CN112825441A - 无线传输装置、方法、无线接收装置、方法及介质 - Google Patents

无线传输装置、方法、无线接收装置、方法及介质 Download PDF

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CN112825441A CN201911138254.9A CN201911138254A CN112825441A CN 112825441 A CN112825441 A CN 112825441A CN 201911138254 A CN201911138254 A CN 201911138254A CN 112825441 A CN112825441 A CN 112825441A
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Abstract

本发明涉及一种无线传输装置、方法、无线接收装置、方法及介质。该无线传输装置，包括：直流电源，该直流电源提供直流电；谐振回路，该谐振回路由可变电容器与线圈串联连接而成；逆变器，该逆变器分别与所述直流电源与所述谐振回路相连，根据来自控制器的第一控制信号，将所述直流电源所提供的直流电转换成交流电提供给所述谐振回路以进行无线传输；以及控制器，该控制器分别对所述谐振回路与所述逆变器进行控制，根据所述逆变器所输出的交变电流与对所述逆变器的所述第一控制信号之间的相位关系以及所述逆变器的开关频率来对所述谐振回路进行控制。

Description

无线传输装置、方法、无线接收装置、方法及介质
技术领域
本发明涉及一种无线传输装置、方法、无线接收装置、方法及介质，尤其涉及无论工况如何均能保持恒频工作且能降低无功功率的无线传输装置、方法、无线接收装置、方法及介质。
背景技术
随着智能技术的快速发展，各种机器人、移动终端在当今社会中得到大量得应用，迫切需求实现电能供给的便捷性，呈现出电能传输方式由传导式充电向非传导式充电的趋势。近年基于磁谐振工作原理的感应式电能传输技术在智能手机、电动汽车等的充电技术上得到广泛应用。
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，由于在实际应用场景中，用于感应式电能传输的发射线圈和接收线圈之间的相对位置的变化会导致线圈自感和线圈间互感的变化，从而使得线圈产生无功功率，降低了传输效率并造成过多的电能浪费。
用于解决技术问题的技术方案
本发明鉴于上述问题而得以完成，本发明的第一方面在于，提供一种无线传输装置，其特征在于，包括：
直流电源，该直流电源提供直流电；
谐振回路，该谐振回路由可变电容器与线圈串联连接而成；
逆变器，该逆变器分别与所述直流电源与所述谐振回路相连，根据来自控制器的第一控制信号，将所述直流电源所提供的直流电转换成交流电提供给所述谐振回路以进行无线传输；以及
控制器，该控制器分别对所述谐振回路与所述逆变器进行控制，根据所述逆变器所输出的交变电流与对所述逆变器的所述第一控制信号之间的相位关系以及所述逆变器的开关频率来对所述谐振回路进行控制，
所述控制器：
在判断为所述第一控制信号的相位超前于所述交变电流的相位的情况下，减小所述可变电容器的电容值，
在判断为所述第一控制信号的相位滞后于所述交变电流的相位的情况下，增大所述可变电容器的电容值，
所述可变电容器包括第1电容器、第2电容器及开关，所述第1电容器与所述开关串联连接，形成第1串联体，所述第1串联体与所述第2电容器并联连接，以PWM方式对所述开关进行控制，
对所述开关的PWM控制的频率与所述逆变器的开关频率成比例关系。
本发明的第二方面在于，在上述本发明的第一方面的无线传输装置中，所述控制器将所述可变电容器的电容值进行变更以使得所述逆变器的开关频率与所述谐振回路的谐振频率的比值大于等于1。
