CN109586423A - 基于开关键控调制的串联谐振无线能量传输系统及方法 - Google Patents

基于开关键控调制的串联谐振无线能量传输系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无线电能传输技术领域，提供了一种基于开关键控调制的串联谐振无线能量传输系统，包括无线能量传输模块、比较器模块以及控制器模块。还提供了一种基于开关键控调制的串联谐振无线能量传输方法，包括S1，采用比较器模块接收无线能量传输模块的接收端的串联谐振电路输出的信号并与给定的信号进行对比；S2，采用控制器模块根据所述比较器模块比较的结果将低频信号端的占空比信号输出至所述无线能量传输模块的发射端的串联谐振电路，以达到开关键控调制输出功率的目的。本发明将开关键控调制方法应用于串联谐振无线能量传输系统中，不需要发射端逆变器持续的进行高频率的开关，因此比起传统的控制方法，其开关损耗更低。

Description

基于开关键控调制的串联谐振无线能量传输系统及方法
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，具体为一种基于开关键控调制的串联谐振无线能量传输系统及方法。
背景技术
无线能量传输系统是当前的研究热点。几十年来，电力电子行业一直在使用磁耦合和谐振电路来实现高效的无线能量传输，而在无线能量传输系统谐振电路的各种组合中，目前市场上大多数可无线充电的便携式消费类电子产品采用的是串联谐振系统，因此研究如何提高串联谐振无线能量传输系统的能量传输效率很有必要。
无线能量传输系统中的最大能量传输效率可以通过磁共振的技术在一定的负载电阻值情况下实现。应当注意的是，虽然可以通过这种方式实现系统高能效运行，但是最大效率点仅在某一特定的负载电阻情况下出现，而实际的负载阻值并不是恒定的，这就意味着要利用阻抗变换的方法来实现系统的高能效运行。典型的阻抗变换的方法有三种，分别为利用变压器或磁耦合线圈、利用阻抗变换网络(如用于阻抗匹配的网络)或使用DC-DC电源转换器。由于实际情况下系统的负载电阻会随时间变化，因此前两种方法不适合将负载电阻变换为所有可能的负载电阻最佳值，而第三种方法虽然可以实现系统的高效运行，但会让系统变得更为复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于开关键控调制的串联谐振无线能量传输系统及方法，可以实现不在接收电路中使用阻抗匹配的DC-DC电源转换器的情况下，仍可以在宽负载范围内最大限度的提高能量传输效率。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种基于开关键控调制的串联谐振无线能量传输系统，包括无线能量传输模块、比较器模块以及控制器模块，
所述无线能量传输模块具有发射端和接收端，所述发射端和所述接收端均具有串联谐振电路，
所述比较器模块，用于接收所述接收端的所述串联谐振电路输出的信号，并与给定的信号做对比，
所述控制器模块，用于获取所述比较器模块的对比结果并将低频信号端的占空比信号输出至所述发射端的所述串联谐振电路，以调制所述发射端向接收端发出的信号。
进一步，所述发射端还具有逆变器电路，所述逆变器电路通过门驱动器接收所述控制器模块传递来的信号并传输至所述发射端的所述串联谐振电路。
进一步，所述接收端还包括整流器和负载，所述整流器和所述负载依次与所述接收端的所述串联谐振电路串联。
进一步，所述接收端的负载的输出端安装有电压反馈器。
进一步，还包括传感器模块，用于接收所述电压反馈器反馈的输出信号。
进一步，还包括射频通信模块，用于将所述传感器测量的信号通过射频通信的方式反馈至所述比较器模块。
进一步，所述比较器模块具有供参考电压接入的端口。
本发明实施例提供另一种技术方案：一种基于开关键控调制的串联谐振无线能量传输方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，采用比较器模块接收无线能量传输模块的接收端的串联谐振电路输出的信号并与给定的信号进行对比；
S2，采用控制器模块根据所述比较器模块比较的结果将低频信号端的占空比信号输出至所述无线能量传输模块的发射端的串联谐振电路，以达到开关键控调制输出功率的目的。
