CN107565706A - 无线供电接收装置、发射装置、系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线供电接收装置、发射装置、系统及其控制方法，所述无线供电发射装置包括可调节匹配电容模块、电流检测模块、信号接收模块、功放供电模块、功放模块、发射线圈模块和控制模块。所述无线供电接收装置包括接收线圈模块、匹配电容模块、负载模块，接收功率检测模块、信号发射模块。所述发射装置中的控制模块根据功放模块输出端口处电流相位PWM信号和功放驱动PWM信号计算出电压‑电流相位差，根据无线供电接收装置的接收功率值信息和所述电压‑电流相位差调节可调节匹配电容模块的电容值和/或功放供电模块的电压值。本发明提供的无线供电发射装置提高了系统的供电效率和输出功率的稳定性。

Description

无线供电接收装置、发射装置、系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及无线供电技术领域，尤其涉及一种无线供电接收装置、发射装置、系统及其控制方法。

背景技术

电感互耦型无线供电技术可以在没有物理接触的情况下为设备提供电能。该技术在众多领域都受到了广泛关注，包括：电动车无线充电，手持设备无线充电，射频识别，植入式医疗电子等。

现有技术中的电感互耦型无线供电装置包括发射装置和接收装置，发射装置包括一个初级线圈，接收装置包括一个与初级线圈匹配的次级线圈，在初级线圈中通有一定频率的交流电，通过电磁感应在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从发射装置转移到接收装置。

但是现有技术的方案要求将接收装置放置在一个很小的特定区域内，使接收装置和发射装置有较好的相对位置，这是因为相对位置的变化过大，使电感耦合系数会急剧降低，导致系统的供电效率降低，输出功率不稳定。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种无线供电接收装置、发射装置、系统及其控制方法，解决了现有技术中无线充电设备和被充电设备因为相对位置的变化过大，使电感耦合系数会急剧降低，导致系统的供电效率降低，输出功率不稳定的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种无线供电发射装置，包括，可调节匹配电容模块、电流检测模块、信号接收模块、功放供电模块、功放模块、发射线圈模块和控制模块；

所述电流检测模块的第二端与所述功放模块的第二端连接，所述电流检测模块的第一端与所述控制模块连接，用于检测所述功放模块输出的电流信号，将所述电流信号转换为电流相位PWM信号，并将所述电流相位PWM信号发送到所述控制模块；

所述功放供电模块的第二端与所述功放模块的第三端连接，所述功放供电模块的第一端与所述控制模块连接，用于将供电电能供给所述功放模块，获取所述控制模块发送的电压控制信号，并根据所述电压控制信号调节自身电压值；

所述功放模块的第一端与所述控制模块连接，用于接收所述控制模块发送的功放驱动PWM信号，根据所述功放驱动PWM信号放大所述供电电能的功率；

所述可调节匹配电容模块的第一端与所述功放模块的第二端连接，所述可调节匹配电容模块的第二端与所述发射线圈模块的第一端连接，所述可调节匹配电容模块的第三端与所述控制模块连接，用于获取所述控制模块发送的电容控制信号，并根据所述电容控制信号调节自身电容值；

所述发射线圈模块的第一端与所述信号接收模块的第一端连接，用于耦合输出所述供电电能，耦合输入无线供电接收装置中信号发射模块发射的信号，该信号包含无线供电接收装置的接收功率值信息；

所述信号接收模块的第二端与所述控制模块连接，用于接收所述接收功率值信息，并将所述接收功率值信息发送到所述控制模块；

所述控制模块用于为所述功放模块提供所述功放驱动PWM信号，并根据所述电流相位PWM信号和所述功放驱动PWM信号计算出电压-电流相位差，根据所述接收功率值信息和所述电压-电流相位差调节所述可调节匹配电容模块的电容值和/或所述功放供电模块的电压值。

