TW201340530A - 無線電力傳輸器，無線電力接收器，以及無線電力傳輸系統的電力傳輸方法 - Google Patents

無線電力傳輸器，無線電力接收器，以及無線電力傳輸系統的電力傳輸方法 Download PDF

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Abstract

一種無線電力傳輸器，用來以一無線方法傳輸電力至一無線電力接收器，該無線電力傳輸器包含：一傳輸線圈，配置來將一電源提供的電力利用共振傳輸至該無線電力接收器的一接收線圈；以及一偵測單元，配置來利用該無線電力傳輸器的一輸入阻抗，來偵測該傳輸線圈與該接收共振線圈之間的一耦合狀態。

Description

無線電力傳輸器，無線電力接收器，以及無線電力傳輸系統的電力傳輸方法
本發明係主張關於2012年02月17日申請之韓國專利案號No.10-2012-0016237及2012年03月07日申請之韓國專利案號No.10-2012-0023329之優先權。藉以引用的方式併入本文用作參考。
本發明實施例係關於一種無線電力傳輸器、一種無線電力接收器、以及一種無線電力傳輸系統的電力傳輸方法。
無線電力傳輸或無線能量轉移係指以無線方式轉移電能至預定設備的一種技術。在十九世紀，使用電磁感應理論的電動馬達或變壓器已被廣泛使用，接著藉由輻射電磁波以傳輸電能的方法已被採用，例如無線電波或雷射。實際上，經常使用在日常生活中的電動牙刷或電動刮鬍刀，其係根據電磁感應的理論來充電。直到現在，使用電磁感應、共振與短波射頻來做長距離傳輸已成為無線能量傳遞的方法。
近來，在無線電力傳輸的技術中，一種運用共振的能量傳輸方法已被廣泛地使用。
在一運用共振的無線電力傳輸系統中，由於產生於無線電力傳輸器與無線電力接收器之間的一電信號經由線圏被無線地傳遞，使用者可輕易地對電器裝置充電，例如一可攜式裝置。
在韓國尚未審查的專利公開案中，案號為No.10-2006-0031526，名稱為(雙向可充電無線充電板及電池組；Bidirectional chargeable wireless charging pad and battery pack)，描述該無線電力傳輸技術的一例子，其係以一具有簡單架構及高耦合係數的分離式變壓器來實現，以偵測一可攜式裝置或安裝在該無線充電板的一上表面的該電池組，並根據該偵測結果來監視及控制一充電狀態。
然而，因與一接收器側相連接的一負載側的阻抗或該接收器側的一線圈的電感是固定的，一傳輸器與該接收器之間的一耦合狀態改變，而使得電力傳輸效率降低。
本發明實施例提供一種無線電力傳輸器，藉有效地偵測該無線電力傳輸器與一無線電力接收器之間的一耦合狀態(coupling state)，能主動地控制一負載側的阻抗。本發明實施例也提供該無線電力接收器以及一無線電力傳輸系統的電力傳輸方法。
本發明實施例提供一種無線電力傳輸器，藉有效地偵測該無線電力傳輸器與一無線電力接收器之間的耦合係數狀態(coupling coefficient state)，能改變包含於該無線電力接收器的一線圈的電感。本發明實施例也提供該無線電力接收器以及一無線電力傳輸系統的電力傳輸方法。
根據本發明實施例中提供一種無線電力傳輸器，用來以一無線方法傳輸電力至一無線電力接收器，該無線電力傳輸器包含：一傳輸線圈，配置來將一電源提供的電力利用共振傳輸至該無線電力接收器的一接收線圈；以及一偵測單元，配置來利用該無線電力傳輸器的一輸入阻抗，來偵測該傳輸線圈與該接收線圈之間的一耦合狀態。
該偵測單元在調整該無線電力接收器的輸出阻抗後，藉由量測該無線電力傳輸器的該輸入阻抗，可偵測該耦合狀態。
該無線電力傳輸器更可包含與該傳輸線圈耦合之一傳輸感應線圈，利用電磁感應將一電源提供的該電力傳輸至該傳輸線圈，其中該偵測單元在該無線電力接收器的該輸出阻抗去除後，利用該已量測到的該無線電力傳輸器的該輸入阻抗及該傳輸感應線圈的一電感，可偵測該傳輸線圈與該接收線圈之間的一耦合係數。
該偵測單元在調整該無線電力接收器的輸出阻抗後，可偵測 該耦合狀態，並經由帶內(in-band)通信或帶外(out-of-band)通信來傳輸有關於用來調整該無線電力接收器阻抗的該耦合狀態資訊，至該無線電力接收器。
該偵測單元在調整該無線電力接收器的輸出阻抗後，可偵測 該耦合狀態，並根據該傳輸線圈與該接收線圈之間的該耦合狀態，來決定該無線電力接收器的阻抗變化資訊，並將該已決定的阻抗變化資訊傳輸至該無線電力接收器。
該無線電力接收器的該阻抗變化資訊可包含與用來接收電 力的該接收線圈耦合的一接收感應線圈的阻抗變化資訊，以及一負載側的阻抗變化資訊其中之一。
根據本發明實施例中提供一種無線電力接收器，用來以一無 線方法來接收從一無線電力傳輸器來的電力，該無線電力接收器包含：一接收線圈，配置來接收該無線電力傳輸器之一傳輸線圈利用共振傳來的電力；以及一阻抗變化單元，配置來變化該無線電力接收器的一輸出阻抗，以偵測該傳輸線圈與該接收線圈之間的一耦合狀態。
該阻抗變化單元可包含一開關，用來去除該無線電力接收器 的該輸出阻抗。
該無線電力接收器更可包含一可變的接收感應線圈，根據該 傳輸線圈與該接收線圈之間的該耦合狀態，來變化一電感。
該可變的接收感應線圈可包含複數個電感器以串聯相互連 接，以及複數個開關分別地與該電感器以並聯相連接。
該無線電力接收器可更包含一負載阻抗變化單元，根據該傳 輸線圈與該接收線圈之間的該耦合狀態，來變化一負載側的一阻抗。
該負載阻抗變化單元可包含一電池管理晶片(Battery Management IC)以及一直流/直流轉換器(DC-DC converter)其中之一。
