TWI513136B - Wireless charging system and its control method - Google Patents

Description

無線充電系統及其控制方法

本發明係關於一種無線充電系統及其控制方法，尤指一種可有效提升無線充電效率的相關技術。

所謂的無線充電也稱為非接觸式感應充電，主要是由充電器透過電感耦合將能量傳送給用電設備，用電設備接收到能量後即對電池充電；當充電器與用電設備的距離較遠時，即必須採用共振電感耦合設計。由於充電器與用電設備之間是利用近場感應方式傳送能量，其間無須使用電源線連接，故具有安全、耐用及便利等諸多優點。

如前揭所述，當充電器與用電設備的距離較遠時係採用共振電感耦合設計，其意味著充電器與用電設備具有相同的操作頻率範圍。請參閱圖10所示是一個充電器的傳輸效率和操作頻率的對應曲線圖，該充電器共有兩個共振頻率點ω1、ω2，其分別由發射電路中的電容及電感元件所決定：其中，L_m 為耦合電感

而上述兩個共振頻率點的任一落在操作頻率範圍內，該共振頻率點即為最佳頻率點。然而當傳輸距離變動時，共振頻率點可能會跑出容許的操作頻率範圍內， 而無法達成高效率傳輸。如圖11所示，係傳輸效率與傳輸距離的相對特性曲線圖，其顯示最佳傳輸效率落在傳輸距離為18公分處，當傳輸距離變大或變小，都使傳輸效率相對走低。

因此如何確保最佳頻率點不會跑出容許的操作頻率範圍，成為無線充電技術中一個重要的課題。而一種可行的調整技術為阻抗匹配，既有阻抗匹配技術大致分為兩種：加入阻抗匹配電路與調整功率放大器之參數，以達成阻抗匹配。

加入阻抗匹配電路的方式係如圖12所示，主要係在無線充電系統的耦合天線70上加入阻抗匹配電路80，其中，阻抗匹配電路80中所設調節電容Cs、Cp的容值及/或電感Ls的感值為可調，根據上述公式可知，耦合天線70整體的電容值或電感應值一經改變，其共振頻率也會跟著改變，藉此可調整共振頻率，使其落在操作頻率範圍內。

但加入阻抗匹配電路存在實現上的缺點，包括：不易達到精度匹配、匹配速度慢及犧牲部分系統效率等。至於調整功率放大器參數的方式也有不易達到精度匹配的缺點，且由於涉及繁複的演算程序，亦有匹配速度慢的問題。

由上述可知，既有利用阻抗匹配技術確保最佳頻率點的方式在實現上存在匹配不易精準、速度慢，甚至犧牲系統效率等問題，故有待進一步檢討，並謀求可行的解決方案。

因此本發明主要目的在提供一種可提升傳輸效率的無線充電系統及其控制方法，其有效整合了阻抗匹配與頻率追蹤技術，以確保最佳頻率點落在容許的操作頻率範圍內，進而實現無線充電的高效率傳輸。

為達成前述目的採取的一主要技術手段係令前述無線充電系統的控制方法包括：對天線進行阻抗匹配，使該系統的共振頻率點落在一操作頻率範圍內；進行一最佳頻率點追蹤，係先以一設定的發射頻率傳送測試訊號，並計算其傳輸效率；判斷該傳輸效率是否符合要求，若不符合要求，係重複前述步驟直到該傳輸效率符合設定值；若該傳輸效率符合要求，即將該發射頻率設定為該最佳頻率點；以該最佳頻率點作為該系統之操作頻率進行充電。

為達成前述目的採取的又一主要技術手段係令前述無線充電系統包括：一無線傳送器，具有一第一控制器及一傳送電路；該傳送電路包括一第一阻抗匹配單元及一傳送單元，由該第一控制器控制該第一阻抗匹配單元與該傳送單元的連接，以進行阻抗匹配；該第一控制器進一步執行一最佳頻率點追蹤程序；一無線接收器，具有一第二控制器及一接收電路；該接收電路包括一接收單元及一第二阻抗匹配單元，由該第 二控制器控制該第二阻抗匹配單元與該接收單元的連接，以進行阻抗匹配；該第二控制器進一步執行該最佳頻率點追蹤程序；前述系統與控制方法主要係先對天線進行阻抗匹配，使系統的共振頻率點落在一容許的操作頻率範圍內，接著進行最佳頻率點追蹤程序，先以一設定的發射頻率傳送測試訊號，並計算其傳輸效率，再判斷其傳輸效率是否符合要求，若不符合要求即重新設定發射頻率及傳送測試訊號，直到傳輸效率符合要求，即將該發射頻率設定為最佳頻率點；利用上述技術將使最佳頻率點的設定更易於實現，且在特定距離內對變動的傳輸距離具有強健性，進而可有效提升無線充電效率。

