CN111478454A - 发射端调控的正交模式追踪系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发射端调控的正交模式追踪系统及方法，用于调控无线电能传输系统的无线电能传输过程，方法包括如下步骤：在无线电能传输系统开启后，监测无线电能传输系统的发射端处的输入功率以及接收端处的输出功率；以及依据输出功率与输入功率的比值，动态调节发射端的能量增益速率，直至输出功率与输入功率的比值落入设定范围，以使得无线电能传输系统处于正交模式范围内。本发明通过调节发射端的能量增益速率使得无线电能传输系统维持在正交模式下，使得无线电能传输系统具有单频和高效的特点，大大增加了高效率传输的范围，提高了系统的传输效率。

Description

发射端调控的正交模式追踪系统及方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输领域，特指一种发射端调控的正交模式追踪系统及方法。

背景技术

近年来，随着科学技术发展，无线电能传输技术在学术和工程领域都获得了极大的关注。由于其便利性，110kHz至210kHz的感应式无线电能传输方案在手机和耳机等消费电子类产品中获得了广泛的应用。但感应式无线电能传输技术的缺陷在于无法提供充电距离，其传输距离通常低于10mm。2007年美国麻省理工学院的Marin教授首次提出了共振式无线电能传输技术(Science 317,83-86 2007)，即在系统发射端和接收端使用两个频率相同的线圈进行磁场耦合，该技术可以大大提高无线电能传输的传输距离。但是当系统位于强耦合区域时，由于近场作用系统的本征模式劈裂为两个相位相反的模式，其中相位相同的模式称为对称模式(共振线圈间相位差为0°)，相位相反的模式称为反对称模式(共振线圈间相位差为180°)。虽然上述两个模式均能提供最佳传输效率，但是两者的本征频率却会随着耦合强度变化而不断变化，使得传输效率降低。

针对该物理现象工程邻域直观的提出了频率追踪电路实现对最佳传输效率点的锁定，2017年美国斯坦福大学的Fan Shanhui教授提出的利用非线性电路自动追踪劈裂模式(Nature 546,387-390 2017)的研究更是受到了广泛的关注。利用对称模式或反对称模式实现无线充电系统存在一些原理上的缺陷，首先系统构建必须满足发射端和接收端的能量耦合速率完全相同，即系统参数必须完全对称；其次，所用模式处于强耦合区域，当系统传输距离较远时系统效率下降明显；并且，由于电路部分需引入频率追踪，电路稳定性较低，空载压力大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种发射端调控的正交模式追踪系统及方法，解决现有的共振式方案存在频率劈裂传输效率降低以及追踪频率方法的系统稳定性差和需要严格的对称系统等的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明提供了一种发射端调控的正交模式追踪方法，用于调控无线电能传输系统的无线电能传输过程，所述无线电能传输系统的发射端和接收端均设有共振线圈，所述发射端和所述接收端的共振线圈的本征频率相同，所述正交模式追踪方法包括如下步骤：

在无线电能传输系统开启后，监测所述无线电能传输系统的发射端处的输入功率以及接收端处的输出功率；以及

依据所述输出功率与所述输入功率的比值，动态调节发射端的能量增益速率，直至所述输出功率与所述输入功率的比值落入设定范围，以使得所述无线电能传输系统处于正交模式范围内。

本发明基于正交模式的物理原理，通过调节发射端的能量增益速率使得无线电能传输系统维持在正交模式下或正交模式范围内，大大增加了高效率传输的范围，提高了系统的传输效率，使得无线电能传输系统具有单频和高效的特点，也即无线电能传输过程中发射端处的输入频率为单一频率，从而使得无线电能传输系统避免了频率追踪电路的设计，避免了系统稳定性差的问题，同时本发明的发射端调控的正交模式追踪方法具有较强的安全性，有效解决共振式无线电能传输方案因模式耦合导致频率劈裂和传输效率降低的问题和追踪频率方案的系统稳定性差和需要严格的对称系统的问题。在无线电能传输系统的发射端进行单端调控即可，通过输出功率与输入功率的比值来动态的追踪调控发射端的能量增益速率，即在发射端引入合适的增益，从而将系统维持在高效工作模式，获得了高效的无线能量传输效率。

