CN108011450A - 无线电能传输装置、方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提供一种无线电能传输装置、方法及系统，涉及电子技术领域，解决了无线电能传输系统谐波含量大、成本较高和能量损耗大的缺点，提高了无线电能传输效率。该无线电能传输装置包括：AC‑AC变换器，用于将输入的高压低频市电信号转换成所需电压的高频交流电信号；以及电能传输模块，用于向无线电能接收装置无线传输电磁能。

Description

无线电能传输装置、方法及系统

技术领域

本公开涉及电子技术领域，具体地，涉及一种无线电能传输装置、方法及系统。

背景技术

目前，在进行无线充电时，无线电能传输装置采用适配器将高压低频市电转换成低压直流电，再通过逆变器将低压直流电转换成高频低压交流电，这种交直交变换的方式由于使用了大量的电感、电容器件，使系统谐波含量较高，不利于电磁兼容控制，而且由于重复使用了大量的电子器件，造成系统能量损耗增加，电能传输效率较低，另一方面也增加了成本负担。

发明内容

本公开的目的是提供一种无线电能传输装置、方法及系统，其直接将高压低频市电转变成高频低压交流电，减少了电感、电容器件的使用，从而克服了系统谐波含量大的缺点，有利于电磁兼容控制，减小了能量损耗，降低了系统成本，提高了电能传输效率。

为了实现上述目的，本公开提供了一种无线电能传输装置，该装置包括：

AC-AC变换器，用于将输入的高压低频市电信号转换成低压高频交流电信号；以及

电能传输模块，用于向无线电能接收装置无线传输所述低压高频交流电信号。

可选地，所述AC-AC变换器包括：

整流电路，用于对所述高压低频市电信号进行整流，得到高压直流电信号；

滤波电路，用于对所述高压直流电信号进行滤波；

变压器，所述变压器的初级线圈的一端用于接收滤波后的高压直流电信号、另一端连接到开关电源，所述变压器的次级线圈连接到所述电能传输模块并向所述电能传输模块传输所述低压高频交流电信号；以及

所述开关电源，用于对所述变压器的初级线圈接收到的高压直流电信号进行频率和/或脉冲宽度调节。

所述开关电源包括：

控制模块，用于输出对所述变压器的初级线圈接收到的高压直流电信号进行频率和/或脉冲宽度调节的信号；

驱动电路，用于将所述控制模块输出的信号转换成对半导体开关进行驱动的驱动信号；

所述半导体开关，用于在所述驱动信号的控制下通断，以实现对所述变压器的初级线圈接收到的高压直流电信号进行频率和/或脉冲宽度调节。

可选地，该无线电能传输装置还包括：

采样模块，用于对所述电能传输模块的输出信号进行采样，并将采样到的信号发送给解调模块；

所述解调模块，用于对所述采样到的信号进行解调，并将解调后的信号发送给所述控制模块，以便所述控制模块基于所述解调后的信号来输出对所述变压器的初级线圈接收到的高压直流电信号进行频率和/或脉冲宽度调节的信号。

可选地，所述电能传输模块包括电感线圈。

可选地，所述电能传输模块还包括与所述电感线圈串联的谐振模块，用于使所述电感线圈与所述无线电能接收装置中的接收线圈之间产生谐振。

可选地，所述谐振模块是LC谐振电路。

本公开还提供了一种无线电能传输方法，该方法包括：

将输入的高压低频市电信号转换成低压高频交流电信号；以及

向无线电能接收装置无线传输所述低压高频交流电信号。

可选的，所述向无线电能接收装置无线传输所述低压高频交流电信号包括：以谐振式无线电能传输方式或者耦合式无线电能传输方式向无线电能接收装置无线传输所述低压高频交流电信号。

本公开还提供了一种无线电能传输系统，该系统包括：

所述无线电能传输装置；以及

无线电能接收装置，用于接收所述无线电能传输装置无线传输的电能。

通过上述技术方案，使用AC-AC变换器替代适配器和逆变器，大大减少了电容、电感器件的使用，降低了系统谐波含量，有利于系统的电磁兼容控制，用交交变换代替交直交变换，避免了重复使用大量电容、电感器件，从而降低了系统成本，降低了能量损耗，有效地提高了电能传输效率。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本公开提供的一种无线电能传输装置的示意框图；