根據本發明實施例中提供一種無線電力傳輸系統的無線電 力傳輸方法，用以傳輸電力至一負載側，該無線電力傳輸方法包含：變化一無線電力接收器之一輸出阻抗；根據該無線電力接收器之已變化之該輸出阻抗，來量測該無線電力傳輸器的一輸入阻抗；以及利用該無線電力傳 輸器已量測的該輸入阻抗，來偵測該無線電力傳輸器的一傳輸線圈與該無線電力接收器之一接收線圈之間的一耦合狀態。
該無線電力接收器之該輸出阻抗的改變可包含調整該輸出阻抗。
該輸出阻抗的調整可包含藉由閉合一與負載側並聯相連接的開關，來去除該無線電力接收器的該輸出阻抗。
該耦合狀態的偵測步驟可包含在去除該輸出阻抗後，利用該已量測到的該無線電力傳輸器的該輸入阻抗及與該接收線圈相連接的一接收感應線圈的電感，來偵測該傳輸線圈與該接收線圈之間的一耦合係數。
該無線電力傳輸方法可更包含根據已偵測到的該傳輸線圈與該接收線圈之間的該耦合狀態，來變化該負載側的一阻抗。
該無線電力傳輸方法可更包含根據已偵測到的該傳輸線圈與該接收線圈之間的該耦合狀態，來變化傳輸該電力至該負載側的一接收感應線圈的一電感。
該無線電力傳輸方法可更包含該無線電力傳輸器經由帶內通信或帶外通信來傳輸有關於已偵測到的該耦合狀態資訊，至該無線電力接收器。
一種記錄媒介，記錄一程式用以執行該無線電力傳輸方法。
根據本發明實施例，藉該無線電力傳輸器與該無線電力接收器之間的一耦合狀態的有效偵測來調整一負載側的阻抗，使得無線電力傳輸系統的電力傳輸效率能被改善。
根據本發明實施例，藉該無線電力傳輸器與該無線電力接收器之間的一耦合狀態的偵測，改變包含於該無線電力接收器之中一線圈的阻抗，使得無線電力傳輸系統的電力傳輸效率能被改善。
同時，在以下說明中，本發明實施例將直接或間接揭露其他各種不同的功效。
1000‧‧‧無線電力傳輸系統
100‧‧‧電源
200‧‧‧無線電力傳輸器
210‧‧‧傳輸單元
211‧‧‧傳輸感應線圈單元
212‧‧‧傳輸共振線圈單元
220‧‧‧偵測單元
300‧‧‧無線電力接收器
310‧‧‧接收單元
311‧‧‧接收共振線圈單元
312‧‧‧接收感應線圈單元
313‧‧‧電感變化單元
320‧‧‧輸出阻抗變化單元
330‧‧‧負載阻抗調整單元
331‧‧‧電池管理IC
332‧‧‧直流/直流轉換器
330‧‧‧負載阻抗調整單元
340‧‧‧儲存單元
350‧‧‧控制單元
400‧‧‧負載側
C1、C2、C3、C4‧‧‧電容器
L1‧‧‧傳輸感應線圈
L2‧‧‧傳輸共振線圈
L3‧‧‧接收共振線圈
L4‧‧‧接收感應線圈
M1、M2、M3‧‧‧互感
R2、R3‧‧‧電阻器
ZLO‧‧‧負載側阻抗
ZL‧‧‧輸出阻抗
Z1‧‧‧第一輸入阻抗
Z2‧‧‧第二輸入阻抗
Z3‧‧‧第三輸入阻抗
S101~S113‧‧‧步驟
S201~S213‧‧‧步驟
圖1繪示根據本發明實施例之一共振無線電力傳輸系統的結構圖；圖2繪示根據本發明實施例之一輸出阻抗變化單元之一開關斷開狀態的電路圖；圖3繪示根據本發明實施例之該輸出阻抗變化單元之該開關閉合狀態的電路圖；圖4繪示根據本發明實施例的一種調整一負載側的阻抗的方法；圖5繪示根據本發明實施例之一無線電力傳輸系統的一無線電力傳輸方法的流程圖；圖6繪示根據本發明實施例一對照表的例子，一耦合係數與一負載側的阻抗相互對應地儲存於其中；圖7繪示根據本發明另一實施例之一種無線電力傳輸系統的結構圖；圖8至圖11繪示當一接收感應線圈單元的電感為固定，電力傳輸效率對應一共振頻率的曲線；圖12至圖15繪示當一電感變化單元根據一耦合係數來變化一接收感應線圈的電感，電力傳輸效率對應一共振頻率的曲線；圖16的曲線完整地顯示圖8至圖15的結果；圖17繪示根據本發明實施例之電感變化單元的一結構例子；以及圖18繪示根據本發明另一實施例之一無線電力傳輸系統的無線電力傳輸方法的流程圖。
下文中，實施例將參考圖式詳細說明，以使熟悉此項技藝者能輕易地實施這些實施例。
圖1繪示根據本發明實施例之一共振無線電力傳輸系統1000的結構圖。
參考圖1，無線電力傳輸系統1000可包含一電源100、一無線電力傳輸器200、一無線電力接收器300、以及一負載側400。
無線電力傳輸器200可包含一傳輸單元210以及一偵測單元220。
傳輸單元210可包含一傳輸感應線圈單元211以及一傳輸共 振線圈單元212。
無線電力接收器300可包含一接收單元310、一輸出阻抗變化單元320、以及一負載阻抗調整單元330。
接收單元310可包含一接收共振線圈單元311以及一接收感應線圈單元312。
電源100可供應電力至無線電力傳輸器200，電源100可供應交流電力至無線電力傳輸器200。
產生自電源100的電力被傳輸至無線電力傳輸器200，無線電力傳輸器200所接收到的電力被傳輸至無線電力接收器300，其與無線電力傳輸器200之間因一共振現象產生共振。從無線電力傳輸器200被傳輸至無線電力接收器300的電力經由一整流器電路傳輸到負載側400(圖未顯示)。負載側400可包含一可充電的電池或其他需要電力的裝置。本實施例中負載側400的一阻抗被表示為符號ZLO。本實施例中負載側400可以是指提供電力至一電子裝置的一電池。
本實施例中負載側400也可被包含至無線電力接收器300之中。
更詳細地說，電源100可提供一具預定頻率的交流電至無線電力傳輸器200。
無線電力傳輸器200的傳輸單元210可包含傳輸感應線圈單元211以及傳輸共振線圈單元212。
傳輸感應線圈單元211連接至電源100，藉從電源100來的該交流電流，交流電流得以流過傳輸感應線圈單元211。當該交流電流流過傳輸感應線圈單元211時，由於電磁感應之故，該交流電流被感應到與傳輸感應線圈單元211實體分離的傳輸共振線圈單元212。
