CN109495117A - 无线能量传输频率校准方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无线能量传输频率校准方法及装置，所述方法包括：控制能量发射单元依次在不同的工作频率下运行；获取能量发射单元在各个所述工作频率下运行时的电参数；确定所述电参数中的极值对应的工作频率。

Description

无线能量传输频率校准方法及装置
技术领域
本发明涉及无线充电领域，具体涉及一种无线能量传输频率校准方法及装置。
背景技术
植入式医疗装置(Implantable Medical Device,IMD)通常采用无线能量传输系统对其进行充电。固定频率运行的无线能量传输系统具有结构简单，成本低等特点。图1示出了一个无线能量传输单元的结构，该单元通常作为IMD的体外控制装置的一部分。其中包括串联电容C、能量传输线圈L和回路寄生电阻R。该单元的传输功率往往在发射端的谐振电容和线圈的谐振频率点处达到最大值。
现有技术认为谐振频率是可以根据电路中的电容值和线圈的电感值计算出来的，只需要按照计算出的谐振频率设定工作频率，即可使无线能量传输功率最大化。而实际上，电容值和线圈的电感值会有一定容差，如正负5％。因此实际的谐振频率往往与理论上计算的谐振频率不相等，按照计算出的谐振频率设置工作频率，将导致线圈的发射电压降低，系统的传输功率下降，无法达到既定的能量传输性能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种无线能量传输频率校准方法，包括：
控制能量发射单元依次在不同的工作频率下运行；
获取所述能量发射单元在各个所述工作频率下运行时的电参数；
确定所述电参数中的极值对应的工作频率。
优选地，所述控制能量发射单元依次在不同的工作频率下运行，包括：
根据设定谐振频率确定频率调整范围；
控制能量发射单元依次在所述频率调整范围内的多个工作频率下运行。
优选地，所述控制能量发射单元依次在所述频率调整范围内的多个工作频率下运行，包括：
按照设定步长在所述频率调整范围内调整工作频率；
控制能量发射单元依次在调整的各个工作频率下运行。
优选地，在所述按照设定步长在所述频率调整范围内调整工作频率的步骤中，从所述频率调整范围的一个极值开始按照设定步长调整工作频率，直至达到所述频率调整范围的另一个极值，其中一个极值大于所述设定谐振频率，另一个极值小于所述设定谐振频率。
优选地，所述控制能量发射单元依次在不同的工作频率下运行，包括：
根据设定谐振频率确定起始频率；
控制能量发射单元从所述起始频率开始向一个方向调整工作频率，并依次在调整的各个工作频率下运行；
所述确定所述电参数中的极值对应的工作频率，包括：
判断依次获取的电参数的变化趋势是否符合设定趋势；
当依次获取的电参数的变化趋势符合设定趋势时，从当前获取的电参数的中确定极值及其对应的工作频率。
优选地，在所述控制能量发射单元依次在不同的工作频率下运行的过程中，所述能量发射单元在各个所述工作频率下的运行持续时间相同。
优选地，所述电参数为所述能量发射单元的输入电流、所述能量发射单元中的DC/AC电路的输入电流、所述能量发射单元中的DC/AC电路的输出电流、所述能量发射单元中的电容电压、所述能量发射单元中的感应线圈电压、所述能量发射单元中的电压调节电路的输入电流中的任一个。
本发明还提供一种无线能量传输频率校准设备，包括：至少一个处理器以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行上述无线能量传输频率校准方法。
本发明还提供一种植入医疗设备的无线充电装置，包括：
能量发射单元，用于对植入医疗设备进行无线能量传输；
采集单元，用于采集所述能量发射单元的电参数；
控制单元，用于接收所述采集单元采集的电参数，并根据上述无线能量传输频率校准方法确定所述能量发射单元的工作频率。
优选地，所述控制单元通过向所述能量发射单元中的DC/AC电路发送驱动信号，以调整其工作频率。
根据本发明实施例提供的无线能量传输频率校准方案，通过改变能量发射单元的工作频率，并获取各个工作频率下的电参数，可以从获取的电参数中找到一个极值，该极值对应的工作频率最接近实际谐振点。据此设置能量发射单元的工作频率可以提高能量传输功率，优化传输性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种无线能量传输单元的结构示意图；
