CN112350449A - 一种无线能量传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线能量传输系统及方法，系统用于给负载提供能量，包括：发射级、耦合线圈、整流桥和稳压输出单元相级联组成；稳压输出单元用于当实际负载的值小于或大于最优负载的值时，将实际负载的值增大或减小使其等于最优负载的值，将所述整流桥的输出电压转换为目标的直流输出电压；最优负载是使所述耦合线圈的耦合效率最优的负载。通过稳压输出单元将实际负载的值调整到最优负载的值，提高了耦合线圈的耦合效率，从而提高了能量传输效率。

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技术领域，尤其涉及一种无线能量传输系统及方法。

背景技术

近些年来，随着无线能量传输技术研究的深入发展和巨大的市场价值空间，WPT(无线功率传输)受到了越来越多的关注和重视。WPT系统的应用领域非常广泛，在消费电子领域，已经有许多科技公司开发出了近场无线充电技术为手机等电子设备充电。在医疗领域也具有重要的应用，用于治疗的可植入电子设备的充电必须通过无线充电方式完成。该技术在物联网、航空航天、无人驾驶等领域也都有所应用。

WPT系统一般由发射端、耦合线圈和接收端组成，耦合线圈是实现能量无线传输的核心模块，通过电磁耦合原理，将发射端的电能转化为电磁能，再由接收线圈接收转化为电能。

能量传输效率是无线能量传输系统非常重要的指标。系统的能量传输效率是发射端效率、线圈耦合效率和接收端效率的乘积。耦合效率通常较低，是系统整体效率的主要限制因素。

现有技术中缺乏一种高效率的无线能量传输系统。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明为了解决现有的问题，提供一种无线能量传输系统及方法。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：

一种无线能量传输系统，用于给负载提供能量，包括：发射级、耦合线圈、整流桥和稳压输出单元相级联组成；所述稳压输出单元用于当实际负载的值小于或大于最优负载的值时，将实际负载的值增大或减小使其等于最优负载的值，将所述整流桥的输出电压转换为目标的直流输出电压；所述最优负载是使所述耦合线圈的耦合效率最优的负载。

优选地，所述稳压输出单元是低压差线性稳压器、降压型稳压器或升压型稳压器。

优选地，所述耦合线圈的耦合效率是：

α＝2π*fres*C₂*R_L

其中，η_link为耦合线圈的耦合效率，k为耦合线圈的耦合系数，Q_L1为耦合电感L₁的品质因数，Q_L2为耦合电感L₂的品质因数，C₂为接收边电容的电容值,fres为耦合线圈的共振频率，R_L为负载电阻，耦合电感L₁和耦合电感L₂组成耦合线圈。

优选地，通过如下公式计算所述最优负载：

R_L,opt＝Q_L1/sqrt(1+X)/(2π*fres*C₂)

X＝k²Q_L1Q_L2

其中，R_L,opt为最优负载，sqrt为平方根函数。

优选地，所述稳压输出单元用于将所述实际负载的值提升了(V_rec/V_buck)²倍将所述实际负载转换为所述最优负载：

P_out＝P_in*η_buck≈P_in

其中，P_out为稳压输出单元的输出功率，P_in为稳压输出单元的输入功率，η_buck为稳压输出单元的效率，V_rec为整流桥的输出电压，V_buck为稳压输出单元的输出电压，R_{eq_buck}为稳压输出单元的等效阻抗，R_L为稳压输出单元的实际负载。