傳輸共振線圈單元212可利用共振將從傳輸感應線圈單元211來的電力傳輸至無線電力接收器300的接收共振線圈單元311。
利用共振，電力可被傳輸於兩個阻抗相匹配的電感電容(LC)電路之間。相較於使用電磁感應傳輸電力，使用共振傳輸電力能以較高的效率將電力傳輸至更遠的距離。
傳輸感應線圈單元211可包含一傳輸感應線圈L1以及一電容器C1，電容器C1的電容可以有一固定的值。
電容器C1的一端可與電源100的一端相連接，電容器C1的另一端可與傳輸感應線圈L1的一端相連接，傳輸感應線圈L1的另一端可與電源100的另一端相連接。
傳輸共振線圈單元212可包含一傳輸共振線圈L2、一電容器C2、以及一電阻器R2。傳輸共振線圈L2可包含有一端與電容器C2的一端相連接，以及另一端與電阻器R2的一端相連接。電阻器R2的另一端可與電容器C2的另一端相連接。電阻器R2的電阻係表示傳輸共振線圈L2的一功率損耗(power loss)量。
偵測單元220可偵測一第一輸入阻抗Z1，其係從電源100朝向無線電力傳輸器200看進而量測出的一阻抗。第一輸入阻抗Z1可利用跨過電源100的一電壓及流過電源100的電路的一電流來偵測。
偵測單元220可利用第一輸入阻抗Z1來偵測無線電力傳輸器200與無線電力接收器300之間的一耦合狀態。本實施例中的該耦合狀態可根據傳輸共振線圈L2與接收共振線圈L3之間的耦合係數來得到。該耦合係數係表示傳輸共振線圈L2與接收共振線圈L3之間的電磁耦合程度，且可藉由傳輸共振線圈L2與接收共振線圈L3之間的位置、方向及距離其中至少一個來變化。
偵測單元220可利用第一輸入阻抗Z1來偵測傳輸共振線圈L2與接收共振線圈L3之間的耦合係數k2。
偵測單元220可利用改變一輸出阻抗來偵測傳輸共振線圈L2與接收共振線圈L3之間的耦合係數k2。更詳細地說，當該輸出阻抗被改變至零，偵測單元220可根據被改變至零的該輸出阻抗來偵測該耦合係數。在本實施例，輸出阻抗ZL可表示從接收單元310往負載側400看進去所得出的一阻抗。
偵測單元220可根據被改變至零的該輸出阻抗來量測該第一輸入阻抗，然後再利用該第一輸入阻抗Z1來偵測耦合係數k2。
該耦合係數係k2表示傳輸共振線圈L2與接收共振線圈L3 之間的一電磁耦合程度，且其可藉由無線電力傳輸系統1000中的無線電力傳輸器200與無線電力接收器300之間的距離、方向及位置其中至少一個來變化。
在共振的無線電力傳輸系統1000中的電力傳輸效率可因耦合係數k2的變化而改變。無線電力傳輸系統1000主動地控制負載側400的阻抗，使得電力傳輸效率可根據耦合係數k2的變化而改善。
為了主動地控制負載側400的阻抗，傳輸共振線圈L2與接收共振線圈L3之間的耦合係數k2是必需的。偵測傳輸共振線圈L2與接收共振線圈L3之間的耦合係數k2的一詳細步驟將在以下被描述。
無線電力接收器300包含一接收單元310、一輸出阻抗變化單元320、以及一負載阻抗調整單元330。無線電力接收器300更可包含一控制單元(圖未顯示)。
接收單元310可包含一接收共振線圈單元311以及一接收感應線圈單元312。
接收共振線圈單元311可包含一接收共振線圈L3、一電容器C3以及一電阻器R3。接收共振線圈L3可包含有一端與電容器C3的一端相連接，以及另一端與電阻器R3的一端相連接。電阻器R3的另一端與電容器C3的另一端相連接。電阻器R3的電阻係表示由於接收共振線圈L3的功率損耗而造成的電力損耗量。
接收感應線圈單元312包含一接收感應線圈L4，感應線圈L4具有二端與阻抗變化單元320的二端及一電容器相連接(圖未顯示)。接收感應線圈單元312可由具有適合的電感及電容值的一電路所構成。
接收共振線圈單元311與傳輸共振線圈單元212在該共振頻率可維持該共振狀態。也就是說，接收共振線圈單元311鬆散地耦合(loosely-coupled)至傳輸共振線圈單元212致使一交流電流流過其中。因此，無線電力傳輸器200可以一非幅射的方法傳輸電力至無線電力接收器300側。
接收感應線圈單元312可藉由電磁感應來接收從接收共振線圈單元311來的電力。接收感應線圈單元312所接收的電力經由一整流 器電路(圖未顯示)整流後，被傳輸到負載側400。
輸出阻抗變化單元320可包含一開關SW及一電容器C4。該開關SW可包含有一端與電容器C4的一端相連接，以及另一端與負載側400的一端相連接。負載側400的另一端與電容器C4的另一端相連接。
阻抗變化單元320可改變一輸出阻抗ZL，其係由接收感應線圈L4往負載側400看進去所得出。阻抗變化單元320可經由該開關SW來變化該輸出阻抗，使得第一輸入阻抗Z1可被變化。
該開關SW在一預定的週期可閉合一預定的時間。該預定的時間可以是1秒，該預定的週期可以是100微秒(us)，但本實施例不侷限於此。
該控制單元(圖未顯示)應用一控制信號至該開關SW，使得該開關SW可被斷開或閉合。
負載阻抗調整單元330可根據傳輸共振線圈L2與接收共振線圈L3之間的耦合係數係k2來變化負載側400的阻抗。
負載阻抗調整單元330可經由二種方法來變化跨負載側400的一阻抗。這二種方法將參考圖4及圖5來說明。
以下，一種藉由量測第一輸入阻抗Z1被輸出阻抗變化單元320變化，來偵測傳輸共振線圈L2與接收共振線圈L3之間的耦合係數係k2的方法將參考圖2至圖3來說明。
第三輸入阻抗Z3表示在接收共振線圈L3往負載側400看進的一量測阻抗，其可以方程式1來表示。
