CN114123529B - 互耦电容反馈式整体闭环磁耦合无线供电装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了互耦电容反馈式整体闭环磁耦合无线供电装置、系统及方法，包括发射端和接收端一体化耦合装置：包括一对磁场耦合线圈，发射端和接收端磁场耦合线圈相互靠近的一侧设有发射端和接收端电场耦合栅，二者之间构成互耦电容通路，发射端和接收端磁场耦合线圈相互远离的一侧设有发射端和接收端磁性材料，发射端和接收端磁性材料相互远离的一侧设有发射端和接收端金属外壳，二者之间构成互耦电容通路。本发明互耦电容反馈式整体闭环磁耦合无线供电装置、系统及方法，提出一种具有选择性屏蔽功能的传能/反馈一体化耦合结构，该结构能够在不影响传能磁场穿透的前提下，有效屏蔽其电场杂散干扰，并同时提供不受干扰的容性耦合反馈通道。

Description

互耦电容反馈式整体闭环磁耦合无线供电装置、系统及方法

技术领域

本发明属于无线供电技术领域，涉及互耦电容反馈式整体闭环磁耦合无线供电装置、系统及方法。

背景技术

目前，磁耦合无线供电技术已经在消费电子领域，如手机、平板电脑中广泛应用，并正在电动汽车、工业技术、航空航天等领域中兴起，例如电动汽车的无线充电桩技术、非接触传能机器旋转关节、非接触无线电能传输脱插等。在绝大多数的无线供电应用中，都需要接收端能够向负载提供稳定的电压或电流，例如向嵌入式系统提供恒压供电或者向锂电池恒流充电。为了克服输入电压波动的影响、克服松耦合变压器结构自身引起的电压降落，并且在收发线圈之间随机错位时，仍然保证输出电压或电流的稳定，都需要引入电压或电流负反馈环节，以满足输出端负载的恒压或者恒流需求。

无线供电系统中常用的负反馈结构主要有两类：（1）第一类为开环独立控制，即在发射端与接收端内部各自进行反馈，两者之间没有反馈关联，收发端之间存在开环部分。发射端的负反馈环路负责调节发射功率的稳定性，克服输入电压影响；接收端的负反馈环路负责稳定输出电压或电流，克服耦合偏差及负载变化的影响。接收端与发射端可视为两个独立工作的子系统。由于电能经历了多次调节变换，整机效率低、接收端难以小型化，一般用于小功率的消费类产品。（2）第二类为整体闭环反馈，它需要接收端跨过耦合间隙向发射端反馈输出状态，构成一个整体闭环控制系统，其结构如图1所示。整个系统中只在发射端有唯一的变换调节环节，在接收端无需进行二次变换或稳压。因此整机效率高、接收端结构简单、便于小型化。

在整体闭环反馈系统中，跨越耦合间隙的反馈通路尤为重要，它是发射端能够感知接收端输出状态的前提，要求反馈通路稳定可靠且时延低。采用整体闭环反馈通路构成的无线供电系统，目前主要有以下三种反馈形式：

（1）基于磁通路反馈，该方法的反馈信息与能量传输共用磁耦合器，其原理是接收端将反馈信息以负载调制的形式，反馈至发射端，发射端通过检测发射线圈上的电流变化量，进行解调后得反馈信号，从而实现闭环状态反馈。例如目前商业标准化的无线供电Qi协议就是基于磁反馈原理，该方式的优点是共用耦合器，无需额外的反馈通道，但正是因为两个磁信号经过同一耦合器，带来两方面缺点：其一是大功率传输下反馈信号易受磁传输干扰，一般仅适用于小功率消费类产品；其二是受到磁芯限制载波频率低，导致速率低和延迟大，只能用于少量状态信息和控制命令传输，无法满足直接将模拟量实时反馈传输的需求。

（2）基于射频通信反馈，其原理是在功率传输耦合器之外，增加额外的射频通信单元，专用于传输反馈信息。中国专利CN110336384 A公开了一种基于感应耦合电能传输的无线闭环稳压控制装置，在接收端利用WiFi模块将输出电压实时反馈至发射端进行闭环调节，以实现无线供电装置的整体稳压输出，该方法引入了独立的高速传输通路，不易受大功率供电的磁干扰影响，但由于无线发射系统有远场辐射，受到无线电法规制约只能和大量的其他设备公用开放（ISM）频段，不可预计的拥塞或延迟会导致时延的抖动，尤其在工业现场等存在大量无线传感器的场合下，无法可靠实现延迟稳定的实时反馈。

（3）基于光学反馈，其原理是在发射端与接收端之间额外增加光信息传输单元，实现反馈信息的实时传输，中国专利CN108900011 A公开了一种带有副边电压反馈的磁耦合无线供电装置，利用一对红外收发管完成电压信息的反馈传输，其优点是不受磁传输及无线电干扰，延迟确定、可靠性好；然而该方法要求传输界面必须为透明材质，且对于环境灰尘、污染及遮挡物非常敏感。