优选地，所述稳压输出单元用于将所述实际负载的值降低了

倍将所述实际负载的转换为所述最优负载：

P_out＝P_in*η_boost

其中，η_boost为稳压输出单元的效率，R_{eq_boost}为整个稳压输出单元的等效电阻，V_boost为稳压输出单元的输出电压。

优选地，所述耦合线圈的原边线圈和副边线圈分别采用串联电容、并联电容的结构。

优选地，所述耦合线圈的原边线圈和副边线圈分别采用串联电容、串联电容的结构。

优选地，所述整流桥由二极管组成或用MOS管交叉形式组成、或有源整流电路组成。

本发明还提供一种无线能量传输方法，采用如上任一所述的无线能量传输系统进行无线能量传输。

本发明的有益效果为：提供一种无线能量传输系统及方法，通过稳压输出单元将实际负载的值调整到最优负载的值，提高了耦合线圈的耦合效率，从而提高了能量传输效率。

附图说明

图1是本发明实施例中一种无线能量传输系统的示意图。

图2是本发明实施例中无线能量传输系统效率的简化分析图。

图3是本发明实施例中耦合效率关于线圈的负载R_L的曲线图。

图4是本发明实施例中又一种无线能量传输系统的示意图。

图5是本发明实施例中耦合效率的对比示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

耦合效率会随着线圈处的等效电阻发生变化，只有电阻满足一定范围时，耦合效率才达到很高水平。对于接收端，通常需要提供稳定的电压给后级负载，因此接收端通常由整流器和直流稳压器组成。

本发明实现了一种能够为负载提供稳定电压的高效率的无线能量传输系统。通过理论分析表明线圈耦合效率随着线圈处等效负载阻抗的增大表现出先增大后减小的变化特征，因此理论上存在一个最优的线圈处等效负载使得耦合效率达到最高。而实际负载是由后级电路决定的，直接用变化的实际负载作为线圈的等效负载往往不能实现最高的耦合效率。因此，本发明提出使用稳压电路来对实际负载进行阻抗变换，使得线圈的等效负载向最优点移动，从而提高耦合效率以及系统效率。具体来说，当实际负载很小时，可通过降压型直流稳压器将实际负载转换为较大的等效负载，接近最优等效负载，因此耦合效率会得到极大提高。当实际负载太大时，可通过升压型直流稳压器将实际负载转换为较小的等效负载，接近最优等效负载，从而使耦合效率得到极大提高。

如图1所示，本发明提供一种无线能量传输系统，用于给负载提供能量，包括：发射级、耦合线圈、整流桥和稳压输出单元相级联组成；

所述稳压输出单元用于当实际负载的值小于或大于最优负载的值时，将实际负载的值增大或减小使其等于最优负载的值，将所述整流桥的输出电压转换为目标的直流输出电压；

所述最优负载是使所述耦合线圈的耦合效率最优的负载。

在本发明中，通过稳压输出单元将实际负载的值调整到最优负载的值，提高了耦合线圈的耦合效率，从而提高了能量传输效率。

在本发明的一种实施例中，耦合线圈是实现能量无线传输的核心模块，原边线圈和副边线圈可分别采用串联电容或并联电容的结构。下文以串联-并联(sp)结构作为示例。通过理论分析，本发明的耦合效率提升技术对于串联-串联(ss)结构同样适用。

整流桥是将交流信号转换为直流信号的常用电路。这里可用传统的二极管组成，也可以用MOS管交叉形式组成，还可以用比较器控制的MOS管、即有源整流电路组成。

整流桥后的稳压器可以将整流桥的输出电压转换为目标的直流输出电压，可以用常用的低压差线性稳压器(LDO)、降压型稳压器(BUCK)或升压型稳压器(BOOST)等来实现。这里以BUCK为例进行说明。

如图2所示，是无线能量传输系统效率的简化分析图。研究表明，线圈的耦合效率通常决定了系统效率。根据变压器原理的公式通过计算和化简可以得出耦合效率，如公式(1)和(2)所示。

α＝2π*fres*C₂*R_L(2)

其中，η_link为耦合线圈的耦合效率，k为耦合线圈的耦合系数，Q_L1为耦合电感L₁的品质因数，Q_L2为耦合电感L₂的品质因数，C₂为接收边电容的电容值,fres为耦合线圈的共振频率，R_L为负载电阻，耦合电感L₁和耦合电感L₂组成耦合线圈。