图2为本发明提供的校准无线能量传输频率方法的流程图；
图3为本发明实施例中的工作频率与电参数之间的对应关系图；
图4为另一种无线能量传输单元的结构示意图；
图5为本发明实施例中的一种具体无线充电工作频率校准方法的流程图；
图6为本发明提供的植入医疗设备的无线充电装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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。基于本发明中的实施例，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。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明提供了一种无线能量传输频率校准方法。该方法可以由植入医疗设备的体外无线能量传输装置来执行，也可以由专用电子设备来执行。在执行本方法时需保证无线能量传输装置的线圈周围无接收端或金属等可以吸收磁场能量的物体，防止其影响校准结果。如图2所示，该方法包括如下步骤：
S1，控制能量发射单元依次在不同的工作频率下运行。在没有能量接收端的情况下，能量发射单元运行时回路中存在电能但不会与外部设备发生电磁感应。能量发射单元例如是如图1所示的结构，DC/AC电路可以是桥式电路或class-E放大电路等，其损耗较小，可忽略。在执行本方法的过程中，固定DC/AC电路工作方式不变，包括占空比、移相角等，仅仅改变工作频率，则DC/AC电路输出电压Vinac与整个单元的输入电压Vin成正比。
可以通过向DC/AC电路发送驱动信号以控制整个单元的工作频率。虽然实际谐振频率是未知的，但选定的多个工作频率应当尽可能接近实际谐振频率。
由于理论谐振频率与实际谐振频率不会相差太远，在一个实施例中，可以预先计算出理论谐振频率，在此数值附近选择一些频率值。
在另一个实施例中，可以根据设定谐振频率确定一个起始频率，例如可以略大于设定谐振频率、略小于设定谐振频率、等于设定谐振频率。然后从起始频率开始，控制能量发射单元从起始频率开始向一个方向调整工作频率，例如逐渐增大或者逐渐减小。
同时，应当使能量发射单元在每个工作频率下持续运行一段时间，以保证系统进入稳态。每个工作频率下的运行时间可以是相同或者不同的。
S2，获取能量发射单元在各个工作频率下运行时的电参数。此操作与步骤S1配合进行，例如步骤S1中有n个工作频率，在此步骤中则分别针对n个工作频率的运行过程采集电参数，得到n个电参数。
电参数可以是能量发射单元的输入电流Iin、或者能量发射单元中的DC/AC转换器的输入电流Idc、或者能量发射单元中的DC/AC电路的输出电流Iac、或者能量发射单元中的电容电压、或者能量发射单元中的感应线圈电压。
S3，确定电参数中的极值对应的工作频率。极值可以是最大或者最小电参数，具体取决于电参数的类型。
例如当Vin和Vinac固定不变时，电感(能量发射线圈)L、串联电容C、电阻R组成回路阻抗的和仅与工作频率相关。当工作在实际谐振频率时，L和C的阻抗和为0，回路阻抗成纯阻性，此时回路电流Iac达到最大值。由于回路电流Iac最大，产生的损耗也最大。同时输入电流Iin在实际谐振频率下也达到最大值。
因此通过检测输入电流Iin就能找到最接近甚至等于实际谐振点的频率。图3为改变工作频率时输入电流Iin的变化曲线。其中工作频率和Iin为归一化的参考值，仅作为原理示意。根据图3可以发现，在频率点1.035处Iin达到最大值。且相较于其他频率，谐振点处的电参数幅值非常高，容易被检测。因此，获取的输入电流Iin中的最大值对应的工作频率最接近甚至等于实际谐振频率。
在一个实施例中，例如选定的工作频率个数(档位)是固定的，或者有固定的工作频率调整范围时，可以在获取到所有工作频率下的电参数后，从其中找到最大值，并确定其对应的工作频率。
在另一个实施例中，可以随着获取电参数的过程，判断依次获取的电参数的变化趋势是否符合设定趋势。设定趋势例如是在后得到的电参数相比于在先得到的电参数明显增大，之后明显减小，也即图3所示的变化趋势；或者是在后得到的电参数相比于在先得到的电参数明显减小，之后开始明显增大。
