CN107658927A - 基于反馈信令的自适应移动光学充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于反馈信令的自适应移动光学充电系统，包括分离的发射端和接收端，所述发射端包括依次连接的反馈控制器、电源和光学充电发送器，所述接收端包括依次连接的光学充电接收器、电能转换器和反馈监视器，所述电能转换器连接充电目标；所述光学充电发送器向所述光学充电接收器发送光束传输功率能量，所述反馈监视器用于将所需信息反馈给反馈控制器。与现有技术相比，本发明实现了0‑50米范围的移动光学充电；还实现了发射端和接收端间的信息反馈机制，发射端可以根据接收端的反馈信息实现响应。
Description
技术领域
本发明涉及光电工程领域，尤其是涉及基于反馈信令的自适应移动光学充电系统。
背景技术
根据思科Visual Networking Index(VNI)报告，无线业务流量今后将以每年接近100％的幅度增长，在未来十年，无线数据流量将增长1000倍。随之而来，无线通信和移动计算设备信息处理能力也将不断增强，从而对移动设备的能量供给提出了越来越高的要求。以目前的智能手机为例，70％以上的体积和重量都被电池所占据，而且这个比例还在不断升高。其次，供电也是物联网和穿戴式设备的关键技术，特别是远距离、移动地、持久地供电仍是极具挑战性的问题。另外，虚拟/增强现实(Virtual/Augmented Reality，或VR/AR)正日渐走进人们的工作和生活，为头戴式显示设备供电也是VR/AR的瓶颈之一。因此，对移动通信设备的供电能力与用户需求之间的矛盾已日益突出。
解决上述矛盾的方法：一是提升电池性能；二是利用无线充电技术。由于电池在容量、重量、安全等方面的局限性，电池资源可以挖掘的潜力已经有限。因为，增加电池容量或提升电池储能密度，除了重量、成本、环保等考虑，更重要的是对安全的顾虑。例如，三星Note7手机电池爆炸事件，凸显出提升电池容量和确保安全之间的矛盾。另一方面，无线充电可以为移动设备提供便捷、持久、安全的电能，从而免去了用户随时携带充电线及寻找充电插孔的麻烦，满足了用户随时随地充电的需求。为减少移动通信设备对电池的依赖，支持更高性能移动通信设备的设计开辟了新的空间。因此，无线充电是解决上述供需矛盾的重要方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于反馈信令的自适应移动光学充电系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于反馈信令的自适应移动光学充电系统，包括分离的发射端和接收端，所述发射端包括依次连接的反馈控制器、电源和光学充电发送器，所述接收端包括依次连接的光学充电接收器、电能转换器和反馈监视器，所述电能转换器连接充电目标；所述光学充电发送器向所述光学充电接收器发送光束传输功率能量，所述反馈监视器用于将所需信息反馈给反馈控制器。
优选的，所述光学充电发送器包括光泵浦器件、第一反射镜和增益介质，所述光学充电接收器包括第二反射镜和设于所述第二反射镜之后的光电转换器，所述增益介质设于第一反射镜和第二反射镜之间。
优选的，所述第二反射镜为部分反射镜。
优选的，所述光泵浦器件为激光二极管。
优选的，所述激光二极管为InGaAsP/InP双异质结激光二极管。
优选的，所述反馈监视器和反馈控制器通过反馈信道通信。
优选的，所述反馈信道为无线信道。
优选的，所述无线信道可采用的通信方式包括Wi-Fi、蓝牙、红外线、超宽带通信、可见光/激光通信。
优选的，所述反馈通道合并于光学充电发送器向光学充电接收器发送光束传输功率能量的通道。
优选的，所述反馈监视器根据光电转换器输出的最大功率值点和电池充电曲线获取系统所需信息，所需信息通过反馈信道发送到反馈控制器。
优选的，所述反馈控制器根据反馈监视器发送的信息，反演出激光二极管所需刺激电流来调节发射端的电源输出。
优选的，所述光电转换器为光伏电池面板构件。
优选的，所述光伏电池面板构件为硅基垂直多结面光伏电池。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、采用空间上分离的发射端和接收端联合构成移动光学充电系统，实现了对相隔0～50米距离范围内的设备进行无线充电，满足了用户随时随地充电的需求，任何对光路的遮挡都能立即切断能量传输，从而确保了充电安全。
2、反馈监视通过无线反馈信道将反馈信息发送给发射端，实现对发射端的反馈控制，有利于及时、准确的调节发射端。
3、通过反馈监视器和反馈控制器间的反馈机制，实现自适应调整发送功率，为电池提供最佳的供电功率，优化了能量传递效率。
4、光电转换器和电池之间的电能转换器可以在不同功率负载要求的情况下优化功率转换效率，采用可编程集成电路，使得输出电流和电压是可控的，增加了优化电池充电的灵活性，优化了电池的充电性能。
