TW201603435A - 諧振型非接觸供電裝置和電能接收端 - Google Patents

Abstract

揭示了一種諧振型非接觸供電裝置和電能接收端，高頻電源，輸出具有預定頻率的高頻交流電；發射側諧振電路，包括發射線圈，用於從所述高頻電源接收所述高頻交流電；接收側諧振電路，包括接收線圈，所述接收線圈與所述發射線圈分離地以非接觸方式耦合，所述接收側諧振電路用於從所述發射線圈接收電能；以及接收側並聯電容，並聯連接在所述接收側諧振電路的輸出埠；其中，所述接收側並聯電容的電容值與所述預定頻率對應的角頻率值的平方和預定互感值的乘積成反比，所述預定互感值為所述發射線圈和所述接收線圈以所述預定耦合係數耦合時的互感值。使得諧振型非接觸供電裝置能夠在在預定頻率下工作時獲得穩定的輸出電壓。

Description

諧振型非接觸供電裝置和電能接收端

本發明關於電力電子技術，具體關於一種諧振型非接觸供電裝置和電能接收端。

非接觸供電技術基於其方便實用的特點而廣泛應用於電子產品領域，尤其是小功率電子產品行業如行動電話、MP3播放機、數碼照相機、可擕式電腦等。現有技術的非接觸供電裝置通常包含有一個由發射線圈L1和接收線圈L2構成的變壓器，通常利用變壓器初、次級線圈間磁場耦合的性能將能量從電能發射端向電能接收端傳送。

在電能傳輸的過程中，在電能傳輸的過程中，受外界障礙物(如導磁性物體等)、電能接收端負載、電路工作溫度變化、線圈的位置關係變化等各方面的影響，往往導致諧振電路中收發線圈電感量變化，從而引起諧振頻率的變化，即失諧，這會使得系統傳輸效率將迅速下降。

現有技術的無線電能傳輸系統多工作於系統自感諧振頻率，系統自感諧振頻率是指能使發射端和接收端的電容和線圈的自感的阻抗相互抵消的頻率。但是，工作在自感 諧振頻率下時，接收側向負載提供電流並不穩定，效率不高，而且控制較複雜。

有鑑於此，提供一種諧振型非接觸供電裝置和電能接收端，可以使得所述諧振型非接觸供電裝置能夠在耦合係數發生變化時仍保持穩定的輸出電壓，消除系統諧振頻率變化引起的失諧對傳輸效率的影響。

第一方面，提供一種諧振型非接觸供電裝置，包括：高頻電源，輸出具有預定頻率的高頻交流電；發射側諧振電路，包括發射線圈，用於從所述高頻電源接收所述高頻交流電；接收側諧振電路，包括接收線圈，所述接收線圈與所述發射線圈分離地以非接觸方式耦合，所述接收側諧振電路用於從所述發射線圈接收電能；以及接收側並聯電容，並聯連接在所述接收側諧振電路的輸出埠；其中，所述預定頻率為所述發射線圈和所述接收線圈以預定耦合係數耦合時的漏感諧振頻率，所述接收側並聯電容的電容值與所述預定頻率對應的角頻率值的平方和預定互感值的乘積成反比，所述預定互感值為所述發射線圈和所述接收線圈以所述預定耦合係數耦合時的互感值。

較佳地，所述接收側並聯電容的電容值等於1/nω ₁ ² L _M ； 其中，ω ₁為所述預定頻率對應的角頻率值，L_M為所述預定互感值，n為大於等於1.5小於等於2.5的值。

較佳地，n等於2。

較佳地，所述接收側諧振電路還包括諧振電容，所述預定頻率等於； 其中，L_d為所述接收線圈的電感值，L_M為所述預定互感值，C_d為所述接收側諧振電路的諧振電容值。

較佳地，所述預定耦合係數等於，k_min為耦合係數最小值，k_max為耦合係數最大值。

較佳地，所述發射側諧振電路和所述接收側諧振電路具有相同的諧振頻率。

第二方面，提供一種諧振型非接觸電能接收端，包括：接收側諧振電路，包括接收線圈，所述接收線圈與發射線圈分離地以非接觸方式耦合，所述發射線圈被具有預定頻率的高頻交流電驅動，所述接收側諧振電路用於從所述發射線圈接收電能；接收側並聯電容，並聯連接在所述接收側諧振電路的輸出埠；其中，所述預定頻率為所述發射線圈和所述接收線圈以預定耦合係數耦合時的漏感諧振頻率，所述接收側並聯電容的電容值與所述預定頻率對應的角頻率值的平方和預定互感值的乘積成反比，所述預定互感值為所述發射線圈和所述接收線圈以預定耦合係數耦合時的互感值。