对于图2所示的WPT系统结构，通过基本的电路方程和耦合线圈的电磁感应互感原理，可以计算得到最优负载如公式(3)和公式(4)所示，对于常见的WPT系统，最优负载值一般在数百欧左右。

R_L,opt＝Q_L1/sqrt(1+X)/(2π*fres*C₂)(3)

X＝k²Q_L1Q_L2(4)

R_L,opt＝Q_L1/sqrt(1+X)/(2π*fres*C₂)

X＝k²Q_L1Q_L2

其中，R_L,opt为最优负载，sqrt为平方根函数。

如图3所示，是耦合效率关于线圈的负载R_L的曲线图。当R_L较小时，耦合效率很低，随着R_L的增加，耦合效率开始迅速提高，当耦合效率达到最大值后，R_L的继续增加反而会使耦合效率降低。

在实际应用中，WPT的系统的实际负载往往不会使耦合效率处于最高点。当实际负载很小导致线圈的等效负载很小时，稳压输出模块可以使用BUCK来提高等效负载，使得耦合效率提高。

如图4所示，是本发明又一种无线能量传输系统的示意图。

具体来讲，BUCK的负载电阻变换的具体公式推导如公式(5)和(6)所示。理论上BUCK的效率接近100％，因此BUCK的输入功率约等于输出功率。从公式可以看出，引入BUCK模块后，等效电阻提升了(V_rec/V_buck)²倍。

其中，P_out为稳压输出单元的输出功率，P_in为稳压输出单元的输入功率，η_buck为稳压输出单元的效率，V_rec为整流桥的输出电压，V_buck为稳压输出单元的输出电压，R_{eq_buck}为稳压输出单元的等效阻抗，R_L为稳压输出单元的实际负载。

当实际负载较大使得线圈的等效阻抗也很大时，系统的耦合效率也不能达到最优效率。此时可以使用升压型直流稳压器Boost来降低等效阻抗，对于Boost升压模块，其公式与BUCK公式类似，如下

其中，η_boost为稳压输出单元的效率，R_{eq_boost}为整个稳压输出单元的等效电阻，V_boost为稳压输出单元的输出电压。

对于Boost模块,其V_boost大于V_rec，因此等效阻抗会降低，对于大电阻负载，可以使得其耦合效率提高。

在一种具体的实施例中，在频率为13.56MHz,0.18um的CMOS工艺下，电感L1和L2分别为1uH,1uH,线圈耦合系数K为100m的条件下，仿真结果表明，系统能够成功地提供1.8V和2.5V的稳定输出电压。并且使用BUCK作为整流桥的负载与直接连接上负载相比，其耦合效率可以提升17％左右。仿真数据表明，BUCK负载为300Ω的条件下，耦合效率可以达到42％左右，接收端效率在80％左右。