10‧‧‧無線傳送器

11‧‧‧傳送電路

111‧‧‧第一阻抗匹配單元

112‧‧‧傳送單元

12‧‧‧第一控制器

13‧‧‧第一電源轉換模組

131‧‧‧交流對直流轉換器

132‧‧‧放大器

20‧‧‧無線接收器

21‧‧‧接收電路

211‧‧‧第二阻抗匹配單元

212‧‧‧接收單元

22‧‧‧第二控制器

23‧‧‧第二電源轉換模組

231‧‧‧整流器

232‧‧‧直流對直流轉換器

70‧‧‧耦合天線

80‧‧‧阻抗匹配電路

圖1係本發明無線充電系統一較佳實施例之系統方塊圖。

圖2係本發明無線充電系統一較佳實施例之傳送電路的電路圖。

圖3係本發明無線充電系統一較佳實施例之接收電路的電路圖。

圖4係本發明無線充電系統之阻抗匹配方法流程圖。

圖5係本發明無線充電系統之一最佳頻率點追蹤方法流程圖。

圖6係本發明無線充電系統又一最佳頻率點追蹤方 法流程圖。

圖7係本發明無線充電系統之特性曲線圖。

圖8係本發明無線充電系統之充電流程圖。

圖9係本發明無線充電系統又一較佳實施例之系統方塊圖。

圖10係既有充電器傳輸效率和操作頻率的對應曲線圖。

圖11係既有充電器傳輸效率和傳距離的對應曲線圖。

圖12係既有充電器的阻抗匹配電路之電路圖。

關於本發明無線充電系統的一可行實施例，請參閱圖1所示，其包括一無線傳送器10及一無線接收器20；其中該無線傳送器10主要係由一傳送電路11、一第一控制器12、一第一電源轉換模組13組成；請參閱圖2所示，該傳送電路11包括一第一阻抗匹配單元111及一傳送單元112；該傳送單元112係包含一第一固定電容C1、一第一感應線圈L1及一第一電阻R1，該第一固定電容C1、該第一感應線圈L1以串接或並接方式構成第一迴路(本實施例為串接)，而該第一電阻R1為內阻；該第一阻抗匹配單元111係串接或並接於該傳送單元112的迴路上；該第一阻抗匹配單元111可由一可連續調變的可變電容或多個調節電容並聯構成的一電容陣列。在本實施例中，該 第一阻抗匹配單元111係由多個第一調節電容Cs並聯構成的一第一電容陣列構成，但不侷限於此。前述第一電容陣列中每一該第一調節電容Cs且分別串接一第一開關S1，各該第一開關S1係由第一控制器12控制其通斷，亦即係由第一控制器12決定第一阻抗匹配單元111由多少個並聯的第一調節電容Cs加入該傳送單元112的第一迴路。

根據如下的公式：

其中，L_m 為感應線圈L1耦合後產生的互感電感 C’=C1+Cs

由此可知，傳送單元112的總電容值C’會因第一阻抗匹配單元111的該第一調節電容Cs加入該第一迴路而改變，從而改變其共振頻率點。至於上述阻抗匹配動作是為了讓傳送電路11的共振頻率點落入一容許的操作頻率範圍內，該操作頻率範圍會有特定之範圍，如可為140.91KHz~148.5KHz，但不侷限於此。

而在本實施例中，該第一電源轉換模組13係一交流轉直流形式，主要係由一交流對直流轉換器131及一放大器132組成，該交流對直流轉換器131具有一輸入端及一輸出端，其輸入端和交流市電連接，其輸出端則與放大器132的輸入端連接，放大器132的輸出端則與傳送電路11的輸入端連接。