本发明的第三方面在于，在上述本发明的第一方面的无线传输装置中，所述控制器将所述可变电容器的电容值进行变更以使得所述无线传输装置的开关频率与所述谐振回路的谐振频率的比值大于等于1且小于等于1.2。
本发明的第四方面在于，在上述本发明的第二方面的无线传输装置中，所述控制器将所述可变电容器的电容值进行变更以使得所述无线传输装置的开关频率与所述谐振回路的谐振频率的比值大于等于1且小于等于1.1。
本发明的第五方面在于，在上述本发明的第一方面的无线传输装置中，所述第1晶体管与所述第2晶体管分别通过不同的PWM控制源来进行PWM控制。
本发明的第六方面在于，在上述本发明的第二方面的无线传输装置中，接收所述无线传输装置的能量传输的接收方不具备可变电容器。
本发明的第七方面在于，提供一种无线接收装置，该无线接收装置对如第一至第六方面中任一项所述的无线传输装置的无线传输进行接收。
本发明的第八方面在于，一种无线传输方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供直流电的供电步骤；
根据第一控制信号，将所提供的直流电转换成交流电提供给谐振回路以进行无线传输的传输步骤；以及
根据经转换后的交变电流与所述第一控制信号之间的相位关系以及开关频率来对所述谐振回路进行控制的控制步骤。
在所述控制步骤中，
在所述第一控制信号的相位超前于所述交变电流的相位的情况下，减小所述谐振回路中的可变电容器的电容值，在所述第一控制信号的相位滞后于所述交变电流的相位的情况下，增大所述谐振回路中的可变电容器的电容值，
所述可变电容器包括第1晶体管、第2晶体管、第1二极管、第2二极管、第1电容器以及第2电容器，
所述第1二极管与所述第1晶体管并联连接，形成第1并联体，所述第2二极管与所述第2晶体管并联连接，形成第2并联体，所述第1并联体与所述第2并联体反相地串联连接，形成第1串联体，所述第1串联体与所述第1电容器串联连接，形成第2串联体，所述第2串联体与所述第2电容器串联连接，所述第1晶体管、所述第2晶体管以PWM方式进行控制。
本发明的第九方面在于，在上述本发明的第八方面所述的无线传输方法中，将所述可变电容器的电容值进行变更以使得开关频率与所述谐振回路的谐振频率的比值大于等于1。
本发明的第十方面在于，在上述本发明的第九方面所述的无线传输方法中，在所述控制步骤中，将所述可变电容器的电容值进行变更以使得开关频率与所述谐振回路的谐振频率的比值大于等于1且小于等于1.2。
本发明的第十一方面在于，在上述本发明的第九方面所述的无线传输方法中，在所述控制步骤中，将所述可变电容器的电容值进行变更以使得开关频率与所述谐振回路的谐振频率的比值大于等于1且小于等于1.1。
本发明的第十二方面在于，提供一种无线接收方法，对通过上述第八至第十一方面的任一项所述的无线传输方法进行的无线传输进行接收。
本发明的第十三方面在于，提供一种存储有程序的介质，该介质使计算机执行如第八至第十一方面的任一项所述的无线传输方法。
本发明的第十四方面在于，提供一种存储有程序的介质，该介质使计算机执行第十二方面所述的无线接收方法。
本发明的第十五方面在于，提供一种无线传输装置，包括：
直流电源，该直流电源提供直流电；
谐振回路，该谐振回路由电容器与线圈串联连接而成，所述线圈为感值可变线圈；
逆变器，该逆变器分别与所述直流电源与所述谐振回路相连，根据来自控制器的第一控制信号，将所述直流电源所提供的直流电转换成交流电提供给所述谐振回路以进行无线传输；以及
控制器，该控制器分别对所述谐振回路与所述逆变器进行控制，根据所述逆变器所输出的交变电流与对所述逆变器的所述第一控制信号之间的相位关系以及所述逆变器的开关频率来对所述谐振回路进行控制，
所述控制器：
在判断为所述第一控制信号的相位超前于所述交变电流的相位的情况下，减小所述感值可变线圈的电感值，