当依次获取的电参数的变化趋势符合设定趋势时，就可以停止改变工作频率，而从当前获取的电参数的中确定极值及其对应的工作频率。应用此方案时，步骤S1中的工作频率个数(档位)或者调整范围可以是不固定的。
上述步骤是对充电装置工作频率的校准过程，该方法可以在生产过程中执行一次，后续实际使用时则保持使用此方法所确定的工作频率对植入医疗设备进行无线能量传输；该方法也可以在实际使用过程中的每一次进行无线能量传输之前执行，根据实际使用条件进行校准。校准操作的总时长与选取的工作频率数量、调整步长、各频率下的运行持续时间等参数有关。选取的工作频率越多，则最终确定工作频率越接近实际谐振频率，校准结果越准确，但所需时间越长；选取的工作频率越少则校准过程越快。具体参数可根据实际需求进行权衡。
根据本发明实施例提供的无线能量传输频率校准方案，通过改变能量发射单元的工作频率，并获取各个工作频率下的电参数，可以从获取的电参数中找到一个极值，该极值对应的工作频率最接近实际谐振点。据此设置能量发射单元的工作频率可以提高能量传输功率，优化传输性能。
对于图4所示的能量发射单元，其具有前级的电压调节电路，可通过调节电压来改变传输功率。电压调节电路可以是线性降压电路或开关模式电路。对于线性降压电路，电压调节电路的输入电流Ipre等于电压调节电路的输出电流Iin；对于开关模式的电压调节电路，如Buck、Boost、Sepic等电路，Ipre是电压调节电路的输入电压Vpre、输出电压Vin、输出电流Iin的函数。例如在Buck电路中其中η是电压调节电路的效率。
因此Ipre也可以作为确定工作频率的判断依据，也即可以将输入电流Ipre作为上述电参数。
本发明的一个实施例提供了一种具体的无线充电工作频率校准方法，该方法由植入医疗设备的体外无线能量传输装置来执行，也可以由专用电子设备来执行。如图5所示，该方法包括如下步骤：
S1A，根据设定谐振频率确定频率调整范围。在本实施例中，频率调整范围是1.05fr-0.95fr,其中fr是设定谐振频率，也即理论谐振频率：
其中C为能量发射单元中的串联电容值、L为线圈电感值。
S2A，确定初始工作频率。在本实施例中，以1.05fr-0.95fr中的最大值1.05fr为初始值；在其它实施例中，也可以将最小值0.95fr为初始值，或者将中间的某个值例如fr为初始值都是可行的。
S3A，控制能量发射单元在当前的工作频率下运行一段时间。在本实施例中采用固定的持续时长Tstep，Tstep可以为3-5秒。
S4A，获取能量发射单元的电参数。在本实施例中，选取持续时长Tstep结尾时的电参数；在其它实施例中，也可以取时长Tstep过程中电参数的平均值。
S5A，判断当前的工作频率是否为频率调整范围的最后一个值，在本实施例中最后一个值是1.05fr-0.95fr中的最小值0.95fr。在其它实施例中，例如当以最小值0.95fr为初始值时，最后一个值则是1.05fr。如果当前的工作频率是最后一个值则执行S7A，否则执行S6A。
S6A，按照设定步长在频率调整范围内调整工作频率，并返回步骤S3A。在本实施例中，更新当前工作频率f＝f-fstep，其中fstep为设定步长，作为一个逐步减小工作频率的过程；在另一实施例中，例如以最小值0.95fr为初始值时，则更新当前工作频率f＝f+fstep，作为一个逐步增大工作频率的过程。
S7A，确定电参数中的最大电参数对应的工作频率。
上述校准过程首先将工作频率设定为容差范围的最大值，即1.05fr；运行一段时间Tstep以保证系统进入稳态，可通过电流采样电路和ADC模块测量并记录电参数；然后以步长fstep减小工作频率f，重复运行电路并测量和记录电参数。一直到工作频率f到达下限0.95fr时结束。挑选出电参数最大时的f值，即为最终确定的工作频率。其中频率步长fstep越小，则确定的工作频率更接近实际谐振频率点，但所需校准时间越长，具体可根据实际需要权衡取值。
本发明还提供了一种无线能量传输频率校准设备，包括：至少一个处理器以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行上述无线能量传输频率校准方法。
本发明还提供了一种植入医疗设备的无线充电装置，如图6所示，该装置包括：