又請配合參閱圖1、圖3所示，該無線接收器 20主要係由一接收電路21、一第二控制器22、一第二電源轉換模組23組成；請參閱圖3所示，該接收電路21包括一第二阻抗匹配單元211及一接收單元212；該接收單元212包含一第二固定電容C2、一第二感應線圈L2及一第二電阻R2，該第二固定電容C2、該第二感應線圈L2以串接或並接方式構成第二迴路(本實施例為串接)，而該第二電阻R2為內阻；該第二阻抗匹配單元211係串接或並接於該接收單元212的迴路上；該第二阻抗匹配單元211仍可由多個調節電容Cs並聯構成的一電容陣列抑或一可連續調變之可變電容構成。在本實施例中，該第二阻抗匹配單元211係由多個第二調節電容Cs並聯構成的一第二電容陣列，但不侷限於此。前述第二電容陣列中每一該第二調節電容Cs且分別串接一第二開關S2，各該第二開關S2係由第二控制器22決定第二阻抗匹配單元211由多少個並聯的第二調節電容Cs加入該接收單元212的第二迴路。

由於無線傳送器10和無線接收器20採取共振設計，因此無線接收器20與無線傳送器10採取相同阻抗匹配方式，以取得相同的共振頻率點。理論上，傳送電路11使第一阻抗匹配單元111加入多少個第一調節電容Cs到該傳送單元112的第一迴路上，接收電路21就使其第二阻抗匹配單元211加入多少個第二調節電容Cs到該接收單元212的第二迴路上。

在本實施例中，無線接收器20的第二電源轉換模組23係一直流轉直流模式，主要係由一整流器231及一直流對直流轉換器232組成。

由上述說明可瞭解本發明無線充電系統的基本架構，該無線傳送器10的第一控制器12及無線接收器20的第二控制器22除分別控制第一、第二阻抗匹配單元111、211對傳送單元112、接收單元212執行阻抗匹配外，並分別進一步進行一最佳頻率點追蹤程序，使無線充電系統得以在該最佳頻率點進行高效率傳輸。關於第一、第二控制器12、22執行阻抗匹配及追蹤最佳頻率點的具體流程係如以下所述。

請參閱圖4所示，關於本發明無線充電系統的阻抗匹配部分係執行以下步驟：傳送一個測試訊號，並測量傳送單元112與接收單元212的電流、電壓(401)；計算該測試訊號之傳輸效率(402)；根據計算所得的該傳輸效率決定進行阻抗匹配所須加入的電容(403)；具體而言係決定在傳送單元112、接收單元212迴路上加入的該第一、第二調節電容Cs，在本實施例中係預先建立一傳輸效率/傳輸距離對照表，以查表方式取得加入傳送單元112、接收單元212的該第一、第二調節電容Cs；加入該可變電容以進行阻抗匹配(404)，主要係在傳送單元112、接收單元212的迴路上加入該第一、第二調節電容Cs，以進行阻抗匹配，進而使該無線充電系統的一共振頻率點落在一容許的操作頻率範圍內，該操作頻率範圍會有特定之範圍，例如140.91KHz~148.5KHz，但不侷限於此。

在該無線充電系統的共振頻率點落在操作頻率範圍之後，即進一步進行最佳頻率點追蹤，具體流程請參閱圖5所示，其包括：設定一初始的發射頻率(501)；以設定該發射頻率傳送一測試訊號(502)；計算該測試訊號之傳輸效率(503)；判斷該傳輸效率是否符合要求(504)；若不符合要求，即重複前述步驟(501)~(504)；若判斷該傳輸效率符合要求，即將該發射頻率設定為該最佳頻率點(505)；以該最佳頻率點作為該無線充電系統之一操作頻率進行充電(506)；其中前述步驟(504)判斷傳輸效率是否符合要求的一可行方式係判斷該傳輸效率之效率變化△η 與頻率變化△f 之比值是否小於等於零；若比值大於零，即在原設定的發射頻率上累加一頻率值(例如增加0.5KHz)，隨即回到步驟(501)重新設定該發射頻率、重新傳送該測試訊號(502)、重新計算該傳輸效率(503)，並重新判斷該傳輸效率的效率變化△η 與頻率變化△f 之比值是否小於等於零(504)；當該比值小於等於零，即將該發射頻率設定為該最佳頻率點(505)，並作為該無線充電系統之一操作頻率進行充電。