其中ω表示傳輸共振線圈L2與接收共振線圈L3之間的一共振頻率，M3可以是接收共振線圈L3與接收感應線圈L4之間的一互感(mutual inductance)。再者，ZL可以表示一輸出阻抗。方程式1係構築於頻域(frequency domain)上，將在以下說明的方程式也構築於頻域上。
第二輸入阻抗Z2係表示由無線電力傳輸器200往無線電力 接收器300看進的一量測阻抗，其可以方程式2來表示。
其中M2可表示傳輸共振線圈L2與接收共振線圈L3之間的一互感，C3可表示相對應於接收共振線圈單元311的一等效電路的一電容器。再者，R3係表示相對應於因接收共振線圈L3的功率損耗所造成的功率損耗總量的一電阻。
雖然電容器C3與漏電(leakage)電阻器R3可以有固定值，互感M2可根據傳輸共振線圈L2與接收共振線圈L3之間的一耦合係數k2來變化。
第一輸入阻抗Z1值係在電源100往無線電力傳輸器200看進而量測出的一阻抗，其可以方程式3來表示。
其中M1可表示傳輸感應線圈L1與傳輸共振線圈L2之間的一互感。
若假設R1與R2有非常小的值，R1與R2可以為‘0’(零)。除此，若第一輸入阻抗Z1被選定，使得傳輸感應線圈L1及電容器C1之間、傳輸共振線圈L2及電容器C2之間、以及接收共振線圈L3與電容器C3之間的共振發生於相同的共振頻率ω，則第一輸入阻抗Z1可以方程式4來表示。
再者，如果將以下的方程式5至方程式7代入方程式4，方程式4可以方程式8來表示。
方程式5
其中M1可表示傳輸感應線圈L1與傳輸共振線圈L2之間的一互感，k1可表示傳輸感應線圈L1與傳輸共振線圈L2之間的一耦合係數。
其中M2可表示傳輸共振線圈L2與接收共振線圈L3之間的一互感，k2可表示傳輸共振線圈L2與接收共振線圈L3之間的一耦合係數。
其中M3可以是接收共振線圈L3與接收感應線圈L4之間的一互感，K3可表示接收共振線圈L3與接收感應線圈L4之間的一耦合係數。
如果將以下的方程式5至方程式7代入方程式4，方程式4可以方程式8來表示。
參考方程式8，隨著輸出阻抗ZL變化，第一輸入阻抗Z1可隨著變化。此步驟將參考圖2及圖3來詳細說明。
該控制單元(圖未顯示)應用一控制信號至阻抗變化單元320使得阻抗變化單元320被控制。該控制信號可包含一驅動信號，用以使該開關SW可被斷開或閉合。
以下將參考圖2及圖3來說明，輸出阻抗ZL及第一輸入阻抗Z1根據開關SW是斷開或閉合的變化。
圖2繪示根據本實施例阻抗變化單元320的開關SW斷開狀 態的電路圖。
當該開關SW是斷開時，輸出阻抗變化單元320可被表示為如圖2所繪示的電路圖。
在此例輸出阻抗ZL可以方程式9來表示。
若接收感應線圈L4及電容器C4的值被選定，使接收感應線圈L4及電容器C4可相互共振於共振頻率ω，方程式8的第一輸入阻抗Z1可以方程式10來表示。
在方程式10中，k1可表示傳輸感應線圈L1與傳輸共振線圈L2之間的一耦合係數，k3可表示接收共振線圈L3與接收感應線圈L4之間的一耦合係數。k1與k3可為固定及已知。
共振頻率ω、傳輸感應線圈L1與接收感應線圈L4可為固定及已知。然而，耦合係數係k2可藉由無線電力傳輸器200與無線電力接收器300之間的位置、方向及距離來變化。當使用具有一可變阻抗的一負載，負載側400的阻抗ZLO可被改變，偵測耦合係數K2是困難的。
以下，一種偵測耦合係數係k2的步驟將參考圖3來說明。
圖3繪示阻抗變化單元320的開關SW閉合狀態的電路圖。
當開關SW是閉合時，輸出阻抗變化單元320可被表示為如圖3所繪示的電路圖。
在此例輸出阻抗ZL可以方程式11來表示。
方程式11 ZL=0
若接收感應線圈L4及電容器C4的值被選定用以相互共振於共振頻率ω，方程式8的第一輸入阻抗Z1可以方程式12來表示。
k1可表示傳輸感應線圈L1與傳輸共振線圈L2之間的一耦合係數，k3可表示接收共振線圈L3與接收感應線圈L4之間的一耦合係數。k1與k3可為固定及已知。
共振頻率ω及傳輸感應線圈L1的電感可為固定及已知。
因此，若藉由偵測單元220來量測第一輸入阻抗Z1，可得到耦合係數k2。在本實施例中，當輸入至無線電力傳輸器200的一電壓為固定，偵測單元220偵測輸入至無線電力傳輸器200的一電流，使得第一輸入阻抗Z1可以被量測。
若可得到耦合係數k2，藉由根據耦合係數K2來變化負載側400的阻抗，則電力傳輸效率可以提升。負載側400的阻抗可經由主動控制來變化。一種調整負載側400的阻抗的方法將參考圖4在以下來說明。
特別的是，在啟動電力傳輸之前或當傳輸電力至無線電力接收器300時，當必需週期地偵測傳輸共振線圈L2與接收共振線圈L3之間的耦合係數k2時，如圖3所示，開關SW為閉合而獲得耦合係數k2。
當開關SW為閉合，電力不再從無線電力傳輸器200被傳輸至負載側400。因此，當電力傳輸中偵測耦合係數k2時，開關SW為閉合狀態的時間必需降低。在本實施例中，在1秒的時間週期，開關SW可閉合100微秒(us)。在此例中電力傳輸的失敗率為一萬分之一，其不會造成電力傳輸的嚴重影響。
圖4繪示根據本實施例的一種調整負載側400的阻抗的方法。
無線電力接收器300的負載阻抗調整單元330可根據已偵測到的耦合係數k2來調整負載側400的阻抗。該調整負載側400的阻抗的方法可利用以下二種方法來實施。
一種方法是利用一電池管理晶片331，在其後面與負載側400的一端及另一端相連接，來調整負載側400的阻抗。
電池管理晶片331係調整流經一電池的電流量的一裝置。
參考圖4(a)，負載側400的阻抗可以以下的方程式13來表示。
其中IC表示一經由該電池管理晶片調整的電流，VC表示一施加在負載側400的電壓。在此例，負載側400可表示一電池，用以提供必需的電力來操作一電子裝置。