本发明发射端调控的正交模式追踪方法的进一步改进在于，还包括：

设定一低限值；

在无线电能传输过程中，比较判断所述输出功率与所述输入功率的比值是否低于所述低限值；

在所述输出功率与所述输入功率的比值低于所述低限值时，动态调节发射端的能量增益速率，直至所述输出功率与所述输入功率的比值落入所述设定范围。

本发明发射端调控的正交模式追踪方法的进一步改进在于，动态调节发射端的能量增益速率的步骤包括：

于所述无线电能传输系统的发射端的电路中接入一阻抗调节模块；

动态调节所述阻抗调节模块的阻抗来实现动态调节所述发射端的能量增益速率。

本发明发射端调控的正交模式追踪方法的进一步改进在于，还包括：

将所述发射端的共振线圈处的输入频率设置为一设定频率范围内的一频率值，所述设定频率范围为ω₀-1％ω₀至ω₀+1％ω₀，其中的ω₀为所述发射端的共振线圈的本征频率。

本发明发射端调控的正交模式追踪方法的进一步改进在于，监测所述无线电能传输系统的发射端的电流及电压；

在所监测得到的发射端的电流及电压超过保护范围时，切断所述无线电能传输系统的发射端的电路，以保护所述无线电能传输系统。

本发明还提供了一种发射端调控的正交模式追踪系统，用于调控无线电能传输系统的无线电能传输过程，所述无线电能传输系统的发射端和接收端均设有共振线圈，所述发射端和所述接收端的共振线圈的本征频率相同，所述正交模式追踪系统包括：

接入所述无线电能传输系统的发射端的电路的输入功率检测模块，用于检测所述无线电能传输系统的输入功率；

接入所述无线电能传输系统的输出端的电路的输出功率检测模块，用于检测所述无线电能输出系统的输出功率；以及

接入所述无线电能传输系统的发射端的处理模块，所述处理模块与所述输入功率检测模块和所述输出功率检测模块连接，用于接收所述输入功率和所述输出功率，并依据所述输出功率与所述输入功率的比值调节所述无线电能传输系统的发射端的能量增益速率，直至所述输出功率与所述输入功率的比值落入设定范围，使得所述无线电能传输系统处于正交模式范围内。

本发明发射端调控的正交模式追踪系统的进一步改进在于，所述处理模块内设有一低限值；

所述处理模块在无线电能传输过程中，比较判断所述输出功率与所述输入功率的比值是否低于所述低限值，在所述输出功率与所述输入功率的比值低于所述低限值时，动态调节发射端的能量增益速率，直至所述输出功率与所述输入功率的比值落入所述设定范围。

本发明发射端调控的正交模式追踪系统的进一步改进在于，还包括接入所述无线电能传输系统的发射端的电路的阻抗调节模块；

所述处理模块与所述阻抗调节模块连接，用于控制调节所述阻抗调节模块的阻抗，以实现动态调节所述发射端的能量增益速率。

本发明发射端调控的正交模式追踪系统的进一步改进在于，还包括设于所述发射端并与所述发射端的共振线圈连接的高频逆变模块，用于向所述发射端的共振线圈输入高频电磁波，所输入的高频电磁波的频率范围在ω₀-1％ω₀至ω₀+1％ω₀之间，其中的ω₀为所述发射端的共振线圈的本征频率。

本发明发射端调控的正交模式追踪系统的进一步改进在于，还包括接入所述无线电能传输系统的发射端的电路的保护电路模块，用于在发射端的电路内的电流及电压超过保护范围时，切断发射端的电路。

