CN113410918B - 一种双接收线圈的电流型无线电能传输系统 - Google Patents

一种双接收线圈的电流型无线电能传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双接收线圈的电流型无线电能传输系统。本发明包括无线发送模块、无线接收模块和开关控制信号产生电路。无线接收模块包括两个接收单元。接收单元包括接收线圈、MOS管和整流二极管。开关控制信号产生电路控制两个MOS管周期性通断，两个接收线圈向负载提供恒定电流。通过调整两个MOS管的开闭时序，使得两个接收单元在同步模式下工作，或在异步模式下工作。同步模式下，两个接收线圈的输出电流叠加，使得经过负载的电流值更高；异步模式下，两个接收线圈的输出时间叠加，使得经过负载的电流更加稳定。此外，本发明通过切换开关控制信号产生电路，即可调整传输系统在同步模式或异步模式下工作。

Description

一种双接收线圈的电流型无线电能传输系统
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种双接收线圈的电流型无线电能传输的优化方法。
背景技术
目前应用较成熟的磁耦合谐振式无线电能传输技术通过线圈之间的磁耦合来传输能量。对于传输距离较大或者轻负载条件而使得接收端接收电压较低的无线供电应用场景，传统电压型谐振式系统的传输效率往往达不到要求，而单接收线圈的电流型谐振式无线供电系统转换效率也有其限制，因此需要对接收系统进行优化，使用双接收线圈进行优化以提高能量的传输效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双接收线圈的电流型无线电能传输系统。
本发明一种双接收线圈的电流型无线电能传输系统，包括无线发送模块、无线接收模块和开关控制信号产生电路。无线接收模块包括两个接收单元。接收单元包括接收线圈、MOS管和整流二极管。接收线圈与MOS管形成回路。两个接收单元中的接收线圈的输出端分别通过对应的整流二极管连接至负载的同一端。开关控制信号产生电路控制两个MOS管周期性通断，两个接收线圈向负载提供恒定电流。通过调整两个MOS管的开闭时序，使得两个接收单元在同步模式下工作，或在异步模式下工作。同步模式下，两个MOS管同步通断，两个接收线圈的输出电流叠加，使得经过负载的电流值更高；异步模式下，两个MOS管通断，两个接收线圈的输出时间叠加，使得经过负载的电流更加稳定。
作为优选，在接收单元中，所述接收线圈的一端接接收匹配电容的一端。接收匹配电容的另一端接MOS管的源极及整流二极管的阳极；接收线圈的另一端和MOS管的漏极均接地；MOS管的栅极与开关控制信号产生电路的输出接口连接。两个无线接收模块中整流二极管的阳极均连接至负载RL的同一端。负载RL的另一端接地。
作为优选，所述同步模式对应的开关控制信号产生电路包括比较器、计数器、第一延时模块、第一与非门和反相器。比较器的第一输入端接地，第二输入端接其中一个接收单元中接收线圈的非接地端。比较器的输出端接计数器的计数输入端。计数器的输出端接第一延时模块的输入端、第一与非门的第一输入端、反相器的输入端。反相器的输出端接计数器的置数端；第一延时模块的输出端接第一与非门的第二输入端。第一与非门的输出端接两个接收单元中MOS管的栅极。
作为优选，所述异步模式对应的开关控制信号产生电路包括比较器、计数器、第一延时模块、第一与非门、反相器、双D触发器、第二延时模块、第二与非门和与门。比较器的第一输入端接地，第二输入端接其中一个接收单元中接收线圈的非接地端。比较器的输出端接计数器的计数输入端。计数器的输出端接延时模块的输入端、第一与非门的第一输入端、反相器的输入端。反相器的输出端接计数器的置数端；延时模块的输出端接第一与非门的第二输入端。