能量发射单元61，用于对植入医疗设备进行无线能量传输，至少包括DC/AC电路、线圈L和电容C。
采集单元62，用于采集能量发射单元的电参数。例如可以采集发射单元的输入电流Iin、或者能量发射单元中的DC/AC转换器的输入电流Idc、或者能量发射单元中的DC/AC电路的输出电流Iac、或者能量发射单元中的电容电压、或者能量发射单元中的感应线圈电压。具体可根据采集电参数的类型选择其与能量发射单元61的连接位置。
控制单元63，用于接收采集单元62采集的电参数，并根据上述无线能量传输频率校准方法确定能量发射单元61的工作频率。
作为一个优选的实施方式，控制单元63通过向能量发射单元61中的DC/AC电路发送驱动信号来调整其工作频率。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种无线能量传输频率校准方法，其特征在于，包括：
控制能量发射单元依次在不同的工作频率下运行；
获取所述能量发射单元在各个所述工作频率下运行时的电参数；
确定所述电参数中的极值对应的工作频率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制能量发射单元依次在不同的工作频率下运行，包括：
根据设定谐振频率确定频率调整范围；
控制能量发射单元依次在所述频率调整范围内的多个工作频率下运行。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述控制能量发射单元依次在所述频率调整范围内的多个工作频率下运行，包括：
按照设定步长在所述频率调整范围内调整工作频率；
控制能量发射单元依次在调整的各个工作频率下运行。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述按照设定步长在所述频率调整范围内调整工作频率的步骤中，从所述频率调整范围的一个极值开始按照设定步长调整工作频率，直至达到所述频率调整范围的另一个极值，其中一个极值大于所述设定谐振频率，另一个极值小于所述设定谐振频率。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制能量发射单元依次在不同的工作频率下运行，包括：
根据设定谐振频率确定起始频率；
控制能量发射单元从所述起始频率开始向一个方向调整工作频率，并依次在调整的各个工作频率下运行；
所述确定所述电参数中的极值对应的工作频率，包括：
判断依次获取的电参数的变化趋势是否符合设定趋势；
当依次获取的电参数的变化趋势符合设定趋势时，从当前获取的电参数的中确定极值及其对应的工作频率。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，在所述控制能量发射单元依次在不同的工作频率下运行的过程中，所述能量发射单元在各个所述工作频率下的运行持续时间相同。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电参数为所述能量发射单元的输入电流、所述能量发射单元中的DC/AC电路的输入电流、所述能量发射单元中的DC/AC电路的输出电流、所述能量发射单元中的电容电压、所述能量发射单元中的感应线圈电压、所述能量发射单元中的电压调节电路的输入电流中的任意一个。
8.一种无线能量传输频率校准设备，其特征在于，包括：至少一个处理器以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行权利要求1-7中任一项所述的无线能量传输频率校准方法。
9.一种植入医疗设备的无线充电装置，其特征在于，包括：
能量发射单元，用于对植入医疗设备进行无线能量传输；
采集单元，用于采集所述能量发射单元的电参数；
控制单元，用于接收所述采集单元采集的电参数，并根据权利要求1-7中任一项所述的方法确定所述能量发射单元的工作频率。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述控制单元通过向所述能量发射单元中的DC/AC电路发送驱动信号，以调整其工作频率。
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