附图说明

图1为本发明发射端调控的正交模式追踪系统应用的无线电能传输系统的系统图。

图2为本发明发射端调控的正交模式追踪系统的系统图。

图3为本发明发射端调控的正交模式追踪系统的一具体实施例的系统图。

图4为谐振式无线电能传输系统模式变化图。

图5为本发明发射端调控的正交模式追踪系统中发射端的电流随电压变化曲线图。

图6为本发明发射端调控的正交模式追踪系统中发射端增益速率随着电压变化曲线图。

图7为本发明发射端调控的正交模式追踪系统中接收端的充电电流随着电压变化的曲线图。

图8为本发明发射端调控的正交模式追踪系统中接收端的损耗速率随着电压变化的曲线图。

图9为本发明发射端调控的正交模式追踪系统在正交模式下系统的能量传输效率随传输距离变化的曲线图。

图10为本发明发射端调控的正交模式追踪系统在正交模式下系统的能量传输效率随电池电量变化的曲线图。

图11为本发明发射端调控的正交模式追踪系统的共振线圈工作频率随近场耦合强度变化的示意图。

图12为本发明发射端调控的正交模式追踪系统的共振线圈相位差随近场耦合强度变化的示意图。

图13为本发明发射端调控的正交模式追踪系统中阻抗调节模块的第一实施例的电路图。

图14为本发明发射端调控的正交模式追踪系统中阻抗调节模块的第二实施例的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参阅图2，本发明提供了一种发射端调控的正交模式追踪系统及方法，用于解决现有的共振式无线电能传输方案因模式近场耦合导致频率劈裂，传输效率低的问题；还用于解决追踪频率方案存在系统稳定性差的问题。本发明的正交模式追踪系统及方法实现对发射端的增益速率的调整，进而使得系统维持在正交模式下或处于正交模式范围内，从而获得高效的无线能量传输效率，具有单频和高效的特点，实现了正交模式的追踪锁定。下面结合附图对本发明发射端调控的正交模式追踪系统及方法进行说明。

参阅图1，显示了本发明发射端调控的正交模式追踪系统应用的无线电能传输系统的系统图。参阅图2，显示了本发明发射端调控的正交模式追踪系统的系统图。下面结合图1和图2，对本发明发射端调控的正交模式追踪系统进行说明。

如图1和图2所示，本发明的发射端调控的正交模式追踪系统，用于调控无线电能传输系统的无线电能传输过程，无线电能传输系统的发射端和接收端均设有共振线圈，且发射端和接收端的共振线圈的本征频率相同，该正交模式追踪系统包括输入功率检测模块21、输出功率检测模块22以及处理模块23，输入功率检测模块21接入无线电能传输系统的发射端的电路，用于检测无线电能传输系统的输入功率；输出功率检测模块22接入无线电能传输系统的接收端的电路，用于检测该无线电能传输系统的输出功率；处理模块23接入无线传输系统的发射端，该处理模块23与输入功率检测模块21和输出功率检测模块22连接，用于接收输入功率和输出功率，并依据输出功率与输入功率的比值调节无线电能传输系统的发射端的能量增益速率，直至输出功率与输入功率的比值落入设定范围，使得无线电能传输系统处于正交模式范围内。本发明的无线电能传输系统的发射端与市电输入连接，输入的市电为220V、50Hz，发射端包括依次连接的AC-DC整流降压模块11、DC-AC高频逆变模块12以及发射线圈13，市电通过AC-DC整流降压模块11整流降压后变为5V～310V直流电压，再通过DC-AC高频逆变模块12变成20kHz～6.78MHz的高频电磁波，进而输入发射线圈13。该发射线圈13包括共振线圈132。从DC-AC高频逆变模块12输出的高频电磁波输入到共振线圈132。无线电能传输系统的接收端与负载连接，用于为负载充电，该接收端包括依次连接的接收线圈14、AC-DC高频整流模块15以及电源模块16，接收线圈14包括一共振线圈，该接收线圈的共振线圈与发射线圈13的共振线圈132共振磁场耦合连接，接收端的共振线圈接收到高频电磁波输入到AC-DC高频整流模块15，转变为直流，再通过电源模块16调控后供给负载使用。

发射端的共振线圈132和接收端的共振线圈的本征频率由线圈本身的材料和结构确定，与线圈空间位置及耦合状态无关，也称为线圈的固有频率。本发明所指的正交模式是双共振系统中的弱耦合区域内，有且仅有一个工作频率位于本征频率处的无损耗模式，结合图4所示，曲线F1即表示正交模式下无线电能传输效率与频率的变化关系，在该正交模式下，发射端的输入频率若为本征频率ω₀，则无线电能传输系统的电能传输效率即处于最大值，即电能传输效率最高。图4中的P表示系统的频率，X表示透射系数，具体是由无线电能传输效率开根号求得。结合图11和图12所示，在正交模式下，发射端和接收端的共振线圈的电压或电流相位正交，即相位差为90°。本发明所述的正交模式范围是指发射端和接收端的共振线圈的电压或电流的相位差在85°至95°之间，也就是在靠近正交模式的一段范围内。

本发明的发射端调控的正交模式追踪系统基于正交模式或正交模式范围，实现了锁定频率、锁定效率以及锁定功率的效果，其中锁定频率是指在正交模式下，磁共振无线电能传输系统实现三频合一，即发射端和接收端的共振线圈的本征频率、系统模式频率(该系统模式频率与两个线圈耦合状态密切相关)以及系统的发射端的输入频率三者相同，从而在无线充电过程中发射端始终以一个固定的输入频率输入至发射端的共振线圈，即使在充电过程中发生传输距离的变化，也无需调整发射端的输入频率，只需要通过调节发射端的能量增益速率使得系统回到正交模式即可获取最佳的电能传输效率，这样也就实现了锁定效率及锁定功率，达到了电路稳定及高效的特点。