作为优选，双D触发器中包括第一D触发器和第二D触发器。第一与非门的输出端接第一D触发器的时钟控制端1CLK。第一D触发器的输出端1OUT接第二D触发器的输入端2IN。第一D触发器的输出端1OUT、第二D触发器的输出端2OUT分别接与门的两个输入端。与门的输出端接第二延时模块的输入端。第二延时模块的输出端接第一D触发器的输入端1IN。与门的输出端、第一D触发器的输入端1IN分别接第二与非门的两个输入端。第一与非门、第二与非门分别为开关控制信号产生电路的两个输出接口。开关控制信号产生电路的两个输出接口与两个接收单元中MOS管的栅极分别连接。
作为优选，MOS管的通断周期为N·Tp；MOS管单次断开的时长为Tp/4；其中，N为预设的周期数；Tp为无线发送模块中信号源的周期。
作为优选，所述负载RL的两端并联上滤波电容CL。
作为优选，无线发送模块包括串联的信号源Vs、发送匹配电容CTX和发送线圈LTX。信号源Vs具有对应的内阻Rs。发送线圈LTX具有对应的寄生阻抗RTX。
作为优选，所述的接收线圈采用PCB平面线圈。两个接收线圈并排设置。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明通过对接收线圈进行优化，使用两个接收线圈同步与发送线圈耦合，实现恒定电流的输出，并使得无线接收模块的接收效率得到提升，在同等输出电流的情况下，能够显著减小无线接收模块的整体尺寸。
2、本发明能够在同步模式或异步模式下工作；同步模式下，两个接收线圈的输出电流叠加，使得经过负载的电流值更高；异步模式下，两个接收线圈的输出时间叠加，使得经过负载的电流更加稳定。此外，本发明具有两种无可编程控制器的开关控制信号产生电路，分别对应同步模式和异步模式，通过切换开关控制信号产生电路，即可调整传输系统在同步模式或异步模式下工作。
3、本发明确保两个接收线圈同步工作时产生的互感不会对其从接收线圈接收到的能量产生较大影响。
附图说明
图1为本发明的电路原理图；
图2为本发明在同步模式下的开关控制信号产生电路原理图；
图3为本发明在异步模式下的开关控制信号产生电路原理图；
图4为本发明中双接收线圈的排布示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种双接收线圈的电流型无线电能传输系统，包括无线发送模块、无线接收模块和开关控制信号产生电路。无线发送模块包括串联的信号源Vs、发送匹配电容CTX和发送线圈LTX。信号源Vs具有对应的内阻Rs。发送线圈LTX具有对应的寄生阻抗RTX。
无线接收模块包括滤波电容CL和两个接收单元。接收单元包括接收线圈(LRX1、LRX2)、接收匹配电容(CRX1、CRX2)、MOS管和整流二极管。接收线圈的一端接接收匹配电容的一端。接收匹配电容的另一端接MOS管的源极及整流二极管的阳极；接收线圈的另一端和MOS管的漏极均接地；MOS管的栅极与开关控制信号产生电路的输出接口连接。两个无线接收模块中整流二极管的阳极均连接至负载RL的同一端。负载RL的另一端接地。负载RL的两端并联上滤波电容CL。相比于现有技术中的单接收线圈结构，本发明的双接收线圈结构在达到同等输出电流的情况下，能够明显减小整个无线接收模块的尺寸。
通过使用不同的开关控制信号产生电路，能够使得两个接收单元在同步模式下工作，或在异步模式下工作。同步模式下，两个接收线圈的输出电流叠加，使得经过负载的电流值更高；异步模式下，两个接收线圈的输出时间叠加，使得经过负载的电流更加稳定。
如图2所示，同步模式对应的开关控制信号产生电路包括比较器、计数器、第一延时模块、第一与非门和反相器。比较器的第一输入端接地，第二输入端接其中一个接收单元中接收线圈的非接地端。比较器的输出端接计数器的计数输入端。计数器的输出端接第一延时模块的输入端、第一与非门的第一输入端、反相器的输入端。反相器的输出端接计数器的置数端；第一延时模块的输出端接第一与非门的第二输入端。第一与非门的输出端接两个接收单元中MOS管的栅极。在同步模式下，每个输出周期中开关控制信号产生电路向两个MOS管同步提供Tp/4时长的低电平，用以供接收线圈释放电能。由于两个MOS管同步断开；两个接收线圈的输出电流能够叠加，从而提高输出负载的电流值。
如图3所示，异步模式对应的开关控制信号产生电路包括比较器、计数器、第一延时模块、第一与非门、反相器、双D触发器、第二延时模块、第二与非门和与门。比较器的第一输入端接地，第二输入端接其中一个接收单元中接收线圈的非接地端。比较器的输出端接计数器的计数输入端。计数器的输出端接延时模块的输入端、第一与非门的第一输入端、反相器的输入端。反相器的输出端接计数器的置数端；延时模块的输出端接第一与非门的第二输入端。
双D触发器中包括第一D触发器和第二D触发器。第一与非门的输出端接第一D触发器的时钟控制端1CLK。第一D触发器的输出端1OUT接第二D触发器的输入端2IN。第一D触发器的输出端1OUT、第二D触发器的输出端2OUT分别接与门的两个输入端。与门的输出端接第二延时模块的输入端。第二延时模块的输出端接第一D触发器的输入端1IN。与门的输出端、第一D触发器的输入端1IN分别接第二与非门的两个输入端。第一与非门、第二与非门分别为开关控制信号产生电路的两个输出接口。开关控制信号产生电路的两个输出接口与两个接收单元中MOS管的栅极分别连接。
在异步模式下，每个输出周期中开关控制信号产生电路向两个MOS管错开Tp时间提供Tp/4时长的低电平，用以供接收线圈释放电能。由于两个MOS管异步断开；两个接收线圈释放电能的时间错开，使得接收线圈向负载供电的时间延长，从而提高输入负载的电流稳定性。
该双接收线圈的电流型无线电能传输系统的优化过程如下：
步骤1、根据设计参数确定发送线圈的尺寸，进行PCB平面线圈的制作，使用矢量网络分析仪测量发送线圈的等效电感值；进而根据公式
Figure BDA0003180016010000041
确定发送匹配电容CTX的大小。其中，f为信号源的信号频率；C为线圈对应的匹配电容值；L为线圈的电感值。
步骤2、建立同步模式接收线圈模型。
2-1.根据接收系统所运行设备的尺寸设计接收线圈的线宽为ω、线距为s、匝数为N；摆放方式如图4所示，两个接收线圈并排摆放；根据矢量网络分析仪测量接收线圈的等效电感值LRX；通过公式
Figure BDA0003180016010000042
确定接收线圈的匹配电容CRX。
2-2.通过谐振时接收线圈中的电流iRX和相关节点的电压值大小确定接收单元中各器件的型号，使得MOS管的导通电压VDS满足负载的电压峰值；整流二极管导通之后最大耐压值VRRM高于电路中产生的最大电压。
步骤3、设计同步模式下的开关控制信号产生电路。
3.1.通过比较器捕捉接收线圈的接收电压VR在每一个谐振周期由负过渡到正的零点时刻。
3.2.每次捕捉到接收电压VR为0时，比较器均产生输送向计数器的脉冲信号CLK；每一次时钟信号CLK的上升沿到来时，计数器的数值count进行加1操作。
3.3.当count＝t之后，计数器输出高电平控制信号count'；该高电平控制信号count'输向第一与非门的一个输入端和第一延时模块。第一延时模块输出的延时信号DELAY输入第一与非门的另一个输入端。延时信号DELAY为计数器输出延时
Figure BDA0003180016010000051
的反相信号。N为预设的周期数。
3.4.高电平控制信号count'与延时信号DELAY进行与非操作后输出，使得开关控制信号产生电路向对应的MOS管输出
Figure BDA0003180016010000052
时间的低电平信号SW；Tp为信号源的周期；接收到低电平信号的MOS管断开。
3.5.高电平控制信号送入反相器，产生置位信号LOAD-，在下一个时钟信号CLK上升沿到来之后，计数器的置数端LOAD-被置为有效电平，计数器的数值count复位，整个系统开始下一个工作周期。
步骤4、建立异步模式的接收线圈模型。
4.1.根据接收系统所运行设备的尺寸设计接收线圈的线宽为ω、线距为s、匝数为N、摆放方式使用两个如图4的接收线圈所示的平行摆放，根据矢量网络分析仪测量其线圈等效电感值LRX，进而通过公式
Figure BDA0003180016010000053
以确定接收匹配电容CRX的大小。
4.2.通过谐振时接收线圈中的电流iRX和相关节点的电压值大小确定器件的型号。开关场效应管SW的导通电压VDS满足接收电路中的电压峰值，整流二极管导通之后最大耐压值VRRM高于电路中产生的最大电压。
步骤4、建立异步模式的接收线圈模型。
4.1.根据接收系统所运行设备的尺寸设计接收线圈的线宽为ω、线距为s、匝数为N，摆放方式如图4所示，两个接收线圈并排摆放。根据矢量网络分析仪测量接收线圈的等效电感值LRX；通过公式
Figure BDA0003180016010000054
以确定接收线圈的匹配电容CRX。
4.2.通过谐振时接收线圈中的电流iRX和相关节点的电压值大小确定接收单元中各器件的型号，使得MOS管的导通电压VDS满足负载的电压峰值；整流二极管导通之后最大耐压值VRRM高于电路中产生的最大电压。
步骤5、设计异步模式下开关控制信号产生电路如图3。
5.1.通过比较器捕捉接收线圈的接收电压VR在每一个谐振周期由负过渡到正的零点时刻。
5.2.每次捕捉到接收电压VR为0时，比较器均产生输送向计数器的时钟信号CLK1；每一次时钟信号CLK1的上升沿到来时，计数器的数值count1进行加1操作。
5.3.当count1＝N之后，计数器输出高电平控制信号count'；该高电平控制信号count'输向第一与非门的一个输入端和第一延时模块。第一延时模块输出的延时信号DELAY输入第一与非门的另一个输入端。延时信号DELAY为计数器输出延时
Figure BDA0003180016010000061
的反相信号。N为预设的周期数。
5-4.高电平控制信号count'与延时信号DELAY进行与非操作后输出，使得开关控制信号产生电路向对应的MOS管输出
Figure BDA0003180016010000062
时间的低电平信号SW1；Tp为信号源的周期；
5-5.将信号SW1送入第一D触发器的CLK端；DELAY2信号输入第一D触发器产生count11信号输出，将CLK1送入第二D触发器的CLK端，异步清零端为count11以产生count22信号，再将count11和count22进行与操作产生count2信号。将count2送入第二延时模块产生DELAY2信号；此时count2和DELAY2进行与非操作使得开关控制信号输出
Figure BDA0003180016010000063
时间的低电平信号SW2。SW1、SW2分别输入两个MOS管，实现异步控制两个接收单元。
5-6.接着count1信号送入反相器产生置位信号LOAD-，在下一个CLK1上升沿到来之后，计数器的置数端LOAD-被置为有效的电平，计数器输出端count1被复位，整个系统开始下一个工作周期。
同步和异步模式下两个接收回路中的开关场效应管都会被开关信号SW断开使得接收线圈中变为直流回路此时接收线圈等效为电感。由电感上电流不能突变的特性可知，此时回路中电流iRX为其正向峰值，那么两个整流二极管Di之前的电压在开关断开之前处于0，开关断开之后就会产生一个相比原来很高的峰值脉冲。因而可以看到两个接收端接收电压VR波形发生跳变。