當VC的值為已知，輸入至負載側400的電流IC可經由電池管理晶片331來調整，使得負載側400的阻抗ZLO可經由方程式13來調整。
另一種方法是利用一直流/直流轉換器332，其設置於負載側400的兩端，來調整負載側400的阻抗。
直流/直流轉換器332執行將一直流電壓轉換為另一直流電壓的功能，其被歸類為切換式(switching type)及線性式(linear type)。較佳的是使用切換式直流/直流轉換器，切換式將一不穩定的直流電流轉換，使輸出側得到一合適的電流，該不穩定的直流電流係由一切換電路將交流電流整流為一脈衝電流所產生。
參考圖4(b)，負載側400的阻抗可用以下的方程式14來表示。在此例，負載側400的阻抗ZLO可替換為Rin，現存的負載阻抗ZLO可為固定。
其中Ed表示直流/直流轉換器332的一效率，Vout表示一施加在負載阻抗ZLO的電壓，Vin表示一施加在負載側400的電壓，Rin可表示一往直流/直流轉換器332看進而量測出的一阻抗。
概括說來，因直流/直流轉換器332的效率Ed、施加在負載側400的電壓Vin及現存的負載阻抗有固定值，無線電力接收器300可改變施加在負載阻抗ZLO的電壓，藉此來調整負載側400替換的負載阻抗Rin。
圖5繪示根據本實施例之一無線電力傳輸系統的無線電力傳輸方法的流程圖。
以下，根據本實施例的無線電力傳輸方法將搭配圖1至圖4來說明。
首先，在步驟S101，無線電力接收器300的一輸出阻抗變化單元320改變一輸出阻抗。如圖1所示，輸出阻抗ZL表示從接收單元310往負載側400看進所量測出的阻抗，本實施例阻抗變化單元320可包含開關SW，且可利用開關SW來變化該輸出阻抗。
輸出阻抗變化單元320施加一閉合信號至開關SW，使得開關SW在一預定的週期可閉合一預定的時間。該預定的時間可以是1秒，預定的週期可以是100微秒，但本實施例不侷限於此。一變化輸出阻抗的步驟與在圖2及圖3已說明的是相同的，因此其中詳細的說明適當地省略。
然後，無線電力傳輸器200的偵測單元220根據已變化的輸出阻抗，來量測從電源100朝向無線電力傳輸器200看進而得出的一輸入阻抗(步驟S103)。在本實施例，當無線電力傳輸器200的一輸入電壓是已知的，偵測單元220可偵測無線電力傳輸器200的一輸入電流，根據該已偵測的輸入電流，來量測出一第一輸入阻抗Z1。
之後，無線電力傳輸器200的偵測單元220利用已量測的該輸入阻抗，來偵測傳輸單元210的傳輸共振線圈L2與接收單元310的接收共振線圈L3之間的一耦合係數(步驟S105)。一個由偵測單元220來偵測耦合係數的步驟與在圖3所繪示說明的是相同的。
之後，無線電力接收器300接收從無線電力傳輸器200來的已偵測到的該耦合係數(步驟S107)。無線電力接收器300可經由帶內通信或帶外通信來接收從無線電力傳輸器200來的該耦合係數。本實施例已說明從無線電力傳輸器200傳輸至無線電力接收器300的資訊是關於該耦合係數的資訊，但傳輸資訊並不侷限於此。也就是說，該傳輸資訊可包含代 表傳輸共振線圈L2與接收共振線圈L3之間的一耦合狀態的資訊，以及關於無線電力接收器300根據該耦合狀態來變化負載側400的阻抗的資訊。
該帶內通信可以是指無線電力傳輸器200與無線電力接收器300之間交換資訊的通信，其係經由具有使用在無線電力傳輸中一頻率的一信號來通信。
該帶外通信是指通信的執行除了共振的頻帶以外，係經由一特定的頻帶，以交換電力傳輸所需的資訊。無線電力傳輸器200與無線電力接收器300能配備帶外通信模組來交換電力傳輸所需的資訊。該帶外通信模組可安裝於電力供應裝置。在一實施例中，該帶外通信模組可使用一短距離通信技術，例如藍牙(Bluetooth)、Zigbee、無線區域網路(WLAN)或近距離無線通信(NFC)，但本實施例並不侷限於此。
接著，無線電力接收器300根據已接收到的該耦合係數來決定負載側400的阻抗(步驟S109)。無線電力接收器300更可包含一儲存單元(圖未顯示)，該耦合係數與負載側400的阻抗相互對應地儲存於其中。無線電力接收器300可接收從無線電力傳輸器200來的已偵測到的該耦合係數，並可利用已接收到的該耦合係數來決定負載側400的阻抗，這將參考圖6來詳細說明。
圖6繪示根據本實施例一對照表的例子，該耦合係數與負載側400的阻抗相互對應地儲存於其中。
參考圖6，該耦合係數與負載側400的阻抗相互對應。也就是說，無線電力接收器300的該儲存單元(圖未顯示)儲存一對照表，該耦合係數與負載側400的阻抗相互對應地儲存於對照表中，使得無線電力傳輸器200與無線電力接收器300之間的電力傳輸效率極大化。
無線電力接收器300可接收從無線電力傳輸器200來的已偵測到的該耦合係數，來搜索相應於已接收到的該耦合係數的負載側400阻抗。無線電力接收器300可經由搜索來決定負載側400的阻抗。
在本實施例中，該儲存單元(圖未顯示)可包含在無線電力傳輸器200中。也就是說，無線電力傳輸器200可儲存一對照表，該耦合係數與負載側400的阻抗相互對應地儲存於對照表中，無線電力傳輸器200 可決定相應於該已偵測到的耦合係數的阻抗，並可經由帶內通信或帶外通信來傳輸有關於該已決定的負載阻抗的資訊至無線電力接收器300。因有關於該已決定的負載阻抗的資訊係負載阻抗根據已偵測到的耦合係數來變化的資訊，關於該已決定的負載阻抗的資訊可以是指無線電力接收器300阻抗變化的資訊。
無線電力接收器300的負載阻抗調整單元330利用從無線電力傳輸器200接收來的有關於負載阻抗的資訊，可變化負載側400的阻抗。