进一步，所述S2步骤中，发射端输出的信号为高频信号SHF，开关键控输出的信号为低频信号SLF，当低频信号SLF处于其逻辑高电平时，发射端才会与接收端共同作用达到无线能量传输的目的，而当低频信号SLF处于其逻辑低电平时，发射端的高频信号SHF将会被有效禁止，由此达到开关键控调制输出功率的目的。
进一步，通过对低频信号端的占空比信号进行调制来达到调制的目的，占空比信号d、负载电阻REL以及可调电阻RL之间的关系为：
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、将开关键控调制方法应用于串联谐振无线能量传输系统中，不需要发射端逆变器持续的进行高频率的开关，因此比起传统的控制方法，其开关损耗更低。
2、根据比较器模块比较后，由控制器模块输出低频信号端的占空比信号，比起现有的标准占空比控制，不会在低负载的条件下出现严重的窄频宽比问题，本方法可以利用低频调制信号SLF的关断时间来保持系统较低的功率。
3、本系统结构简单，在串联谐振无线能量传输系统中，并不需要更多复杂的电力电子器件，仍可以在一个较宽的负载范围内，使系统的能效接近最高值。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于开关键控调制的串联谐振无线能量传输系统的电路原理图；
图2为本发明实施例提供的一种基于开关键控调制的串联谐振无线能量传输系统的逆变电路的信号图；
图3为本发明实施例提供的一种基于开关键控调制的串联谐振无线能量传输系统的控制环示意图；
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1和图3，本发明实施例提供一种基于开关键控调制的串联谐振无线能量传输系统，包括无线能量传输模块、比较器模块以及控制器模块。其中，所述无线能量传输模块具有发射端和接收端，所述发射端和所述接收端均具有串联谐振电路；所述比较器模块，用于接收所述接收端的所述串联谐振电路输出的信号，并与给定的信号做对比；所述控制器模块，用于获取所述比较器模块的对比结果并将低频信号端的占空比信号输出至所述发射端的所述串联谐振电路，以调制所述发射端向接收端发出的信号。在本实施例中，通过无线能量传输模块用作无线电能传输，它可以用在任何无线充电的地方，而谐振电路又可以实现高效的无线能量传输，为了让串联谐振无线能量传输系统传输的效率更为高效，因此采用先采集串联谐振电路输出的信号，然后通过比较器模块和控制器模块处理后再来控制串联谐振电路的输入信号，如此可以使得开关损耗更低，进而提高了传输效率。具体的，如图1所示，发射端的串联谐振电路包括电感L1、可调电阻Rp1以及电容C1，接收端的串联谐振电路包括电感L2、可调电阻Rp2以及电容C2，再如图3所示，比较器模块接收接收端的串联谐振电路输出的信号，然后与给定的信号做对比，随后将对比的结果传递至控制器模块中，控制器模块发出控制指令，即输出低频信号端的占空比信号，然后再传入发射端的串联谐振电路中来进行调控，通过这种方式来实现开关键控调整。
以下为具体实施例：
优化上述无线能量传输模块，请参阅图1-2，所述无线能量传输模块还包括逆变器电路，所述逆变器电路通过门驱动器接收所述控制器模块传递来的信号并传输至所述串联谐振电路的输入端。在本实施例中，该逆变器电路，或者说是开关电路，由四个MOS管和四个二极管构成，控制器发出指令由门驱动器控制该逆变器电路。如图2所示，Vin展示了发射端电路的开关动作，只有当低频信号SLF处于其逻辑高电平状态时，发射端逆变器才能与收端电路共同作用达到无线能量传输的效果。因此，本系统中基于开关键控调制的方式的平均切换频率远低于相移控制的平均切换频率，因为后者必须进行发射端电路的连续切换，且延长了关闭周期。其次，在低负载条件下，开关键控调制的方式不会像标准的高频占空比控制那样面临窄脉冲宽度的问题。该调制的方式的每一个开周期都包含整数个高频开关切换脉冲，而关周期主要使系统在低负载的条件下保持低功率。
继续优化上述无线能量传输模块，请参阅图1，所述接收端还包括整流器和负载，所述整流器和所述负载依次与所述接收端的所述串联谐振电路串联。在本实施例中，整流器用作将发射端的串联谐振电路中的交流电转换为直流电然后供给负载，负载再将输出信号传递至比较器中。
进一步优化上述方案，请参阅图3，所述接收端的负载的输出端安装有电压反馈器。在本实施例中，为了便于传输，负载输出的信号会通过电压反馈器进行反馈。