前述流程係先設定較低的發射頻率，再向上累加頻率以追蹤最佳頻率點。同理，本發明也可以先設定較高的發射頻率，再向下遞減頻率以追蹤最佳頻率點，具體 流程如下：設定一初始的發射頻率(601)；以設定的該發射頻率傳送一測試訊號(602)；計算該測試訊號之傳輸效率(603)；判斷該傳輸效率是否符合要求(604)；若不符合要求，即重複前述步驟(601)~(604)；若判斷該傳輸效率符合要求，即將該發射頻率設定為該最佳頻率點(605)；以該最佳頻率點作為該無線充電系統之一操作頻率進行充電(606)。

前述步驟(601)~(606)與圖5的步驟(501)~(606)大致相同，不同處在於步驟(601)(604)，其中步驟(601)係設定較高頻率的發射頻率。步驟(604)仍判斷該傳輸效率之效率變化△η 與頻率變化△f 之比值是否大於等於零；若比值小於零，即在原設定的發射頻率上遞減一頻率值(例如減少0.5KHz)，隨即回到步驟(601)重新設定該發射頻率、重新傳送該測試訊號(602)、重新計算該傳輸效率(603)，並重新判斷其效率變化△η 與頻率變化△f 之比值是否大於等於零(604)；當該比值大於等於零，即將該發射頻率設定為該最佳頻率點(605)，並以該最佳頻率點作為該無線充電系統之一操作頻率進行充電(606)。

利用上述技術，本發明的無線充電系統可在充電前依序完成阻抗匹配、最佳頻率點追蹤，使系統共振於特定頻率範圍內，對於傳輸距離變動具有強健性，以實現高效率傳輸。請參閱圖7的傳輸效率對傳輸距離的特性曲 線圖，經由整合阻抗匹配與最佳頻率點追蹤技術之後，可在多種不同的傳輸距離(例如12、14、16、18公分)下保持高傳輸效率(如曲線J1)，即使隨著傳輸距離擴大而使傳輸效率降低，其傳輸效率亦較現有技術(如曲線J2)為高。

當前述方法應用在實際的無線充電程序時，可依圖8所示流程執行，其包括：判斷是否收到一充電請求(801)；若收到該充電請求，即執行一預充電模式(802)，而在該預充電模式下完成前述的阻抗匹配與該最佳頻率點追蹤；在該預充電模式結束後進入一充電模式(803)進行充電；在該充電模式下持續判斷是否有關閉動作(shut down)(804)或緊急狀況(805)，若出現其中一種狀況即結束充電程序(806)。

再者，前述實施例的無線充電系統，其無線傳送器10、無線接收器20的第一、第二電源轉換模組13、23係交流對直流模式。事實上本發明也可以運用在交流對交流模式，請參閱圖9所示，該無線傳送器10、無線接收器20的基本架構與前一實施例大致相同，不同處在於：該無線傳送器10的第一電源轉換模組13係由一交流對交流轉換器所構成，其輸入端與交流市電連接，輸出端直接和傳送電路11的輸入端連接。

該無線接收器20的第二電源轉換模組23則是由一主動式整流器所構成。藉此，該無線傳送器10和無線 接收器20之間係構成一直接交流電傳輸系統，其不僅系統架構單純，且可減少電力轉換損失，進一步提高系統效率。

Claims (10)