回去參考圖5，無線電力接收器300根據該已決定的阻抗來調整負載側400的阻抗(步驟S111)。
無線電力接收器300根據該已調整的負載側400的阻抗來接收從無線電力傳輸器200來的電力(步驟S113)。
如上所述，本實施例根據傳輸共振線圈L2與接收單元310的接收共振線圈L3之間偵測到的耦合係數，藉由變化負載側400的阻抗，能改善電力傳輸效率。
以下的一實施例說明，根據無線電力傳輸器200與無線電力接收器300之間的耦合係數，來變化接收感應線圈單元312的電感。
以下根據另一實施例將搭配圖1至圖3來說明，一種無線電力傳輸系統及其無線電力傳輸方法。
圖7繪示根據另一實施例的一種無線電力傳輸系統的結構圖。
參考圖7，根據另一實施例，無線電力傳輸系統1000可包含一電源100、一無線電力傳輸器200、一無線電力接收器300以及一負載側400。
電源100及無線電力傳輸器200與在圖1所示的電源100及無線電力傳輸器200有實質相同的功能，因此其中詳細的說明適當地省略。
無線電力接收器300可包含一接收單元310、一電感變化單元313、一輸出阻抗變化單元320、一儲存單元340以及一控制單元350。
接收單元310可包含一接收共振線圈單元311以及一接收感 應線圈單元312。
收共振線圈單元311經由與傳輸共振線圈單元212相耦合共振，可接收從傳輸共振線圈單元212來的電力。接收共振線圈單元311以及接收感應線圈單元312與在圖1所繪示的有相同的結構。
輸出阻抗變化單元320可變化從電感變化單元313往負載側400看進的一輸出阻抗ZL，將在以下來說明。
電感變化單元313藉由電磁感應，可接收從接收共振線圈單元311來的電力，並可將該接收到的電力傳遞至負載側400。
電感變化單元313基本地可相當於圖1所繪示的接收感應線圈單元312。
當接收從無線電力傳輸器200來的耦合係數k2，電感變化單元313根據該接收到的耦合係數k2，可變化接收感應線圈單元312的阻抗。電感變化單元313可以是一可變的接收感應線圈，用來變化接收感應線圈單元312的電感。為了使無線電力傳輸器200與無線電力接收器300之間傳輸效率極大化，該電感根據該耦合係數k2來變化。這將參考圖8至圖15來說明。
儲存單元340可儲存該耦合係數k2與相互對應的接收感應線圈單元312的阻抗。也就是說，無線電力接收器300的儲存單元340儲存一對照表，該耦合係數k2與接收感應線圈單元312的阻抗相互對應地儲存於對照表中，使得無線電力傳輸器200與無線電力接收器300之間的電力傳輸效率極大化。
無線電力接收器300可接收從無線電力傳輸器200來的該已偵測到的耦合係數，從儲存單元340來搜索相應於該已接收到的耦合係數的接收感應線圈單元312的電感，並可經由該搜索來決定接收感應線圈單元312的該電感。
在本實施例中，儲存單元340可包含在無線電力傳輸器200之中。也就是說，無線電力傳輸器200可儲存一對照表，該耦合係數與接收感應線圈單元312的阻抗相互對應地儲存於對照表中。無線電力傳輸器200可決定相應於該已偵測到的耦合係數的接收感應線圈單元312的電 感，並可經由帶內通信或帶外通信來傳輸有關於該已決定的電感的資訊。因有關於該已決定的接收感應線圈單元312的電感資訊係負載阻抗根據已偵測到的耦合係數來變化的資訊，關於該已決定的接收感應線圈單元312的電感資訊可以是指無線電力接收器300阻抗變化的資訊。
無線電力接收器300的電感變化單元313利用從無線電力傳輸器200來的有關於已決定的電感的資訊，可變化接收感應線圈單元312的阻抗。
以下將參考圖8至圖15來說明根據接收感應線圈單元312的電感，電力傳輸效率的變化。
圖8至圖11繪示當接收感應線圈單元312的電感為固定如圖1所示，電力傳輸效率根據一共振頻率的曲線圖。圖12至圖15繪示當電感變化單元313根據一耦合係數k2來變化接收感應線圈L4的電感，電力傳輸效率對照一共振頻率的曲線圖。
假設在圖8至圖11的接收感應線圈L4的阻抗為5微亨利(uH)，一共振頻率為308千赫(KHz)。然而，本實施例不侷限於308 KHz。
在本實施例，當無線電力傳輸器200以一無線方法傳輸電力至接收單元310，從無線電力傳輸器200傳輸至接收單元310的電力可有不同的頻帶，本實施例不同的頻帶可有三類型頻帶。
一第一頻帶可以是在110 KHz至205 KHz的範圍，並可有一頻帶使用於無線充電聯盟(Wireless Power Consortium；WPC)，其係經由電磁感應以無線方法傳輸電力的技術規格。
一第二頻帶可以是6.78兆赫(MHz)，或可有一頻帶使用於無線充電聯盟(Alliance for Wireless Power；A4WP)，其係經由共振以無線方法傳輸電力的技術規格。
一第三頻帶可以是在206 KHz至300 KHz的範圍，並可有一頻帶使用於電力事業聯盟(Power Matters Alliance；PMA)，其係經由電磁感應以無線方法傳輸電力的技術規格。
然而，以上所述頻帶僅係為舉例說明的目的。
在圖8至圖15中，水平軸指示一頻率(單位：兆赫MHz)， 垂直軸指示無線電力傳輸器200與無線電力接收器300之間的電力傳輸效率(單位：百分比%)。
首先，圖12與圖8相比較，其中耦合係數k2為0.1。
參考圖8，當接收感應線圈L4的電感固定為5 uH，在共振頻率308 KHz的電力傳輸效率為約58%。在圖12的例子，當接收感應線圈L4的電感變化為20uH，在共振頻率308 KHz的電力傳輸效率增加為約85%。在一近似共振頻率308 KHz的頻帶，電力傳輸效率實質維持固定。
也就是說，若接收感應線圈L4的電感相應於耦合係數k2來變化，電力傳輸效率確定可被改善。