在判断为所述第一控制信号的相位滞后于所述交变电流的相位的情况下，增大所述感值可变线圈的电感值。
发明效果
本发明所涉及的无线传输装置、无线接收装置、无线传输方法、无线接收方法以及介质无论工况如何均能保持恒频工作且能降低无功功率。从而降低对周围电子设备产生电磁干扰。
由此，能够提高系统能量转换与传输效率，减少电能源的浪费。由于实现了在不同工况下的高效传输，因此也提高了工作范围。
附图说明
图1是示出本发明所涉及的无线传输装置1的整体结构的图。
图2(a)～图2(c)示出无线传输装置1与接收部1’的三种不同工况。
图3是示出本发明所涉及的无线传输方法的各步骤的图。
图4(a)～图4(c)是分别示出本发明所涉及的可变电容Cr以及该可变电容Cr的具体结构的图。
图5是示出本发明所涉及的无线传输装置1与其接收部1’的整体结构的图。
具体实施方式
下面，对于本发明所涉及的无线传输装置1的优选实施方式，使用附图进行说明，但各图中对于相同、或相当的部分，附加相同标号进行说明。
实施方式
图1是示出本发明所涉及的无线传输装置1的整体结构的图。如该图1所示，无线传输装置1包括直流电源2、逆变器3、控制器4、电感器(线圈)Lr以及可变电容Cr。
直流电源2的两端分别与逆变器3相连，以提供直流电压VDC，该逆变器3的两端之间连接有电感器Lr与可变电容Cr的串联谐振回路。另外，控制器4分别通过输出控制指令Qinv以及QC来对无线传输装置1的逆变器3以及可变电容Cr进行控制，使得逆变器3根据该控制器4的控制信号Qinv将来自直流电源2的直流电压VDC通过PWM控制转换成交流电并流过电感器Lr与Cr，该电感器Lr流过有交变电流Ir，从而产生交变磁场并发送至接收部，以实现无线传输，使得接收部从空气中的交变电磁场接收能量。
其中，电感器Lr可以为利兹线线圈，也可以为PCB线圈等，可选用各种类型的线圈来构成，其背面可以设置有铁氧体以实现磁屏蔽。
以下对可变电容Cr的控制进行详细说明。
控制器4根据控制信号Qinv与交变电流Ir之间的相位关系进行检测来对可变电容Cr的电容值进行控制，以使得在无线传输装置1与接收部1’的工况发生变化而导致无线传输装置1中的谐振电路的谐振频率fr发生变化的情况下，通过对可变电容Cr的电容值进行修正来将谐振频率fr修正为与系统的开关频率fs相一致。使得如下fN＝1。
fN＝fs/fr……(式1)
具体而言，图2(a)的工况下，即无线传输装置1与未图示的接收部1’呈现为对齐状态，具体为其各自的电磁线圈呈对齐状态。该情况下，控制信号Qinv与交变电流Ir同相，也就是不存在相位差，此时无功功率最小，即为理想状态，fN＝1。无需对可变电容Cr的电容值进行修正。
其次，图2(b)的工况下，即无线传输装置1与接收部1’从对齐状态变为远离状态，具体而言为其各自的电磁线圈呈远离状态。该情况下，无线传输装置1与接收部1’各自的电磁线圈由于相对位置的变化而造成两个电磁线圈间的耦合变弱，电磁线圈的自感则变小，由此，该情况下，控制信号Qinv超前于交变电流Ir的相位，此时产生无功功率，fN＞1，为了修正为fN＝1，控制器4根据如下式(2)所示使得可变电容Cr的电容值减小以增大fr来降低fN修正为1。其中，本示例中示出了无线传输装置1与接收部1’从对齐状态变为远离状态，同样地，在无线传输装置1与接收部1’从对齐状态变为错开状态的情况下，无线传输装置1与接收部1’各自的电磁线圈也会由于相对位置的变化而造成两个电磁线圈间的耦合变弱，电磁线圈的自感则变小，为了修正为fN＝1，控制器4也同样根据如下式(2)所示使得可变电容Cr的电容值减小以增大fr来降低fN修正为1。
Figure BDA0002280145420000081