較佳地，所述接收側並聯電容的電容值等於1/nω ₁ ² L _M ；其中，ω ₁為所述預定頻率對應的角頻率值，L_M為所述預定互感值，n為大於等於1.5小於等於2.5的值。

較佳地，n等於2。

較佳地，所述接收側諧振電路還包括諧振電容，所述預定頻率等於； 其中，L_d為所述接收線圈的電感值，L_M為所述預定互感值，C_d為所述接收側諧振電路的諧振電容值。

透過所述高頻電源輸出具有預定頻率的高頻交流電，使所述諧振型非接觸供電裝置工作在固定的頻率下，透過在所述接收側諧振電路的輸出埠並聯具有特定值的接收側並聯電容，使所述諧振型非接觸供電裝置能夠在耦合係數發生變化時仍保持穩定的輸出電壓。

10‧‧‧諧振型非接觸供電裝置

11‧‧‧電能發射端

12‧‧‧電能接收端

111‧‧‧高頻電源

111a‧‧‧逆變電路

111b‧‧‧控制電路

112‧‧‧發射側諧振電路

121‧‧‧接收側諧振電路

透過以下參照附圖對本發明實施例的描述，本發明的上述以及其它目的、特徵和優點將更為清楚，在附圖中：圖1是本發明實施例的諧振型非接觸供電裝置的電路示意圖；圖2是本發明實施例的諧振型非接觸供電裝置的諧振和磁耦合電路的示意圖；圖3是圖2所示的諧振和磁耦合電路的等效電路圖；圖4是圖2所示的諧振和磁耦合電路工作在漏感諧振 頻率時的等效電路圖；圖5是本發明實施例的諧振和磁耦合電路實際工作時的等效電路圖；圖6是n=2時，V₀/V_ac隨m變化的曲線圖。

以下基於實施例對本發明進行描述，但是本發明並不僅僅限於這些實施例。在下文對本發明的細節描述中，詳盡描述了一些特定的細節部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節部分的描述也可以完全理解本發明。為了避免混淆本發明的實質，公知的方法、過程、流程、元件和電路並沒有詳細敘述。

此外，本領域普通技術人員應當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，並且附圖不一定是按比例繪製的。

同時，應當理解，在以下的描述中，“電路”是指由至少一個元件或子電路透過電氣連接或電磁連接構成的導電回路。當稱元件或電路“連接到”另一元件或稱元件/電路“連接在”兩個節點之間時，它可以是直接耦接或連接到另一元件或者可以存在中間元件，元件之間的連接可以是物理上的、邏輯上的、或者其結合。相反，當稱元件“直接耦接到”或“直接連接到”另一元件時，意味著兩者不存在中間元件。

除非上下文明確要求，否則整個說明書和申請專利範 圍中的“包括”、“包含”等類似詞語應當解釋為包含的含義而不是排他或窮舉的含義；也就是說，是“包括但不限於”的含義。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語“第一”、“第二”等僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。此外，在本發明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。

圖1是本發明實施例的諧振型非接觸供電裝置的電路示意圖。如圖1所示，諧振型非接觸供電裝置10包括電能發射端11和電能接收端12。

其中，電能發射端11包括高頻電源111和發射側諧振電路112。高頻電源111輸出具有預定頻率的高頻交流電，發射側諧振電路112包括發射線圈L1，用於從高頻電源111接收高頻交流電，並透過發射線圈L1向電能接收端12傳輸電能。其中，預定頻率為發射線圈L1和接收線圈L2以預定耦合係數耦合時的漏感諧振頻率。

在本實施例中，漏感諧振頻率是指將發射線圈和接收線圈的自感解耦為漏感和互感兩部分，解耦後使得發射側諧振電路中漏感和諧振電容的阻抗以及接收側諧振電路的漏感和諧振電容阻抗均相互抵消的諧振頻率。當電路工作在漏感諧振頻率下時，系統效率較高。

電能接收端12可以以分離地以及非接觸方式耦合到發射端11接收電能，其包括接收側諧振電路121。接收側諧振電路121包括接收線圈L2，接收線圈L2與發射線 圈L1分離地以非接觸方式耦合，接收側諧振電路121用於從發射線圈L1接收電能。