5、采用硅基垂直多结面光伏电池能针对相关波长光束实现最优效率光电转换，降低了能量的损失。
6、反馈通道可以合并于光学充电发送器向光学充电接收器发送光束传输功率能量的通道，可以在无线方式无法实现的情况下仍能实现反馈机制，也可以节省无线传输需要的功能部件。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明中光学充电发送器和光学充电接收器的结构示意图；
图3为锂电池充电曲线；
图4为InGaAsP/InP双异质结激光二极管刺激电流产生的激光功率图；
图5为光伏面板的功率转换半导体电路模型；
图6为光伏面板输出电流与电压间的关系曲线图；
图7为光伏面板输出功率和电压之间的关系曲线图；
图8为本发明与恒定功率充电性能比较图。
图中标注：1、反馈控制器，2、电源，3、光学充电发送器，4、电能转换器，5、反馈监视器，6、电池，7、第一反射镜，8、第二反射镜，9、增益介质。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
如图1所示，一种基于反馈信令的自适应移动光学充电系统，包括分离的发射端和接收端，发射端包括依次连接的反馈控制器1、电源2和光学充电发送器3，接收端包括依次连接的光学充电接收器、电能转换器4和反馈监视器5，电能转换器4连接需要充电的电池6，本实施例中电池6为锂离子电池；光学充电发送器3向光学充电接收器发送光束传输功率能量，反馈监视器5用于将所需信息反馈给反馈控制器1。
如图1所示，光学充电发送器3和光学充电接收器组成了移动式光学充电装置，通过位于自由空间中的激光器谐振腔传输能量，实现对锂离子电池的远距离无线充电。如图2所示，光学充电发送器包括光泵浦器件、第一反射镜7和增益介质9，光学充电接收器包括第二反射镜8和设于第二反射镜8之后的光电转换器，增益介质9设于第一反射镜7和第二反射镜8之间，本实施例中，光电转换器为硅基垂直多结面光伏电池，能针对相关波长光束实现最优效率光电转换，而普通的太阳能光伏电池光电转换效率较低。通过第二反射镜8的光子可以形成激光束，激光束被光伏电池转换成电能。其中，第一反射镜7可以为部分反射镜或者全反射镜，在本实施例中，第一反射镜7的反射率为100％的全反射镜，第二反射镜8的反射率为95％部分反射镜。
阻挡在第一反射镜7和第二反射镜8之间视距的任何物体都会破坏谐振，从而提供了固有的安全性。此外，只要光子能沿着连接第一反射镜7和第二反射镜8的视距传播，第一反射镜7和第二反射镜8之间就可以无关入射角地建立谐振。因此，谐振光束可以在没有特定目标或轨迹的情况下自动对准。这两种特性克服了传统激光器的困难，保证了本系统的移动充电安全。
接收端的反馈监视器5可以跟踪电池6的电压和电流，基于电池6充电曲线和光伏面板输出功率，可以计算出所需的激光功率。鉴于锂离子电池的化学特性，不同种类的电池可能具有不同的充电曲线，图3所示为一种锂离子电池充电曲线，从图中可知它包括涓流充电(TC)、恒定电流充电(CC)、恒定电压充电(CV)、充电终止(CT)4个阶段。反馈监视器5通过反馈通道将所需的激光功率发送到反馈控制器1，可以使用各种无线通信技术，例如WiFi、蓝牙、红外线通信、可见光/激光通信等，来建立反馈信息信道。反馈通道还可合并于光学充电发送器3向光学充电接收器发送光束的功率能量传输通道。反馈监视器获取的反馈信息通过光调制构件加载于光学充电发送器和光学充电接收器间的发送光束，借助发送光束的功率能量传输通道实现信息反馈。反馈信息由发射端的反馈控制器1处理。为了在增益介质9上提供不同的功率，产生不同的谐振光束功率，反馈控制器1根据反馈信息调节电源2，实现自适应控制相应的激光功率。
基于激光物理学，只有当刺激电流超过一定阈值时，才能产生激光。用It表示为由电源2提供的施加在增益介质9上的刺激电流，用Plaser表示为光束功率。
在激光光子物理学中，Plaser依赖于It，他们的关系是：
其中，q是基本电荷常数，h是普朗克常数，v是恒定的激光频率，Ith是由增益介质9确定的恒定电流的阈值。
本实施例中，光泵浦器件采用激光二极管，优选的，采用工艺成熟、性价比高的InGaAsP/InP双异质结激光二极管，基于公式(1)，得到刺激电流产生激光功率的关系图，如图4所示，说明了当It＞Ith时，Plaser与It之间的线性关系。
激光光束通过光电转换器转换为电能。图5是光伏电池面板构件的功率转换半导体电路模型。光伏电池面板构件输出电压Vo,pv和电流Io,pv可以表征为：
其中Isc是光伏电池面板构件短路电流，Is是饱和电流，即在没有光的情况下的二极管漏电流密度，这取决于开路电压Vo,pv：
热电压Vt为：
Vt＝nkT/q (4)