1. 一種無線充電系統的控制方法，包括：對天線進行阻抗匹配，使該無線充電系統的一共振頻率點落在一操作頻率範圍內；進行一最佳頻率點追蹤，係由以下步驟決定一傳輸效率是否符合要求：先以一設定的發射頻率傳送一測試訊號，並計算其傳輸效率；判斷該傳輸效率之效率變化與頻率變化之比值是否小於等於零；若比值大於零，即在原設定的該發射頻率上累加一頻率值；隨即重新設定該發射頻率、傳送該測試訊號、計算該傳輸效率，並重新判斷該傳輸效率的效率變化與頻率變化之比值是否小於等於零；當該比值小於等於零，將目前的該發射頻率設定為該最佳頻率點；以該最佳頻率點作為該無線充電系統之一操作頻率進行充電。
2. 如請求項1所述無線充電系統的控制方法，所述對天線進行阻抗匹配係包括以下步驟：傳送該測試訊號；計算該傳輸效率；根據該計算所得的該傳輸效率決定阻抗匹配所須加入的可變電容；加入該可變電容以進行阻抗匹配，使該系統之該共振 頻率點落在該操作頻率範圍內。
3. 如請求項2所述無線充電系統的控制方法，該可變電容的電容值係由一預先建立的傳輸效率/傳輸距離對照表以查表方式取得。
4. 如請求項1至3中任一項所述無線充電系統的控制方法，進行該最佳頻率點追蹤時，該判斷該傳輸效率的效率變化與頻率變化之比值的步驟，係由以下步驟決定該傳輸效率是否符合要求：判斷該傳輸效率的效率變化與頻率變化之比值是否大於等於零；若比值小於零，即在原設定的該發射頻率上遞減一頻率值，隨即重新設定該發射頻率、傳送該測試訊號、計算該傳輸效率，並重新判斷該傳輸效率的效率變化與頻率變化之比值是否大於等於零；當該比值大於等於零，即將該發射頻率設定為該最佳頻率點。
5. 一種無線充電系統，包括：一無線傳送器，具有一第一控制器及一傳送電路；該傳送電路包括一第一阻抗匹配單元及一傳送單元，由該第一控制器控制該第一阻抗匹配單元與該傳送單元的連接，以進行阻抗匹配；該第一控制器進一步執行一最佳頻率點追蹤程序；一無線接收器，具有一第二控制器及一接收電路；該接收電路包括一接收單元及一第二阻抗匹配單元，由該第二控制器控制該第二阻抗匹配單元與該接收單元的連接，以進行阻抗匹配；該第二控制器進一步執行該最佳頻率點 追蹤程序；該傳送電路的傳送單元以一第一固定電容、一第一感應線圈相互連接而行成一第一迴路；該第一阻抗匹配單元係連接於該傳送單元的該第一迴路上；該接收單元以一第二固定電容、一第二感應線圈相互連接以構成一第二迴路；該第二阻抗匹配單元係連接於該接收單元的該第二迴路上；該第一阻抗匹配單元包含一第一電容陣列，該第一電容陣列中包含多個並聯的第一調節電容，該等第一調節電容分別串接一第一開關，該第一阻抗匹配單元中之該些第一開關由該第一控制器控制啟閉；該第二阻抗匹配單元包含一第二電容陣列，該第二電容陣列中包含多個並聯的第二調節電容，該等第二調節電容分別串接一第二開關，該第二阻抗匹配單元中之該些第二開關由該第二控制器控制啟閉。
6. 如請求項5所述之無線充電系統，該第一、第二阻抗匹配單元分別由一連續調變的可變電容構成。
7. 如請求項5所述之無線充電系統，該無線傳送器進一步包括一第一電源轉換模組，該第一電源轉換模組係與該傳送電路連接；該無線接收器進一步包括一第二電源轉換模組，該第二電源轉換模組係與該接收電路連接。
8. 如請求項7所述之無線充電系統，該第一電源轉換模組包括一交流對直流轉換器和一放大器，該交流對直流轉換器的輸出端和該放大器的輸入端連接，該放大器的輸 出端和該傳送電路連接；該第二電源轉換模組包括一整流器和一直流對直流轉換器，該整流器的輸入端和該接收電路連接，該整流器的輸出端和該直流對直流轉換器的輸入端連接。
9. 如請求項7所述之無線充電系統，該第一電源轉換模組包含一交流對交流轉換器。
10. 如請求項5至9中任一項所述之無線充電系統，該最佳頻率點追蹤程序包括：先以一設定的發射頻率傳送測試訊號，並計算該測試訊號的傳輸效率；判斷該傳輸效率是否符合要求，若不符合要求，重複前述步驟直到該傳輸效率符合設定值；若該傳輸效率符合要求，將該發射頻率設定為該最佳頻率點。