图2是本公开提供的一种AC-AC变换器的示意框图；

图3是本公开提供的一种开关电源的示意框图；

图4是本公开提供的一种AC-AC变换器的电路示意图；

图5是本公开提供的另一种无线电能传输装置的示意框图；

图6是本公开提供的一种无线电能传输装置中的电能传输模块的示意框图；

图7是本公开提供的一种无线电能传输方法的流程图；

图8是本公开提供的一种无线电能传输系统的示意框图；

图9是本公开提供的一种无线电能传输系统的电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

根据本公开的一种实施方式，提供了一种无线电能传输装置100，如图1所示，该装置100可以包括：

AC-AC变换器101，用于将输入的高压低频市电信号转换成低压高频交流电信号；以及

电能传输模块102，用于向无线电能接收装置801无线传输所述低压高频交流电信号。

根据上述技术方案，所述AC-AC变换器101取代了现有无线电能传输装置中的适配器和逆变器，大量减少了电感、电容器件的使用和其他电子器件的重复使用，降低了系统谐波含量和能量损耗，也降低了成本，提高了电能传输效率，并有利于电磁兼容控制。

在根据本公开实施例的一种可能实施方式中，如图2所示，所述AC-AC变换器101可以包括：

整流电路200，用于对所述高压低频市电信号进行整流，得到高压直流电信号；

滤波电路201，用于对所述高压直流电信号进行滤波，滤去所述整流电路200输出的高压直流电信号中的纹波；

变压器202，所述变压器202的初级线圈的一端用于接收滤波后的高压直流电信号、另一端连接到开关电源203，所述变压器202的次级线圈连接到所述电能传输模块102并向所述电能传输模块102传输所述低压高频交流电信号；以及

所述开关电源203，用于对所述变压器202的初级线圈接收到的高压直流电信号进行频率和/或脉冲宽度调节。

本领域技术人员应当理解的是，图2所示的AC-AC变换器101的结构仅是示例，实际上，本公开不限制AC-AC变换器101的具体结构，只要能够实现AC-AC变换就能满足本公开的要求。

在根据本公开实施例的一种可能实施方式中，如图3所示，所述开关电源203可以包括：

控制模块300，用于输出对所述变压器202的初级线圈接收到的高压直流电信号进行频率和/或脉冲宽度调节的信号。所述控制模块300可以使用数字信号处理器(DigitalSignal Processor，DSP)、高级精简指令集微处理器(Advanced RISC Machine，ARM)、每秒百万级指令(Million Instructions Per Second，MIPS)微处理器、单片机等来实现，用来调整半导体开关302的通断时间比例，以达到频率和/或脉冲宽度调节的目的。

驱动电路301，用于将所述控制模块300输出的信号转换成对半导体开关302进行驱动的驱动信号。所述驱动电路301是用来对所述控制模块300输出的信号进行放大的中间电路，使其能够驱动半导体开关302。

所述半导体开关302，用于在所述驱动信号的控制下通断，以实现对所述变压器202的初级线圈接收到的高压直流电信号的频率和/或脉冲宽度调节。例如，所述半导体开关302可以是MOS管、三极管、绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、晶闸管等。

图4示出了一种示例性的AC-AC变换器101的电路图。

所述整流电路200是一种桥式整流电路，利用四个二极管D1、D2、D3、D4，两两对接。输入高压低频市电的正半部分时，其中的两只二极管D2、D4导通，得到正的输出；输入高压低频市电的负半部分时，另两只二极管D1、D3导通，由于这两只二极管是反接的，所以输出还是正弦波的正半部分。本领域技术人员应当理解的是，桥式整流电路200仅是示例，实际上，本公开可以使用任意形式的整流电路来实现上述整流功能。

所述滤波电路201，用于滤去所述桥式整流电路200的输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如本实施例中在所述桥式整流电路200输出端并联电容器C，滤掉所述桥式整流电路200输出电压中的交流成分，保留直流成分，达到输出电压平滑的目的。本领域技术人员应当理解的是，所述电容滤波电路仅是示例，实际上，本公开可以使用任意形式的滤波电路来实现上述滤波功能。

