CN117833493A - 一种无线能量传输系统及其全局控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线能量传输系统及其全局控制方法，涉及新一代信息技术中的电能存储系统，针对现有技术中负载移位键控法失效问题提出本方案。对发射端输出至无线功率传输链路串联谐振腔的电流信号进行采样，根据电流信号峰值变化的速率得到负载移位信息，控制发射端在全功率模式与低功率模式之间切换；在接收端输出信号的电压值到达限值时，对无线功率传输链路并联谐振腔作一定时长的短路，以使通过所述无线功率传输链路反馈负载移位信息至所述发射端。优点在于，可以通过检测发射端电流峰值变化的速率，来判断接收端的等效阻抗信息，不受接收端等效阻抗变化发生时刻的影响，提高了此类无线能量传输系统的稳定性和设计便利性。
Description
技术领域
本发明涉及新一代信息技术中的电能存储系统，尤其涉及一种无线能量传输系统及其全局控制方法。
背景技术
对于高频率的无线能量传输系统，在发射端和接收端之间进行通信，根据接收端负载实际所需功率实时调整发射端电源发射功率，是提高系统整体效率的关键所在。传统的通信方法包括导线连接法、2.4GHZ信息链路传递法、额外的线圈传递信息法、负载移位键控(Load-Shift-Keying，LSK )方法、相移检测控制法。其中，导线连接法违背了无线能量传输系统中无线的前提；2.4GHZ信息链路传递法需要复杂且昂贵的系统设计，包括通信模块和微控制器单元；额外的线圈传递信息法极大地增加了设备的体积；相移检测控制法主要应用于串联-串联的无线能量传输系统。因此最常用的方法是负载移位键控法，其在串联-并联无线能量传输系统中也能很好地适用。
负载移位键控法一般是通过改变接收端的等效阻抗，从而改变接收端在发射端的反射阻抗，使发射端电感电流的幅值发生变化。但该方法在应用中存在的问题是：当发射端采用跳脉冲功率调制（pulse skipping power modulator）方法时，由于跳脉冲状态时发射端电流变化的非周期性，对于相同的接收端等效阻抗变化，阻抗变化发生的时刻不同，发射端电感电流幅值发生变化时的初值不同，经过相同时间后上升到的终值也就不相同，因此无法通过检测峰值电流的幅值大小来获得接收端等效阻抗信息，使负载移位键控法失效。
参考文献：
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发明内容
本发明目的在于提供一种无线能量传输系统及其全局控制方法，以解决上述现有技术存在的问题。
本发明中所述一种无线能量传输系统的全局控制方法，对发射端输出至无线功率传输链路串联谐振腔的电流信号进行采样，根据电流信号峰值变化的速率得到负载移位信息，控制发射端在全功率模式与低功率模式之间切换；
在接收端输出信号的电压值到达限值时，对无线功率传输链路并联谐振腔作预设时长的短路，以使通过所述无线功率传输链路反馈负载移位信息至所述发射端。
对发射端输出的矩形波电压信号进行采样以等效采样所述电流信号，检测采样输出电压信号的峰值电压，将两个连续周期的峰值电压进行差值比较，当峰值电压差值大于当前功率模式对应阈值且维持时间不低于并联谐振腔对应短路时长时，切换发射端的功率模式。
当峰值电压差值大于当前功率模式对应阈值时，计数输出加一跳动，否则计数输出归零；当计数输出不小于当前功率模式对应的计数阈值时，判定所述维持时间不低于并联谐振腔对应短路时长。
在发射端处于全功率模式时：
若输出信号大于输出电压上限，接收端令并联谐振腔以第一时长维持短路；发射端检测峰值电压差值大于差值上限，计数输出不小于第一计数阈值时，判定所述维持时间不低于所述第一时长，则发射端从全功率模式切换至低功率模式。
所述第一时长取值0.8μs；所述第一计数阈值取值为第一时长与谐振周期的比值，所述谐振周期是无线功率传输链路的谐振周期。
在发射端处于低功率模式时：
若输出信号小于输出电压下限，接收端令并联谐振腔以第二时长维持短路；发射端检测峰值电压差值大于差值下限，计数输出不小于第二计数阈值时，判定所述维持时间不低于所述第二时长，则发射端从低功率模式切换至全功率模式。
所述第二时长取值1.4μs；所述第二计数阈值取值为第二时长与谐振周期的比值，所述谐振周期是无线功率传输链路的谐振周期。
本发明中所述一种无线能量传输系统，包括发射端、接收端以及无线功率传输链路；所述无线功率传输链路的串联谐振腔与发射端电性连接，并联谐振腔与接收端电性连接；串联谐振腔与并联谐振腔之间通过无线耦合传输功率；
所述发射端设有峰值速率检测模块，峰值速率检测模块输入端连接矩形波电压信号，峰值速率检测模块输出端连接跳脉冲功率调制模块输入端；跳脉冲功率调制模块用于切换发射端功率模式；
所述接收端设有晶体管和局部稳压信号发生器；所述晶体管源极和漏极并联在并联谐振腔两端，用于对并联谐振腔进行短路；所述局部稳压信号发生器输入端连接输出信号，局部稳压信号发生器输入端连接所述晶体管栅极；
利用如上所述全局控制方法进行功率切换控制。
所述峰值速率检测模块包括依次信号连接电流传感器、峰值检测电路、两级采样保持电流、减法电路以及峰值速率连续判断模块；
其中，所述峰值检测电路包括二极管模块和第一电容；所述二极管模块阳极连接电流传感器输出端，阴极作为峰值检测电路的输出端且通过所述第一电容接地。
所述二极管模块由一比较器以及一开关管构成；
所述比较器正相输入端连接开关管漏极后作为二极管模块的阳极；所述比较器反相输入端连接开关管源极后作为二极管模块的阴极；所述比较器输出端连接开关管栅极。
本发明中所述一种无线能量传输系统及其全局控制方法，其优点在于，可以通过检测发射端电流峰值变化的速率，来判断接收端的等效阻抗信息，不受接收端等效阻抗变化发生时刻的影响，提高了此类无线能量传输系统的稳定性和设计便利性。
附图说明
图1是本发明中所述无线能量传输系统的结构示意图。
图2是本发明中所述全局控制方法的流程示意图。
图3是本发明中所述全局控制方法的信号波形示意图。
图4是本发明中所述峰值速率检测模块的结构示意图。
图5是本发明中所述电流传感器的结构示意图。
图6是本发明中所述峰值检测电路的结构示意图。
图7是本发明中所述两级采样保持电路的结构示意图。
图8是本发明中所述减法电路的结构示意图。
图9是本发明中所述两级采样保持电路和减法电路的控制信号时序示意图。
图10是本发明中所述峰值速率连续判断逻辑模块的流程示意图。
附图标记：
TX chip-发射端，RX chip-接收端；
PG-功率放大器的正相信号，NG-功率放大器的反相信号；
ITX-电流信号；R-速率，R1-第一速率，R2-第二速率，RH-第一速率阈值，RL-第二速率阈值；
k-耦合系数；
M1-晶体管；
Vo-输出信号，VrefH-输出电压上限，VrefL-输出电压下限；
Vx-矩形波电压信号，Vsel-负载移位键控信号，Vac-接收端的输入信号，Vsense-传感信号；
Vpeak-峰值电压，Vshr-上一周期的峰值电压，Vsh-下一周期的峰值电压，ΔVpeak-峰值电压差值，ΔVrefh-差值上限，ΔVrefl-差值下限；
short-短路信号，t1-第一时长，t2-第二时长；
S1-第一开关信号，S2-第二开关信号，S3-第三开关信号；
Co-输出电容，C1-第一电容；
D1-二极管模块；
S-计数输出，S(i)-第i次的计数输出；
N1-第一计数阈值，N2-第二计数阈值。
具体实施方式
如图1所示，本发明中所述一种无线能量传输系统包括发射端、接收端以及无线功率传输链路。
所述无线功率传输链路的串联谐振腔与发射端电性连接，并联谐振腔与接收端电性连接。串联谐振腔与并联谐振腔之间通过无线耦合传输功率。
所述发射端设有峰值速率检测模块、跳脉冲功率调制模块和功率放大器。
峰值速率检测模块输入端连接矩形波电压信号Vx，峰值速率检测模块输出端连接跳脉冲功率调制模块输入端。跳脉冲功率调制模块用于调制功率放大器的占空比，以切换发射端的功率模式。
所述功率放大器类型为class-D，将直流电源电压VDC转化为矩形波电压信号Vx。其中矩形波电压信号Vx的高电平为VDC，低电平为0。该矩形波电压信号Vx经过串联谐振腔被滤波为正弦波信号，所述正弦波信号的频率与谐振腔的谐振频率相等，再经由电感耦合被传递到接收端的并联谐振腔两端。
如图4所示，所述峰值速率检测模块包括依次信号连接电流传感器、峰值检测电路、两级采样保持电流、减法电路以及峰值速率连续判断模块。
所述电流传感器结构如图5所示，采用现有技术中的结构实现。
如图6所示，所述峰值检测电路包括二极管模块D1和第一电容C1。所述二极管模块D1阳极连接电流传感器输出端，阴极作为峰值检测电路的输出端且通过所述第一电容C1接地。
峰值检测电路对传感信号Vsense的峰值电压Vpeak进行检测：当Vsense>Vpeak时，二极管模块D1正向导通，对第一电容C1充电，此时传感信号Vsense的值与峰值电压Vpeak相等。当Vsense≤Vpeak时，二极管模块断开，第一电容C1通过后级负载缓慢放电，重复以上过程，可得到一个与传感信号Vsense正峰值近似相等的直流电压作为输出结果，即输出峰值电压Vpeak。
所述二极管模块D1可以采用普通二极管，也可以进一步优化采用有源二极管。
当采用有源二极管时，所述二极管模块D1由一比较器以及一开关管构成。所述比较器正相输入端连接开关管漏极后作为二极管模块的阳极。所述比较器反相输入端连接开关管源极后作为二极管模块的阴极。所述比较器输出端连接开关管栅极。当阳极电压大于负极电压时，比较器输出高电平，使所述开关管导通。当阳极电压小于阴极电压时，比较器输出低电平，使所述开关管断开，实现了单向导通的二极管功能。但由于开关管处于完全打开状态时的源漏两端压降很小，约100mV，实现了较低的导通压降。
如图7所示，两级采样保持电路采用现有技术中的结构实现。第二开关信号S2用于将上一周期的峰值电压Vshr存储在后级电容中，第一开关信号S1用于将下一周期的峰值电压Vsh存储在前级电容中。
如图8所示，减法电路采用现有技术中的结构实现，减法电路的两个输入端分别连接上一周期的峰值电压Vshr和下一周期的峰值电压Vsh，第三开关信号S3用于将两个相邻周期的峰值电压同时送入进行减法处理，得到的输出结果即为峰值电压差值ΔVpeak。
三路开关信号的相位关系如图9所示，各开关信号的周期与矩形波电压信号Vx的周期相同。各开关信号以S1-S3-S2-S1的顺序出现高电平，且各开关信号之间的高电平之间间隔一定静默时间以防止信号交叠。
所述跳脉冲功率调制模块控制功率放大器工作在全功率模式或者是低功率模式。在全功率模式下，功率放大器的开关频率为1倍谐振频率，占空比为1/2。在低功率模式下，功率放大器的开关频率为1/3倍谐振频率，占空比为1/6。
所述接收端设有晶体管M1、整流器、输出负载电阻、输出电容Co以及局部稳压信号发生器。
所述整流器将输入信号Vac整形为直流电压传递到负载，作为输出信号Vo。
所述晶体管M1源极和漏极并联在并联谐振腔两端，用于对并联谐振腔进行短路。所述局部稳压信号发生器输入端连接输出信号Vo，局部稳压信号发生器输入端连接所述晶体管M1栅极。
局部稳压信号发生器对晶体管M1输出短路信号short，当输出信号Vo达到一定条件后，短路信号short产生一个脉冲以令晶体管M1导通，即令并联谐振腔短路，脉冲的时长即短路时长。短路信号short令晶体管M1处于常闭状态。
本发明中所述一种无线能量传输系统利用如下所述全局控制方法进行功率切换控制。
本发明中所述一种无线能量传输系统的全局控制方法，工作流程如图2所示，各信号波形如图3所示，工作原理具体如下。
当发射端工作在全功率状态时，接收端的输出电容Co充电，输出信号Vo的电压上升。当输出信号Vo电压大于预设的输出电压上限VrefH时，表示此时接收端接收到的功率大于负载所需功率。局部稳压信号发生器产生一个时长为t1的脉冲信号，使晶体管M1导通相应时长。由于接收端等效阻抗的变化，发射端的信号电流TTX也会相应发生变化，其峰值以第一速率R1上升，然后被峰值速率检测模块捕捉到，使输出的负载移位键控信号Vsel=0，发射端转为低功率运行。
此后输出电容Co开始放电，输出信号Vo电压持续降低，当电压小于预设的输出电压下限VrefL时，表示此时接收端接收到的功率小于负载所需功率。局部稳压信号发生器产生一个时长为t2的脉冲信号，使晶体管M1导通相应时长。发射端信号电流ITX的峰值以第二速率R2上升，再被峰值速率检测模块捕捉到，使输出的负载移位键控信号Vsel=1，发射端转为全功率运行。
速率R由发射端的功率决定，因为处于不同的功率状态下，所以R1>R2。设置t1<t2，再设置相应的第一速率阈值RH以及第二速率阈值RL分别与R1、R2进行比较。因此可采用发射端当前功率发射状态和发射端电流上升速率作为发射端状态转换的判定标准。
然而当发射端为低功率模式、晶体管M1断开、整流器和负载接入系统时，会存在干扰情况，如图3的 ITX波形中部所示的R>RH。信号电流ITX存在短暂骤增的状态，其幅值上升速率R甚至大于第一速率R1，对峰值速率判断造成干扰。而由于晶体管M1短路所带来的信号电流ITX上升具有持续性，因此加入速率持续上升的维持时长作为发射功率转换的重要判断条件。
峰值速率持续上升的判断由峰值速率连续判断模块实现，原理如图10所示。
发射端处于全功率模式时：当ΔVpeak>ΔVrefh，计数器的输出S(i)累加1；当ΔVpeak<ΔVrefh，计数器的输出S(i)复位归零。当S(i)≥N1，表示峰值电压Vpeak连续N1次大于差值上限ΔVrefh，意味着此时晶体管M1导通了t1时长，发射端的功率放大器应由全功率模式转为低功率模式运行。其中N1=t1/谐振周期。
发射端处于低功率模式时：当ΔVpeak>ΔVrefl，计数器的输出S(i)累加1；当ΔVpeak<ΔVrefl，计数器的输出S(i)复位归零。当S(i)≥N2，表示峰值电压Vpeak连续N2次大于差值下限ΔVrefl，意味着此时晶体管M1导通了t2时长，发射端的功率放大器应由低功率模式转为全功率模式运行。其中N2=t2/谐振周期。
在一个实施例中，第一时长t1取值0.8us，第二时长t2取值1.4us。一般应用场合，谐振周期常见为24.58ns，因此N1及N2的值可以在几十到几百之间，足够令系统分辨转换需求和干扰的区别。
本发明提出了一种应用于串-并联式无线能量传输系统的基于峰值速率检测的全局控制方法，系统基于LSK方法实现局部的稳压和反向发送接收端电压信息，发射端通过检测电流峰值上升速率的变化来接收此信息。避免了跳脉冲功率调制类功率放大器中，因接收端阻抗变化发生时刻不同所带来的发射端电感电流幅值上升终值不同的问题。本发明的峰值速率检测模块可有效判断信号电流ITX是否以预设的增幅持续上升，消灭了干扰情况。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种无线能量传输系统的全局控制方法，其特征在于，对发射端输出至无线功率传输链路串联谐振腔的电流信号进行采样，根据电流信号峰值变化的速率得到负载移位信息，控制发射端在全功率模式与低功率模式之间切换；
在接收端输出信号的电压值到达限值时，对无线功率传输链路并联谐振腔作预设时长的短路，以使通过所述无线功率传输链路反馈负载移位信息至所述发射端。
2.根据权利要求1所述一种无线能量传输系统的全局控制方法，其特征在于，对发射端输出的矩形波电压信号进行采样以等效采样所述电流信号，检测采样输出电压信号的峰值电压，将两个连续周期的峰值电压进行差值比较，当峰值电压差值大于当前功率模式对应阈值且维持时间不低于并联谐振腔对应短路时长时，切换发射端的功率模式。
3.根据权利要求2所述一种无线能量传输系统的全局控制方法，其特征在于，当峰值电压差值大于当前功率模式对应阈值时，计数输出加一跳动，否则计数输出归零；当计数输出不小于当前功率模式对应的计数阈值时，判定所述维持时间不低于并联谐振腔对应短路时长。
4.根据权利要求3所述一种无线能量传输系统的全局控制方法，其特征在于，在发射端处于全功率模式时：
若输出信号大于输出电压上限，接收端令并联谐振腔以第一时长维持短路；发射端检测峰值电压差值大于差值上限，计数输出不小于第一计数阈值时，判定所述维持时间不低于所述第一时长，则发射端从全功率模式切换至低功率模式。
5.根据权利要求4所述一种无线能量传输系统的全局控制方法，其特征在于，所述第一时长取值0.8μs；所述第一计数阈值取值为第一时长与谐振周期的比值，所述谐振周期是无线功率传输链路的谐振周期。
6.根据权利要求3所述一种无线能量传输系统的全局控制方法，其特征在于，在发射端处于低功率模式时：
若输出信号小于输出电压下限，接收端令并联谐振腔以第二时长维持短路；发射端检测峰值电压差值大于差值下限，计数输出不小于第二计数阈值时，判定所述维持时间不低于所述第二时长，则发射端从低功率模式切换至全功率模式。
7.根据权利要求6所述一种无线能量传输系统的全局控制方法，其特征在于，所述第二时长取值1.4μs；所述第二计数阈值取值为第二时长与谐振周期的比值，所述谐振周期是无线功率传输链路的谐振周期。
8.一种无线能量传输系统，包括发射端、接收端以及无线功率传输链路；所述无线功率传输链路的串联谐振腔与发射端电性连接，并联谐振腔与接收端电性连接；串联谐振腔与并联谐振腔之间通过无线耦合传输功率；
其特征在于，
所述发射端设有峰值速率检测模块，峰值速率检测模块输入端连接矩形波电压信号，峰值速率检测模块输出端连接跳脉冲功率调制模块输入端；跳脉冲功率调制模块用于切换发射端功率模式；
所述接收端设有晶体管和局部稳压信号发生器；所述晶体管源极和漏极并联在并联谐振腔两端，用于对并联谐振腔进行短路；所述局部稳压信号发生器输入端连接输出信号，局部稳压信号发生器输入端连接所述晶体管栅极；
利用如权利要求1-7任一项所述全局控制方法进行功率切换控制。
9.根据权利要求8所述一种无线能量传输系统，其特征在于，所述峰值速率检测模块包括依次信号连接电流传感器、峰值检测电路、两级采样保持电流、减法电路以及峰值速率连续判断模块；
其中，所述峰值检测电路包括二极管模块和第一电容；所述二极管模块阳极连接电流传感器输出端，阴极作为峰值检测电路的输出端且通过所述第一电容接地。
10.根据权利要求9所述一种无线能量传输系统，其特征在于，所述二极管模块由一比较器以及一开关管构成；
所述比较器正相输入端连接开关管漏极后作为二极管模块的阳极；所述比较器反相输入端连接开关管源极后作为二极管模块的阴极；所述比较器输出端连接开关管栅极。
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