其中n是光伏电池面板构件质量因子，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度。
在接收端，光伏电池面板构件将激光束功率Plaser转换为电流Io,pv和电压Vo,pv。可以通过Plaser来确定Io,pv和Vo,pv的值。此外，光伏电池面板构件输出的最大功率点是独一无二的，这将在性能评估中得到体现。总之，光伏电池面板构件将激光转换为电能。基于公式(2)至(4)，图6表明了光伏电池面板构件输出电流Io,pv和电压Vo,pv之间的关系，从图中可知，给定Vo,pv，输入激光功率越高，输出电流Io,pv越高。
从电池6充电曲线可知，由于光伏电池面板构件输出电流Io,pv和电压Vo,pv可能不是最佳的充电值，因此需要将电流Io,pv和电压Vo,pv转换为具有最小功率损耗的所需充电值。
电能转换器4采用可编程集成电路，可以将光伏电池面板构件电流Io,pv和电压Vo,pv转换为所需的电池6充电电流Io,pv和电压Vo,pv。电能转换器4的输出电流和电压是可控的，提供了优化电池6充电的灵活性。
图7表示了给定一定激光功率密度的光伏电池面板输出功率Po,pv＝Io,pvVo,pv和电压Vo,pv之间的关系。圆圈标记的峰值点为光伏电池面板输出的最大功率值点。为了获得最佳的光伏电池面板转换效率，根据图6和图7，给定一定的激光功率，应该找到与最大功率值点对应的光伏电池面板输出电压和电流。另一方面，如果给出期望的光伏电池面板输出功率，则基于最大功率值点，可以确定唯一的激光功率。由于典型的电能转换器4效率高于90％-95％，所以转换效率可约等于100％，则光伏电池面板的输出功率与电池6充电功率相同。因此，考虑到最佳的电池6充电功率，即最佳的光伏电池面板输出功率，可以跟踪作为最大功率点相应的最佳激光功率。
实施例二
假设电池6在CC阶段结束时被充电，如图3中所示。所需的电流和电压分别为600mA和4.2V。因此，期望的电能输出功率，即光伏电池面板输出功率应为600mA×4.2V＝2.52W。在搜索图7之后，所需的激光照射强度可以计算出来，约为4W/cm2，由图6可以得到，其相应的光伏电池面板输出电流和电压分别为17mA和148V。通过反馈将期望的激光功率密度4W/cm2提供给电源2，然后可以根据图4产生期望的激光功率。
实施例三
在大多数传统的无线充电系统中，包括无自适应调节的移动式光学充电系统，电池6只能以固定的功率充电。基于图3中的锂离子电池充电曲线，锂离子电池充电需要最小功率4.2W(恒定电压4.2V和恒定电流1A)。图8中的实线显示了恒定的4.2W充电功率。本系统中的电池6充电功率由图8中的短横杠虚线给出，依靠图3所示的电池6充电曲线跟踪，恒定功率充电和本系统之间的差距用横杠和点组合虚线表示，这是本系统节省的功率。
随着时间的推移，功率的积分产生电量。计算后得到恒定功率充电消耗15.12Wh，本系统需要5.98Wh，相差为9.14Wh，这意味着本系统相较传统的固定功率充电系统可以节省至少60.4％的电量。
Claims (8)
1.一种基于反馈信令的自适应移动光学充电系统，包括分离的发射端和接收端，其特征在于，所述发射端包括依次连接的反馈控制器、电源和光学充电发送器，所述接收端包括依次连接的光学充电接收器、电能转换器和反馈监视器，所述电能转换器连接充电目标；所述光学充电发送器向所述光学充电接收器发送光束传输功率能量，所述反馈监视器用于将所需信息反馈给反馈控制器。
2.根据权利要求1所述的基于反馈信令的自适应移动光学充电系统，其特征在于，所述光学充电发送器包括光泵浦器件、第一反射镜和增益介质，所述光学充电接收器包括第二反射镜和设于所述第二反射镜之后的光电转换器，所述增益介质设于第一反射镜和第二反射镜之间。
3.根据权利要求2所述的基于反馈信令的自适应移动光学充电系统，其特征在于，所述第二反射镜为部分反射镜。
4.根据权利要求2所述的基于反馈信令的自适应移动光学充电系统，其特征在于，所述光泵浦器件为激光二极管。
5.根据权利要求1所述的基于反馈信令的自适应移动光学充电系统，其特征在于，所述反馈监视器和反馈控制器通过反馈信道通信。
6.根据权利要求5所述的基于反馈信令的自适应移动光学充电系统，其特征在于，所述反馈信道为无线信道。
7.根据权利要求5所述的基于反馈信令的自适应移动光学充电系统，其特征在于，所述反馈通道合并于光学充电接收器向光学充电接收器发送光束传输功率能量的通道。
8.根据权利要求2所述的基于反馈信令的自适应移动光学充电系统，其特征在于，所述光电转换器为光伏电池面板构件。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180202 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |