CN107666186B - 一种无线能量传输系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无线能量传输系统及方法，通过开关对接收电路进行储能模式和放电模式的切换，当开关闭合时，负载被短路，且次级谐振电路处于储能模式，当开关断开时，负载接入，且次级谐振电路处于放电模式，并将其储存的能量释放给负载；实现将次级谐振电路作为接收电路的AC‑DC转换器的电流源输入，提高电压转换比，从而提高输出电压，更能满足高输出电压的应用要求，不需要额外的片外电容；而且通过适时关闭功率放大器，有利于节省发射能源，提高系统的传输效率，且不需要采用复杂的反馈技术或者无线通信技术，也能将接收电路的模式切换信号返回到发射电路中，大大降低系统复杂度。

Description

一种无线能量传输系统及方法
技术领域
本发明涉及无线能量传输领域，特别是涉及一种无线能量传输系统及方法。
背景技术
像无线通信技术一样摆脱有形介质的束缚，实现无线能量的传输一直也是人类的追求。19世纪末，Nikola Tesla便开始无线能量传输的研究，他用一个电场点亮了一个气体放电管，证明了无线能量传输是有可能的，并预言：几十年后人类将彻底解决无线供电问题。近年来，随着无线传输和电磁学理论的不断发展和完善，尤其是基于磁耦合谐振式的无线能量传输技术迅速发展起来，使无线能量传输技术成为国内外学者研究的热点之一。该技术已经被广泛应用于电动汽车充电、便携式/穿戴式电子设备、医疗设备、水下作业、现代农业等领域，具有广阔的市场空间和实际的应用价值。
目前，已有的谐振式无线能量传输系统通过片上AC-DC转换器，如全波整流器、半波整流器、倍压器和AC-DC转换器等，将次谐振回路(由电感和电容构成)接收到的交流电压VR转化为直流电压VOUT供给负载，实现对负载的供电。为了提高转换效率，采用MOS晶体管和高速比较器构成的有源二极管进行整流，由于二极管的存在导通压降，导致输出的直流电压VOUT仍然VR比略低。
因此，为了提高电压转换的比值VOUT/VR，增大输出电压，已有技术采用AC-DC多倍压整流器或DC-DC电荷泵实现，但是，会增加系统面积和接收机的复杂度；并由于其将次级谐振电路作为AC-DC转换电路的电压源输入，也大大限制了负载上的最大输出电压的大小。
发明内容
为解决上述现有技术的缺点和不足，本发明的其中一目的是提供一种无线能量传输系统，通过开关对接收电路进行储能模式和放电模式的切换，当开关闭合时，负载被短路，且次级谐振电路处于储能模式，当开关断开时，负载接入，且次级谐振电路处于放电模式，并将其储存的能量释放给负载；实现将次级谐振电路作为接收电路的AC-DC转换器的电流源输入，提高电压转换比，从而提高输出电压，更能满足高输出电压的应用要求，不需要额外的片外电容；而且通过适时关闭功率放大器，有利于节省发射能源，提高系统的传输效率，且不需要采用复杂的反馈技术或者无线通信技术，也能将接收电路的模式切换信号返回到发射电路中，大大降低系统复杂度。本发明的另一目的是提供一种基于上述无线能量传输系统的无线能量传输方法。
一种无线能量传输系统，包括发射电路和接收电路；
所述发射电路包括供电电路、栅极驱动控制电路、功率放大器、初级谐振电路和数据检测单元；
所述供电电路为所述栅极驱动控制电路和所述功率放大器供电；
所述功率放大器的输入端与所述栅极驱动控制电路的输出端电连接，输出端与所述初级谐振电路串接；且所述功率放大器用于对输入信号进行放大处理，并输出到所述初级谐振电路中；
所述初级谐振电路用于将能量发射到所述接收电路；
所述数据检测单元用于感应初级谐振电路的初级电流变化，并根据初级电流和预输入的门限电压处理得到功率通断控制信号，并输出至所述栅极驱动控制电路，由所述栅极驱动控制电路根据所述功率通断控制信号控制所述功率放大器的工作状态；
以及，所述接收电路包括次级谐振电路、AC-DC转换器、储能控制单元和电流检测单元；
所述次级谐振电路与所述初级谐振电路通过磁场耦合，接收由所述初级谐振电路发射的能量；
所述AC-DC转换器的输入端与所述次级谐振电路的输出端电连接，输出端用于接入负载；
所述储能控制单元并联连接于所述次级谐振电路和AC-DC转换器之间；
所述电流检测单元用于检测次级谐振电路的次级电流大小，并根据次级电流和预设的电流峰值处理得到负载通断控制信号，并输出至所述储能控制单元，通过储能控制单元控制负载的接入或短路；
当电流检测单元检测到的次级电流小于预设的电流峰值时，储能控制单元控制负载短路，能量存储在次级谐振电路中，而不释放到负载上；且数据检测单元通过栅极驱动控制电路控制所述功率放大器导通；
当电流检测单元检测到的次级电流等于或大于预设的电流峰值时，储能控制单元控制负载接入，能量从次级谐振电路释放到负载上；且数据检测单元通过栅极驱动控制电路控制所述功率放大器截止；
当电流检测单元检测到的次级电流从预设的电流峰值下降至零时，储能控制单元控制负载短路，且数据检测单元通过栅极驱动控制电路控制所述功率放大器再次导通。
相对于现有技术，本发明通过开关对接收电路进行储能模式和放电模式的切换，当开关闭合时，负载被短路，且次级谐振电路处于储能模式，当开关断开时，负载接入，且次级谐振电路处于放电模式，并将其储存的能量释放给负载；实现将次级谐振电路作为接收电路的AC-DC转换器的电流源输入，提高电压转换比，从而提高输出电压，更能满足高输出电压的应用要求，不需要额外的片外电容；而且通过适时关闭功率放大器，有利于节省发射能源，提高系统的传输效率，且不需要采用复杂的反馈技术或者无线通信技术(如蓝牙、Zigbee和UWB等)，而是直接通过感应初级谐振电路所在的谐振回路中的电流变化，即能将接收电路的模式切换信号返回到发射电路中，从而控制功率放大器的通断，大大降低系统复杂度。此外，除了初级线圈和次级线圈外，整个无线能量传输系统和下述的无线能量传输系统方法可以完全用集成电路CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺实现，很适合集成于SOC(system on chip)芯片，具有良好的推广价值和研究意义。
进一步，所述供电电路由电池和电池管理单元组成。通过此处限定，实现电池的管理，能够合理应用电池，节省用电。
进一步，所述栅极驱动控制电路由栅极驱动电路和死区时间控制电路组成；所述功率放大器为D类功率放大器；所述初级谐振电路包括初级谐振电容和初级谐振电感；所述数据检测单元包括感应线圈和电流传感器；
所述栅极驱动电路的电源输入端与所述供电电路的电源输出端电连接，输出端与所述D类功率放大器的输入端电连接，控制端与所述死区时间控制电路的输出端电连接；
所述功率放大器的电源输入端与所述供电电路的电源输出端电连接，其中一输出端与初级谐振电容的一端串接，另一输出端与初级谐振电感一端串接并共地；
所述初级谐振电容的另一端和所述初级谐振电感的另一端串接；
所述感应线圈感应初级谐振电路的中初级电流变化，且感应线圈的感应输出端与所述电流传感器的信号输入端电连接；
所述电流传感器的控制输出端与所述死区时间控制电路的输入端电连接，且所述电流传感器根据感应线圈检测得到的信号进行处理，获得功率通断控制信号，由死区时间控制电路根据该功率通断控制信号，通过栅极驱动电路控制所述D类功率放大器的导通或截止。
通过上述限定，实现保证发射电路能够完成所需功能的同时，具有较为简单的结构，而进一步降低整个系统的复杂度和生产难度。
进一步，所述电流传感器包括包络检波器、带通滤波器、迟滞比较器和分压器；
所述包络检波器的输入端与所述感应线圈的感应输出端电连接，输出端与所述带通滤波器的输入端电连接；
所述迟滞比较器的信号输入端和门限电压输入端分别与所述带通滤波器的输出端和所述分压器的输出端电连接，输出端与所述死区时间控制电路的输入端电连接；
所述分压器的电源输入端与所述供电电路电源输出端电连接，且所述分压器为所述迟滞比较器提供所述门限电压；
所述包络检波器对由感应线圈输入的电压信号进行包络检测处理后，由带通滤波器进行滤波处理，并输出处理后的电压信号至所述迟滞比较器；所述迟滞比较器比较接收到的电压信号和门限电压，得到并输出所述功率通断控制信号。
进一步，所述次级谐振电路包括次级谐振电感和次级谐振电容；所述储能控制单元包括栅极控制电路和MOS晶体管；所述电流检测单元为电流检测器；
所述次级谐振电感的一端和所述次级谐振电容的一端串接，次级谐振电感的另一端与AC-DC转换器的其中一输入端电连接并共地；所述次级谐振电容的另一端与AC-DC转换器的另一输入端电连接；
所述栅极控制电路的输出端与所述MOS晶体管的栅极电连接；
所述MOS晶体管的漏极电连接于所述次级谐振电容和AC-DC转换器相互连接的一端之间，源极电连接于所述次级谐振电感和AC-DC转换器的共地端；
所述电流检测器的输入端感应次级谐振电路的次级电流大小，输出端与所述栅极控制电路的输入端；所述电流检测器根据输入端感应的次级电流大小，输出负载通断控制信号到栅极控制电路，而控制所述MOS晶体管的通断，实现负载的短路或接入。
通过上述限定，实现保证接收电路能够完成所需功能的同时，具有较为简单的结构，而进一步降低整个系统的复杂度和生产难度。
进一步，所述AC-DC转换器由一整流二极管和一滤波电容构成；所述整流二极管的正极与所述MOS晶体管的漏极电连接，负极与滤波电容一端电连接并作为正输出端；滤波电容另一端与所述MOS晶体管的源极电连接并共地，并作为负输出端。通过此处限定，进一步简化了电路结构。
为达到本发明的另一目的，本发明还提供了一种无线能量传输方法，该无线能量传输方法为基于上述任一项所述的无线能量传输系统的无线能量传输方法，在供电电路正常供电的情况下，包括以下步骤：