较佳地，本发明的输入功率检测模块21接入到AC-DC整流降压模块11和DC-AC高频逆变模块12之间，输入功率检测模块21用于检测进入到DC-AC高频逆变模块12的电流及电压，从而获得对应的输入功率。输出功率检测模块22接入到AC-DC高频整流模块15与电源模块16之间，用于检测从AC-DC高频整流模块15输出的电流及电压，从而获得对应的输出功率。处理模块23计算输出功率与输入功率的比值，该比值即为能量传输效率，处理模块23依据该比值动态调控发射端的能量增益速率，接着追踪该比值，通过不断的调节发射端的能量增益速率，配合反馈的比值，直至该比值落入到设定范围，也即认为此时无线电能传输系统处于正交模式范围内。

在一较佳实施方式中，无线电能传输系统开机后，本发明的正交模式追踪系统同时运行，启动电压输出，一般为40V启动，通过监控输出功率与输入功率的比值，处理模块缓慢增加发射端的增益速率，直至调控至输出功率与输入功率的比值落入到设定范围内，也即系统进入了正交模式范围内或处于正交模式。而后在无线电能传输的过程中，处理模块23实时监控输出功率与输入功率的比值变化，进行动态追踪，在其发生变化时，以控制该输出功率与输入功率的比值在设定范围内，也即维持系统稳定的处于正交模式范围内或处于正交模式。

下面对本发明的原理进行说明。

基于耦合模方程的物理原理，分析得到双共振系统中系统工作模式的表达式为：

其中，ω_±为系统模式频率，ω₀为共振线圈的本征频率，i为虚部的符号，k为共振线圈间近场耦合强度，g为发射端的共振线圈的能量增益速率，γ为接收端的共振线圈的能量损耗速率。

通过求解得到，当系统满足：k²＝g*γ的条件时，无线电能传输系统处于正交模式，即系统中有且仅有一个位于本征频率处的无损耗模式，ω_±＝ω₀，也即正交模式。此时发射端的输入频率等于共振线圈的本征频率，即ω_working＝ω₀，ω_working为发射端的输入频率，无线充电的电能传输效率处于最佳。

无线电能传输系统采用一对本征频率(intrinsic resonant frequency)相同的共振线圈作为能量传输的载体，线圈近场耦合后形成的系统将会有本征模式(eigenmodes)，该模式的实部代表模式的本征频率，也称系统模式频率ω_±，虚部代表模式的损耗。在强耦合区域系统本征模式发生劈裂，如图11和图12所示，当系统的近场耦合强度较高时，系统模式劈裂为对称模式ω₊和反对称模式ω_{_}，在对称模式ω₊处，系统模式频率ω₊＝ω₀+k，两个共振线圈的相位差(即图12中的

)处于90～180°；在反对称模式ω_{_}处，系统模式频率ω_{_}＝ω₀-k，两个共振线圈的相位差处于0～90°，此时系统处于强耦合区。结合图4所示，当无线充电系统中发射端和接收端的传输距离发生变化时，两端共振线圈的耦合强度会急剧变化，而系统的工作模式也会改变。结合图4的虚线位置，当传输距离变近时，系统处于过耦合状态，曲线F3所示，本证模式会发生劈裂从ω₀变化为ω₀±k(分别为对称模式和反对称模式)；当距离变远时，系统处于欠耦合状态，曲线F2所示，在ω₀处的本征模式损耗会增加，过耦合状态和欠耦合状态均会导致能量传输效率下降。现有技术中的自动追踪劈裂模式是通过调节发射端的输入频率使其追踪系统模式频率而提高电能传输效率，也即令ω_working＝ω_±，但是频率追踪调节会使得电路稳定性较低，从而影响电能的整体传输功效。

而本发明的正交模式与上述的对称模式ω₊和反对称模式ω_-不同，结合图11和图12所示，随着近场耦合强度下降，对称模式ω₊和反对称模式ω_-最终在ω₀处合并为正交模式，两个共振线圈的相位差几近于90°，此时系统进入弱耦合区域。在传输距离发生变化时，通过动态调节共振线圈的能量增益速率，而始终使系统处于正交模式下或正交模式范围内，实现了对正交模式及正交模式范围的追踪，使得系统具有单频和高效的特点，也即ω_working＝ω_±＝ω₀，发射端的输入频率为一固定频率，无需进行追踪调节即可获得较佳的电能传输效率，进而避免了因模式耦合导致频率劈裂，传输效率降低的问题，还避免了频率调节会使电路稳定性低的问题。