所述变压器202，由初级线圈L1和次级线圈L2组成，所述初级线圈L1一端用于接收所述滤波电路201输出的高压直流电信号、另一端连接到开关电源203，经所述开关电源203对所述初级线圈L1接收到的高压直流电信号进行频率和/或脉冲宽度调节后，输出高压高频交流电；次级线圈L2连接到所述电能传输模块102并向所述电能传输模块102传输变压后的低压高频交流电信号，可以通过初级线圈L1和次级线圈L2的匝数比进行升压或降压调节。

通过采用上述技术方案，采用直接AC-AC变换的方式，减少了大量的电容、电感器件的使用，避免了重复使用大量电子器件，从而使系统谐波含量降低，成本负担降低，能量损耗降低，有效提高了电能传输效率，还有利于电磁兼容控制。

另外，在图4所示的AC-AC变换器101的电路图中，还示出了所述开关电源203的电路图。对于所述控制模块300，考虑到成本和开发环境的优势，采用了单片机作为控制模块；对于所述半导体开关302，由于三极管是一种有放大特性的基极电流控制的开关元件，所以采用了三极管作为半导体开关。

通过采用上述开关电源203，所述控制模块300可以利用单片机控制驱动电路301输出可以对所述半导体开关302驱动的驱动信号，所述半导体开关302为三极管，通过在驱动信号控制下通断，实现对变压器202的初级线圈L1接收到的高压直流电信号的频率和脉宽调节。

在根据本公开实施例的一种可能实施方式中，如图5所示，所述无线电能传输装置100还可以包括：

采样模块500，用于对所述电能传输模块102的输出信号进行采样，并将采样到的信号发送给解调模块501。所述采样模块500可以采集所述电能传输模块102输出的低压高频交流电信号的电压、电流、频率、脉宽等信息，并将采集到的信息传输给解调模块501。

所述解调模块501，用于对所述采样到的信号进行解调，并将解调后的信号发送给所述AC-AC变换器101中的控制模块300，以便所述控制模块300基于所述解调后的信号来输出对所述变压器202的初级线圈L1接收到的高压直流电信号进行频率和/或脉冲宽度调节的信号。

通过采样模块500和解调模块501，在AC-AC变换器101与电能传输模块102之间形成一个反馈回路，使得所述控制模块300能够根据解调模块501解调后的信号进行频率和/或脉宽调节。

在根据本公开实施例的一种可能实施方式中，如图6所示，所述电能传输模块102可以包括电感线圈600。在这种情况下，电感线圈600与无线电能接收装置801中的接收线圈之间基本不太可能产生谐振效果，因此，电感线圈600只能通过耦合方式向无线电能接收装置801中的接收线圈无线传输电能。

可选地，如图6所示，除了电感线圈600，所述电能传输模块102还可以包括与所述电感线圈600串联的谐振模块601。在这种情况下，电感线圈600与无线电能接收装置801中的接收线圈之间比较容易产生谐振效果，因此，电感线圈600能够通过谐振方式向无线电能接收装置801中的接收线圈无线传输电能。

所述谐振模块601可以使用LC谐振来实现，例如，其可以包括串联连接的电容700和电感701。本领域技术人员应当理解的是，图6所示的谐振模块601的电路形式仅是示例，实际上，本公开实施例不对谐振模块601的具体电路实现形式进行限制，只要能够实现谐振功能即可。

谐振式无线电能传输和耦合式无线电能传输的主要区别在于：谐振式无线电能传输对电感线圈600和无线电能接收装置801中的接收线圈的相对位置(例如，平面位置、空间角度、间距等)的要求比较低，并且可以在一定程度上实现一对多充电(也即，一个电感线圈600对应多个接收线圈)；而耦合式无线电能传输对电感线圈600和无线电能接收装置801中的接收线圈的相对位置要求比较严苛。

本公开实施例还提供一种无线电能传输方法，如图7所示，该方法包括：

S1、将输入的高压低频市电信号转换成低压高频交流电信号；以及

S2、向无线电能接收装置无线传输所述低压高频交流电信号。

其中，在步骤S2中，所述向无线电能接收装置无线传输所述低压高频交流电信号包括：

以谐振式无线电能传输方式或者耦合式无线电能传输方式向无线电能接收装置无线传输所述低压高频交流电信号。以上已经结合根据本公开的无线电能传输装置100对谐振式无线电能传输方式和耦合式无线电能传输方式进行了详细描述，此处不再赘述。