S1：栅极驱动控制电路驱动所述功率放大器导通；
S2：功率放大器的输出能量通过初级谐振电路发射出去；
S3：储能控制单元控制负载短路，次级谐振电路通过磁耦合方式接收由所述初级谐振电路发射的能量；
S4：电流检测单元检测次级谐振电路的次级电流，并比较次级电流和预设的电流峰值的大小；如果次级电流小于预设的电流峰值时，返回至步骤S1；否则，执行步骤S5；
S5：电流检测单元输出低电平的负载通断控制信号至所述储能控制单元，储能控制单元控制负载接入；
S6：数据检测单元检测到初级谐振电路的初级电流发生变化，并将检测得到的信号与预输入的门限电压进行比较，得到功率通断控制信号；该功率通断控制信号为数字控制信号，其取值为1或0，当其取值为1时，功率放大器截止，当其取值为0时，功率放大器导通；
S7：如果所述功率通断控制信号等于1，则执行步骤S8；如果功率通断控制信号为0，则返回至步骤S1；
S8：栅极驱动控制电路控制所述功率放大器截止；
S9：功率放大器无能量输出至所述初级谐振电路，初级谐振电路不发射能量；
S10：次级谐振电路储存的能量开始释放，经过AC-DC转换器变换后为负载充电；
S11：检测AC-DC转换器的当前输出电压，并比较当前输出电压和所需输出电压的大小；如果当前输出电压仍小于所需输出电压，则执行步骤S12；否则，如果当前输出电压等于所需输出电压，则执行步骤S13；
S12：次级谐振电路储存的能量继续释放，经过AC-DC转换器变换后继续为负载充电，并通过电流检测单元检测次级谐振电路的次级电流是否等于0，是则输出高电平的负载通断控制信号，并输出至所述储能控制单元；储能控制单元控制负载短路；返回步骤S6；
S13：次级谐振电路停止对负载放电，无线能量传输结束。
进一步，该无线能量传输方法为基于上述第5项或第6项所述的无线能量传输系统的无线能量传输方法，及，
所述步骤S1具体为：死区时间控制电路通过栅极驱动电路驱动所述功率放大器导通；
所述步骤S2具体为：功率放大器的输出能量通过初级谐振电感发射出去；
所述步骤S3具体为：栅极控制电路控制MOS晶体管导通而短路负载，次级谐振电感通过磁耦合方式接收由所述初级谐振电感发射的能量；
所述步骤S4具体为：电流检测器检测次级谐振电路的次级电流，并比较次级电流和预设的电流峰值的大小；如果次级电流小于预设的电流峰值时，返回至步骤S1；否则，执行步骤S5；
所述步骤S5具体为：电流检测器输出低电平的负载通断控制信号至所述栅极控制电路，所述栅极控制电路控制MOS晶体管截止，实现负载的接入；
所述步骤S6具体为：电流传感器通过感应线圈感应初级谐振电路的初级电流的变化，并对感应线圈输入的电压信号进行包络检测和滤波处理后，将该电压信号与门限电压进行比较，得到所述功率通断控制信号；所述功率通断控制信号为数字控制信号，其取值为1或0；
所述步骤S8具体为：死区时间控制电路通过栅极驱动电路控制所述功率放大器截止；
所述步骤S9具体为：功率放大器无能量输出至所述初级谐振电路，初级谐振电感不发射能量；
所述步骤S10具体为：次级谐振电感和次级谐振电容中储存的能量开始释放，经过AC-DC转换器变换后为负载充电；
所述步骤S12具体为：次级谐振电路储存的能量继续释放，经过AC-DC转换器变换后继续为负载充电，并通过电流检测器检测次级谐振电路的次级电流是否等于0，是则输出高电平的负载通断控制信号，并输出至所述栅极控制电路；栅极控制电路控制MOS晶体管导通，短路负载；返回步骤S6。
由于本发明的无线能量传输方法是基于本发明的无线能量传输系统实现无线能量传输的一种方法，则本发明的无线能量传输方法具有无线能量传输系统所产生的所有技术效果，在此不赘述。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为本发明无线能量传输系统的电路结构框图；
图2为本发明无线能量传输系统的能量传输处于储能模式时的电路简图；
图3为本发明无线能量传输系统的能量传输处于放电模式时的电路简图；
图4为本发明无线能量传输系统的电路结构原理图；
图5为本发明无线能量传输系统的发射电路中的电流传感器的电路结构框图；
图6为本发明无线能量传输方法的方法流程图。
具体实施方式
为解决现有技术的缺陷，本发明提供了一种无线能量传输系统，通过开关对接收电路进行储能模式和放电模式的切换，当开关闭合时，负载被短路，且次级谐振电路处于储能模式，当开关断开时，负载接入，且次级谐振电路处于放电模式，并将其储存的能量释放给负载；实现将次级谐振电路作为接收电路的AC-DC转换器的电流源输入，提高电压转换比，从而提高输出电压，更能满足高输出电压的应用要求，不需要额外的片外电容；而且通过适时关闭功率放大器，有利于节省发射能源，提高系统的传输效率，且不需要采用复杂的反馈技术或者无线通信技术，也能将接收电路的模式切换信号返回到发射电路中，大大降低系统复杂度。以下，对本发明的无线能量传输系统进行说明。
请参阅图1，本发明的无线能量传输系统，包括发射电路11和接收电路12。所述发射电路11发射能量，所述接收电路12通过磁耦合的方式接收由所述发射电路11发射的能量。
具体地，所述发射电路11包括供电电路111、栅极驱动控制电路112、功率放大器113、初级谐振电路114和数据检测单元115。所述供电电路111为所述栅极驱动控制电路112和所述功率放大器113供电。所述功率放大器113的输入端与所述栅极驱动控制电路112的输出端电连接，输出端与所述初级谐振电路114串接；且所述功率放大器113用于对输入信号进行放大处理，并输出到所述初级谐振电路114中。所述初级谐振电路114用于将能量发射到所述接收电路12。所述数据检测单元115用于感应初级谐振电路114的初级电流变化，并根据初级电流和预输入的门限电压处理得到功率通断控制信号，并输出至所述栅极驱动控制电路112，由所述栅极驱动控制电路112根据所述功率通断控制信号控制所述功率放大器113的工作状态。
具体地，所述接收电路12包括次级谐振电路121、AC-DC转换器123、储能控制单元122和电流检测单元124。所述次级谐振电路121与所述初级谐振电路114通过磁场耦合，接收由所述初级谐振电路114发射的能量。所述AC-DC转换器123的输入端与所述次级谐振电路121的输出端电连接，输出端用于接入负载125。所述储能控制单元122并联连接于所述次级谐振电路121和AC-DC转换器123之间。所述电流检测单元124用于检测次级谐振电路121的次级电流大小，并根据次级电流和预设的电流峰值处理得到负载125通断控制信号，并输出至所述储能控制单元122，通过储能控制单元122控制负载125的接入或短路。
当电流检测单元124检测到的次级电流小于预设的电流峰值时，储能控制单元122控制负载125短路，能量存储在次级谐振电路121中，而不释放到负载125上；且数据检测单元115通过栅极驱动控制电路112控制所述功率放大器113导通。当电流检测单元124检测到的次级电流等于或大于预设的电流峰值时，储能控制单元122控制负载125接入，能量从次级谐振电路121释放到负载125上；且数据检测单元115通过栅极驱动控制电路112控制所述功率放大器113截止。当电流检测单元124检测到的次级电流从预设的电流峰值下降至零时，储能控制单元122控制负载125短路，且数据检测单元115通过栅极驱动控制电路112控制所述功率放大器113再次导通。
由上述技术方案可知，本发明的无线能量传输是通过两个模式之间的切换实现无线能量传输的：
储能模式：无线能量发射机的功率放大器113通过初级谐振电路114中的线圈L1将能量发射出去，同时闭合并联在次级谐振回路(由次级谐振电路和AC-DC转换器123构成的谐振回路)的储能控制单元122，使得负载125被短路，次级谐振电路121中的线圈L2通过磁耦合接收到由初级谐振电路114的线圈L1发射的能量；且接收到的能量被储存在次级谐振电路121的线圈L2和电容C2中，此时本系统的电路简图如图2所示。
放电模式：经过多个谐振周期后，当电流检测单元124检测到次级电流为设定峰值I2max时，储能控制单元122断开，同时直接通过数据检测单元115感应初级回路电流的变化，输出功率通断控制信号使功率放大器113关闭，导致没有能量传递到次级，使得仅仅存储在次级线圈L2和次级谐振电容C2中的能量释放到负载125上，图3中用RL表示负载125在电路中的电阻，此时本系统的电路简图如图3所示。当检测到次级电流为零时(标志着放电结束)，闭合储能控制单元122回到储能模式，如此往复，使得负载125上的电压不断升高，直到达到额定值。且在此阶段，发射电路11处于待机状态，节省发射能量，从而提高系统效率；此外，次级谐振电路121是以电流源形式输入到AC-DC转换器123，由此获得较高的电压转换比，从而提高输出电压。
为了保证发射电路11和接收电路12能够完成所需功能的同时，具有较为简单的结构，而进一步降低整个系统的复杂度和生产难度，作为一种更优的技术方案，在本实施例中，发射电路11和接收电路12的具体结构请见以下说明，并请同时参阅图4和图5。
发射电路11中，所述供电电路111由电池和电池管理单元201组成。所述栅极驱动控制电路112由栅极驱动电路202和死区时间控制电路205组成。所述功率放大器113为D类功率放大器203。所述初级谐振电路114包括初级谐振电容C1和初级谐振电感L1。所述数据检测单元115包括感应线圈L3和电流传感器204。
所述栅极驱动电路202的电源输入端与所述供电电路111的电源输出端电连接，以获取工作电源VDD，输出端与所述D类功率放大器203的输入端电连接，控制端与所述死区时间控制电路205的输出端电连接。所述功率放大器113的电源输入端与所述供电电路111的电源输出端电连接，以获取工作电源VDD，其中一输出端与初级谐振电容C1的一端串接，另一输出端与初级谐振电感L1一端串接并共地。所述初级谐振电容C1的另一端和所述初级谐振电感L1的另一端串接。所述感应线圈L3感应初级谐振电路114的中初级电流I1变化，且感应线圈L3的感应输出端与所述电流传感器204的信号输入端电连接。所述电流传感器204的控制输出端与所述死区时间控制电路205的输入端电连接，且所述电流传感器204根据感应线圈L3检测得到的信号进行处理，获得功率通断控制信号Data，由死区时间控制电路205根据该功率通断控制信号Data，通过栅极驱动电路202控制所述D类功率放大器203的导通或截止。
为对初级谐振回路(由初级谐振电路114和功率放大器113构成的谐振回路)中的电流的变化更好地检测，提高检测和控制的准确度，作为一种更优的技术方案，所述电流传感器204包括包络检波器301、带通滤波器302、迟滞比较器303和分压器304。所述包络检波器301的输入端与所述感应线圈L3的感应输出端电连接，输出端与所述带通滤波器302的输入端电连接。所述迟滞比较器303的信号输入端和门限电压输入端分别与所述带通滤波器302的输出端和所述分压器304的输出端电连接，输出端与所述死区时间控制电路205的输入端电连接。所述分压器304的电源输入端与所述供电电路111电源输出端电连接，且所述分压器304为所述迟滞比较器303提供所述门限电压Vth。所述包络检波器301对由感应线圈L3输入的电压信号VL3进行包络检测处理后，由带通滤波器302进行滤波处理，并输出处理后的电压信号至所述迟滞比较器303；所述迟滞比较器303比较接收到的电压信号和门限电压Vth，得到并输出所述功率通断控制信号Data。
接收电路12中，所述次级谐振电路121包括次级谐振电感L2和次级谐振电容C2；所述储能控制单元122包括栅极控制电路2061和MOS晶体管M1；所述电流检测单元124为电流检测器208。
所述次级谐振电感L2的一端和所述次级谐振电容C2的一端串接，次级谐振电感L2的另一端与AC-DC转换器123的其中一输入端电连接并共地；所述次级谐振电容C2的另一端与AC-DC转换器123的另一输入端电连接。所述栅极控制电路2061的输出端与所述MOS晶体管M1的栅极电连接。所述MOS晶体管M1的漏极电连接于所述次级谐振电容C2和AC-DC转换器123相互连接的一端之间，源极电连接于所述次级谐振电感L2和AC-DC转换器123的共地端。所述电流检测器208的输入端感应次级谐振电路121的次级电流I2大小，输出端与所述栅极控制电路2061的输入端；所述电流检测器208根据输入端感应的次级电流I2大小，输出负载通断控制信号SC到栅极控制电路2061，栅极控制电路2061输出控制信号CT，而控制所述MOS晶体管M1的通断，实现负载125的短路或接入。
本实施例中，所述AC-DC转换器123为一整流电路207，其由一整流二极管D1和一滤波电容CL构成。所述整流二极管D1的正极与所述MOS晶体管M1的漏极电连接，负极与滤波电容CL一端电连接并作为正输出端；滤波电容CL另一端与所述MOS晶体管M1的源极电连接并共地，并作为负输出端。所述正输出端和负输出端构成所述AC-DC转换器123的输出端，以接入负载RL，为负载RL供电，其中，负载RL接入电路后，其在电路中等效为电阻RL；并在以下说明中，在电路中均用电阻R L表示负载125。
相应地，在基于本发明的无线能量传输系统的基础上，请参阅图6，本发明还提供了一种无线能量传输方法，在供电电路111正常供电的情况下，该无线能量传输方法包括以下步骤：
S1：栅极驱动控制电路112驱动所述功率放大器113导通；具体为：死区时间控制电路205通过栅极驱动电路202驱动所述功率放大器113导通；
S2：功率放大器113的输出能量通过初级谐振电路114发射出去；具体为：功率放大器113的输出能量通过初级谐振电感L1发射出去；
S3：储能控制单元122控制负载RL短路，次级谐振电路121通过磁耦合方式接收由所述初级谐振电路114发射的能量；具体为：栅极控制电路2061控制MOS晶体管M1导通而短路负载RL，次级谐振电感L2通过磁耦合方式接收由所述初级谐振电感L1发射的能量；
S4：电流检测单元124检测次级谐振电路121的次级电流I2，并比较次级电流I2和预设的电流峰值Iset的大小；如果次级电流I2小于预设的电流峰值时，返回至步骤S1；否则，执行步骤S5；具体为：电流检测器208检测次级谐振电路121的次级电流I2，并比较次级电流I2和预设的电流峰值Iset的大小；如果次级电流I2小于预设的电流峰值Iset时，返回至步骤S1；否则，执行步骤S5；