进一步地，所述可调节匹配电容模块包括第一可调节匹配电容和第二可调节匹配电容。

进一步地，所述功放供电模块包括稳压器和数字可调电阻。

进一步地，所述电流检测模块由采样电阻、低通滤波器、仪表放大器、偏置器和比较器串联组成。

进一步地，所述第一可调节匹配电容和所述第二可调节匹配电容均由继电器和电容阵列串联组成。

另一方面，本发明提供一种无线供电发射装置的控制方法，包括：

获知无线供电接收装置接收到的接收功率；

接收功放模块的第二端电流相位PWM信号；

产生功放驱动PWM信号；

根据所述电流相位PWM信号和所述功放驱动PWM信号计算出电压-电流相位差；

根据所述接收功率和所述电压-电流相位差调节所述可调节匹配电容模块的电容值和/或所述功放供电模块的电压值。

再一方面，本发明提供一种无线供电接收装置，包括，接收线圈模块、匹配电容模块、接收功率检测模块、信号发射模块和负载模块；

所述接收线圈模块的第一端与所述匹配电容模块的第一端连接，用于耦合输入供电电能，耦合输出负载模块接收到的接收功率值信息；

所述匹配电容模块的第二端与所述负载模块的第一端连接，用于与所述接收线圈模块组成匹配网络；

所述接收功率检测模块的第一端与所述负载模块的第一端连接，所述接收功率检测模块的第二端与所述信号发射模块的第一端连接，用于检测所述接收功率值信息，并将所述接收功率值信息发送到所述信号发射模块；

所述信号发射模块的第二端与所述接收线圈模块的第一端连接，用于将所述接收功率值信息发送到所述接收线圈模块，所述接收线圈模块会将所述接收功率值信息发射回所述发射线圈模块；

负载模块用于接收使用所述供电电能。

进一步地，所述接收功率检测模块包括峰值检测单元和模/数转换单元，所述峰值检测单元和所述模/数转换单元串联。

又一方面，本发明提供一种无线供电系统，包括上述无线供电发射装置和上述无线供电接收装置。

(三)有益效果

本发明提供的无线供电接收装置、发射装置、系统及其控制方法，通过控制模块根据功放模块输出端口处电流相位PWM信号和功放驱动PWM信号计算出电压-电流相位差，再根据无线供电接收装置的接收功率值信息和所述电压-电流相位差调节可调节匹配电容模块的电容值和/或功放供电模块的电压值，提高了系统的供电效率和输出功率的稳定性。

附图说明

图1为依照本发明实施例的无线供电发射装置结构示意图；

图2(a)为依照本发明实施例的电压-电流检测算法逻辑原理图；

图2(b)为依照本发明实施例的电压-电流检测算法波形图；

图3为依照本发明实施例的功放供电模块的电路原理图；

图4为依照本发明实施例的电流检测模块的电路原理图；

图5为依照本发明实施例的无线供电发射装置的控制方法示意图；

图6为依照本发明实施例的无线供电系统的结构示意图；

图7为依照本发明实施例的无线供电发射装置的控制方法流程图；

图8为依照本发明实施例的无线供电接收装置结构示意图；

图9为依照本发明实施例的峰值检测电路原理图；

图10为依照本发明实施例的线圈不同的相对位置与耦合系数的关系图；

图11为依据本发明实施例的不同的耦合系数与系统效率的关系图；

图12为依照本发明实施例的不同线圈距离与系统效率的关系图；

图13为依照本发明另一实施例的无线供电系统的结构示意图；

图14为依照本发明实施例的无线供电系统的模块示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

图1为依照本发明实施例的无线供电发射装置结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供一种无线供电发射装置，包括可调节匹配电容模块150、电流检测模块120、信号接收模块170、功放供电模块140、功放模块130、发射线圈模块160和控制模块110。

其中，所述电流检测模块120的第二端与所述功放模块130的第二端连接，所述电流检测模块120的第一端与所述控制模块110连接，用于检测所述功放模块130输出的电流信号，将所述电流信号转换为电流相位PWM信号，并将所述电流相位PWM信号发送到所述控制模块110；

所述功放供电模块140的第二端与所述功放模块130的第三端连接，所述功放供电模块140的第一端与所述控制模块110连接，用于将供电电能供给所述功放模块130，获取所述控制模块110发送的电压控制信号，并根据所述电压控制信号调节自身电压值；