在本實施例中，高頻電源111可以包括逆變電路111a和控制電路111b。

其中，逆變電路111a用於根據控制電路111b提供的控制信號輸出具有預定頻率的高頻交流電，也即，將輸入的直流電轉換為高頻交流電。

發射側諧振電路112包括發射線圈L1，其用於從高頻電源111接收具有預定頻率的高頻交流電。為了平衡發射側諧振電路112的漏感抗和接收側諧振電路121的反射感抗以及電路中由寄生參數引起的感抗，消除高頻下由於這些寄生參數存在而產生的電壓尖峰和浪湧電流，減小電磁干擾和電源雜訊並達到減小電源的視在功率，提高電源的功率因數，發射側諧振電路112中需要加入發射側諧振電容C_s，其與發射線圈L1串聯或並聯，以與發射線圈L1形成諧振電路。當然，本領域技術人員可以理解，在某些情況下可以利用電路的分佈電容(例如發射線圈導線之間的分佈電容)來做為發射側諧振電容，從而不必在電路中設置獨立的電容元件。

電能接收端12包括接收側諧振電路121。接收側諧振電路121包括接收線圈L2，接收線圈L2可以與發射線圈L1分離地以非接觸方式耦合(耦合度為k)，從發射線圈L1接收電能。同時，為了減小接收側消耗的無功功率，增大磁耦合結構傳輸的有功功率，接收側諧振電路 121需要加入接收側諧振電容C_d。如上所述，接收側諧振電容C_d可以利用電路其它元件的分佈電容(例如線圈導線之間的分佈電容)來實現，從而不必在電路中設置專門的電容元件。

在本實施例中，發射側諧振電路112和接收側諧振電路121具有相同的諧振頻率。

電能接收端12還包括接收側並聯電容C_L，接收側並聯電容C_L並聯連接在所述接收側諧振電路121的輸出埠。

其中，接收側並聯電容C_L的電容值與所述預定頻率對應的角頻率值的平方(即，ω ₁ ²)和預定互感值L_M的乘積(ω ₁ ²L_M)成反比，也即，接收側並聯電容C_L的電容值C_L=1/nω ₁ ² L _M 。

其中，預定互感值L_M為發射線圈L1和接收線圈L2以一預定的耦合係數k_mid耦合時的互感值，該預定耦合係數由設計人員在電路設計時選定。其中，n可以為大於等於1.5小於等於2.5的值。

圖2是本發明實施例的諧振型非接觸供電裝置的諧振和磁耦合電路的示意圖，也即發射側諧振電路112和接收側諧振電路121的電路示意圖。

如圖2所示，發射線圈L1可以等效為第一理想線圈L_s以及線圈電阻R_s，同樣，接收線圈L2可以等效為第二理想線圈L_d以及線圈電阻R_d。第一理想線圈L_s和第二理想線圈L_d相互耦合。在圖2中，發射側諧振電路112和接收側諧振電路121均採用串聯諧振電阻的方式來組成諧 振電路，其中，發射側諧振電路112具有發射側諧振電容C_s，接收側具有接收側諧振電容C_d。如上所述，發射側諧振電容C_s和接收側諧振電容C_d可以為集中元件或者利用其它元件的分佈參數實現。

由此，諧振和磁耦合電路構成一互感耦合電路。

通常，為了使得發射側諧振電路112和接收側諧振電路121能夠以諧振方式傳遞能量，兩者具有相同的諧振頻率，也即：

其中，f_s為發射側諧振電路112的諧振頻率，f_d為接收側諧振電路121的諧振頻率；L_s為第一理想線圈L_s的電感值，L_d為第二理想線圈L_d的電感值；C_s為發射側諧振電容的電容值，C_d為接收側諧振電容的電容值。

較佳地，可以設置使得第一理想線圈L_s的電感值等於第二理想線圈L_d的電感值，並且發射側諧振電容的電容值C_s等於接收側諧振電容的電容值C_d，從而使得發射側諧振電路112和接收側諧振電路121諧振頻率相同。

通常，將上述諧振頻率稱為自感諧振頻率。工作在上述諧振頻率下時，發射側諧振電路112和接收側諧振電路121同時諧振，諧振和磁耦合電路中所有的電感和電容阻抗均相互抵消，系統具有很高的效率。

但是，一旦失諧，電路效率會大幅下降。

圖3是圖2所示的諧振和磁耦合電路的等效電路圖。由於發射線圈L1和接收線圈L2的耦合存在漏感和互感， 圖2所示的磁耦合電路可以等效為圖3的形式，即，將相互耦合的理想線圈L_s和L_d解耦為發射側漏電感L_s’、接收側漏電感L_d’和互感L_m。