S5：电流检测单元124输出低电平的负载通断控制信号SC至所述储能控制单元122，储能控制单元122控制负载RL接入；具体为：电流检测器208输出低电平的负载通断控制信号SC至所述栅极控制电路2061，所述栅极控制电路2061控制MOS晶体管M1截止，实现负载RL的接入；
S6：数据检测单元115检测到初级谐振电路114的初级电流I1发生变化，并将检测得到的信号VL3与预输入的门限电压Vth进行比较，得到功率通断控制信号Data；该功率通断控制信号Data为数字控制信号，其取值为1或0，当其取值为1时，功率放大器113截止，当其取值为0时，功率放大器113导通；具体为：电流传感器204通过感应线圈L3感应初级谐振电路114的初级电流I1的变化，并对感应线圈L3输入的电压信号进行包络检测和滤波处理后，将该电压信号与门限电压Vth进行比较，得到所述功率通断控制信号Data；所述功率通断控制信号Data为数字控制信号，其取值为1或0，当其取值为1时，功率放大器113截止，当其取值为0时，功率放大器113导通；
S7：如果所述功率通断控制信号Data等于1，则执行步骤S8；如果功率通断控制信号Data为0，则返回至步骤S1；
S8：栅极驱动控制电路112控制所述功率放大器113截止；具体为：死区时间控制电路205通过栅极驱动电路202控制所述功率放大器113截止；
S9：功率放大器113无能量输出至所述初级谐振电路114，初级谐振电路114不发射能量；具体为：功率放大器113无能量输出至所述初级谐振电路114，初级谐振电感L1不发射能量；
S10：次级谐振电路121储存的能量开始释放，经过AC-DC转换器123变换后为负载RL充电；具体为：次级谐振电感L2和次级谐振电容C2中储存的能量开始释放，经过AC-DC转换器123变换后(也即经过整流二极管D1和滤波电容CL处理后)为负载RL充电；
S11：检测AC-DC转换器123的当前输出电压，并比较当前输出电压VOUT和所需输出电压Vbat的大小；如果当前输出电压VOUT仍小于所需输出电压Vbat，则执行步骤S12；否则，如果当前输出电压VOUT等于所需输出电压Vbat，则执行步骤S13；
S12：次级谐振电路121储存的能量继续释放，经过AC-DC转换器123变换后继续为负载RL充电，并通过电流检测单元124检测次级谐振电路121的次级电流I2是否等于0，是则输出高电平的负载通断控制信号SC，并输出至所述储能控制单元122；储能控制单元122控制负载RL短路；返回步骤S6；具体为：次级谐振电路121储存的能量继续释放，经过AC-DC转换器123变换后继续为负载RL充电，电流检测器208检测次级谐振电路121的次级电流I2是否等于0，是则输出高电平的负载通断控制信号SC，并输出至所述栅极控制电路2061；栅极控制电路2061控制MOS晶体管M1导通，短路负载RL；返回步骤S6。本发明通过开关对接收电路进行储能模式和放电模式的切换，具体为：栅极控制电路2061控制MOS晶体管M1导通和截止，当MOS晶体管M1导通时，负载RL被短路，且次级谐振电路121存储能量，当MOS晶体管M1截止，负载RL接入，且次级谐振电路121将储存的能量释放给负载RL；
S13：次级谐振电路121停止对负载RL放电，无线能量传输结束。
其中，所述步骤S6中，由于次级谐振回路中的MOS晶体管M1截止(从电路中断开，不接入电路中)或者导通，都会导致初级谐振回路(由初级谐振电路114和功率放大器113构成的谐振回路)的等效电阻变化，而引起初级谐振回路电流I1的变化。
初级谐振回路谐振时的等效电阻R11：
其中，k表示初级谐振电感L1和次级谐振电感L2的耦合系数，RS表示功率放大器113的输出电阻，RL1表示初级谐振电感L1的内阻，RL2表示次级谐振电感L2的内阻，Ron(M1)表示MOS晶体管M1的导通电阻，RD1表示二极管D1的导通电阻。因为M1的导通电阻Ron(M1)远小于负载电阻RL，所以次级谐振回路中的MOS晶体管M1导通和截止时，由公式(1)可知初级谐振回路的等效电阻R11不同，再根据I1＝VS/R11可知，当次级谐振回路中MOS晶体管M1导通和截止时，初级回路电流I1不同，从而导致感应线圈L3上的电压VL3不同。
相对于现有技术，本发明通过开关对接收电路进行储能模式和放电模式的切换，当开关闭合时，负载被短路，且次级谐振电路处于储能模式，当开关断开时，负载接入，且次级谐振电路处于放电模式，并将其储存的能量释放给负载；实现将次级谐振电路作为接收电路的AC-DC转换器的电流源输入，提高电压转换比，从而提高输出电压，更能满足高输出电压的应用要求，不需要额外的片外电容；而且通过适时关闭功率放大器，有利于节省发射能源，提高系统的传输效率，且不需要采用复杂的反馈技术或者无线通信技术，也能将接收电路的模式切换信号返回到发射电路中，大大降低系统复杂度。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种无线能量传输系统，其特征在于：包括发射电路和接收电路；所述发射电路发射能量，所述接收电路通过磁耦合的方式接收由所述发射电路发射的能量；