所述功放模块130的第一端与所述控制模块110连接，用于接收所述控制模块110发送的功放驱动PWM信号，根据所述功放驱动PWM信号放大所述供电电能的功率；

所述可调节匹配电容模块150的第一端与所述功放模块130的第二端连接，所述可调节匹配电容模块150的第二端与所述发射线圈模块160的第一端连接，所述可调节匹配电容模块150的第三端与所述控制模块110连接，用于获取所述控制模块110发送的电容控制信号，并根据所述电容控制信号调节自身电容值；

所述发射线圈模块160的第一端与所述信号接收模块170的第一端连接，用于耦合输出所述供电电能，耦合输入无线供电接收装置中的信号发射模块发射的信号，该信号包含无线供电接收装置的接收功率值信息；

所述信号接收模块170的第二端与所述控制模块110连接，用于接收所述接收功率值信息，并将所述接收功率值信息发送到所述控制模块110；

所述控制模块110用于为所述功放模块130提供所述功放驱动PWM信号，并根据所述电流相位PWM信号和所述功放驱动PWM信号计算出电压-电流相位差，根据所述接收功率值信息和所述电压-电流相位差调节所述可调节匹配电容模块150的电容值和/或所述功放供电模块140的电压值。

具体的，在进行充电的过程中，如果无线供电发射装置和无线供电接收装置的相对位置改变后，会引起电感耦合系数急剧降低，无线供电发射装置中的电压相位和电流相位产生相位差，同时无线供电接收装置中负载的充电效率也会下降。

本发明实施例中的控制模块110为功放模块130提供功放驱动PWM信号，通过该信号来驱动功放模块，该信号象征电压相位，所述电流检测模块120检测所述功放模块130输出的电流信号，将所述电流信号转换为电流相位PWM信号，并将所述电流相位PWM信号发送到所述控制模块110；所述控制模块110根据所述电流相位PWM信号和所述功放驱动PWM信号计算出电压-电流相位差。

功放模块130输出端的电压信号可以直接用功放驱动PWM信号替代，该信号由控制模块110中的FPGA芯片产生，因此可以在FPGA中直接使用。

图2(a)为依照本发明实施例的电压-电流检测算法逻辑原理图，如图2(a)所示，根据FPGA产生的功放驱动PWM信号(电压相位PWM)和电流检测模块检测到的电流相位PWM信号，通过逻辑运算算法得到电压相位PWM和电流相位PWM之间的相位差。该算法将两个PWM信号进行异或运算，运算后的PWM信号的脉宽与原始信号的相位差成正比。图2(b)为依照本发明实施例的电压-电流检测算法波形图，如图2(b)所示，使用一个高频计数器对于脉宽进行计数，计数值就代表了相位差，同时，将电压PWM信号和电流PWM信号分别输入一个锁存器逻辑的时钟输入端和信号输入端，得到的输出信号代表了相位差的正负。该算法最终得到功放输出端的电压-电流相位差θ(V,I)，通过相位差判断无线供电接收装置中的负载是否有虚阻抗存在，进而判断出系统的能量反射损耗情况。

所述发射线圈模块160用于耦合输出供电电能，耦合输入无线供电接收装置中信号发射模块发射的信号，该信号包含无线供电接收装置的接收功率值信息，发射线圈模块160与信号接收模块170连接，信号接收模块170用于接收所述接收功率值信息，并将所述接收功率值信息发送到所述控制模块110，根据所述接收功率值信息判断发射到无线供电接收装置的能量是否达到或超过了系统的能量需求。

所述控制模块110根据所述接收功率值信息和所述电压-电流相位差调节所述可调节匹配电容模块150的电容值和/或所述功放供电模块140的电压值，通过调节供电电压和可调节匹配电容模块的电容，可以改变电路的匹配状态，进而实时的调节系统效率和输出功率。

进一步地，所述可调节匹配电容模块包括第一可调节匹配电容和第二可调节匹配电容。

具体的，所述可调节匹配电容模块包括第一可调节匹配电容和第二可调节匹配电容，控制模块控制可调节匹配电容模块的电容，是通过分别控制第一可调节匹配电容和第二可调节匹配电容的容值实现的。通过分别控制第一可调节匹配电容和第二可调节匹配电容的容值，可以实现第一可调节匹配电容、第二可调节匹配电容与发射线圈模块中的电感组成串联谐振、并联谐振或者其他匹配方式的电路，从而影响与电感的谐振以及功放的负载，实现调节系统工作效率和输出功率的目的。

进一步地，所述功放供电模块包括稳压器和数字可调电阻。

具体的，图3为依照本发明实施例的功放供电模块的电路原理图，如图3所示，所述功放供电模块包括稳压器LT1370和数字可调电阻AD5272以及外围电路组成。稳压器LT1370芯片的反馈端FB连接一个数字可调电阻AD5272，通过控制模块中的FPGA芯片发射指令控制该可调电阻，即可控制LT1370的输出电压。

进一步地，所述电流检测模块由采样电阻、低通滤波器、仪表放大器、偏置器和比较器串联组成。

具体的，图4为依照本发明实施例的电流检测模块的电路原理图，如图4所示，所述电流检测模块由采样电阻、低通滤波器、仪表放大器、偏置器和比较器串联组成。先使用采样电阻从功放模块输出端对电流进行采样，通过滤波电路滤除高次谐波，再通过仪表放大器放大，放大后的信号通过偏置转换后使偏置电压和比较器的翻转电压相对应，最后通过比较器，将采样到的电流信号转换为电流PWM信号，该信号输入FPGA进行后续的逻辑处理。

进一步地，所述第一可调节匹配电容和所述第二可调节匹配电容均由继电器和电容阵列串联组成。

本发明提供的无线供电发射装置，通过控制模块根据功放模块输出端口处电流相位PWM信号和功放驱动PWM信号计算出电压-电流相位差，再根据无线供电接收装置的接收功率值信息和所述电压-电流相位差调节可调节匹配电容模块的电容值和/或功放供电模块的电压值，该控制为闭环的连续调节，使无线供电发射装置匹配网络实现实时匹配，能够使系统很好的应对耦合线圈相对位置的变化。使功放模块的等效负载的虚部为零，即没有能量反射损耗；同时可以保证输出到无线供电接收装置的能量等于系统的负载需求，没有多余的能量传送到负载，最大限度的降低了能量浪费，提高了系统的供电效率和输出功率的稳定性。

实施例2：

图5为依照本发明实施例的无线供电发射装置的控制方法示意图，如图5所示，本实施例提供一种无线供电发射装置的控制方法，包括：

步骤S10、获知无线供电接收装置接收到的接收功率；

步骤S20、接收功放模块的第二端电流相位PWM信号；

步骤S30、产生功放驱动PWM信号；

步骤S40、根据所述电流相位PWM信号和所述功放驱动PWM信号计算出电压-电流相位差；

步骤S50、根据所述接收功率和所述电压-电流相位差调节所述可调节匹配电容模块的电容值和/或所述功放供电模块的电压值。

具体的，首先，获知无线供电接收装置接收到的接收功率，无线供电发射装置中的发射线圈模块用于耦合输出供电电能，耦合输入无线供电接收装置中信号发射模块发射的信号，该信号包含无线供电接收装置的接收功率值信息，发射线圈模块与信号接收模块连接，信号接收模块用于接收所述接收功率值信息，并将所述接收功率值信息发送到所述控制模块。

接收功放模块的第二端电流相位PWM信号，无线供电发射装置中的电流检测模块检测功放模块输出的电流信号，将所述电流信号转换为电流相位PWM信号，并将所述电流相位PWM信号发送到控制模块。

产生功放驱动PWM信号，无线供电发射装置中的控制模块为所述功放模块提供所述功放驱动PWM信号，通过该信号来驱动功放模块，该信号象征电压相位。

根据所述电流相位PWM信号和所述功放驱动PWM信号计算出电压-电流相位差。

所述控制模块根据所述接收功率值信息和所述电压-电流相位差调节所述可调节匹配电容模块的电容值和/或所述功放供电模块的电压值，通过调节供电电压和可调节匹配电容模块的电容，可以改变电路的匹配状态，进而实时的调节系统效率和输出功率。

