正如在背景技术中所说，现有技术中的逆变器在待机状态一直输入固定的电压值，导致系统进入正常工作状态时不能稳定工作，本申请发明人提出了一种可变的工作模式。
根据图2所述的依据本发明的一种电能发射端的示意图；其中电能发射端包括逆变器(这里为DC-AC逆变器，以下均相同)、原边谐振电容Cs、原边发射线圈Ls和控制电路。本实施例方式中通过DC-DC变换器给DC-AC逆变器提供输入电压值，但本领域技术人员可知，逆变器的输入电压值提供电路不限于此，还可以为其他如线性稳压器等合适的电源电路。DC-DC变换器接收外部直流电压Vs，以转换为直流电压值VBUS传输给DC-AC逆变器；DC-AC逆变器接收直流电压值VBUS作为输入电压值，以转换为交流电传输给原边发射线圈，所述原边谐振电容Cs和原边发射线圈Ls谐振，以产生高频空间磁场。本实施方式中，所述DC-DC变换器可为Buck变换器、Boost变换器或Buck-Boost变换器等合适的电压转换装置。所述DC-AC逆变器可为全桥逆变电路、半桥逆变电路等合适的逆变装置。
电能发射端的输入端通电后，则空间磁场会一直存在，形成一个有效的充电区域，但是并非总是有充电负载进行接收能量充电，因此，在没有充电的接收负载时，则需要对DC-DC变换器或DC-AC逆变器的工作状态进行控制，以减小损耗。
本申请实施方式中，控制电路检测在所述电能发射端的充电区域内是否放置接收负载：当检测到所述充电区域放置接收负载时，此时记为正常工作状态，则控制电路控制DC-AC逆变器输入预定的电压值；当检测到所述充电区域没有放置接收负载时，此时记为待机状态，则控制电路控制所述DC-AC逆变器在一个工作周期中间歇式输入电压值，并且当所述DC-AC逆变器有电压值输入时，控制所述DC-AC逆变器输入的电压值呈逐渐增大或逐渐减小趋势。本实施方式中，所述控制电路可以通过模拟电路如控制DC-DC变换器的参考电压值以调节输出电压值或者是通过数字电路直接控制DC-DC变换器的输出电压值。
这里，所述DC-AC逆变器和DC-DC变换器的工作模式则可以灵活控制，当所述电能发射端的充电区域内没有放置接收负载时，所述控制电路控制所述DC-DC变换器与所述DC-AC逆变器同步工作在间歇式工作模式，或者是所述控制电路控制DC-DC变换器处于间歇式工作模式，所述DC-AC逆变器一直处于工作模式，或者是所述DC-DC变换器一直处于工作模式，而所述DC-AC逆变器处于间歇式工作模式。由于DC-DC变换器(或DC-AC逆变器)输出的电压值是间歇式的，因此即使DC-AC逆变器(或DC-DC变换器)一直处于工作模式，也不会增加功率损耗。当然，本领域技术人员可知，当检测到所述充电区域放置接收负载时，则控制电路控制DC-AC逆变器一直处于工作模式。
具体地，参考图3所示为依据本发明的DC-AC逆变器的输入电压值第一实施例的示意图；在本实施方式中，当电能发射端工作在待机状态时，且当所述DC-AC逆变器有电压值输入时，所述控制电路控制所述DC-AC逆变器输入的电压值呈线性增大或呈线性减小。例如，t1时刻至t3时刻为一个工作周期，在t1至t2时刻DC-AC逆变器有电压值输入，t2至t3时刻为休眠时间无电压值输入。从在t1至t2时刻，DC-AC逆变器的输入电压值从最大值VBUSMAX线性下降到t2时刻的最小值VBUSMIN，依此循环。本领域技术人员可知，DC-AC逆变器的输入电压值也可以从最小值VBUSMIN线性增大到最大值VBUSMAX。
参考图4所示为依据本发明的DC-AC逆变器的输入电压值第二实施例的示意图；在本实施方式中，当电能发射端工作在待机状态时，且当所述DC-AC逆变器有电压值输入时，所述控制电路控制所述DC-AC逆变器输入的电压值呈阶梯增大或呈阶梯减小。如图4所示，，t1时刻至t3时刻为一个工作周期，在t1至t2时刻DC-AC逆变器有电压值输入，t2至t3时刻为休眠时间无电压值输入。从在t1至t2时刻，DC-AC逆变器的输入电压值从最大值VBUSMAX阶梯下降到t2时刻的最小值VBUSMIN，依此循环。本领域技术人员可知，DC-AC逆变器的输入电压值也可以从最小值VBUSMIN阶梯增大到最大值VBUSMAX。需要说明的是，最大值VBUSMAX依次减小到最小值VBUSMIN之间的阶梯电压差值可以是相同的或不同的。
图5所示为依据本发明的DC-AC逆变器的输入电压值第三实施例的示意图；在本实施方式中，当电能发射端工作在待机状态时，且当所述DC-AC逆变器有电压值输入时，所述控制电路控制所述DC-AC逆变器输入的电压值包括多个不同电压值，所述多个不同电压值呈依次增大的脉冲形状或呈依次减小的脉冲形状。具体地，如图5所示，t1时刻至t3时刻为一个工作周期，在t1至t2时刻DC-DC变换器有电压值输入，t2至t3时刻为休眠时间无电压值输入。从在t1至t2时刻，DC-AC逆变器的输入电压值首先输出最大电压值VBUSMAX，维持一段脉冲时间后，依次减小，直至减小至输出最小电压值VBUSMIN，并同样维持一段脉冲时间，之后是休眠状态。同理的，上述过程也可以反过来，即是先输出最小电压值VBUSMIN，然后增大至输出最大电压值VBUSMAX。需要说明的是，这里的多个电压值中相邻电压值的差值可以是相同的或不同的，为了方便，一般设置为相同的变化步阶。
参考图6所示为依据本发明的一种非接触电能传输装置的示意图；上述的电能发射端应用在所述非接触电能传输装置中，所述非接触电能传输装置还包括电能接收端，电能接收端包括副边谐振电容Cd和副边发射线圈Ld。电能接收端作为接收负载来接收电能发射端发射的磁场能量，当所述电能接收端放置入所述电能发射端的充电区域时，则控制电能发射端中的DC-AC逆变器输入预定的电压值；当所述电能接收端没有放置所述电能发射端的充电区域时，在一个工作周期中，控制所述DC-AC逆变器间歇式输入电压值，并且当所述DC-AC逆变器输入电压值时，控制所述DC-AC逆变器输入的电压值呈逐渐增大或逐渐减小趋势。
根据上述的电能发射端的工作模式，以下结合图7和图8的电压变化图对电能接收端没有放置和放置于电能接收端的充电区域的DC-AC逆变器的输入电压值的变化进行阐述：
本实施方式中以输出电压值时呈脉冲变化为例，即是以上述第三实施例的变化为例进行说明。这里，以DC-AC逆变器输入电压值为较高的电压VBUS1和较低的电压值VBUS2为例，本领域技术人员容易理解，当输入电压值为VBUS1时，则原边发射线圈周围的磁场相应地变强；当输入电压值为VBUS2时，则原边发射线圈周围的磁场相应地变弱。当电能接收端放入电能发射端的有效充电区域，但是位置较偏，磁场耦合较弱时，电能接收线圈需要在强的空间磁场下才能耦合到需要的电压，此时若DC-AC逆变器输入电压值在较低的电压值VBUS2上时，则不能被识别，系统不能进入正常工作状态，如图7所示，直至DC-AC逆变器输入电压值变化到较高电压值VBUS1上时，如t1时刻系统才能进入正常工作状态，持续地工作。
另外一种情况是，当电能接收端放入电能发射端的有效充电区域，且位置对应较好，磁场耦合强时，如果此时DC-AC逆变器输入的电压值是VBUS1时，电能发射端的空间磁场强，电能接收端则处于过压保护，不能正常工作，如图8所示中的t1时刻，系统处于过压状态。在接下去的时间内，DC-AC逆变器会降低输入电压值，如从高电压VBUS1电压降到低电压VBUS2，到t2时刻减小电能发射端的空间磁场，从而降低电能接收端耦合的电压，使其进入正常工作状态。
从上述过程可以看出，采用本发明的技术方案，当在待机状态时，DC-AC逆变器输入的电压是变化的，且是从小到大或从大到小变化的过程，相对于现有技术中的一直输出固定的电压值，待机状态的损耗可以降低，提高效率。另一方面，依照本发明的技术方案，可以很好的从待机状态进入到正常工作状态，不会造成一直过压或耦合电压不足的情况，使得系统能够在不同状态下切换自如。
上述以两个输出电压值档位为例，本领域技术人员可知，可以设置更多的VBUS电压档位，这样可以在各个区域都被很好地识别，例如，当电能接收端置于磁场耦合较差的位置时，电能发射端需要提供强的磁场，则电能接收端电路在DC-AC逆变器输入电压为VBUS1上正常持续工作；在磁场耦合较好的位置，电能接收端电路可能在较高的电压值VBUS1和VBUS2处于过压状态，可以在较低的电压值VBUS3上正常持续工作；而在磁场耦合条件居中的位置，可以在中间电压值VBUS2上持续工作。这样可以推知，系统进入到正常工作状态的电压值均是最合适的，不会产生过大的磁场也不会产生过小的磁场，因此，相比于现有技术的固定高电压值，本发明的技术方案系统的工作效率也可以提高。
对于DC-AC逆变器的第一实施例的线性变化和第二实施例的阶梯变化，均可以按照第三实施例的工作模式进行工作，同样可以获得相同的技术效果，在此不作一一介绍。
最后，本发明公开了一种电能发射端的控制方法，所述控制方法包括：
当所述电能发射端的充电区域放置接收负载时，则控制电能发射端中的逆变器输入预定的电压值；
当所述电能发射端的充电区域没有放置接收负载时，在一个工作周期中，控制所述逆变器间歇式输入电压值，并且当所述逆变器有电压值输入时，控制所述逆变器输入的电压值呈逐渐增大或逐渐减小趋势。
优选地，当所述逆变器有电压值输入时，控制所述逆变器输入的电压值呈线性增大或呈线性减小。
优选地，当所述逆变器有电压值输入时，所述逆变器输入的电压值呈阶梯增大或阶梯减小。
优选地，当所述逆变器有电压值输入时，所述逆变器输入的电压值包括多个不同电压值，所述多个不同电压值呈依次增大的脉冲形状或呈依次减小的脉冲形状。
以上对依据本发明的优选实施例的电能发射端的控制方法、电能发射端和非接触电能传输装置进行了详尽描述，但关于该专利的电路和有益效果不应该被认为仅仅局限于上述所述的，公开的实施例和附图可以更好的理解本发明，因此，上述公开的实施例及说明书附图内容是为了更好的理解本发明，本发明保护并不限于限定本公开的范围，本领域普通技术人员对本发明实施例的替换、修改均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电能发射端，其特征在于，包括逆变器、控制电路和DC-DC变换器，
所述DC-DC变换器连接在所述逆变器的输入端，通过调整DC-DC变换器的输出电压值以调整所述逆变器的输入电压值；
所述控制电路用以检测在所述电能发射端的充电区域内是否放置接收负载，
当检测到所述充电区域放置接收负载时，则控制电路控制所述逆变器输出预定的电压值；
当检测到所述充电区域没有放置接收负载时，则控制电路控制所述逆变器在一个工作周期中间歇式输入电压值，并且当所述逆变器有电压值输入时，控制所述逆变器输出的电压值呈逐渐增大或逐渐减小趋势。
2.根据权利要求1所述的电能发射端，其特征在于，当所述逆变器有电压值输入时，所述控制电路控制所述逆变器输入的电压值呈线性增大或呈线性减小。
3.根据权利要求1所述的电能发射端，其特征在于，当所述逆变器有电压值输入时，所述控制电路控制所述逆变器输入的电压值呈阶梯增大或阶梯减小。
4.根据权利要求1所述的电能发射端，其特征在于，当所述逆变器有电压值输入时，所述控制电路控制所述逆变器输入的电压值包括多个不同电压值，所述多个不同电压值呈依次增大的脉冲形状或呈依次减小的脉冲形状。
5.根据权利要求1所述的电能发射端，其特征在于，当所述电能发射端的充电区域内没有放置接收负载时，所述控制电路控制所述DC-DC变换器与所述逆变器同步工作在间歇式工作模式；
或者是，所述控制电路控制上述DC-DC变换器处于间歇式工作模式，所述逆变器一直处于工作模式；
或者是，所述DC-DC变换器一直处于工作模式，所述逆变器处于间歇式工作模式。
6.一种非接触电能传输装置，包括电能发射端和电能接收端，其特征在于，所述电能发射端为权利要求1-5任一项所述的电能发射端，
当所述电能接收端放置入所述电能发射端的充电区域时，则控制电能发射端中的逆变器输入预定的电压值；
当所述电能接收端没有放置所述电能发射端的充电区域时，在一个工作周期中，控制所述逆变器间歇式输入电压值，并且当所述逆变器有电压值输入时，控制所述逆变器输入的电压值呈逐渐增大或逐渐减小趋势。
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