所述发射电路包括供电电路、栅极驱动控制电路、功率放大器、初级谐振电路和数据检测单元；
所述供电电路为所述栅极驱动控制电路和所述功率放大器供电；
所述功率放大器的输入端与所述栅极驱动控制电路的输出端电连接，输出端与所述初级谐振电路串接；且所述功率放大器用于对输入信号进行放大处理，并输出到所述初级谐振电路中；
所述初级谐振电路用于将能量发射到所述接收电路；
所述数据检测单元用于感应初级谐振电路的初级电流变化，并根据初级电流和预输入的门限电压处理得到功率通断控制信号，并输出至所述栅极驱动控制电路，由所述栅极驱动控制电路根据所述功率通断控制信号控制所述功率放大器的工作状态；
以及，所述接收电路包括次级谐振电路、AC-DC转换器、储能控制单元和电流检测单元；
所述次级谐振电路与所述初级谐振电路通过磁场耦合，接收由所述初级谐振电路发射的能量；
所述AC-DC转换器的输入端与所述次级谐振电路的输出端电连接，输出端用于接入负载；
所述储能控制单元并联连接于所述次级谐振电路和AC-DC转换器之间；
所述电流检测单元用于检测次级谐振电路的次级电流大小，并根据次级电流和预设的电流峰值处理得到负载通断控制信号，并输出至所述储能控制单元，通过储能控制单元控制负载的接入或短路；
当电流检测单元检测到的次级电流小于预设的电流峰值时，储能控制单元控制负载短路，能量存储在次级谐振电路中，而不释放到负载上；且数据检测单元通过栅极驱动控制电路控制所述功率放大器导通；
当电流检测单元检测到的次级电流等于或大于预设的电流峰值时，储能控制单元控制负载接入，能量从次级谐振电路释放到负载上；且数据检测单元通过栅极驱动控制电路控制所述功率放大器截止；
当电流检测单元检测到的次级电流从预设的电流峰值下降至零时，储能控制单元控制负载短路，且数据检测单元通过栅极驱动控制电路控制所述功率放大器再次导通。
2.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述供电电路由电池和电池管理单元组成。
3.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述栅极驱动控制电路由栅极驱动电路和死区时间控制电路组成；所述功率放大器为D类功率放大器；所述初级谐振电路包括初级谐振电容和初级谐振电感；所述数据检测单元包括感应线圈和电流传感器；
所述栅极驱动电路的电源输入端与所述供电电路的电源输出端电连接，输出端与所述D类功率放大器的输入端电连接，控制端与所述死区时间控制电路的输出端电连接；
所述功率放大器的电源输入端与所述供电电路的电源输出端电连接，其中一输出端与初级谐振电容的一端串接，另一输出端与初级谐振电感一端串接并共地；
所述初级谐振电容的另一端和所述初级谐振电感的另一端串接；
所述感应线圈感应初级谐振电路的中初级电流变化，且感应线圈的感应输出端与所述电流传感器的信号输入端电连接；
所述电流传感器的控制输出端与所述死区时间控制电路的输入端电连接，且所述电流传感器根据感应线圈检测得到的信号进行处理，获得功率通断控制信号，由死区时间控制电路根据该功率通断控制信号，通过栅极驱动电路控制所述D类功率放大器的导通或截止。
4.根据权利要求3所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述电流传感器包括包络检波器、带通滤波器、迟滞比较器和分压器；
所述包络检波器的输入端与所述感应线圈的感应输出端电连接，输出端与所述带通滤波器的输入端电连接；
所述迟滞比较器的信号输入端和门限电压输入端分别与所述带通滤波器的输出端和所述分压器的输出端电连接，所述迟滞比较器的输出端与所述死区时间控制电路的输入端电连接；
所述分压器的电源输入端与所述供电电路电源输出端电连接，且所述分压器为所述迟滞比较器提供所述门限电压；
所述包络检波器对由感应线圈输入的电压信号进行包络检测处理后，由带通滤波器进行滤波处理，并输出处理后的电压信号至所述迟滞比较器；所述迟滞比较器比较接收到的电压信号和门限电压，得到并输出所述功率通断控制信号。
5.根据权利要求3或4所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述次级谐振电路包括次级谐振电感和次级谐振电容；所述储能控制单元包括栅极控制电路和MOS晶体管；所述电流检测单元为电流检测器；
所述次级谐振电感的一端和所述次级谐振电容的一端串接，次级谐振电感的另一端与AC-DC转换器的其中一输入端电连接并共地；所述次级谐振电容的另一端与AC-DC转换器的另一输入端电连接；