另外，图2(c)的工况下，即无线传输装置1与接收部1’变为靠近状态，具体而言为其各自的电磁线圈呈靠近状态。该情况下，无线传输装置1与接收部1’各自的电磁线圈由于相对位置的变化而造成两个电磁线圈间的耦合变强，而电磁线圈的自感则变大，由此，控制信号Qinv滞后于交变电流Ir的相位，此时产生无功功率，fN＜1，为了修正为fN＝1，控制器4根据上式(2)所示使得可变电容Cr的电容值增大以减小fr来提高fN修正为1。
由此，通过控制器4根据控制信号Qinv与交变电流Ir之间的相位关系使得始终保持fN＝1，从而能降低无线传输装置1与接收部1’各自的电磁线圈中的无功功率，提高系统能量转换与传输效率，减少电能源的浪费。
另外，由于始终使得fN＝1，也就是fr＝fs，由于开关频率为fs为恒量，因此使得fN＝1，也就是使得无线传输装置1中的谐振电路的谐振频率fr始终保持恒定，由此，能够在减小无功功率的基础上同时降低对周围电子设备产生电磁干扰。实现在不同工况下的高效传输，提高了工作范围。
图3是示出本发明所涉及的无线传输方法的各步骤的图。接下来，参照图3，对本发明所涉及的无线传输方法进行说明。
在步骤101中，对控制信号Qinv以及交变电流Ir的相位进行检测并判断其相位间的关系。若控制信号Qinv与交变电流Ir同相，则前进至步骤103以维持可变电容Cr的电容值并转移至步骤101以继续对控制信号Qinv与交变电流Ir的相位关系进行监控。
若控制信号Qinv的相位超前于交变电流Ir，则进入步骤102，根据上述式(1)、式(2)，减小可变电容Cr的电容值以增大fr来降低fN修正为1。之后，转移至101以继续对控制信号Qinv与交变电流Ir的相位关系进行监控。
若控制信号Qinv的相位滞后于交变电流Ir，则进入步骤104，根据上述式(1)、式(2)，增大可变电容Cr的电容值以减小fr来提高fN修正为1。之后，转移至步骤101以继续对控制信号Qinv与交变电流Ir的相位关系进行监控。
另外，本发明所涉及的无线传输装置1的控制器4根据控制信号Qinv以及交变电流Ir的相位关系，在控制信号Qinv与交变电流Ir之间的相位关系超前或滞后的情况下，通过控制可变电容Cr的电容值来将fN修正为1。然而，实际情况下，可能由于各器件间的公差、误差、噪声等原因会使得fN无法完美地修正为1，此外，为了避免在fN＜1的情况下、也就是控制信号Qinv的相位滞后于交变电流Ir的相位的情况下，逆变器3的各开关器件工作在硬开关状态下，相较于fN＞1的情况，逆变器3的各开关器件所承载的电压应力及开关损耗大，容易造成开关器件的损坏，因此，优选为留有适当冗余地设定为fN≥1，例如1.1≥fN≥1，即留有10％左右的冗余，该冗余值并不限于此，对于本领域技术人员来说可以根据实际情况需要来进行调整，例如，也可以为1.2≥fN≥1。此外，本领域技术人员也还可以根据实际所需的输出功率、输出电压、输出电流等，在上述范围内对fN进行调整以获得所需的输出功率、输出电压、输出电流等。
此外，本发明所涉及的无线传输装置1通过设置可变电容Cr，并改变该可变电容Cr的电容值来修正谐振频率fr。当然，也可以通过设置可变电感，并根据上述式(1)、式(2)来改变该可变电感的电感值来修正谐振频率fr。或者，也可以既设置可变电感又设置可变电容，并改变该可变电容的电容值以及该可变电感的电感值中的至少一个来修正谐振频率fr，也可以同样达到上述相同的效果。
另外，如图4(a)、图4(b)所示，图4(a)、图4(b)分别示出本发明所涉及的可变电容Cr以及该可变电容Cr的具体结构的示例，如图4(b)所示，该可变电容Cr由电容器Cr1、电容器Cr0、经PWM控制的开关S1构成。其中，开关S1与电容器Cr0串联，由此得到的串联电路与电容器Cr1并联。由此，通过对开关S1进行PWM控制来实现对可变电容Cr的控制。可变电容器Cr的结构并不限于此，对于本领域技术人员来说可以根据需要来进行各种变化。在通过对开关S1采用PWM控制从而调整可变电容Cr的情况下，可变电容Cr的电容值连续，不仅能高精度地对可变电容Cr的大小进行控制，以实现高精度地对谐振频率的控制，提高变换器的电压转换增益Gv的可控性、灵活性。另外，通过设置成对可变电容的PWM控制的频率与逆变器3的开关频率成比例关系，从而能实现可变电容的开关S1的软开关，提高器件的可靠性，显著降低电磁干扰，从而能更可靠地提高无线传输装置1的无线传输效率。并且，由于在采用PWM控制并取软开关工作状态的情况下，可变电容Cr的大小与控制信号Qc的占空比具有单调关系，因此，还有利于转换器增益的控制。
此外，也可以如图4(c)所示，利用两个晶体管T1、T2来构成开关，并分别利用两个PWM控制源PWM1、PWM2对晶体管T1、T2分别进行控制，在分别使用两个PWM控制源的情况下，能够通过对两个PWM控制源的占空比、相位差等参数进行调整从而使得晶体管T1、T2均处于软开关工作状态，由此避免晶体管处于硬开关工作状态而造成器件损坏。
此外，如上所述，本发明所涉及的无线传输装置1的谐振回路具备可变电容Cr，该情况下，如图5所示，优选为，接收无线传输装置1的能量传输的接收方1’不具备可变电容或可变电感等相位调整用器件，这是由于一方面接收部的电路变得简单，从而实现成本低、易于减小体积，另一方面在接收部不具备可变电容或可变电感等相位调整用器件的情况下，如本发明所涉及的无线传输装置1选取使得fN≥1的可变电容Cr的电容值时，所获得的可变电容Cr的电容值与系统的电压增益(即等效负载Req两端的电压与输入电压VDC的比值)具有单调关系，并且，该可变电容Cr的电容值与逆变器3的控制信号Qinv与交变电流Ir之间的相位差也具有单调关系，因此有利于对系统进行控制。同样地，在接收部具备可变电容或可变电感而传输部不具备可变电容或可变电感的情况下，也能获得相同效果。
另外，本发明中的开关频率fs为恒定值，而在实际电路中可能由于器件公差等原因使得开关频率fs会发生较小幅度的偏移，该小幅度的偏移是被允许的，不影响装置的正常工作，据此可以通过在改变可变电容器Cr的同时也对该开关频率fs进行小幅度的控制以实现所需的输出功率、输出电流、输出电压等，从而更自由地对输出功率、输出电流、输出电压等进行控制，使得本发明所涉及的无线传输装置能高效传输能量的同时，还能扩大工作范围，实现双重技术效果。
另外，本发明在其发明的范围内，可将各实施方式进行自由组合，或将各实施方式适当地进行变形、省略。
本发明进行了详细的说明，但上述说明仅是所有方面中的示例，本发明并不局限于此。未示例的无数的变形例被解释为可设想到而未脱离本发明的范围。
工业上的应用
本发明所涉及的无线传输装置、无线接收装置、无线传输方法、无线接收方法以及介质可广泛应用于大小规模的无线功率传输、接收中，比如手机充电、电动汽车充电等。
标号说明
1：无线传输装置
1’：接收部
2：直流电源
3：逆变器
4：控制器
Lr：电感器(线圈)
Cr：可变电容

Claims (15)

1.一种无线传输装置，其特征在于，包括：
直流电源，该直流电源提供直流电；
谐振回路，该谐振回路由可变电容器与线圈串联连接而成；
逆变器，该逆变器分别与所述直流电源与所述谐振回路相连，根据来自控制器的第一控制信号，将所述直流电源所提供的直流电转换成交流电提供给所述谐振回路以进行无线传输；以及
控制器，该控制器分别对所述谐振回路与所述逆变器进行控制，根据所述逆变器所输出的交变电流与对所述逆变器的所述第一控制信号之间的相位关系以及所述逆变器的开关频率来对所述谐振回路进行控制，
所述控制器：
在判断为所述第一控制信号的相位超前于所述交变电流的相位的情况下，减小所述可变电容器的电容值，
在判断为所述第一控制信号的相位滞后于所述交变电流的相位的情况下，增大所述可变电容器的电容值，