本发明的发射端的能量增益速率是指通道耦合造成能量幅度增加的速率，该处的通道耦合是指发射端处的电路和/或线圈与发射端的共振线圈间的耦合关系，用于为发射端的共振线圈输入能量。

本发明在系统工作过程中，通过调节发射端的能量增益速率使得系统维持在正交模式下，这样使得系统可处于本征频率处无损耗模式，达到高效的能量传输效率。

具体地，该发射端的能量增益速率g可表达为：

其中，g₀为发射端饱和增益速率，当线圈系统确定后该参数为定值；|a₁|为发射端共振线圈的振幅；u_in为发射端的发射线圈的输入电压。该u_in即为经处理模块调控后的发射端电路的电压，该电压的变化会实现对发射端增益速率g的控制，在正交模式条件k²＝g*γ下，k会随着传输距离而发生变化，在γ不变的情况下，调控发射端增益速率g，以使得系统维持在正交模式条件下。其中k的变化在电能传输过程中会表征为输出效率和输入效率比值的变化，故而处理模块通过追踪输出效率与输入效率的比值，以使得系统满足正交模式条件。较佳地，处理模块可通过调节发射端电路内的阻抗来实现发射端增益速率的调节。

在一种具体实施方式中，处理模块23内设有一低限值；该处理模块在无线电能传输过程中，实时的比较判断输出功率与输入功率的比值是否低于低限值，在输出功率与输入功率的比值低于低限值时，动态调节发射端的能量增益速率，直至输出功率与输入功率的比值落入设定范围。也即处理模块23并非在输出功率与输入功率的比值超出设定范围即进行动态调控发射端的能量增益速率，而是通过设定一个较低的低限值，在低于该低限值时，再进行动态调控。

较佳地，上述的设定范围依据图4中频率ω₀对应的能量传输效率所对应的共振线圈间进场耦合强度来设计，该设定范围较佳为0.85至1。低限值较佳为0.8。输出功率与输入功率的比值即为能量传输效率，在发射端的共振线圈和接收端的共振线圈间的距离发生变化时，无线能量传输效率会产生影响，进而通过实时监测输出功率与输入功率的比值即可监测到无线能量传输效率的变化。

在一种具体实施方式中，结合图2所示，本发明的正交模式追踪系统还包括接入无线电能传输系统的发射端的电路的阻抗调节模块24；处理模块23与该阻抗调节模块24连接，用于控制调节阻抗调节模块24的阻抗，以实现动态调节发射端的能量增益速率。本发明通过调节阻抗调节模块的阻抗，在系统中呈现出纯阻性变化，可以较好的实现发射端共振线圈增益速率的调整，从而将系统模式稳定在正交模式处或正交模式范围内。而现有传统的阻抗匹配网络调节是引入电容电感，其本质额外引入了一个模式，最终获得效率极值会下降。

较佳地，阻抗调节模块24为MOFET开关(场效应管)，处理模块23通过调节该MOFET开关的速度或时间来调控发射端的电压。具体地，调节MOFET开关的阻抗也即调节发射端的发射线圈系统的输入阻抗，实现了调节发射线圈系统的输入电压(即发射端的电压)，从而条件了发射端的能量增益速率。

进一步地，本发明的正交模式追踪系统还包括输入模块，该输入模块与处理模块23连接，输入模块用于输入一调控值，处理模块23在调节MOFET开关时，每次根据调控值进行调节，即调大或调小，通过获得的输出功率和输入功率的比值的反馈，进行不断的动态调整，直至该比值落入到设定范围。较佳地，每次发射端的电压的调控值可设定在0.05V至0.1V，该调控值越小，系统的调控精度越高。

再进一步地，结合图3所示，显示了本发明系统的一个具体实施例，阻抗调节模块24连接在处理模块23与输出端之间，通过调控该阻抗调节模块24的阻抗，可直接实现调控输出端的电压，该输出端与DC-AC高频逆变模块12连接，作为DC-AC高频逆变模块12的输入。