通过整流滤波电路之后即可为后端的负载电池设备进行供电充电操作，同时负载电池能够为接收系统中的各芯片进行持续供电。

Claims (6)

1.一种双接收线圈的电流型无线电能传输系统，包括无线发送模块、无线接收模块和开关控制信号产生电路；其特征在于：无线接收模块包括两个接收单元；接收单元包括接收线圈、MOS管和整流二极管；接收线圈与MOS管形成回路；两个接收单元中的接收线圈的输出端分别通过对应的整流二极管连接至负载的同一端；开关控制信号产生电路控制两个MOS管周期性通断，两个接收线圈向负载提供恒定电流；通过调整两个MOS管的开闭时序，使得两个接收单元在同步模式下工作，或在异步模式下工作；同步模式下，两个MOS管同步通断，两个接收线圈的输出电流叠加，使得经过负载的电流值更高；异步模式下，两个MOS管通断，两个接收线圈的输出时间叠加，使得经过负载的电流更加稳定；
所述同步模式对应的开关控制信号产生电路包括比较器、计数器、第一延时模块、第一与非门和反相器；比较器的第一输入端接地，第二输入端接其中一个接收单元中接收线圈的非接地端；比较器的输出端接计数器的计数输入端；计数器的输出端接第一延时模块的输入端、第一与非门的第一输入端、反相器的输入端；反相器的输出端接计数器的置数端；第一延时模块的输出端接第一与非门的第二输入端；第一与非门的输出端接两个接收单元中MOS管的栅极；
所述异步模式对应的开关控制信号产生电路包括比较器、计数器、第一延时模块、第一与非门、反相器、双D触发器、第二延时模块、第二与非门和与门；比较器的第一输入端接地，第二输入端接其中一个接收单元中接收线圈的非接地端；比较器的输出端接计数器的计数输入端；计数器的输出端接延时模块的输入端、第一与非门的第一输入端、反相器的输入端；反相器的输出端接计数器的置数端；延时模块的输出端接第一与非门的第二输入端；
双D触发器中包括第一D触发器和第二D触发器；第一与非门的输出端接第一D触发器的时钟控制端1CLK；第一D触发器的输出端1OUT接第二D触发器的输入端2IN；第一D触发器的输出端1OUT、第二D触发器的输出端2OUT分别接与门的两个输入端；与门的输出端接第二延时模块的输入端；第二延时模块的输出端接第一D触发器的输入端1IN；与门的输出端、第一D触发器的输入端1IN分别接第二与非门的两个输入端；第一与非门、第二与非门分别为开关控制信号产生电路的两个输出接口；开关控制信号产生电路的两个输出接口与两个接收单元中MOS管的栅极分别连接。
2.根据权利要求1所述的一种双接收线圈的电流型无线电能传输系统，其特征在于：在接收单元中，所述接收线圈的一端接接收匹配电容的一端；接收匹配电容的另一端接MOS管的源极及整流二极管的阳极；接收线圈的另一端和MOS管的漏极均接地；MOS管的栅极与开关控制信号产生电路的输出接口连接；两个无线接收模块中整流二极管的阳极均连接至负载RL的同一端；负载RL的另一端接地。
3.根据权利要求1所述的一种双接收线圈的电流型无线电能传输系统，其特征在于：MOS管的通断周期为N·T p ；MOS管单次断开的时长为T p /4；其中，N为预设的周期数；T p 为无线发送模块中信号源的周期。
4.根据权利要求1所述的一种双接收线圈的电流型无线电能传输系统，其特征在于：负载RL的两端并联上滤波电容CL。
5.根据权利要求1所述的一种双接收线圈的电流型无线电能传输系统，其特征在于：无线发送模块包括串联的信号源Vs、发送匹配电容CTX和发送线圈LTX；信号源Vs具有对应的内阻Rs；发送线圈LTX具有对应的寄生阻抗RTX。
6.根据权利要求1所述的一种双接收线圈的电流型无线电能传输系统，其特征在于：所述的接收线圈采用PCB平面线圈；两个接收线圈并排设置。
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