接著，當耦合係數K2為0.05，圖13與圖9相比較。
參考圖9，當接收感應線圈L4的電感固定為5 uH，在共振頻率308 KHz的電力傳輸效率為約75%。在圖13的例子，當接收感應線圈L4的電感變化為5uH，在共振頻率308 KHz的電力傳輸效率增加為約75%，其與在圖9的電力傳輸效率是相同的。
也就是說，在耦合係數K2為0.05的例子中，若接收感應線圈L4的電感為5uH，在一共振頻帶的電力傳輸效率是最佳化的。
之後，圖14與圖10相比較，其中耦合係數k2為0.03。
參考圖10，當接收感應線圈L4的電感固定為5 uH，在共振頻率308 KHz的電力傳輸效率為約68%。在圖14的例子，當接收感應線圈L4的電感變化為4uH，在共振頻率308 KHz的電力傳輸效率增加為約68%，與在圖10的電力傳輸效率是類似的，但電力傳輸效率在共振頻率308 KHz的頻帶可較大幅改善。
也就是說，當接收感應線圈L4的電感相應於耦合係數k2來變化，電力傳輸效率可被改善。
之後，圖15與圖11相比較，其中耦合係數K2為0.01。
參考圖11，當接收感應線圈L4的電感固定為5 uH，在共振頻率308 KHz的電力傳輸效率為約27%。在圖15的例子，當接收感應線圈L4的電感變化為1.5uH，在共振頻率308 KHz的電力傳輸效率增加為約34%，使電力傳輸效率能改善。
也就是說，當接收感應線圈L4的電感相應於耦合係數k2來變化，電力傳輸效率可被改善。
圖16的曲線完整地顯示圖8至圖15的結果。
圖16的曲線繪示在接收感應線圈L4為固定電感的情況，以及根據耦合係數k2來變化電感的情況下，電力傳輸效率E的變化。
參考圖16，曲線A繪示當接收感應線圈L4的電感為固定下，電力傳輸效率E根據耦合係數k2變化的改變。曲線B繪示當電感變化單元313根據耦合係數k2，來變化接收感應線圈L4的電感，電力傳輸效率E根據耦合係數k2的變化。
如圖16所繪示，相較於接收感應線圈L4的電感為固定的情況，在接收感應線圈L4的電感被電感變化單元313根據耦合係數k2來變化的情況下，電力傳輸效率E可被改善。
圖7又再被說明。
為了變化在圖1所示的接收感應線圈L4的電感，電感變化單元313可以不同的方式來實現。在本實施例中，電感變化單元313可藉複數個電感器及複數個開關來變化接收感應線圈L4的電感，該電感變化單元313的結構將參考圖17來說明。
圖17繪示根據本實施例電感變化單元313的一結構例子。
參考圖17，根據本實施例電感變化單元313可包含複數個電感器313a及複數個開關313b。電感變化單元313可包含4個電感器及4個開關，但本實施例不侷限於4個電感器及4個開關。
電感器313a的電感可相同或彼此不相同。
每個電感器313a的一端與每個開關313b並聯相連接。電感器313a彼此以串聯相連接使得電感可增加，電感器313a彼此以並聯相連接使得電感可降低。
無線電力接收器300的控制單元350可接收從無線電力傳輸器200來的耦合係數k2，並決定相應於該接收的耦合係數k2的電感。
根據該已決定的電感，電感變化單元313可藉閉合或斷開至少一個開關313b來變化電感變化單元313的電感。當4個開關313b全為 斷開時，4個電感器313a彼此以串聯相連接，串聯相連接的該電感器可相當於圖1的接收感應線圈單元312。
電感變化單元313可藉電感器313a的組合，來取得已決定 的該電感。因此，無線電力傳輸器200與無線電力接收器300之間的電力傳輸效率可最佳化。
回去參考圖7，儲存單元340可儲存該耦合係數k2與相互對 應的接收感應線圈L4的電感。也就是說，儲存單元340以一對照表的形式可儲存該耦合係數k2與相互對應的接收感應線圈L4的電感。
控制單元350可控制無線電力接收器300全部的操作。
特別的是，控制單元350可應用一控制信號至電感變化單元 313中各別的開關313b，使得接收感應線圈L4的電感對應由偵測單元220偵測到的耦合係數k2。在本實施例，該控制信號可以是被傳遞到至少一個開關的一斷開或閉合信號。
圖18繪示根據另一實施例之一無線電力傳輸系統的無線電 力傳輸方法的流程圖。
以下將參考圖1至圖17來說明根據另一實施例之無線電力 傳輸系統的無線電力傳輸方法。
首先，步驟S201至步驟S207與圖5繪示的步驟S101至步 驟S107是相同的，因此其中詳細的說明適當地省略。
無線電力接收器300根據從無線電力傳輸器200接收來的一 耦合係數來決定接收感應線圈L4的電感(步驟S209)。在本實施例，無線電力接收器300可接收從無線電力傳輸器200來的已偵測到的該耦合係數，來搜索相應於該已接收到的耦合係數的接收感應線圈L4的電感。無線電力接收器300可經由該搜索來決定接收感應線圈L4的電感。
之後，無線電力接收器300的一電感變化單元313根據該已 決定的電感來變化接收感應線圈L4的電感(步驟S211)。一種變化電感的方法與在圖17所繪示說明的是相同的。
無線電力接收器300根據接收感應線圈L4電感的變化來接 收從無線電力傳輸器200來的電力(步驟S213)。
雖然已參考許多說明性實施例來描述實施例，但應理解，可由熟習此項技術者設計的許多其他修改及實施例將落入本揭示案之原理之精神及範疇內。更特定言之，在本揭示案、圖式及所附申請專利範圍之範疇內的所主張之組合配置之零部件及/或配置的各種變化及修改為可能的。除了零部件及/或配置之變化及修改外，對於熟習此項技術者而言，替代用途亦將為顯而易見的。
在本實施例，藉由電磁感應來傳輸電力的方法可表示具有相對低Q值的緊密耦合(tight coupling)，藉由共振來傳輸電力的方法可表示具有相對高Q值的鬆散耦合(loose coupling)。