所述栅极控制电路的输出端与所述MOS晶体管的栅极电连接；
所述MOS晶体管的漏极电连接于所述次级谐振电容和AC-DC转换器相互连接的一端之间，源极电连接于所述次级谐振电感和AC-DC转换器的共地端；
所述电流检测器的输入端感应次级谐振电路的次级电流大小，输出端与所述栅极控制电路的输入端；所述电流检测器根据输入端感应的次级电流大小，输出负载通断控制信号到栅极控制电路，而控制所述MOS晶体管的通断，实现负载的短路或接入。
6.根据权利要求5所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述AC-DC转换器由一整流二极管和一滤波电容构成；所述整流二极管的正极与所述MOS晶体管的漏极电连接，负极与滤波电容一端电连接并作为正输出端；滤波电容另一端与所述MOS晶体管的源极电连接并共地，并作为负输出端。
7.一种无线能量传输方法，其特征在于：该无线能量传输方法为基于权利要求1～6任一项所述的无线能量传输系统的无线能量传输方法，在供电电路正常供电的情况下，包括以下步骤：
S1：栅极驱动控制电路驱动所述功率放大器导通；
S2：功率放大器的输出能量通过初级谐振电路发射出去；
S3：储能控制单元控制负载短路，次级谐振电路通过磁耦合方式接收由所述初级谐振电路发射的能量；
S4：电流检测单元检测次级谐振电路的次级电流，并比较次级电流和预设的电流峰值的大小；如果次级电流小于预设的电流峰值时，返回至步骤S1；否则，执行步骤S5；
S5：电流检测单元输出低电平的负载通断控制信号至所述储能控制单元，储能控制单元控制负载接入；
S6：数据检测单元检测到初级谐振电路的初级电流发生变化，并将检测得到的信号与预输入的门限电压进行比较，得到功率通断控制信号；该功率通断控制信号为数字控制信号，其取值为1或0，当其取值为1时，功率放大器截止，当其取值为0时，功率放大器导通；
S7：如果所述功率通断控制信号等于1，则执行步骤S8；如果功率通断控制信号为0，则返回至步骤S1；
S8：栅极驱动控制电路控制所述功率放大器截止；
S9：功率放大器无能量输出至所述初级谐振电路，初级谐振电路不发射能量；
S10：次级谐振电路储存的能量开始释放，经过AC-DC转换器变换后为负载充电；
S11：检测AC-DC转换器的当前输出电压，并比较当前输出电压和所需输出电压的大小；如果当前输出电压仍小于所需输出电压，则执行步骤S12；否则，如果当前输出电压等于所需输出电压，则执行步骤S13；
S12：次级谐振电路储存的能量继续释放，经过AC-DC转换器变换后继续为负载充电，并通过电流检测单元检测次级谐振电路的次级电流是否等于0，是则输出高电平的负载通断控制信号，并输出至所述储能控制单元；储能控制单元控制负载短路；返回步骤S6；
S13：次级谐振电路停止对负载放电，无线能量传输结束。
8.根据权利要求7所述的无线能量传输方法，其特征在于：该无线能量传输方法为基于权利要求5或6所述的无线能量传输系统的无线能量传输方法，及，
所述步骤S1具体为：死区时间控制电路通过栅极驱动电路驱动所述功率放大器导通；
所述步骤S2具体为：功率放大器的输出能量通过初级谐振电感发射出去；
所述步骤S3具体为：栅极控制电路控制MOS晶体管导通而短路负载，次级谐振电感通过磁耦合方式接收由所述初级谐振电感发射的能量；
所述步骤S4具体为：电流检测器检测次级谐振电路的次级电流，并比较次级电流和预设的电流峰值的大小；如果次级电流小于预设的电流峰值时，返回至步骤S1；否则，执行步骤S5；
所述步骤S5具体为：电流检测器输出低电平的负载通断控制信号至所述栅极控制电路，所述栅极控制电路控制MOS晶体管截止，实现负载的接入；
所述步骤S6具体为：电流传感器通过感应线圈感应初级谐振电路的初级电流的变化，并对感应线圈输入的电压信号进行包络检测和滤波处理后，将该电压信号与门限电压进行比较，得到所述功率通断控制信号；所述功率通断控制信号为数字控制信号，其取值为1或0；
所述步骤S8具体为：死区时间控制电路通过栅极驱动电路控制所述功率放大器截止；
所述步骤S9具体为：功率放大器无能量输出至所述初级谐振电路，初级谐振电感不发射能量；
所述步骤S10具体为：次级谐振电感和次级谐振电容中储存的能量开始释放，经过AC-DC转换器变换后为负载充电；
所述步骤S12具体为：次级谐振电路储存的能量继续释放，经过AC-DC转换器变换后继续为负载充电，并通过电流检测器检测次级谐振电路的次级电流是否等于0，是则输出高电平的负载通断控制信号，并输出至所述栅极控制电路；栅极控制电路控制MOS晶体管导通，短路负载；返回步骤S6。
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