如图5所示，仿真结果表明，在负载为小于200Ω内的小电阻时，耦合效率的提升非常明显。当稳压输出模块使用BUCK为负载提供稳定输出电压时。

在不同的负载电阻条件下，使用BUCK模块与不使用BUCK模块，线圈的耦合最高可以提升16.9％。

本发明还提供一种无线能量传输方法，采用如上任一所述的无线能量传输系统进行无线能量传输。

本申请实施例还提供一种控制装置，包括处理器和用于存储计算机程序的存储介质；其中，处理器用于执行所述计算机程序时至少执行如上所述的方法。

本申请实施例还提供一种存储介质，用于存储计算机程序，该计算机程序被执行时至少执行如上所述的方法。

本申请实施例还提供一种处理器，所述处理器执行计算机程序，至少执行如上所述的方法。

所述存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备、或者它们的组合来实现。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(ROM，Read Only Memory)、可编程只读存储器(PROM，Programmable Read-Only Memory)、可擦除可编程只读存储器(EPROM，ErasableProgrammable Read-Only Memory)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM，ElectricallyErasable Programmable Read-Only Memory)、磁性随机存取存储器(FRAM，FerromagneticRandom Access Memory)、快闪存储器(Flash Memory)、磁表面存储器、光盘、或只读光盘(CD-ROM，Compact Disc Read-Only Memory)；磁表面存储器可以是磁盘存储器或磁带存储器。易失性存储器可以是随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(SRAM，Static Random Access Memory)、同步静态随机存取存储器(SSRAM，SynchronousStatic Random Access Memory)、动态随机存取存储器(DRAM，DynamicRandom AccessMemory)、同步动态随机存取存储器(SDRAM，Synchronous Dynamic RandomAccessMemory)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DDRSDRAM，Double DataRateSynchronous Dynamic Random Access Memory)、增强型同步动态随机存取存储器(ESDRAM，Enhanced Synchronous Dynamic Random Access Memory)、同步连接动态随机存取存储器(SLDRAM，SyncLink Dynamic Random Access Memory)、直接内存总线随机存取存储器(DRRAM，Direct Rambus Random Access Memory)。本发明实施例描述的存储介质旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

或者，本发明上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本申请所提供的几个方法实施例中所揭露的方法，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例。

本申请所提供的几个产品实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的产品实施例。

本申请所提供的几个方法或设备实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例或设备实施例。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无线能量传输系统，其特征在于，用于给负载提供能量，包括：发射级、耦合线圈、整流桥和稳压输出单元相级联组成；

所述稳压输出单元用于当实际负载的值小于或大于最优负载的值时，将实际负载的值增大或减小使其等于最优负载的值，将所述整流桥的输出电压转换为目标的直流输出电压；

所述最优负载是使所述耦合线圈的耦合效率最优的负载。

2.如权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述稳压输出单元是低压差线性稳压器、降压型稳压器或升压型稳压器。

3.如权利要求2所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述耦合线圈的耦合效率是：

α＝2π*fres*C₂*R_L

其中，η_link为耦合线圈的耦合效率，k为耦合线圈的耦合系数，Q_L1为耦合电感L₁的品质因数，Q_L2为耦合电感L₂的品质因数，C₂为接收边电容的电容值,fres为耦合线圈的共振频率，R_L为负载电阻，耦合电感L₁和耦合电感L₂组成耦合线圈。

4.如权利要求3所述的无线能量传输系统，其特征在于，通过如下公式计算所述最优负载：

R_L,opt＝Q_L1/sqrt(1+X)/(2π*fres*C₂)

X＝k²Q_L1Q_L2

其中，R_L,opt为最优负载，sqrt为平方根函数。

5.如权利要求4所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述稳压输出单元用于将所述实际负载的值提升了(V_rec/V_buck)²倍将所述实际负载转换为所述最优负载：

P_out＝P_in*η_buck≈P_in

其中，P_out为稳压输出单元的输出功率，P_in为稳压输出单元的输入功率，η_buck为稳压输出单元的效率，V_rec为整流桥的输出电压，V_buck为稳压输出单元的输出电压，R_{eq_buck}为稳压输出单元的等效阻抗，R_L为稳压输出单元的实际负载。

6.如权利要求3所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述稳压输出单元用于将所述实际负载的值降低了

倍将所述实际负载的转换为所述最优负载：

P_out＝P_in*η_boost

其中，η_boost为稳压输出单元的效率，R_{eq_boost}为整个稳压输出单元的等效电阻，V_boost为稳压输出单元的输出电压。

7.如权利要求1-6任一所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述耦合线圈的原边线圈和副边线圈分别采用串联电容、并联电容的结构。

8.如权利要求1-6任一所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述耦合线圈的原边线圈和副边线圈分别采用串联电容、串联电容的结构。

9.如权利要求1-6任一所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述整流桥由二极管组成或用MOS管交叉形式组成、或有源整流电路组成。

10.一种无线能量传输方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一所述的无线能量传输系统进行无线能量传输。

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