所述可变电容器包括开关，以PWM方式对所述开关进行控制，
对所述开关的PWM控制的频率与所述逆变器的开关频率成比例关系。
2.如权利要求1所述的无线传输装置，其特征在于，
所述控制器将所述可变电容器的电容值进行变更以使得所述逆变器的开关频率与所述谐振回路的谐振频率的比值大于等于1。
3.如权利要求2所述的无线传输装置，其特征在于，
所述控制器将所述可变电容器的电容值进行变更以使得所述无线传输装置的开关频率与所述谐振回路的谐振频率的比值大于等于1且小于等于1.2。
4.如权利要求2所述的无线传输装置，其特征在于，
所述控制器将所述可变电容器的电容值进行变更以使得所述无线传输装置的开关频率与所述谐振回路的谐振频率的比值大于等于1且小于等于1.1。
5.如权利要求1所述的无线传输装置，其特征在于，
所述第1晶体管与所述第2晶体管分别通过不同的PWM控制源来进行PWM控制。
6.如权利要求2所述的无线传输装置，其特征在于，
接收所述无线传输装置的能量传输的接收方不具备可变电容器。
7.一种无线接收装置，该无线接收装置对如权利要求1至6中任一项所述的无线传输装置的无线传输进行接收。
8.一种无线传输方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供直流电的供电步骤；
根据第一控制信号，将所提供的直流电转换成交流电提供给谐振回路以进行无线传输的传输步骤；以及
根据经转换后的交变电流与所述第一控制信号之间的相位关系以及开关频率来对所述谐振回路进行控制的控制步骤，
在所述控制步骤中，
在所述第一控制信号的相位超前于所述交变电流的相位的情况下，减小所述谐振回路中的可变电容器的电容值，在所述第一控制信号的相位滞后于所述交变电流的相位的情况下，增大所述谐振回路中的可变电容器的电容值，
所述可变电容器包括开关，以PWM方式对所述开关进行控制，
对所述开关的PWM控制的频率与系统的开关频率成比例关系。
9.如权利要求8所述的无线传输方法，其特征在于，
在所述控制步骤中，将所述可变电容器的电容值进行变更以使得开关频率与所述谐振回路的谐振频率的比值大于等于1。
10.如权利要求9所述的无线传输方法，其特征在于，
在所述控制步骤中，将所述可变电容器的电容值进行变更以使得开关频率与所述谐振回路的谐振频率的比值大于等于1且小于等于1.2。
11.如权利要求9所述的无线传输方法，其特征在于，
在所述控制步骤中，将所述可变电容器的电容值进行变更以使得开关频率与所述谐振回路的谐振频率的比值大于等于1且小于等于1.1。
12.一种无线接收方法，其特征在于，对通过如权利要求8至11的任一项所述的无线传输方法进行的无线传输进行接收。
13.一种存储有程序的介质，该介质使计算机执行如权利要求8至11的任一项所述的无线传输方法。
14.一种存储有程序的介质，该介质使计算机执行如权利要求12所述的无线接收方法。
15.一种无线传输装置，其特征在于，包括：
直流电源，该直流电源提供直流电；
谐振回路，该谐振回路由电容器与线圈串联连接而成，所述线圈为感值可变线圈；
逆变器，该逆变器分别与所述直流电源与所述谐振回路相连，根据来自控制器的第一控制信号，将所述直流电源所提供的直流电转换成交流电提供给所述谐振回路以进行无线传输；以及
控制器，该控制器分别对所述谐振回路与所述逆变器进行控制，根据所述逆变器所输出的交变电流与对所述逆变器的所述第一控制信号之间的相位关系以及所述逆变器的开关频率来对所述谐振回路进行控制，
所述控制器：
在判断为所述第一控制信号的相位超前于所述交变电流的相位的情况下，减小所述感值可变线圈的电感值，
在判断为所述第一控制信号的相位滞后于所述交变电流的相位的情况下，增大所述感值可变线圈的电感值。
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