图6为依照本发明实施例的无线供电系统的结构示意图，如图6中所示出的一种无线供电发射装置的实现方式，其中，无线供电发射装置包括控制模块1、电流检测模块2、功放模块3、功放供电模块4、第一可调节匹配电容C_m1、第二可调节匹配电容C_m2、发射线圈模块L_tx和信号接收模块12，无线供电接收装置包括接收线圈模块L_rx、第一匹配电容C_m3、第二匹配电容C_m4、接收功率检测模块10、信号发射模块11和负载模块9。

图7为依照本发明实施例的无线供电发射装置的控制方法流程图，如图7所示，根据图6中所示出的一种无线供电发射装置的实现方式，可将无线供电发射装置的控制过程概括为以下步骤：

1、确定控制输入、输出量

无线供电发射装置电压-电流相位差θ(V,I)；无线供电接收装置收到的能量大小P_L；无线供电接收装置的能量需求P_req；供电电压的最小值V_{s_limit}；可调匹配电容C_m1，C_m2调节范围：0-C_{m1_max}，0-C_{m2_max}。电容的调节步长为C_step；电源电压的调节步长：V_{s_step}；电压-电流相位差角度调节的阈值θ_deadzone，输出功率的阈值P_deadzone。

对于无线供电发射装置电压-电流相位差θ(V,I)的检测。根据功放驱动PWM，以及电路检测电路输入的电流PWM，进行逻辑异或操作，所得到的PWM波形的脉宽大小就表示了相位差的大小。电压、电流的超前滞后关系表示了相位的正负。

无线供电接收装置的能量检测可以有多种方式，可以检测无线供电接收装置整流前的峰值电压，也可以检测整流后的直流电压值。检测到的能量值和设计期望值作差，得到无线供电接收装置的能量偏差值(P_L-P_req)。

供电电压的最小值V_{s_limit}可根据设计需要确定。可调匹配电容C_m1，C_m2的最大值C_{m1_max}，C_{m2_max}可根据设计需要确定。

2、初始化，C_m1＝C_{m1_max}；C_m2＝0；V_s＝V_{s_limit}；

3、判断θ(V,I)是否大于阈值θ_deadzone，如果是，则电容C_m1减少一定量C_step，即C_m1＝C_m1-C_step，并跳转步骤13；如果不是跳转到步骤4；

4、判断θ(V,I)是否小于-θ_deadzone，如果是，C_m1＝C_m1+C_step，并跳转步骤13，如果不是，跳转到步骤5；

5、判断P_L-P_req是否大于阈值P_deadzone，如果是，跳转到步骤6，如果不是跳转到步骤10；

6、判断C_m2是否大于0，如果是，C_m2＝C_m2+C_step，跳转到步骤3，如果不是跳转步骤7；

7、判断V_s是否大于V_{s_limit}，如果是，跳转步骤8，如果不是，跳转到步骤9；

8、V_s＝V_s-V_{s_step}；跳转步骤13；

9、C_m2＝C_m2+C_step；跳转步骤13；

10、判断P_L-P_req是否小于阈值-P_threshold，如果是，跳转步骤11，如果不是跳转步骤12；

11、判断C_m2是否大于0，如果是，C_m2＝C_m2-C_step，跳转到步骤13；如果不是V_s＝V_s+V_{s_step}，跳转步骤13；

12、C_m1＝C_m1,C_m2＝C_m2,V_s＝V_s。跳转步骤13；

13、根据现在的C_m1,C_m2,V_s控制电路系统中相应器件的参数。跳转步骤14；

14、是否终止系统，如果是，结束，如果不是，跳转到步骤3。

本发明提供的无线供电发射装置的控制方法，获知无线供电接收装置接收到的接收功率，接收功放模块的第二端电流相位PWM信号，产生功放驱动PWM信号，根据功放模块输出端口处电流相位PWM信号和功放驱动PWM信号计算出电压-电流相位差，再根据无线供电接收装置的接收功率值信息和所述电压-电流相位差调节可调节匹配电容模块的电容值和/或功放供电模块的电压值，使无线供电发射装置匹配网络实现实时匹配。功放模块的等效负载的虚部为零，即没有能量反射损耗。同时可以保证输出到无线供电接收装置的能量等于系统的负载需求，没有多余的能量传送到负载，最大限度的降低了能量浪费，提高了系统的供电效率和输出功率的稳定性。

实施例3：

图8为依照本发明实施例的无线供电接收装置结构示意图，如图8所示，本实施例提供一种无线供电接收装置，包括：接收线圈模块210、匹配电容模块230、接收功率检测模块240、信号发射模块220和负载模块250。

其中，所述接收线圈模块210的第一端与所述匹配电容模块230的第一端连接，用于耦合输入供电电能，耦合输出负载模块250接收到的接收功率值信息；

所述匹配电容模块230的第二端与所述负载模块250的第一端连接，用于与所述接收线圈模块210组成匹配网络；

所述接收功率检测模块240的第一端与所述负载模块250的第一端连接，所述接收功率检测模块240的第二端与所述信号发射模块220的第一端连接，用于检测所述接收功率值信息，并将所述接收功率值信息发送到所述信号发射模块220；

所述信号发射模块220的第二端与所述接收线圈模块210的第一端连接，用于将所述接收功率值信息发送到所述接收线圈模块210，所述接收线圈模块将所述接收功率值信息发射回所述发射线圈模块；

负载模块250用于接收使用所述供电电能。

具体的，在进行充电的过程中，接收功率检测模块240实时的检测负载模块250的接收功率，并将所述接收功率值信息发送到所述信号发射模块220，所述信号发射模块220用于将所述接收功率值信息发送到所述接收线圈模块210，通过接收线圈模块210将所述接收功率值信息发送到无线供电发射装置。

进一步地，所述接收功率检测模块包括峰值检测单元和模/数转换单元，所述峰值检测单元和所述模/数转换单元串联。

具体的，图9为依照本发明实施例的峰值检测电路原理图，如图9所示，峰值检测电路采集负载电压V_RL输出为负载的峰值电压V_adc，对于固定负载，峰值电压与负载功率P_L成正比，可以用来代表无线供电接收装置接收到的功率。该电压值通过模数转换模块转换为数字量。通过无线供电接收装置的信号发射模块和无线供电发射装置的信号接收模块将该数值信息传递回无线供电发射装置的控制模块中。

图6为依照本发明实施例的无线供电系统的结构示意图，如图6中的无线供电接收装置，无线供电接收装置中的匹配电容模块230可以包括第一匹配电容C_m3和第二匹配电容C_m4，第一匹配电容C_m3和第二匹配电容C_m4均为固定电容，根据设计需要，所述第一匹配电容C_m3、第二匹配电容C_m4与接收线圈模块210可以组成串联谐振、并联谐振或者其他匹配方式的电路，选择标准为使系统在一定的距离变化范围内均可以达到最高的效率。

本发明提供的无线供电接收装置，通过接收功率检测模块实时的检测负载模块的接收功率，并将所述接收功率值信息发送到无线供电发射装置，无线供电发射装置根据无线供电接收装置的接收功率值信息和无线供电发射装置电压-电流相位差调节可调节匹配电容模块的电容值和/或功放供电模块的电压值，该控制为闭环的连续调节，使无线供电发射装置匹配网络实现实时匹配。功放模块的等效负载的虚部为零，即没有能量反射损耗。同时可以保证输出到无线供电接收装置的能量等于系统的负载需求，没有多余的能量传送到负载，最大限度的降低了能量浪费，提高了系统的供电效率和输出功率的稳定性。

实施例4：

图6为依照本发明实施例的无线供电系统的结构示意图，图14为依照本发明实施例的无线供电系统的模块示意图，如图6和14所示，本发明实施例提供的无线供电系统包括上述实施例所述的无线供电发射装置和无线供电接收装置。

