CN117833491A - 宽调节范围的无线供电接收功率自调谐系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽调节范围的无线供电接收功率自调谐系统，包括相互配合的磁耦合谐振无线供电能量发射电路和磁耦合谐振无线供电能量接收电路，磁耦合谐振无线供电能量接收电路上设有宽调节范围的无线供电接收功率自调谐电路。本发明可实现无线供电系统在环境因素改变，接收与发射线圈距离改变以及负载条件改变等多种影响磁耦合谐振无线供电传输效率的情况下，能够对接收端整流输出电压进行宽范围的调节，可对使用环境因素大幅变化下的无线供电需求，防止接收功率过高引起的接收端系统发热以及效率损失。

Description

宽调节范围的无线供电接收功率自调谐系统

技术领域

本发明涉及磁耦合谐振无线供电领域，特别是一种宽调节范围的无线供电接收功率自调谐系统。

背景技术

电动汽车、交通电气化、自动驾驶技术、无人驾驶移动设备和便携式电子产品的发展正在形成对无线供电(WPT)的巨大需求，电线和人工操作妨碍了这些领域供电的效率。无线电力传输是指不使用任何电线传输电力的技术。传统的无线电力传输仅限于在几厘米的气隙(传输距离)上传输电力。2007年，首次证明了在超过1米的大气隙上高效的大功率无线电力传输是可行的，这种技术被称为磁谐振耦合。

磁共谐振耦合使得在线圈具有一定距离传输能量的情况下提升无线功率传输效率，通过增加电容来对发射线圈和接收线圈进行补充，使得这两个电路在较窄的工作频带中心频率处进行谐振。磁耦合谐振无线供电的效率受到线圈谐振频率匹配、环境因素改变、线圈距离改变以及负载阻抗变化等多种参数影响。随着近年来多种设备中磁耦合谐振无线供电系统的应用，适用于多种不同环境、不同场景与不同负载情况的磁耦合谐振无线供电系统已被应用。然而，传统的磁耦合谐振无线供电系统中无线供电系统参数固定，通常针对于特定的线圈尺寸与工作环境下进行调优，但这些系统仍然使用固定的系统参数进行工作，在线圈偏移或负载阻抗变化时，系统接收端接收功率将产生较大的变化，这容易造成接收端系统的安全问题并对无线供电的效率产生了巨大的影响。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种宽调节范围的无线供电接收功率自调谐系统。本发明可实现无线供电系统在环境因素改变，接收与发射线圈距离改变以及负载条件改变等多种影响磁耦合谐振无线供电传输效率的情况下，能够对接收端整流输出电压进行宽范围的调节，可对使用环境因素大幅变化下的无线供电需求，防止接收功率过高引起的接收端系统发热以及效率损失。

本发明的技术方案：宽调节范围的无线供电接收功率自调谐系统，包括相互配合的磁耦合谐振无线供电能量发射电路和磁耦合谐振无线供电能量接收电路，磁耦合谐振无线供电能量接收电路上设有宽调节范围的无线供电接收功率自调谐电路。

前述的宽调节范围的无线供电接收功率自调谐系统中，磁耦合谐振无线供电能量发射电路包括交流电压源，磁耦合谐振无线供电发射线圈以及磁耦合谐振电容。

前述的宽调节范围的无线供电接收功率自调谐系统中，所述磁耦合谐振无线供电能量接收电路包括磁耦合谐振无线供电接收线圈和可调电容。

前述的宽调节范围的无线供电接收功率自调谐系统中，所述宽调节范围的无线供电接收功率自调谐电路包括：具有宽调节范围的整流器电路以及通过检测输出功率对整流器电路整流倍数进行控制的输出功率检测与控制电路。

前述的宽调节范围的无线供电接收功率自调谐系统中，整流器电路通过开关控制对整流器电路结构进行重构，分别在0倍、1倍与2倍整流模式之间进行切换。

前述的宽调节范围的无线供电接收功率自调谐系统中，输出功率检测与控制电路通过数字或模拟电路进行实现，由检测到的输出电压与预计输出电压值进行比较后对整流器电路的工作模式进行控制。

前述的宽调节范围的无线供电接收功率自调谐系统中，整流器电路包括相互并联的第一整流二极管组和第二整流二极管组；所述第一整流二极管组包括串联的第一整流二极管和第二整流二极管，第二整流二极管组包括串联的第三整流二极管和第四整流二极管；可调电容的一端连接于第一整流二极管和第二整流二极管之间，可调电容的另一端连接于第三整流二极管和第四整流二极管之间；所述第一整流二极管和第二整流二极管之间还连接第二模拟开关，第三整流二极管和第四整流二极管之间还连接有第一模拟开关，且第一模拟开关和第二模拟开关均与第三整流二极管相连。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)通过将原有电路结构固定的整流电路改为利用开关控制的可重构整流器结构，使得整流器在工作时结构可以变换，从而调节整流电路的输出电压倍数，对接收端输出电压与输出功率进行调节。由于整流器可在0倍整流，1倍整流与2倍整流之间切换，从而实现宽范围的无线供电接收功率调节。接收端通过输出电压检测电路，将接收端整流器输出直流电压进行采样，对接收端功率进行计算，之后通过数字或模拟电路对整流电路电压增益进行反馈控制，达到输出功率可自调谐的目的。相比现有在固定场景参数下使用的具有固定系统参数的磁耦合谐振无线供电系统，本发明所提出的磁耦合谐振无线供电的全局自调谐系统可实现无线供电系统在环境因素改变，接收与发射线圈距离改变以及负载条件改变等多种影响磁耦合谐振无线供电传输效率的情况下，可对接收端整流输出电压进行宽范围的调节，可使用环境因素大幅变化下的无线供电需求，防止接收功率过高引起的接收端系统发热以及效率损失。

2)本发明通过在磁耦合谐振无线供电的接收端电路中增加输出功率检测电路，对整流器的输出电压或输出功率进行实时检测，并通过数字控制或者模拟电路等方式进行实现，对整流电路的工作模式进行实时切换，实现对磁耦合谐振无线供电系统输出功率的自调谐。消除了外部软件控制等带来的高调谐延迟，可实现输出功率的实时自调谐。

3)本发明通过在原有的磁耦合谐振无线供电接收端整流电路中增加模拟开关对整流器进行重构，最小化了所需增加的元件数量的同时，实现了宽范围的接收端功率调节。最小化了额外增加的元件数量，有利于减小电路面积。

4)本发明提供的宽调谐范围磁耦合谐振无线供电系统，将有利于在场景参数变化较大的情况中无线能量传输的实施，或在无线供电发射线圈与接收线圈频繁移动的场景中进行应用，扩大了无线供电接收端输出功率的可调节范围，提升了无线供电系统的复杂环境适应能力，将有利于无线供电在多种实际场景中的应用，实现更高自由度与高安全性的无线能量传输。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的具体电路结构图。

附图中的标记为：AC-交流电压源，L1-磁耦合谐振无线供电发射线圈,C1-磁耦合谐振电容，L2-磁耦合谐振无线供电接收线圈，C2-可调电容，U1-整流器电路，U2-输出功率检测与控制电路，D1-第一整流二极管,D2-第二整流二极管，D3-第三整流二极管，D4-第四整流二极管，M1-第一模拟开关，M2-第二模拟开关。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例。宽调节范围的无线供电接收功率自调谐系统，构成如图1-2所示，包括磁耦合谐振无线供电能量发射电路，磁耦合谐振无线供电能量接收电路以及宽调节范围的无线供电接收功率自调谐电路。

所述磁耦合谐振无线供电能量发射电路包括，输出射频能量的交流电压源AC，磁耦合谐振无线供电发射线圈L1以及用于与磁耦合谐振无线供电发射线圈进行谐振的磁耦合谐振电容C1。

所述磁耦合谐振无线供电能量接收电路包括，与所述磁耦合谐振无线供电发射线圈L1产生互感的磁耦合谐振无线供电接收线圈L2、用于与磁耦合谐振无线供电接收线圈L2进行谐振的可调电容C2。

所述宽调节范围的无线供电接收功率自调谐电路包括，具有宽调节范围的整流器电路以及通过检测输出功率对整流器整流倍数进行控制的功率检测与控制单元。

所述宽调节范围通过具有宽调节范围的整流器电路进行实现。

所述无线供电接收功率自调谐功能通过输出功率检测电路对宽调节范围的整流器整流倍数进行反馈调节进行实现。

所述整流器电路通过开关控制对整流器结构进行重构，分别在0倍、1倍与2倍整流模式之间进行切换，实现无线供电接收端输出功率的宽范围调节。

输出功率检测通过数字或模拟电路进行实现，由检测到的输出电压与预计输出电压值进行比较后对整流器的工作模式进行控制，实现接收功率自调谐功能。

所述宽调节范围的无线供电接收功率自调谐系统，通过将原有的磁耦合谐振无线供电系统中参数固定的整流器电路结构更换为可重构的宽调节范围整流器电路U1，实现了无线供电接收端输出功率的宽范围可调，通过在接收端增加输出功率检测与控制电路U2，对接收端整流输出电压进行检测，并通过反馈控制对可重构的整流器电路U1进行调节，实现宽调节范围的无线供电接收功率自调谐。

作为优选，所述宽调节范围的无线供电接收功率自调谐系统发射电路，通过使用门驱动器驱动功率放大器进行无线供电发射信号输出，输出的信号通过发射线圈L1与发射端匹配电容C1进行谐振实现无线供电能量发射；

作为优选，所述宽调节范围的无线供电接收功率自调谐系统接收，通过无线供电接收线圈L2与可调谐振电容C2对磁耦合谐振无线供电能量进行接收，并通过整流器电路U1进行交流到直流电压转换，最终将直流电压信号输出到负载。

作为优选，所述整流器通过开关控制对整流器结构进行重构，通过控制4个整流二极管分别实现输出短路，半波整流和全波整流，使得整流电路输出电压可以分别在0倍、1倍与2倍整流模式之间进行切换，实现无线供电接收端输出功率的宽范围调节。

作为优选，所述输出功率检测通过数字或模拟电路进行实现，由检测到的输出电压与预计输出电压值进行比较后对整流器的工作模式进行控制，实现接收功率自调谐功能。

整流器电路U1包括相互并联的第一整流二极管组和第二整流二极管组；所述第一整流二极管组包括串联的第一整流二极管D1和第二整流二极管D2，第二整流二极管组包括串联的第三整流二极管D3和第四整流二极管D4；可调电容C2的一端连接于第一整流二极管D1和第二整流二极管D2之间，可调电容C2的另一端连接于第三整流二极管D3和第四整流二极管D4之间；所述第一整流二极管D1和第二整流二极管D2之间还连接第二模拟开关M2，第三整流二极管D3和第四整流二极管D4之间还连接有第一模拟开关M1，且第一模拟开关M1和第二模拟开关D4均与第三整流二极管D3相连。

如图1所示，本发明所提出的宽调节范围的无线供电接收功率自调谐系统，通过将原有的磁耦合谐振无线供电系统中参数固定的整流器电路结构更换为可重构的宽调节范围的整流器电路U1，实现了无线供电接收端输出功率的宽范围可调，通过在接收端增加输出功率检测与控制电路U2，对接收端整流输出电压进行检测，并通过反馈控制对可重构的整流器电路U1进行调节，实现宽调节范围的无线供电接收功率自调谐。

本发明所提出的宽调节范围的无线供电接收功率自调谐系统中可重构整流器的具体实现方式如图2所示。通过在由4个二极管(D1、D2、D3、D4)构成的全波整流电路中增加了模拟开关(M1、M2)，使得整流电路可以在半波整流、全波整流和短路之间进行切换，分别表示为0.5X、1X、和0X三种工作模式。在1X模式下，M1和M2都关闭，二极管连接形成全波整流器工作，可以为负载提供大的输出电流。0.5X模式下，M1导通，M2关断，四个二极管中只有一个二极管工作将电流传导到负载，此时作为半波整流器工作。与1X模式相比，传递给负载的电流减半。在0X模式下，M1和M2都打开，接收端能量在L2和C2之间流动，不传递给负载。上述拓扑的输出调节可以通过在三种模式中的两种模式之间切换来实现，从而实现更精细的调节。在重载条件下，激活1X和0.5X模式之间的模式切换；在轻载条件下，激活0.5X和0X模式。在负载瞬态过程中，不同模式之间的平滑转换可以通过精确的负载电流传感技术实现，从而减少芯片上实现的电路复杂性。

Claims (7)

1.宽调节范围的无线供电接收功率自调谐系统，其特征在于：包括相互配合的磁耦合谐振无线供电能量发射电路和磁耦合谐振无线供电能量接收电路，磁耦合谐振无线供电能量接收电路上设有宽调节范围的无线供电接收功率自调谐电路。

2.根据权利要求1所述的宽调节范围的无线供电接收功率自调谐系统，其特征在于：磁耦合谐振无线供电能量发射电路包括交流电压源(AC)，磁耦合谐振无线供电发射线圈(L1)以及磁耦合谐振电容(C1)。

3.根据权利要求1所述的宽调节范围的无线供电接收功率自调谐系统，其特征在于：所述磁耦合谐振无线供电能量接收电路包括磁耦合谐振无线供电接收线圈(L2)和可调电容(C2)。

4.根据权利要求1所述的宽调节范围的无线供电接收功率自调谐系统，其特征在于：所述宽调节范围的无线供电接收功率自调谐电路包括：具有宽调节范围的整流器电路(U1)以及通过检测输出功率对整流器电路整流倍数进行控制的输出功率检测与控制电路(U2)。

5.根据权利要求4所述的宽调节范围的无线供电接收功率自调谐系统，其特征在于：整流器电路(U1)通过开关控制对整流器电路结构进行重构，分别在0倍、1倍与2倍整流模式之间进行切换。

6.根据权利要求4所述的宽调节范围的无线供电接收功率自调谐系统，其特征在于：输出功率检测与控制电路(U2)通过数字或模拟电路进行实现，由检测到的输出电压与预计输出电压值进行比较后对整流器电路的工作模式进行控制。

7.根据权利要求4所述的宽调节范围的无线供电接收功率自调谐系统，其特征在于：整流器电路(U1)包括相互并联的第一整流二极管组和第二整流二极管组；所述第一整流二极管组包括串联的第一整流二极管(D1)和第二整流二极管(D2)，第二整流二极管组包括串联的第三整流二极管(D3)和第四整流二极管(D4)；可调电容(C2)的一端连接于第一整流二极管(D1)和第二整流二极管(D2)之间，可调电容(C2)的另一端连接于第三整流二极管(D3)和第四整流二极管(D4)之间；所述第一整流二极管(D1)和第二整流二极管(D2)之间还连接第二模拟开关(M2)，第三整流二极管(D3)和第四整流二极管(D4)之间还连接有第一模拟开关(M1)，且第一模拟开关(M1)和第二模拟开关(D4)均与第三整流二极管(D3)相连。