本公开实施例还提供一种无线电能传输系统800，如图8所示，该系统800包括：

如上描述的根据本公开的无线电能传输装置100；以及

无线电能接收装置801，用于接收所述无线电能传输装置100无线传输的电能。

图9示出了一种示例性的无线电能传输系统800的电路图。该电路图中的无线电能传输装置100的具体结构已经在上面进行了详细描述，此处不再赘述。在该电路图中，无线电能接收装置801可以包括：

接收线圈L4，用于接收所述无线电能传输装置100中的电能传输模块102无线传输的电能；

整流电路900，由二极管D5和电容C1构成，用于将接收线圈L4输出的高频交流电转换成直流电；

通讯检测编码模块901，用于检测无线电能传输装置100与无线电能接收装置801通讯状态，并通过编码形式向传输装置100进行信号反馈，以促使传输装置100进行控制调节；

单片机控制模块902，用于控制通讯检测编码模块901进行检测编码；

DC/DC电路903，用于根据终端设备所需电压进行升压/降压调节。

在该无线电能传输系统800中，无线电能传输装置100的输入端连接电网，无线电能接收装置801的输出端连接终端设备，无线电能接收装置801通过电磁感应接收无线电能传输装置100无线发射到外部空间的电能，从而完成电能由电网到终端设备的无线传输。

根据上述实施方案，所述无线电能传输装置100中大量减少了电感、电容器件的使用和其他电子器件的重复使用，降低了系统谐波含量和能量损耗，也降低了成本，提高了电能传输效率，有利于电磁兼容控制。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (10)

1.一种无线电能传输装置，其特征在于，该装置包括：

AC-AC变换器，用于将输入的高压低频市电信号转换成低压高频交流电信号；以及

电能传输模块，用于向无线电能接收装置无线传输所述低压高频交流电信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述AC-AC变换器包括：

整流电路，用于对所述高压低频市电信号进行整流，得到高压直流电信号；

滤波电路，用于对所述高压直流电信号进行滤波；

变压器，所述变压器的初级线圈的一端用于接收滤波后的高压直流电信号、另一端连接到开关电源，所述变压器的次级线圈连接到所述电能传输模块并向所述电能传输模块传输所述低压高频交流电信号；以及

所述开关电源，用于对所述变压器的初级线圈接收到的高压直流电信号进行频率和/或脉冲宽度调节。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述开关电源包括：

控制模块，用于输出对所述变压器的初级线圈接收到的高压直流电信号进行频率和/或脉冲宽度调节的信号；

驱动电路，用于将所述控制模块输出的信号转换成对半导体开关进行驱动的驱动信号；

所述半导体开关，用于在所述驱动信号的控制下通断，以实现对所述变压器的初级线圈接收到的高压直流电信号进行频率和/或脉冲宽度调节。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，该装置还包括：

采样模块，用于对所述电能传输模块的输出信号进行采样，并将采样到的信号发送给解调模块；

所述解调模块，用于对所述采样到的信号进行解调，并将解调后的信号发送给所述控制模块，以便所述控制模块基于所述解调后的信号来输出对所述变压器的初级线圈接收到的高压直流电信号进行频率和/或脉冲宽度调节的信号。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述电能传输模块包括电感线圈。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述电能传输模块还包括与所述电感线圈串联的谐振模块，用于使所述电感线圈与所述无线电能接收装置中的接收线圈之间产生谐振。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述谐振模块是LC谐振电路。

8.一种无线电能传输方法，其特征在于，该方法包括：

将输入的高压低频市电信号转换成低压高频交流电信号；以及

向无线电能接收装置无线传输所述低压高频交流电信号。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述向无线电能接收装置无线传输所述低压高频交流电信号包括：

以谐振式无线电能传输方式或者耦合式无线电能传输方式向无线电能接收装置无线传输所述低压高频交流电信号。

10.一种无线电能传输系统，其特征在于，该系统包括：

根据权利要求1至7中任一权利要求所述的无线电能传输装置；以及

无线电能接收装置，用于接收所述无线电能传输装置无线传输的电能。