具体的，本发明实施例将系统各参数配置如下进行举例说明：功放工作频率：125kHz。供电电压的最小值V_{s_limit}＝5V，可调电容C_m1，C_m2调节范围：0-260nF，0-200nF。电容的调节步长为C_step＝1nF，电源电压的调节步长：V_{s_step}＝0.1V，角度调节的阈值θ_deadzone＝5°。输出功率的阈值P_deadzone用输出电压阈值代替V_deadzone＝0.5V。无线供电接收装置的负载电阻R_L＝6.5Ω。发射和接收线圈分别使用Wurth的型号为760308111和760308201的线圈。系统设计的负载接收功率为2W，即对应的电压Vreq＝5V。

图10为依照本发明实施例的线圈不同的相对位置与耦合系数的关系图，如图10所示，线圈距离越远耦合系数越低。如图6所示，定义发射线圈电感值为L_tx，发射线圈电阻R_tx，接收线圈电感值L_rx，接收线圈电阻R_rx，线圈互感M_rx-tx，工作角频率ω。

当负载阻抗为时，发射线圈和接收线圈之间的能量传输效率最大，为为了得到该等效的负载阻抗，根据阻抗匹配网络的计算公式，无线供电接收装置的匹配网络电容计算公式如下：

其中，

在实际系统中，该最优负载会随着位置变化而变化。而本实例的系统中的匹配网络是固定的。本实例在不同的耦合系数下进行了计算，并比较了相应的系统在耦合系数变化后的性能。图11为依据本发明实施例的不同的耦合系数与系统效率的关系图，从图11可以看出，耦合系数k0＝0.1是能够在较大的耦合系数范围达到一个优良的系统效率，因此本实例依据k0＝0.1来设计无线供电接收装置的匹配网络，得到：Cm3＝98nF，Cm4＝69nF。

对于无线供电发射装置的匹配网络，使用的是可调电容。可调电容是使用串联有继电器的电容阵列构成的。电容阵列的调节最终要达到功放输出端的电压-电流相位为零，这样功放负载的虚部的损耗为零，即没有能量反射。该阵列的调节同时要使得无线供电接收装置得到的电压V_L正好达到系统需求V_req。这样，电路损耗最小，发射的功率也刚好满足负载需求。

本实施例提供的无线供电系统的具体工作流程如下：

1、确定系统的初始参数。即通过控制模块发送指令将C_m1、C_m2设定为初始值C_{m1_max}和0nF；电源电压设定为V_{s_limit}。

2、启动控制模块，发出功放驱动PWM信号使功放开始工作。

3、利用相位检测模块，检测功放模块输出端的电流相位，并通过控制模块算法计算出功放输出端的电压-电流相位差θ(V,I)；通过峰值检测模块检测无线供电接收装置接收到的电压VL。将数值返回无线供电发射装置的控制模块。

4、控制模块根据电压-电流相位差θ(V,I)和无线供电接收装置接收到的电压V_L，运行图7的算法，得出新的参数值：C_m1,C_m2,V_s，并依据这些参数控制可调电容C_m1、C_m2和可调电压源模块。

5、重复控制过程，系统的输出电压最终会稳定在系统需求电压V_req附近。并且能够保持高的系统效率。

图12为依照本发明实施例的不同线圈距离与系统效率的关系图，如图12所示。从图中可以看到，本系统可以在0-25mm的线圈距离内保证很高的系统效率。

本发明提供的无线供电系统，包括上述实施例所述的无线供电发射装置和无线供电接收装置，通过接收功率检测模块实时的检测负载模块的接收功率，并将所述接收功率值信息发送到无线供电发射装置，无线供电发射装置根据无线供电接收装置的接收功率值信息和无线供电发射装置电压-电流相位差调节可调节匹配电容模块的电容值和/或功放供电模块的电压值，提高了系统的供电效率和输出功率的稳定性。

实施例5：

本实施例提供的无线供电系统，与实施例2、3和4中所述的无线供电系统基本相同，区别在于，本实施例中的功放模块为D类功放，如图13所述，此处不再赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种无线供电发射装置，其特征在于，包括，可调节匹配电容模块、电流检测模块、信号接收模块、功放供电模块、功放模块、发射线圈模块和控制模块；

所述电流检测模块的第二端与所述功放模块的第二端连接，所述电流检测模块的第一端与所述控制模块连接，用于检测所述功放模块输出的电流信号，将所述电流信号转换为电流相位PWM信号，并将所述电流相位PWM信号发送到所述控制模块；

所述功放供电模块的第二端与所述功放模块的第三端连接，所述功放供电模块的第一端与所述控制模块连接，用于将供电电能供给所述功放模块，获取所述控制模块发送的电压控制信号，并根据所述电压控制信号调节自身电压值；

所述功放模块的第一端与所述控制模块连接，用于接收所述控制模块发送的功放驱动PWM信号，根据所述功放驱动PWM信号放大所述供电电能的功率；

所述可调节匹配电容模块的第一端与所述功放模块的第二端连接，所述可调节匹配电容模块的第二端与所述发射线圈模块的第一端连接，所述可调节匹配电容模块的第三端与所述控制模块连接，用于获取所述控制模块发送的电容控制信号，并根据所述电容控制信号调节自身电容值；

所述发射线圈模块的第一端与所述信号接收模块的第一端连接，用于耦合输出所述供电电能，耦合输入无线供电接收装置中信号发射模块发射的信号，该信号包含无线供电接收装置的接收功率值信息；

所述信号接收模块的第二端与所述控制模块连接，用于接收所述接收功率值信息，并将所述接收功率值信息发送到所述控制模块；

所述控制模块用于为所述功放模块提供所述功放驱动PWM信号，并根据所述电流相位PWM信号和所述功放驱动PWM信号计算出电压-电流相位差，根据所述接收功率值信息和所述电压-电流相位差调节所述可调节匹配电容模块的电容值和/或所述功放供电模块的电压值。

2.根据权利要求1所述的无线供电发射装置，其特征在于，所述可调节匹配电容模块包括第一可调节匹配电容和第二可调节匹配电容。

3.根据权利要求1所述的无线供电发射装置，其特征在于，所述功放供电模块包括稳压器和数字可调电阻。

4.根据权利要求1所述的无线供电发射装置，其特征在于，所述电流检测模块由采样电阻、低通滤波器、仪表放大器、偏置器和比较器串联组成。

5.根据权利要求2所述的无线供电发射装置，其特征在于，所述第一可调节匹配电容和所述第二可调节匹配电容均由继电器和电容阵列串联组成。

6.一种无线供电发射装置的控制方法，其特征在于，包括：

获知无线供电接收装置接收到的接收功率；

接收功放模块的第二端电流相位PWM信号；

产生功放驱动PWM信号；

根据所述电流相位PWM信号和所述功放驱动PWM信号计算出电压-电流相位差；

根据所述接收功率和所述电压-电流相位差调节所述可调节匹配电容模块的电容值和/或所述功放供电模块的电压值。

7.一种无线供电接收装置，其特征在于，包括，接收线圈模块、匹配电容模块、接收功率检测模块、信号发射模块和负载模块；

所述接收线圈模块的第一端与所述匹配电容模块的第一端连接，用于耦合输入供电电能，耦合输出负载模块接收到的接收功率值信息；

所述匹配电容模块的第二端与所述负载模块的第一端连接，用于与所述接收线圈模块组成匹配网络；

所述接收功率检测模块的第一端与所述负载模块的第一端连接，所述接收功率检测模块的第二端与所述信号发射模块的第一端连接，用于检测所述接收功率值信息，并将所述接收功率值信息发送到所述信号发射模块；

所述信号发射模块的第二端与所述接收线圈模块的第一端连接，用于将所述接收功率值信息发送到所述接收线圈模块，所述接收线圈模块将所述接收功率值信息发射回所述发射线圈模块；

负载模块用于接收使用所述供电电能。

8.根据权利要求7所述的无线供电接收装置，其特征在于，所述接收功率检测模块包括峰值检测单元和模/数转换单元，所述峰值检测单元和所述模/数转换单元串联。

9.一种无线供电系统，其特征在于，包括，权利要求1-5任一所述的无线供电发射装置和权利要求7或8所述的无线供电接收装置。