圖4是圖2所示的諧振和磁耦合電路工作在漏感諧振頻率下時的等效電路。如圖4所示，在工作在漏感諧振頻率下時，發射側諧振電路112和接收側諧振電路121中的發射側漏感L_s’、發射側諧振電容C_s、接收側漏感L_d’和接收側諧振電容C_d的阻抗相互抵消，使得電路等效為僅包括互感L_m和線圈電阻R_s和R_d的兩埠網路。在線圈電阻R_s和R_d很小的前提下，其可以被忽略，此時，互感L_m可以看作並聯在輸出埠，則諧振和磁耦合電路可以輸出一個恒定的與輸入電壓基本一致的電壓，即 V _in 。系統如果工作在漏感諧振頻率下，輸出則可以等效為一個電壓源。但是，互感L_m會隨耦合係數k變化，漏感諧振頻率也會相應變化，為了使系統始終穩定地工作在漏感諧振頻率下，需設置相應的頻率跟蹤控制電路來跟蹤檢測當前的漏感諧振頻率，這會使系統結構變得複雜，控制也相對困難。

為簡化結構，本實施例在接收側諧振電路121的輸出埠並聯一個接收側並聯電容C_L，接收側並聯電容C_L的電容值C_L=1/nω₁ ²L_M，其中，L_M為所述預定互感值。ω ₁為所述預定頻率f₁對應的角頻率值，f₁是電路互感為所述預定互感L_M時，電路對應的漏感諧振頻率。

當發射線圈L1和接收線圈L2以預定的耦合係數k_mid 耦合時，互感L_m等於預定互感值L_M，此時電路的漏感諧振頻率等於預定頻率(角頻率值為ω ₁)。在此前提下，由於高頻電源對發射側諧振電路輸入的高頻交流電的頻率等於預定頻率f₁，因此，發射側諧振電路112和接收側諧振電路121中的發射側漏感L_s’、發射側諧振電容C_s、接收側漏感L_d’和接收側諧振電容C_d的阻抗相互抵消，使得電路等效為僅包括互感L_m和線圈電阻R_s和R_d的兩埠網路。

較佳地，在耦合係數k的變化範圍為〔k_min，k_max〕時，預定耦合係數可k_mid可以選取為：

其中，k_min為耦合係數最小值，k_max為耦合係數最大值。當然本領域技術人員容易理解，也可以透過多次測量或經驗公式來設定所述預定耦合係數。

耦合係數k決定了互感、漏感與線圈電感的關係。以接收側諧振電路為例，互感L_m=kL_d，漏感L_d’=(1-k)L_d。

在線圈電阻R_s和R_d很小的前提下，兩者可以被忽略，此時，如圖4所示，互感L_m可以看作並聯在輸出埠，在負載等效阻抗遠大於諧振和耦合電路的埠輸出阻抗時(即，R_L»Z_CL時)，磁耦合電路可以輸出一個恒定的與輸入電壓基本一致的電壓，即 V _in 。

對於圖3所示電路，其漏感諧振頻率滿足，其中，f₁為漏感諧振頻率，L_d’為接收側漏電感，C_d為接收側諧振電容。又因為，接收側漏電感等於接收線圈電感 與互感的差，在互感L_m等於預定互感值L_M時，L' _d =(L _d -L _M )。因此有，漏感諧振頻率。

但在實際中，耦合係數k會隨著周圍環境影響以及發射線圈L1和接收線圈L2的相對位置發生變化。假設實際耦合係數k與預定耦合係數k_mid成比例，比例係數為m，所以k=mk_mid。當耦合係數變化時，由於輸入到發射側諧振電路的高頻交流電的頻率不變，發射側漏電感L_s’電感和發射側諧振電容C_s的阻抗並不能相互抵消，此時，圖3所示電路的等效電路圖如圖5所示，發射側的阻抗為jω₁(1-m)L_M，接收側的阻抗也為jω₁(1-m)L_M，互感阻抗等於jω₁mL_M。由此，各阻抗值均與ω₁L_M相關。由於接收側並聯電容C_L的電容值C_L=1/nω₁ ²L_M，其容抗值為Z_CL=-jnω₁L_M。

此時，電路簡化為一個簡單地串並聯網路，可以根據各等效阻抗、容抗值得出系統的輸入電壓V_ac與輸出電壓V_o的關係滿足：

由此可以看出，透過適當選擇接收側並聯電容C_L的電容值，可以使得m在一定範圍內變化時(也即，耦合係數k在預定耦合係數k_mid附近較小範圍內變化時)，系統的輸入電壓V_ac仍保持基本等於輸出電壓V_o。