进一步优化上述方案，请参阅图3，本系统还包括传感器模块，用于接收所述电压反馈器反馈的输出信号。在本实施例中，为了方便接收电压反馈器反馈的信息，采用传感器模块来接收。
进一步优化上述方案，请参阅图3，本系统还包括射频通信模块，用于将所述传感器测量的信号通过射频通信的方式反馈至所述比较器模块。在本实施例中，为了方便比较器模块接收传感器传递来的信号，通过射频通信的方式进行反馈要更好。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图3，比较器模块具有供参考电压接入的端口。在本实施例中，在比较器模块上设供参考电压接入的端口，可以便于比较器模块将此电压与从射频通信模块传递来的电压进行比较，然后得出调控信息发送给控制器模块，控制器模块再发出调控指令。该参考电压为一个最佳的输入电压，它与负载电阻值无关，其输入电压方程为：
其中，
本发明实施例提供一种基于开关键控调制的串联谐振无线能量传输方法，包括如下步骤：S1，采用比较器模块接收无线能量传输模块的接收端的串联谐振电路输出的信号并与给定的信号进行对比；S2，采用控制器模块根据所述比较器模块比较的结果将低频信号端的占空比信号输出至所述无线能量传输模块的发射端的串联谐振电路，以达到开关键控调制输出功率的目的。在本实施例中，通过无线能量传输模块用作无线电能传输，它可以用在任何无线充电的地方，而谐振电路又可以实现高效的无线能量传输，为了让串联谐振无线能量传输系统传输的效率更为高效，因此采用先采集串联谐振电路输出的信号，然后通过比较器模块和控制器模块处理后再来控制串联谐振电路的输入信号，如此可以使得开关损耗更低，进而提高了传输效率。具体的，如图1所示，发射端的串联谐振电路包括电感L1、可调电阻Rp1以及电容C1，接收端的串联谐振电路包括电感L2、可调电阻Rp2以及电容C2，再如图3所示，比较器模块接收接收端的串联谐振电路输出的信号，然后与给定的信号做对比，随后将对比的结果传递至控制器模块中，控制器模块发出控制指令，即输出低频信号端的占空比信号，然后再传入发射端的串联谐振电路中来进行调控，通过这种方式来实现开关键控调整。
优化上述S2步骤，所述S2步骤中，发射端输出的信号为高频信号SHF，开关键控输出的信号为低频信号SLF，当低频信号SLF处于其逻辑高电平时，发射端才会与接收端共同作用达到无线能量传输的目的，而当低频信号SLF处于其逻辑低电平时，发射端的高频信号SHF将会被有效禁止，由此达到开关键控调制输出功率的目的。在本实施例中，高频信号SHF是系统发射端的逆变器电路的原始信号，如图2所示，为发射端的逆变器电路的信号图，可以看出，只有当低频信号SLF处于其逻辑高电平状态时，发射端才能与接收端共同作用达到无线能量传输的效果。因此，开关键控调制方法的平均切换频率远低于相移控制的平均切换频率，后者必须进行发射端电路的连续切换，且延长了关闭周期。其次，在低负载条件下，开关键控调制方法不会像标准的高频占空比控制那样面临窄脉冲宽度的问题。该调制方法的每一个开周期都包含整数个高频开关切换脉冲，而关周期主要使系统在低负载的条件下保持低功率。
优化上述无线能量传输模块，请参阅图1-2，所述无线能量传输模块还包括逆变器电路，所述逆变器电路通过门驱动器接收所述控制器模块传递来的信号并传输至所述串联谐振电路的输入端。在本实施例中，该逆变器电路，或者说是开关电路，由四个MOS管和四个二极管构成，控制器发出指令由门驱动器控制该逆变器电路。如图2所示，Vin展示了发射端电路的开关动作，只有当低频信号SLF处于其逻辑高电平状态时，发射端逆变器才能与收端电路共同作用达到无线能量传输的效果。因此，本系统中基于开关键控调制的方式的平均切换频率远低于相移控制的平均切换频率，因为后者必须进行发射端电路的连续切换，且延长了关闭周期。其次，在低负载条件下，开关键控调制的方式不会像标准的高频占空比控制那样面临窄脉冲宽度的问题。该调制的方式的每一个开周期都包含整数个高频开关切换脉冲，而关周期主要使系统在低负载的条件下保持低功率。
继续优化上述无线能量传输模块，请参阅图1，所述接收端还包括整流器和负载，所述整流器和所述负载依次与所述接收端的所述串联谐振电路串联。在本实施例中，整流器用作将发射端的串联谐振电路中的交流电转换为直流电然后供给负载，负载再将输出信号传递至比较器中。