1000‧‧‧無線電力傳輸系統
100‧‧‧電源
200‧‧‧無線電力傳輸器
210‧‧‧傳輸單元
211‧‧‧傳輸感應線圈單元
212‧‧‧傳輸共振線圈單元
220‧‧‧偵測單元
300‧‧‧無線電力接收器
310‧‧‧接收單元
311‧‧‧接收共振線圈單元
312‧‧‧接收感應線圈單元
320‧‧‧輸出阻抗變化單元
330‧‧‧負載阻抗調整單元
400‧‧‧負載側
C1、C2、C3、C4‧‧‧電容器
L1‧‧‧傳輸感應線圈
L2‧‧‧傳輸共振線圈
L3‧‧‧接收共振線圈
L4‧‧‧接收感應線圈
M1、M2、M3‧‧‧互感
R2、R3‧‧‧電阻器
ZLO‧‧‧負載側阻抗
ZL‧‧‧輸出阻抗
Z1‧‧‧第一輸入阻抗
Z2‧‧‧第二輸入阻抗
Z3‧‧‧第三輸入阻抗

Claims (20)

  1. 一種無線電力傳輸器，用來以一無線方法傳輸電力至一無線電力接收器，該無線電力傳輸器包含：一傳輸線圈，配置來將一電源提供的電力利用共振傳輸至該無線電力接收器的一接收線圈；以及一偵測單元，配置來利用該無線電力傳輸器的一輸入阻抗，以偵測該傳輸線圈與該接收共振線圈之間的一耦合狀態。
  2. 如專利申請範圍第1項所述之無線電力傳輸器，其中該偵測單元在調整該無線電力接收器的輸出阻抗後，藉由量測該無線電力傳輸器的該輸入阻抗，來偵測該耦合狀態。
  3. 如專利申請範圍第2項所述之無線電力傳輸器，更包含與該傳輸線圈耦合之一傳輸感應線圈，利用電磁感應將一電源提供的該電力傳輸至該傳輸線圈，其中該偵測單元在該無線電力接收器的輸出阻抗去除後，利用該已量測到的該無線電力傳輸器的該輸入阻抗及該傳輸感應線圈的一電感，來偵測該傳輸線圈與該接收線圈之間的一耦合係數。
  4. 如專利申請範圍第1項所述之無線電力傳輸器，其中該偵測單元在調整該無線電力接收器的輸出阻抗後，偵測該耦合狀態，並經由帶內通信或帶外通信來傳輸有關於用來調整該無線電力接收器的阻抗的該耦合狀態的資訊，至該無線電力接收器。
  5. 如專利申請範圍第1項所述之無線電力傳輸器，其中該偵測單元在調整該無線電力接收器的輸出阻抗後，偵測該耦合狀態，並根據該傳輸線圈與該接收線圈之間的該耦合狀態，來決定該無線電力接收器的阻抗變化 資訊，並將該已決定的阻抗變化資訊傳輸至該無線電力接收器。
  6. 如專利申請範圍第5項所述之無線電力傳輸器，其中該無線電力接收器的該阻抗變化資訊包含耦合該接收線圈之間的一接收感應線圈的阻抗變化資訊，以及一負載側的阻抗變化資訊其中之一。
  7. 一種無線電力接收器，用來以無線方法來接收從一無線電力傳輸器來的電力，該無線電力接收器包含：一接收線圈，配置來接收該無線電力傳輸器之一傳輸線圈利用共振傳來的電力；以及一阻抗變化單元，配置來變化該無線電力接收器的一輸出阻抗，以偵測該傳輸線圈與該接收線圈之間的一耦合狀態。
  8. 如專利申請範圍第7項所述之無線電力接收器，其中該阻抗變化單元包含一開關，用來去除該無線電力接收器的該輸出阻抗。
  9. 如專利申請範圍第7項所述之無線電力接收器，更包含一可變的接收感應線圈，根據該傳輸線圈與該接收線圈之間的該耦合狀態，配置來變化一電感。
  10. 如專利申請範圍第9項所述之無線電力接收器，其中該可變的接收感應線圈包含複數個電感器以串聯相互連接，以及複數個開關分別地與該電感器以並聯相連接。
  11. 如專利申請範圍第7項所述之無線電力接收器，更包含一負載阻抗變化單元，根據該傳輸線圈與該接收線圈之間的該耦合狀態，配置來變化一負載側的一阻抗。
  12. 如專利申請範圍第11項所述之無線電力接收器，其中該負載阻抗變化單 元包含一電池管理晶片以及一直流/直流轉換器其中之一。
  13. 一種無線電力傳輸系統的無線電力傳輸方法，用以傳輸電力至一負載側，該無線電力傳輸方法包含：變化一無線電力接收器之一輸出阻抗；根據該無線電力接收器之該已變化之該輸出阻抗，來量測一無線電力傳輸器的一輸入阻抗；以及利用該無線電力傳輸器之該已量測的該輸入阻抗，來偵測該無線電力傳輸器的一傳輸線圈與無線電力接收器之一接收線圈之間的一耦合狀態。
  14. 如專利申請範圍第13項所述之無線電力傳輸方法，其中該變化該無線電力接收器之該輸出阻抗的包含調整該輸出阻抗。
  15. 如專利申請範圍第14項所述之無線電力傳輸方法，其中該調整該輸出阻抗包含藉由閉合一與該負載側並聯相連接的開關，來去除該無線電力接收器的該輸出阻抗。
  16. 如專利申請範圍第15項所述之無線電力傳輸方法，其中該偵測該耦合狀態包含在去除該輸出阻抗後，利用該已量測到的該無線電力傳輸器的該輸入阻抗及與該接收線圈相連接的一接收感應線圈的電感，來偵測該傳輸線圈與該接收線圈之間的一耦合係數。
  17. 如專利申請範圍第13項所述之無線電力傳輸方法，更包含根據已偵測到的該傳輸線圈與該接收線圈之間的該耦合狀態，來變化該負載側的一阻抗。
  18. 如專利申請範圍第13項所述之無線電力傳輸方法，更包含根據已偵測到 的該傳輸線圈與該接收線圈之間的該耦合狀態，來變化傳輸電力至該負載側的一接收感應線圈的一電感。
  19. 如專利申請範圍第13項所述之無線電力傳輸方法，更包含該無線電力傳輸器經由帶內通信或帶外通信來傳輸有關於已偵測到的該耦合狀態資訊，至該無線電力接收器。
  20. 一種非過渡(non-transitory)的記錄媒介，記錄一程式用以執行根據專利申請範圍第13項所述之無線電力傳輸方法。
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