在m在較小的範圍內變化時，可以確定n的取值範圍，例如，n取1.5至2.5範圍內的不同值時，系統的輸入電壓V_ac與輸出電壓V_o可以基本保持不變，由此，可 以選取n=1.5至2.5中的值，獲得合適的接收側並聯電容的電容值。

進一步地，在m在0.75-1.5的範圍內變化時，選取n=2時，有。

圖6是n=2時，V₀/V_ac隨m變化的曲線圖。如圖6所示，此時m輸出電壓的變化範圍很小，即，耦合係數在一定的變化範圍內變化時，系統仍然具有穩定的輸出電壓，而且輸出電壓幾乎等於輸入電壓。

本實施例透過對接收側並聯電容C_L設定特定的值，使得諧振型非接觸供電裝置能夠在一定的耦合係數變化範圍內保持較高的輸出電壓，從而使系統可以在預定頻率下工作時獲得穩定的輸出電壓。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用於限制本發明，對於本領域技術人員而言，本發明可以有各種改動和變化。凡在本發明的精神和原理之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。

10‧‧‧諧振型非接觸供電裝置

11‧‧‧電能發射端

12‧‧‧電能接收端

111‧‧‧高頻電源

111a‧‧‧逆變電路

111b‧‧‧控制電路

112‧‧‧發射側諧振電路

121‧‧‧接收側諧振電路

Claims (10)

1. 一種諧振型非接觸供電裝置，包括：高頻電源，輸出具有預定頻率的高頻交流電；發射側諧振電路，包括發射線圈，用於從該高頻電源接收該高頻交流電；接收側諧振電路，包括接收線圈，該接收線圈與該發射線圈分離地以非接觸方式耦合，該接收側諧振電路用於從該發射線圈接收電能；以及接收側並聯電容，並聯連接在該接收側諧振電路的輸出埠；其中，該預定頻率為該發射線圈和該接收線圈以預定耦合係數耦合時的漏感諧振頻率，該接收側並聯電容的電容值與該預定頻率對應的角頻率值的平方和預定互感值的乘積成反比，該預定互感值為該發射線圈和該接收線圈以該預定耦合係數耦合時的互感值。
2. 根據申請專利範圍第1項所述的諧振型非接觸供電裝置，其中，該接收側並聯電容的電容值等於1/nω ₁ ² L _M ；其中，ω ₁為該預定頻率對應的角頻率值，L _M 為該預定互感值，n為大於等於1.5且小於等於2.5的值。
3. 根據申請專利範圍第2項所述的諧振型非接觸供電裝置，其中，n等於2。
4. 根據申請專利範圍第1項所述的諧振型非接觸供電裝置，其中，該接收側諧振電路還包括諧振電容，該預 定頻率等於；其中，L_d為該接收線圈的電感值，L_M為該預定互感值，C_d為該接收側諧振電路的諧振電容值。
5. 根據申請專利範圍第1項所述的諧振型非接觸供電裝置，其中，該預定耦合係數等於，k _min 為耦合係數最小值，k _max 為耦合係數最大值。
6. 根據申請專利範圍第1項所述的諧振型非接觸供電裝置，其中，該發射側諧振電路和該接收側諧振電路具有相同的諧振頻率。
7. 一種諧振型非接觸電能接收端，包括：接收側諧振電路，包括接收線圈，該接收線圈與發射線圈分離地以非接觸方式耦合，該發射線圈被具有預定頻率的高頻交流電驅動，該接收側諧振電路用於從該發射線圈接收電能；接收側並聯電容，並聯連接在該接收側諧振電路的輸出埠；其中，該預定頻率為該發射線圈和該接收線圈以預定耦合係數耦合時的漏感諧振頻率，該接收側並聯電容的電容值與該預定頻率對應的角頻率值的平方和預定互感值的乘積成反比，該預定互感值為該發射線圈和該接收線圈以預定耦合係數耦合時的互感值。
8. 根據申請專利範圍第7項所述的諧振型非接觸電能接收端，其中，該接收側並聯電容的電容值等於1/nω ₁ ² L _M ； 其中，ω ₁為該預定頻率對應的角頻率值，L _M 為該預定互感值，n為大於等於1.5且小於等於2.5的值。
9. 根據申請專利範圍第8項所述的諧振型非接觸電能接收端，其中，n等於2。
10. 根據申請專利範圍第7項所述的諧振型非接觸電能接收端，其中，該接收側諧振電路還包括諧振電容，該預定頻率等於；其中，L_d為該接收線圈的電感值，L_M為該預定互感值，C_d為該接收側諧振電路的諧振電容值。