进一步优化上述方案，请参阅图3，所述接收端的负载的输出端安装有电压反馈器。在本实施例中，为了便于传输，负载输出的信号会通过电压反馈器进行反馈。
进一步优化上述方案，请参阅图3，本系统还包括传感器模块，用于接收所述电压反馈器反馈的输出信号。在本实施例中，为了方便接收电压反馈器反馈的信息，采用传感器模块来接收。
进一步优化上述方案，请参阅图3，本系统还包括射频通信模块，用于将所述传感器测量的信号通过射频通信的方式反馈至所述比较器模块。在本实施例中，为了方便比较器模块接收传感器传递来的信号，通过射频通信的方式进行反馈要更好。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图3，比较器模块具有供参考电压接入的端口。在本实施例中，在比较器模块上设供参考电压接入的端口，可以便于比较器模块将此电压与从射频通信模块传递来的电压进行比较，然后得出调控信息发送给控制器模块，控制器模块再发出调控指令。该参考电压为一个最佳的输入电压，它与负载电阻值无关，其输入电压方程为：
其中，
作为本发明实施例的优化方案，通过对低频信号端的占空比信号进行调制来达到调制的目的，占空比信号d、负载电阻REL以及可调电阻RL之间的关系为：在本实施例中，可见占空比的控制是开关键控调制方法的基础，它与负载电阻和可调电阻有关，在根据负载电阻随着时间变化的同时，调整占空比即可消除实际情况下系统的负载电阻会随着时间变化带来的缺陷。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于开关键控调制的串联谐振无线能量传输系统，其特征在于：包括无线能量传输模块、比较器模块以及控制器模块，
所述无线能量传输模块具有发射端和接收端，所述发射端和所述接收端均具有串联谐振电路，
所述比较器模块，用于接收所述接收端的所述串联谐振电路输出的信号，并与给定的信号做对比，
所述控制器模块，用于获取所述比较器模块的对比结果并将低频信号端的占空比信号输出至所述发射端的所述串联谐振电路，以调制所述发射端向接收端发出的信号。
2.如权利要求1所述的基于开关键控调制的串联谐振无线能量传输系统，其特征在于：所述发射端还具有逆变器电路，所述逆变器电路通过门驱动器接收所述控制器模块传递来的信号并传输至所述发射端的所述串联谐振电路。
3.如权利要求1所述的基于开关键控调制的串联谐振无线能量传输系统，其特征在于：所述接收端还包括整流器和负载，所述整流器和所述负载依次与所述接收端的所述串联谐振电路串联。
4.如权利要求3所述的基于开关键控调制的串联谐振无线能量传输系统，其特征在于：所述接收端的负载的输出端安装有电压反馈器。
5.如权利要求4所述的基于开关键控调制的串联谐振无线能量传输系统，其特征在于：还包括传感器模块，用于接收所述电压反馈器反馈的输出信号。
6.如权利要求5所述的基于开关键控调制的串联谐振无线能量传输系统，其特征在于：还包括射频通信模块，用于将所述传感器测量的信号通过射频通信的方式反馈至所述比较器模块。
7.如权利要求1所述的基于开关键控调制的串联谐振无线能量传输系统，其特征在于：所述比较器模块具有供参考电压接入的端口。
8.一种基于开关键控调制的串联谐振无线能量传输方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，采用比较器模块接收无线能量传输模块的接收端的串联谐振电路输出的信号并与给定的信号进行对比；
S2，采用控制器模块根据所述比较器模块比较的结果将低频信号端的占空比信号输出至所述无线能量传输模块的发射端的串联谐振电路，以达到开关键控调制输出功率的目的。
9.如权利要求8所述的基于开关键控调制的串联谐振无线能量传输方法，其特征在于：所述S2步骤中，发射端输出的信号为高频信号SHF，开关键控输出的信号为低频信号SLF，当低频信号SLF处于其逻辑高电平时，发射端才会与接收端共同作用达到无线能量传输的目的，而当低频信号SLF处于其逻辑低电平时，发射端的高频信号SHF将会被有效禁止，由此达到开关键控调制输出功率的目的。
10.如权利要求8所述的基于开关键控调制的串联谐振无线能量传输方法，其特征在于，通过对低频信号端的占空比信号进行调制来达到调制的目的，占空比信号d、负载电阻REL以及可调电阻RL之间的关系为：
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