在另一种较佳实施方式中，阻抗调节模块24可采用纯电路构成，还可以采用纯线圈构成。其中纯电路可选用buck拓扑类型电路、boost拓扑类型电路或其它利用场效应管(MOSFET)实现输出控制的电路拓扑。如图13所示，显示了纯电路构成示意图，处理模块通过调节阻抗相应地实现调节能量增益速率。在发射端的共振线圈132处接入-R1，在接收端的共振线圈处接入+R2，调节发射端处的-R1时，发射端电路的电压会随之变化，进而发射端的能量增益速率也会变化，发射端电路的电压变大时，发射端的能量增益速率也会变大。如图14和图1所示，显示了纯线圈构成示意图，发射端的共振线圈132处耦合一发射端非共振线圈131，处理模块可通过调节发射端非共振线圈131匝数，来实现调节能量增益速率。在发射端设计非共振线圈使得空载阶段系统处于断路状态，可以很好的回避通常磁共振系统空载功率过大而烧毁电路的风险，进一步增加了系统的稳定性。

本发明的输入功率检测模块21包括Vout监控子模块211和Iout监控子模块212，该Vout监控子模块211和Iout监控子模块212连接在输出端和处理模块23之间，用于检测从阻抗调节模块24输出的电流及电压，将检测到的电流及电压相乘就得到了输入功率。较佳地，Iout监控子模块212为霍尔元件，用于检测电路中的电流，Vout监控子模块211为分压电阻，用于检测电路中的电压。

在一种具体实施方式中，结合图2所示，本发明的正交模式追踪系统还包括接入无线电能传输系统的发射端的电路的保护电路模块25，该保护电路模块25用于在发射端的电路内的电流及电压超过保护范围时，切断发射端的电路。实现了发射端的过压欠压以及过流欠流保护。

具体地，结合图3所示，保护电路模块25包括接入输入端和处理模块23之间的Vin监控子模块251、Iin监控子模块252以及输入阻抗调控子模块253，该输入端与AC-DC整流降压模块11连接，Vin监控子模块251、Iin监控子模块252用于监控从AC-DC整流降压模块11输出的电流及电压，该电流及电压输入给处理模块23，处理模块23判断电流及电压是否在保护范围内，若否通过调控输入阻抗调控子模块253而断开发射端的电路。

在本发明的一种具体实施方式中，还包括设于发射端并与发射端的共振线圈连接的高频逆变模块，用于向发射端的共振线圈输入高频电磁波，所输入的高频电磁波的频率范围在ω₀-1％ω₀至ω₀+1％ω₀之间，其中的ω₀为发射端的共振线圈的本征频率。该处的向发射端的共振线圈输入的高频电磁波的频率即为发射端的输入频率ω_working，高频逆变模块较佳为DC-AC高频逆变模块，该DC-AC高频逆变模块与供电源连接，还与发射端的共振线圈连接，DC-AC高频逆变模块用于将直流电变成高频电磁波送入到发射端的共振线圈21，该高频电磁波的频率范围为1kHz～20MHz，而本发明将DC-AC高频逆变模块输出的高频电磁波的频率设定在一范围内，该范围为ω₀-1％ω₀至ω₀+1％ω₀之间，处理模块将系统锁定在正交模式范围内，这样使得系统的能量传输效率达到较大。较佳地，高频电磁波的频率为发射端的共振线圈的本征频率，此时系统的能量传输效率达到最大。

本发明的正交模式追踪系统中的处理模块23、输入功率检测模块21、阻抗调节模块24以及保护电路模块25组成一DC-DC正交模式追踪模块，该DC-DC正交模式追踪模块接入发射端的电路，起到增益调节的作用。具体地，该DC-DC正交模式追踪模块的系统图请参见图3所示，该DC-DC正交模式追踪模块接入到无线电能传输系统的AC-DC整流降压模块11与DC-AC高频逆变模块12之间。

下面对本发明正交模式追踪系统调控发射端电压的实际效果进行说明。

如图5和图6所示，显示了随着调控发射端电压增大时发射端的电流的变化以及发射端增益速率的变化，图5和图6中的U表示发射端的电压，图5中的I_输出表示发射端的电流，由图5和图6可知，在系统的发射端的电压较小，系统所对应的增益速率和电流也较小；在系统的发射端的电压较大时，系统所对应的增益速率和电流也较大。当发射端的电压不断增大时，馈入的增益速率将趋于饱和，而系统的电流也将急剧增加。

如图7和图8所示，显示了随着调控发射端的电压增大时接收端的充电电流及损耗速率的变化，图7和图8中的U表示发射端的电压，图7中的I_充电表示接收端的充电电流，γ表示接收端的损耗效率。由于电池负载随着充电功率上升，充电电流急剧增大，等效负载下降，因此，接收端共振线圈的损耗速率也会同时下降，当发射端的电压较小时，负载电池对应的充电电流较小但损耗速率却较大。当发射端的电压较大时，负载电池对应的充电电流增大同时损耗速率减小。该动态过程中，调控增益速率g上升，后端的损耗速率γ同时下降，最终将系统维持在正交模式条件下k²＝g*γ，获得较高的能量传输效率，同时该过程可以实现系统工作功率的缓慢的上升调节的，大大增加系统的稳定性。