综合上述，整体闭环反馈无线供电系统在原理上要求反馈通道具有稳定的低延迟特性；在工程实现和应用中，又希望具有无远场辐射、不易受干扰、无需额外传输装置、不受介质阻挡影响等特点。由此可见，采用目前已有反馈方法的无线供电装置，仍无法同时完全满足上述需求。

发明内容

为了达到上述目的，本发明提供互耦电容反馈式整体闭环磁耦合无线供电装置、系统及方法，采用不同于现有技术的反馈方式，在结构上提出一种具有选择性屏蔽功能的传能/反馈一体化耦合结构，该结构能够在不影响传能磁场穿透的前提下，有效屏蔽其电场杂散干扰，并同时提供不受干扰的容性耦合反馈通道；其次提出利用容性耦合通道进行实时反馈输出电压/电流的整体闭环电路，解决了现有技术中存在的有远场辐射、易受干扰、需额外传输装置、受介质阻挡影响等问题。

本发明所采用的技术方案是，互耦电容反馈式整体闭环磁耦合无线供电装置，包括发射端一体化耦合装置和接收端一体化耦合装置；发射端一体化耦合装置和接收端一体化耦合装置包括一对平行且同轴设置的磁场耦合线圈，即发射端磁场耦合线圈和接收端磁场耦合线圈；发射端磁场耦合线圈和接收端磁场耦合线圈相互靠近的一侧分别设置有发射端电场耦合栅、接收端电场耦合栅，发射端电场耦合栅与接收端电场耦合栅之间构成电场耦合栅互耦电容通路Cs；发射端磁场耦合线圈和接收端磁场耦合线圈相互远离的一侧分别设置有发射端磁性材料、接收端磁性材料；发射端磁性材料和接收端磁性材料相互远离的一侧分别设置有发射端金属外壳、接收端金属外壳，发射端金属外壳与接收端金属外壳之间构成金属外壳互耦电容通路Cg。

进一步地，发射端电场耦合栅和接收端电场耦合栅均为结构相同的三层结构，均包括基板层、基板层靠近耦合面的顶面层以及基板层远离耦合面的底面层；基板层材质采用绝缘材料；顶面层和底面层分别为印制在基板层的顶面、底面的一层平面金属导线；平面金属导线为向几何中心辐射的放射线条，各放射线条靠近几何中心的端部均不连接，各放射线条远离几何中心的端部均通过边缘的开口线条环路连接；发射端电场耦合栅和接收端电场耦合栅的顶面层之间构成电场耦合栅互耦电容通路Cs。

进一步地，发射端金属外壳与发射端电场耦合栅的底面层形成屏蔽笼，接收端金属外壳与接收端电场耦合栅的底面层形成屏蔽笼。

进一步地，发射端磁场耦合线圈连接功率输入接口B1、C1；接收端磁场耦合线圈连接功率输出接口B2、C2；发射端电场耦合栅的顶面层连接反馈输出接口A1，接收端电场耦合栅的顶面层连接反馈输入接口A2；发射端金属外壳连接发射端外壳接口D1，接收端金属外壳连接接收端外壳接口D2。

进一步地，反馈输入接口A2和接收端外壳接口D2与调制电路连接，调制电路用于调制反馈输入接口A2和接收端外壳接口D2的输出参数，进行状态反馈；反馈输出接口A1和发射端外壳接口D1与解调电路连接，解调电路用于从反馈输出接口A1和发射端外壳接口D1采集并解调信号，还原接收端一体化耦合装置的误差信号。

本发明的另一发明目的，在于提供一种上述互耦电容反馈式整体闭环磁耦合无线供电装置的无线供电系统，包括解调电路，解调电路连接环路控制器，环路控制器与输入端共同连接DC/AC高频逆变器，DC/AC高频逆变器连接发射端补偿电路，发射端补偿电路通过功率输入接口B1、C1连接发射端一体化耦合装置，发射端一体化耦合装置通过发射端磁场耦合线圈激励交变磁场，接收端一体化耦合装置通过接收端磁场耦合线圈感应交变磁场，接收端一体化耦合装置通过功率输出接口B2、C2连接接收端补偿电路，接收端补偿电路连接整流滤波电路进行最终的输出；最终的输出连接采样/比较电路，采样/比较电路连接调制电路。

进一步地，调制电路和解调电路采用误差积分调制解调或电压/频率调制解调。

本发明的又一发明目的，在于提供上述无线供电系统的无线供电方法，误差积分调制解调，具体为：在接收端一体化耦合装置首先通过分压网络将输出电压比例分压后与参考电压通过误差比较放大器进行比较，输出放大误差信号；放大误差信号加载在调制放大器的同相输入端，调制放大器的输出连接至D触发器的数据端，同时，时钟发生器产生固定的时钟信号输入至D触发器的CLK触发端，根据D触发器的数据端与触发端的作用，在触发器Q端输出调制信号，将调制信号经过积分器进行积分后输出至调制放大器的反相输入端进行调制闭环反馈，积分器的输出与同相输入端的电压值相同；采集D触发器Q端输出调制信号的上升沿与下降沿，分别经脉冲整形为正脉冲与负脉冲，将脉冲信号加载进功率输出接口B2与接收端外壳接口D2上进行传输；脉冲信号经过电场耦合栅互耦电容通路Cs、金属外壳互耦电容通路Cg传输至反馈输出接口A1与发射端外壳接口D1后进行上升沿与下降沿的判决，实现脉冲恢复，恢复出调制信号；最后将调制信号输入至相同参数的积分器中，解调出输出状态的反馈误差值，完成整个跨耦合电容传输模拟量功能。

进一步地，电压/频率调制解调，具体为：在接收端一体化耦合装置首先通过分压网络将输出电压比例分压后与参考电压通过误差比较放大器进行比较，输出放大误差信号；放大误差信号进入输入缓冲器，缓冲器输出至压控振荡器中进行电压到频率的转换，转换频率范围根据控制周期进行动态调整；压控振荡器将调制后的频率信号输入至脉冲整形电路中，分别将其上升沿与下降沿整形为正脉冲与负脉冲，脉冲信号经过电场耦合栅互耦电容通路Cs、金属外壳互耦电容通路Cg传输至反馈输出接口A1与发射端外壳接口D1后进行上升沿与下降沿的判决，实现脉冲恢复，恢复出调制信号；最后，在反馈输出接口A1与发射端外壳接口D1进行脉冲恢复，得到频率信号后进行频率/电压转换，解调出输出状态的反馈误差值，完成整个跨耦合电容传输模拟量功能。

本发明的有益效果是：

（1）本功率与反馈信息传输一体化、易于小型化：本发明提出的互耦电容反馈式整体闭环磁耦合无线供电装置实现了磁场耦合能量的同时屏蔽电场，且利用金属外壳与电场耦合栅之间的互耦电容作为无线供电系统的反馈通路，不占用额外的面积，相比于使用射频反馈与光学反馈的无线供电装置，无需引入独立的反馈信息传输单元，有利于整体装置的小型化设计；

（2）抗干扰性好，功率与反馈信息互不干扰：相比于利用磁反馈的无线供电系统，本发明的优势在于系统工作时，利用磁场传输功率，利用电场传输反馈信号，且磁场耦合线圈的杂散电场辐射被电场耦合栅结构阻挡，即使大功率传能也不会影响反馈信息的并行传输，互不干扰；其次，相比于基于射频反馈的无线供电系统所使用的辐射场反馈，本发明所使用的反馈方式属于非辐射近场传输，具有较好的抗干扰性能，不易受到外界的电磁干扰的影响；

（3）反馈时延低且无抖动、输出动态性好、系统稳定性高：本发明中所使用的反馈通路的电路等效模型为互耦电容，其为独立的反馈信道，相比于基于射频反馈的无线供电装置所使用的公共信道，本发明可以占用互耦电容信道中的全部带宽，从而使用低延时的调制解调方式进行反馈传输；同时因为使用独立的信道，不会产生由于信道拥塞而导致时延抖动的情况，所以可以做到无抖动的固定时延，故在反馈时延低且无抖动的情况下，反馈的实时性增强，从而提高整个装置的输出动态特性，且无抖动的反馈时延可以是控制器的设计得到简化，易于进行反馈环路的补偿设计，提高系统的稳定性；

（4）无传输介质通透性要求，适用环境范围大：本发明的反馈方式采用电场耦合，可以跨越所有绝缘体；相比于光反馈装置，本发明对传输介质的透明性没有要求，可工作在易受遮挡、易受污染的环境中，避免光反馈因为灰尘、生物附着遮挡而失效的问题。可以稳定工作于水下、风沙等恶劣环境下，环境适用范围更广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术的整体闭环反馈式无线电能传输示意图。

图2是本发明发射/接收端一体化耦合装置剖面图及其电路等效模型。

图3是本发明发射端一体化耦合装置和电场耦合栅的结构示意图。

图4是本发明互耦电容反馈式整体闭环磁耦合无线供电装置的整体结构示意图。

图5是本发明互耦电容反馈式整体闭环磁耦合无线供电装置的工作原理示意图。

图6是本发明误差积分调制原理示意图。

图7是本发明电压/频率调制解调示意图。

图8是实施例1的互耦电容反馈式整体闭环磁耦合无线供电装置的结构示意图。

图9是实施例2的互耦电容反馈式整体闭环磁耦合无线供电装置的结构示意图。

图中，1-发射端一体化耦合装置、2-接收端一体化耦合装置、3-调制电路、4-解调电路、5-DC/AC高频逆变器、6-发射端补偿电路、7-接收端补偿电路、8-整流滤波电路、9采样/比较电路、10-环路控制器；

1-1-发射端磁场耦合线圈、1-2-发射端电场耦合栅、1-3-发射端磁性材料、1-4-发射端金属外壳、2-1-接收端磁场耦合线圈、2-2-接收端电场耦合栅、2-3-接收端磁性材料、2-4-接收端金属外壳。

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他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明互耦电容反馈式整体闭环磁耦合无线供电装置整体的工作原理是：利用一体化耦合结构中的容性反馈通道，以电场耦合的方式，将无线供电系统接收端的输出参数（输出电压或输出电流采样的电压）的误差值放大后进行调制，并反馈至发射端，再解调出实时的反馈信息，最后参与发射端的调节控制环节，完成无线供电系统的整体闭环实时反馈。由于接收端的输出值被反馈至发射端，整个系统中只在发射端保留一个变换调节环节，在接收端无需二次变换器或稳压器，提高了整体效率。

互耦电容反馈式整体闭环磁耦合无线供电装置，如图2所示，左为结构简图，右为等效电路图，包括发射端一体化耦合装置1和接收端一体化耦合装置2，发射端一体化耦合装置1用于产生交变磁场发送功率，接收端一体化耦合装置2用于耦合交变磁场接收功率；发射端一体化耦合装置1和接收端一体化耦合装置2包括一对平行且同轴设置的磁场耦合线圈，即发射端磁场耦合线圈1-1和接收端磁场耦合线圈2-1，用于激励（发射端）或感应（接收端）交变磁场，通过磁场耦合传输功率；发射端磁场耦合线圈1-1和接收端磁场耦合线圈2-1相互靠近的一侧分别设置有发射端电场耦合栅1-2、接收端电场耦合栅2-2，二者之间构成电场耦合栅互耦电容通路Cs；发射端磁场耦合线圈1-1和接收端磁场耦合线圈2-1相互远离的一侧分别设置有发射端磁性材料1-3、接收端磁性材料2-3，用于为发射端/接收端磁场耦合线圈提供高导磁路径，增强发射端与接收端的互感系数，提高耦合效率；发射端磁性材料1-3和接收端磁性材料2-3相互远离的一侧分别设置有发射端金属外壳1-4、接收端金属外壳2-4，二者之间构成金属外壳互耦电容通路Cg。

发射端电场耦合栅1-2和接收端电场耦合栅2-2均为结构相同的三层结构，如图3所示，作为发射端一体化耦合装置1的结构简图，右为发射端电场耦合栅1-2的结构示意图，接收端电场耦合栅2-2的结构与发射端电场耦合栅1-2的结构示意图相同，本申请不再赘述，电场耦合栅均包括基板层、基板层靠近耦合面的顶面层以及基板层远离耦合面的底面层；基板层材质采用绝缘材料；顶面层和底面层分别为印制在基板层的顶面、底面的一层平面金属导线，金属导线优选为铜制导线；平面金属导线为向几何中心辐射的放射线条，各放射线条靠近几何中心的端部均不连接，各放射线条远离几何中心的端部均通过边缘的开口线条环路连接；平面金属导线的设置方式使其在整个磁耦合区域内不构成环路，对于穿过发射端/接收端一体化耦合装置的交变磁场不产生涡流，电能耦合的交变磁场可以无衰减的穿过此结构；具体来说，发射端电场耦合栅1-2和接收端电场耦合栅2-2的顶面层之间构成电场耦合栅互耦电容通路Cs。

发射端金属外壳1-4与发射端电场耦合栅1-2的底面层形成屏蔽笼，将发射端磁场耦合线圈1-1和发射端磁性材料1-3包裹在其中，从而屏蔽发射端磁场耦合线圈1-1产生的EMI电场对发射端/接收端一体化耦合装置之间构成的互耦电容通路的干扰；同理，接收端金属外壳2-4与接收端电场耦合栅2-2的底面层形成屏蔽笼，将接收端磁场耦合线圈2-1和接收端磁性材料2-3包裹在其中，从而屏蔽接收端磁场耦合线圈2-1产生的EMI电场对发射端/接收端一体化耦合装置之间构成的互耦电容通路的干扰。

发射端磁场耦合线圈1-1连接功率输入接口B1、C1，用于激励磁场；接收端磁场耦合线圈2-1连接功率输出接口B2、C2，用于感应能量；发射端电场耦合栅1-2的顶面层连接反馈输出接口A1，接收端电场耦合栅2-2的顶面层连接反馈输入接口A2；发射端金属外壳1-4连接发射端外壳接口D1，接收端金属外壳2-4连接接收端外壳接口D2。

反馈输入接口A2和接收端外壳接口D2与调制电路3连接，调制电路3用于调制反馈输入接口A2和接收端外壳接口D2的输出参数，包括输出电压或者输出电流采样的电压，与基准（参考电压）的比较误差值，进行状态反馈；反馈输出接口A1和发射端外壳接口D1与解调电路4连接，解调电路4用于从反馈输出接口A1和发射端外壳接口D1采集并解调信号，还原接收端一体化耦合装置2的误差信号。

反馈信号通过A1→Cs→A2→D2→Cg→D1路径完成回流。在大功率传输电能时，端子B1、C1、B2、C2的共模电压及磁场耦合线圈上产生的杂散EMI辐射电场的电力线，将终结于发射端电场耦合栅1-2和接收端电场耦合栅2-2的底面层（屏蔽面）金属结构，且分别与发射端金属外壳1-4和接收端金属外壳2-4等势，保持外部场强为零，不干扰电场耦合栅互耦电容通路Cs的传输信号。

本申请发射端/接收端一体化耦合装置同时提供两个互耦电容通路（Cs和Cg），用于反馈接收端一体化耦合装置2的输出误差参数；本申请发射端/接收端一体化耦合装置的磁场耦合线圈连同磁性材料，构成松耦合器，用于负责磁场的能量耦合，实现发射端/接收端的能量传递。

如图4所示，本申请提供一种采用上述互耦电容反馈式整体闭环磁耦合无线供电装置的无线供电系统，具体为：

互耦电容反馈式整体闭环磁耦合无线供电系统，包括解调电路4，解调电路4连接环路控制器10，环路控制器10与输入端共同连接DC/AC高频逆变器5，DC/AC高频逆变器5连接发射端补偿电路6，发射端补偿电路6通过功率输入接口B1、C1连接发射端一体化耦合装置1，发射端一体化耦合装置1通过发射端磁场耦合线圈1-1激励交变磁场，接收端一体化耦合装置2通过接收端磁场耦合线圈2-1感应交变磁场，发射端电场耦合栅1-2和接收端电场耦合栅2-2之间构成电场耦合栅互耦电容通路Cs，发射端电场耦合栅1-2和接收端电场耦合栅2-2的顶面层之间构成电场耦合栅互耦电容通路Cs，接收端一体化耦合装置2通过功率输出接口B2、C2连接接收端补偿电路7，接收端补偿电路7连接整流滤波电路8进行最终的输出；最终的输出连接采样/比较电路9，采样/比较电路9连接调制电路3，调制电路3通过反馈输入接口A2和接收端外壳接口D2连接接收端一体化耦合装置2。

互耦电容反馈式整体闭环磁耦合无线供电系统的工作原理，如图4和图5所示，具体为：解调电路4连接环路控制器10，环路控制器10将补偿的交变电压与输入端的直流电压同时输入至DC/AC高频逆变器5中，DC/AC高频逆变器5用于将输入端的直流电压转换成交流电压，同时接收环路控制器10的信号进行功率调控；DC/AC高频逆变器5连接发射端补偿电路6，发射端补偿电路6用于匹配发射端漏感；发射端补偿电路6通过功率输入接口B1、C1连接发射端一体化耦合装置1，励磁电流在发射端磁场耦合线圈1-1上产生交变磁场，交变磁场耦合至接收端一体化耦合装置2上，接收端一体化耦合装置2通过功率输出接口B2、C2耦合出交变电压，将交变电压传输至接收端补偿电路7中进行谐振补偿，接收端补偿电路7用于匹配接收端漏感；接收端补偿电路7通过整流滤波电路8将谐振补偿后的交变电压转变为直流输出电压，进行最终的输出；采样/比较电路9采样直流输出电压并与参考电压进行比较，得到误差参数并进行放大处理，然后将放大误差参数作为控制量传输至调制电路3中，调制电路3调制放大误差参数，并将误差调制信号加载在反馈输入接口A2和接收端外壳接口D2之间，误差调制信号通过电场耦合栅互耦电容通路Cs与金属外壳互耦电容通路Cg耦合至反馈输出接口A1与发射端外壳接口D1之间，反馈至解调电路4中；解调电路4解调接收端反馈的误差调制信号，并将解调的误差调制信号传递给环路控制器10，环路控制器10根据解调电路4解调的误差调制信号控制发射端的发射状态，动态调节输出端的功率输出状态，完成整个装置的负反馈闭环控制。负反馈通路保证了接收端在进行整流滤波后即可得到稳定的电压或电流，可以直接驱动负载，无需接收端的二次稳压或恒流变换器。

调制电路3和解调电路4作为闭环负反馈通路的一部分，不仅需要具有跨耦合电容传输模拟量的功能，还要求传输延迟低，以避免额外的反馈滞后所带来的动态响应下降，其设置包括但不限于采用以下两类方案：

方案1：使用误差积分调制解调，如图6所示，采样/比较电路9包括误差比较放大器，通过比例分压后的输出电压与参考电压的比较，输出放大误差信号；

使用误差积分调制解调电路3跨耦合电容进行输出状态的误差模拟量传输，其具体调制方式如下，在接收端一体化耦合装置2首先通过分压网络将输出电压（电流需要进行电流/电压变换，电压信号可以直接采集，图中以电压信号为例进行说明）比例分压后与参考电压Vref通过误差比较放大器进行比较，输出放大误差信号；其次，将放大误差信号输入至调制器中，放大误差信号加载在调制放大器的同相输入端，调制放大器的输出连接至D触发器的数据端，同时，时钟发生器产生固定的时钟信号输入至D触发器的CLK触发端，根据D触发器的数据端与触发端的作用，在触发器Q端输出调制信号，将调制信号经过积分器进行积分后输出至调制放大器的反相输入端进行调制闭环反馈，通过虚短路可知积分器的输出与同相输入端的电压值相同；采集D触发器Q端输出调制信号的上升沿与下降沿，分别经脉冲整形为正脉冲与负脉冲，将脉冲信号加载进功率输出接口B2与接收端外壳接口D2上进行传输；脉冲信号经过电场耦合栅互耦电容通路Cs、金属外壳互耦电容通路Cg传输至反馈输出接口A1与发射端外壳接口D1后进行上升沿与下降沿的判决，实现脉冲恢复，恢复出调制信号；最后将调制信号输入至相同参数的积分器中，解调出输出状态的反馈误差值，完成整个跨耦合电容传输模拟量功能。

方案2：使用电压/频率（V/F）调制解调，如图7所示，使用电压/频率调制解调电路3进行跨耦合电容输出状态的模拟量传输。其具体调制方式如下，在接收端一体化耦合装置2首先通过分压网络将输出电压（电流需要进行电流/电压变换，电压信号可以直接采集，图中以电压信号为例进行说明）比例分压后与参考电压Vref通过误差比较放大器进行比较，输出放大误差信号；放大误差信号进入输入缓冲器，缓冲器输出至压控振荡器中进行电压V到频率F的转换，转换频率范围根据控制周期进行动态调整；压控振荡器将调制后的频率信号输入至脉冲整形电路中，分别将其上升沿与下降沿整形为正脉冲与负脉冲，然后脉冲信号的加载方式与传输方式同方案1；最后，在反馈输出接口A1与发射端外壳接口D1进行脉冲恢复，得到频率信号后进行频率F/电压V转换，解调出输出状态的反馈误差值，完成整个跨耦合电容传输模拟量功能。

实施例1

如图8所示，为一款恒压输出的无线供电装置，主要用于接收端需要恒压输出的应用场合。本实施例中，使用本发明的反馈方式完成了无线供电整体反馈的恒压输出；实现了以下参数指标：

（1）输入电压：24V-32V；

（2）输出电压：28V±5%；

（3）最大输出功率：300W；

（4）传输距离：≤8mm；

在DC/AC高频逆变器的频率为20kHz、间隙为5mm的工作条件下，选择铁氧体100*100*10作为发射端磁性材料1-3和接收端磁性材料2-3；选择发射端磁场耦合线圈1-1匝数12匝，接收端磁场耦合线圈2-1匝数8匝，均使用利兹线绕制；选择铝作为发射端金属外壳1-4和接收端金属外壳2-4材料。

其中，调制解调部分使用误差积分调制，解调部分使用积分解调，调制频率选择400kHz进行调制传输。

其工作原理为，首先发射端的输入直流源经过DC/AC高频逆变器变为交流电压后，经发射端补偿电路补偿后通过功率输入接口B1和C1端加载进发射端磁场耦合线圈1-1，产生交变磁场，接收端磁场耦合线圈2-1感应交变磁场后在功率输出接口B2和C2端口得到交变电压，经过接收端的环路补偿与整流滤波后进行输出；同时反馈网络开始工作，输出电压通过分压网络后进入采样/比较电路与参考电压进行比较，得出当前输出电压与设定电压的误差值，将误差值放大后输入到调制电路的调制放大器中，经过D触发器与采样的时钟整形后产生对应的调制序列，调制序列经过脉冲整形后生成调制脉冲加载到反馈输入接口A2与接收端外壳接口D2，经电场耦合栅互耦电容通路Cs与金属外壳互耦电容通路Cg反馈到发射端，发射端在反馈输出接口A1与发射端外壳接口D1先将调制脉冲进行恢复，然后将恢复出的调制序列接入接收端积分器中解调，输出与接收端电压相同的信号，最后将解调得到的误差信号输入环路控制器，环路控制器根据误差值动态控制发射端输出功率，最终实现闭环反馈恒压输出。

实施例2

如图9所示，为一款具有恒流恒压输出的无线供电装置，用于为6节串联锂离子电池（单节满电4.2V）进行充电的无线供电系统中。本实施例中，使用本发明的反馈方式完成了无线供电整体反馈的恒流限压输出，实现了以下参数指标：

（1）输入电压：24V-32V；

（2）输出电流：4A；

（3）开路电压：25.2V；

（4）最大输出功率：100W；

（5）最大传输距离：≤10mm；

在DC/AC高频逆变器的频率为40kHz、间隙为0-10mm浮动的工作条件下，选择铁氧体80*80*10作为发射端磁性材料1-3和接收端磁性材料2-3；选择发射端磁场耦合线圈1-1匝数10匝，接收端磁场耦合线圈2-1匝数8匝，均使用利兹线绕制；选择铝作为发射端金属外壳1-4和接收端金属外壳2-4材料。

其中，调制解调部分使用V/F（电压频率）转换器，解调部分使用F/V（频率电压）转换器。

其工作原理为：首先发射端的输入直流源经过DC/AC高频逆变器变为交流电压，经发射端补偿电路补偿后通过功率输入接口B1和C1端加载进发射端磁场耦合线圈1-1，产生交变磁场，接收端磁场耦合线圈2-1感应交变磁场后在功率输出接口B2和C2端口得到交变电压，经过接收端的环路补偿与整流滤波后进行输出，同时，整流滤波输出将给接收端的辅助电源供电，辅助电源主要为接收端的反馈电路提供电能，在辅助电源的电压建立后，反馈网络开始工作；分压网络环节的分压比为63:5，即在输出电压为25.2V时，采样环节输出2V；电流采样环节的电流电压转换比为2A/1V，即在输出电流为4A时，电流采样环节的输出电压为2V；电压采样与电流采样同时工作，通过二极管将其输出并联，取输出值大的输入至误差比较放大器中与参考电压（Vref=2V）进行比较，得到当前输出与参考电压的误差值，然后将误差值进行放大后输入至调制器中进行调制；在调制器中，误差信号首先经过一级缓冲器，缓冲器输出到V/F变换器中，产生对应频率的交流信号，接着将其进行脉冲调制后加载到反馈输入接口A2与接收端外壳接口D2，经经电场耦合栅互耦电容通路Cs与金属外壳互耦电容通路Cg反馈到发射端，发射端在反馈输出接口A1与发射端外壳接口D1先将脉冲信号进行恢复后接入F/V变换器完成解调，得到接收端误差信号的值；最后，将解调出的误差值输入环路控制器，环路控制器根据比反馈误差值实时地控制发射端输出功率，最终实现闭环反馈恒流/恒压输出。

上述两个实施例在空载到满传输的动态负载下，均实现了目标电压/电流的±5%的调整率，反馈过程抗干扰性好；其次，在电磁环境复杂的环境中进行负载突变时（50%~75%~50%），其响应调整时间为7ms，整个反馈稳定进行，没有出现由于反馈抖动时延而出现的输出波动，整个系统的稳定性高。

同时，分别测试了跨木材与跨玻璃纤维板两种不透明材质下的传输反馈效果，与跨空气介质传输反馈效果相同，即本发明无传输介质通透性要求，适用环境范围大。

需要说明的是，在本申请中，诸如第一、第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.互耦电容反馈式整体闭环磁耦合无线供电装置，其特征在于，包括发射端一体化耦合装置（1）和接收端一体化耦合装置（2）；发射端一体化耦合装置（1）和接收端一体化耦合装置（2）包括一对平行且同轴设置的磁场耦合线圈，即发射端磁场耦合线圈（1-1）和接收端磁场耦合线圈（2-1）；发射端磁场耦合线圈（1-1）和接收端磁场耦合线圈（2-1）相互靠近的一侧分别设置有发射端电场耦合栅（1-2）、接收端电场耦合栅（2-2），发射端电场耦合栅（1-2）与接收端电场耦合栅（2-2）之间构成电场耦合栅互耦电容通路Cs；发射端磁场耦合线圈（1-1）和接收端磁场耦合线圈（2-1）相互远离的一侧分别设置有发射端磁性材料（1-3）、接收端磁性材料（2-3）；发射端磁性材料（1-3）和接收端磁性材料（2-3）相互远离的一侧分别设置有发射端金属外壳（1-4）、接收端金属外壳（2-4），发射端金属外壳（1-4）与接收端金属外壳（2-4）之间构成金属外壳互耦电容通路Cg；

所述发射端磁场耦合线圈（1-1）连接功率输入接口B1、C1；接收端磁场耦合线圈（2-1）连接功率输出接口B2、C2；发射端电场耦合栅（1-2）的顶面层连接反馈输出接口A1，接收端电场耦合栅（2-2）的顶面层连接反馈输入接口A2；发射端金属外壳（1-4）连接发射端外壳接口D1，接收端金属外壳（2-4）连接接收端外壳接口D2；

所述反馈输入接口A2和接收端外壳接口D2与调制电路（3）连接，调制电路（3）用于调制反馈输入接口A2和接收端外壳接口D2的输出参数，进行状态反馈；反馈输出接口A1和发射端外壳接口D1与解调电路（4）连接，解调电路（4）用于从反馈输出接口A1和发射端外壳接口D1采集并解调信号，还原接收端一体化耦合装置（2）的误差信号。

2.根据权利要求1所述的互耦电容反馈式整体闭环磁耦合无线供电装置，其特征在于，所述发射端电场耦合栅（1-2）和接收端电场耦合栅（2-2）均为结构相同的三层结构，均包括基板层、基板层靠近耦合面的顶面层以及基板层远离耦合面的底面层；基板层材质采用绝缘材料；顶面层和底面层分别为印制在基板层的顶面、底面的一层平面金属导线；平面金属导线为向几何中心辐射的放射线条，各放射线条靠近几何中心的端部均不连接，各放射线条远离几何中心的端部均通过边缘的开口线条环路连接；发射端电场耦合栅（1-2）和接收端电场耦合栅（2-2）的顶面层之间构成电场耦合栅互耦电容通路Cs。

3.根据权利要求1所述的互耦电容反馈式整体闭环磁耦合无线供电装置，其特征在于，所述发射端金属外壳（1-4）与发射端电场耦合栅（1-2）的底面层形成屏蔽笼，接收端金属外壳（2-4）与接收端电场耦合栅（2-2）的底面层形成屏蔽笼。

4.如权利要求1~3中任一项所述的互耦电容反馈式整体闭环磁耦合无线供电装置的无线供电系统，其特征在于，包括解调电路（4），解调电路（4）连接环路控制器（10），环路控制器（10）与输入端共同连接DC/AC高频逆变器（5），DC/AC高频逆变器（5）连接发射端补偿电路（6），发射端补偿电路（6）通过功率输入接口B1、C1连接发射端一体化耦合装置（1），发射端一体化耦合装置（1）通过发射端磁场耦合线圈（1-1）激励交变磁场，接收端一体化耦合装置（2）通过接收端磁场耦合线圈（2-1）感应交变磁场，接收端一体化耦合装置（2）通过功率输出接口B2、C2连接接收端补偿电路（7），接收端补偿电路（7）连接整流滤波电路（8）进行最终的输出；最终的输出连接采样/比较电路（9），采样/比较电路（9）连接调制电路（3）。

5.根据权利要求4所述的互耦电容反馈式整体闭环磁耦合无线供电装置的无线供电系统，其特征在于，所述调制电路（3）和解调电路（4）采用误差积分调制解调或电压/频率调制解调。

6.如权利要求5所述无线供电系统的无线供电方法，其特征在于，所述误差积分调制解调，具体为：在接收端一体化耦合装置（2）首先通过分压网络将输出电压比例分压后与参考电压通过误差比较放大器进行比较，输出放大误差信号；放大误差信号加载在调制放大器的同相输入端，调制放大器的输出连接至D触发器的数据端，同时，时钟发生器产生固定的时钟信号输入至D触发器的CLK触发端，根据D触发器的数据端与触发端的作用，在触发器Q端输出调制信号，将调制信号经过积分器进行积分后输出至调制放大器的反相输入端进行调制闭环反馈，积分器的输出与同相输入端的电压值相同；采集D触发器Q端输出调制信号的上升沿与下降沿，分别经脉冲整形为正脉冲与负脉冲，将脉冲信号加载进功率输出接口B2与接收端外壳接口D2上进行传输；脉冲信号经过电场耦合栅互耦电容通路Cs、金属外壳互耦电容通路Cg传输至反馈输出接口A1与发射端外壳接口D1后进行上升沿与下降沿的判决，实现脉冲恢复，恢复出调制信号；最后将调制信号输入至相同参数的积分器中，解调出输出状态的反馈误差值，完成整个跨耦合电容传输模拟量功能。

7.如权利要求5所述无线供电系统的无线供电方法，其特征在于，所述电压/频率调制解调，具体为：在接收端一体化耦合装置（2）首先通过分压网络将输出电压比例分压后与参考电压通过误差比较放大器进行比较，输出放大误差信号；放大误差信号输入缓冲器，缓冲器输出至压控振荡器中进行电压到频率的转换，转换频率范围根据控制周期进行动态调整；压控振荡器将调制后的频率信号输入至脉冲整形电路中，分别将其上升沿与下降沿整形为正脉冲与负脉冲，脉冲信号经过电场耦合栅互耦电容通路Cs、金属外壳互耦电容通路Cg传输至反馈输出接口A1与发射端外壳接口D1后进行上升沿与下降沿的判决，实现脉冲恢复，恢复出调制信号；最后，在反馈输出接口A1与发射端外壳接口D1进行脉冲恢复，得到频率信号后进行频率/电压转换，解调出输出状态的反馈误差值，完成整个跨耦合电容传输模拟量功能。