如图9所示，显示了正交模式追踪时系统能量传输效率随传输距离变化曲线，图9中的S表示能量传输距离，η表示能量传输效率。通过图9可知，在系统传输距离发生变化时，通过调控电压追踪，可维持系统的传输效率在大范围保持相对稳定，当传输距离过大时才会缓慢下降。结合图10所示，在实际应用中，电池作为无线供电的常见负载，其本身阻抗会随电量的不同而发生改变，如果不能对接收端损耗速率加以调控，其系统能量传输效率同样会受到影响，如图10所示，图10中的D表示电池电量，η表示能量传输效率。曲线F4为无正交模式追踪方案，曲线F5为正交模式追踪方案。由此可知，本发明的追踪系统对于电池负载具有十分显著的效果，在曲线F4中，低电量时低阻抗大电流特性会令原有模式发劈裂导致系统处于高输出低效率区域，而高电量时高阻抗小电流会导致系统模式损耗过大，整体效率也会下降。本发明的追踪系统，可以很好平衡发射端增益速率和接收端损耗速率，保证系统处于正交模式维持系统最佳效率条件。

本发明正交模式追踪系统的有益效果包括：

基于正交模式的物理原理实现能量传输效率，具有单频和高效的特定；利用发射端增益调节实现正交模式追踪，单端调控即可；实现的正交模式追踪大大增加高效率传输的范围；系统空载呈现开路特性，稳定性和安全性较强；可实现系统功率输出的调控。

下面对本发明提供的发射端调控的正交模式追踪方法进行说明。

本发明提供的一种发射端调控的正交模式追踪方法，用于调控无线电能传输系统的无线电能传输过程，无线电能传输系统的发射端和接收端均设有共振线圈，该发射端和接收端的共振线圈的本征频率相同，该正交模式追踪方法包括如下步骤：

在无线电能传输系统开启后，监测无线电能传输系统的发射端处的输入功率以及接收端处的输出功率；以及

依据输出功率与输入功率的比值，动态调节发射端的能量增益速率，直至输出功率与输入功率的比值落入设定范围，以使得无线电能传输系统处于正交模式范围内。

本发明基于正交模式的物理原理，通过调节发射端的能量增益速率使得无线电能传输系统维持在正交模式范围内，使得无线电能传输系统具有单频和高效的特点，大大增加了高效率传输的范围，提高了系统的传输效率。在无线电能传输系统的发射端进行单端调控即可，动态调节发射端的能量增益速率，通过输出功率与输入功率的比值来动态的追踪调控发射端的能量增益速率，即在发射端引入合适的增益，从而将系统维持在高效工作模式，获得了高效的无线能量传输效率。

具体地，本发明的追踪方法中依据输出功率与输入功率的比值，动态调节发射端的电压的功能可通过上述的正交模式追踪系统中的处理模块来实现。

在一种具体实施方式中，还包括：

设定一低限值；

在无线电能传输过程中，比较判断输出功率与输入功率的比值是否低于低限值；

在输出功率与输入功率的比值低于低限值时，动态调节发射端的能量增益速率，直至输出功率与输入功率的比值落入设定范围。

在一种具体实施方式中，动态调节发射端的能量增益速率的步骤包括：

于无线电能传输系统的发射端的电路中接入一阻抗调节模块；

动态调节阻抗调节模块的阻抗来实现动态调节发射端的能量增益速率。

较佳地，该阻抗调节模块为MOFET开关(场效应管)，通过调节该MOFET开关的速度或时间来调控发射端的能量增益速率。

又佳地，该阻抗调节模块为纯线圈构成，在发射端的共振线圈处耦合一非共振线圈，通过调节非共振线圈的匝数实现调控发射端的能量增益速率。

在一种具体实施方式中，还包括：

监测无线电能传输系统的发射端的电流及电压；

在所监测得到的发射端的电流及电压超过保护范围时，切断无线电能传输系统的发射端的电路，以保护无线电能传输系统。

在一种具体实施方式中，将发射端的共振线圈处的输入频率设置为一设定频率范围内的一频率值，该设定频率范围为ω₀-1％ω₀至ω₀+1％ω₀，其中的ω₀为发射端的共振线圈的本征频率。在该频率范围内，可使得电能传输处于正交模式范围内。较佳地，将发射端的共振线圈处的输入频率设置为发射端的共振线圈的本征频率，此时的能量传输效率达到最大。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种发射端调控的正交模式追踪方法，用于调控无线电能传输系统的无线电能传输过程，所述无线电能传输系统的发射端和接收端均设有共振线圈，其特征在于，所述发射端和所述接收端的共振线圈的本征频率相同，所述正交模式追踪方法包括如下步骤：

在无线电能传输系统开启后，监测所述无线电能传输系统的发射端处的输入功率以及接收端处的输出功率；以及

依据所述输出功率与所述输入功率的比值，动态调节发射端的能量增益速率，直至所述输出功率与所述输入功率的比值落入设定范围，以使得所述无线电能传输系统处于正交模式范围内。

2.如权利要求1所述的发射端调控的正交模式追踪方法，其特征在于，还包括：

设定一低限值；

在无线电能传输过程中，比较判断所述输出功率与所述输入功率的比值是否低于所述低限值；

在所述输出功率与所述输入功率的比值低于所述低限值时，动态调节发射端的能量增益速率，直至所述输出功率与所述输入功率的比值落入所述设定范围。

3.如权利要求1所述的发射端调控的正交模式追踪方法，其特征在于，动态调节发射端的能量增益速率的步骤包括：

于所述无线电能传输系统的发射端的电路中接入一阻抗调节模块；

动态调节所述阻抗调节模块的阻抗来实现动态调节所述发射端的能量增益速率。

4.如权利要求1所述的发射端调控的正交模式追踪方法，其特征在于，还包括：

将所述发射端的共振线圈处的输入频率设置为一设定频率范围内的一频率值，所述设定频率范围为ω₀-1％ω₀至ω₀+1％ω₀，其中的ω₀为所述发射端的共振线圈的本征频率。

5.如权利要求1所述的发射端调控的正交模式追踪方法，其特征在于，监测所述无线电能传输系统的发射端的电流及电压；

在所监测得到的发射端的电流及电压超过保护范围时，切断所述无线电能传输系统的发射端的电路，以保护所述无线电能传输系统。

6.一种发射端调控的正交模式追踪系统，用于调控无线电能传输系统的无线电能传输过程，所述无线电能传输系统的发射端和接收端均设有共振线圈，其特征在于，所述发射端和所述接收端的共振线圈的本征频率相同，所述正交模式追踪系统包括：

接入所述无线电能传输系统的发射端的电路的输入功率检测模块，用于检测所述无线电能传输系统的输入功率；

接入所述无线电能传输系统的输出端的电路的输出功率检测模块，用于检测所述无线电能输出系统的输出功率；以及

接入所述无线电能传输系统的发射端的处理模块，所述处理模块与所述输入功率检测模块和所述输出功率检测模块连接，用于接收所述输入功率和所述输出功率，并依据所述输出功率与所述输入功率的比值调节所述无线电能传输系统的发射端的能量增益速率，直至所述输出功率与所述输入功率的比值落入设定范围，使得所述无线电能传输系统处于正交模式范围内。

7.如权利要求6所述的发射端调控的正交模式追踪系统，其特征在于，所述处理模块内设有一低限值；

所述处理模块在无线电能传输过程中，比较判断所述输出功率与所述输入功率的比值是否低于所述低限值，在所述输出功率与所述输入功率的比值低于所述低限值时，动态调节发射端的能量增益速率，直至所述输出功率与所述输入功率的比值落入所述设定范围。

8.如权利要求6所述的发射端调控的正交模式追踪系统，其特征在于，还包括接入所述无线电能传输系统的发射端的电路的阻抗调节模块；

所述处理模块与所述阻抗调节模块连接，用于控制调节所述阻抗调节模块的阻抗，以实现动态调节所述发射端的能量增益速率。

9.如权利要求6所述的发射端调控的正交模式追踪系统，其特征在于，还包括设于所述发射端并与所述发射端的共振线圈连接的高频逆变模块，用于向所述发射端的共振线圈输入高频电磁波，所输入的高频电磁波的频率范围在ω₀-1％ω₀至ω₀+1％ω₀之间，其中的ω₀为所述发射端的共振线圈的本征频率。

10.如权利要求6所述的发射端调控的正交模式追踪系统，其特征在于，还包括接入所述无线电能传输系统的发射端的电路的保护电路模块，用于在发射端的电路内的电流及电压超过保护范围时，切断发射端的电路。

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