用于以無線方式將電力供應到負載的方法和設備技術

本發明專利技術涉及用于以無線方式將電力供應到負載的方法和設備。本發明專利技術提供一種用于發射器電感器的自動諧振驅動器，其以最優頻率驅動所述電感器以達到最大效率。所述發射器電感器磁性地耦合而不是物理地耦合到接收器電感器，且由所述接收器電感器產生的電流是用于給負載供電。舉例來說，系統可用于遠程地給電池(作為所述負載的一部分)充電或將電力提供到電動機或電路。反饋電路用于產生諧振驅動頻率。發射側中的檢測器以無線方式檢測是否在接收器側中產生充足電流，以通過電壓調節器實現調節從而給所述負載供電。當發射器電感器峰值電壓隨著驅動脈沖寬度斜升而突然增加時，實現此點。在所述點處，使所述脈沖寬度保持恒定以達到最優效率。

【技術實現步驟摘要】
用于以無線方式將電力供應到負載的方法和設備分案申請的相關信息本申請是國際申請號為PCT/US2013/062129、申請日為2013年9月27日、專利技術名稱為“用于感測所需發射電力以達到最優效率的無線電力發射器的自動諧振驅動器”的PCT申請進入中國國家階段后申請號為201380051798.6的中國專利技術專利申請的分案申請。
本專利技術涉及例如用于給便攜式裝置或遠程供電裝置中的電池再充電的電力到裝置的無線發射，且特定來說涉及使用自動諧振電力發射器的此系統。
技術介紹
最近，對開發用以給從消費型電子器件(例如手機)到重型工業設備(例如在起重機的端處的電動機)的各種裝置供電的無線電力傳送系統越來越感興趣。此興趣背后的主要驅動力是此些無線電力傳送系統能夠移除在傳統線連接的系統中將電力從源遞送到負載所必需的直接電接觸。此電接觸的移除許諾許多優點，包含便利性、經減少維護成本及可靠性。在圖1中所展示的典型無線電力傳送系統中，由電壓源13供電的發射器電路12使發射電感器L1通電以發射隨時間變化的磁場。接著將接收電感器L2放置于所產生的磁場中，從而誘發在接收電感器L2中流動的類似地隨時間變化的電流。此所誘發電流可用于在接收器電路14中產生AC電壓，所述AC電壓又可接著在接收器輸出處經整流以產生能夠遞送DC電流以給接收器側上的負載RL供電的DC電壓。所述負載可為待再充電的電池或電路。接收器電路14可位于也容納負載的外殼(例如手機或其它手持式裝置)內側。發射器電路12可位于支撐平臺中，手機(例如)通宵放置于所述支撐平臺上以用于給其電池再充電。在最實際無線電力傳送系統中，到達接收器電感器L2的磁場量與傳統基于變壓器的孤立系統相比是相對小的。對由發射器電感器L1產生的磁場有多少到達接收器電感器L2的常用測量叫做由在0與1之間的耦合系數k表示的耦合。具有小于0.8的耦合系數的系統通常在發射器電路中采用諧振電路以在發射電感器L1中產生足夠電流。需要此相對大的發射電感器L1電流產生在接收電感器中誘發充足電流以給負載供電所需的強磁場。注意，通常還在接收側上采用諧振電路。通過將接收側上的諧振電路調諧到與磁場發生改變的頻率相同的頻率，諧振電路為磁場提供閉合其回路的優選路徑(注意，磁場線總是必須自身閉合回路，因為不存在磁單極子)。因此，接收器處的諧振電路幫助重塑圍繞接收電感器L2的局部磁場且增加場強度，使得可在電感器中誘發相對較大電流量。在諧振接收器中，此AC電流在接收電感器L2與接收器電路14中的電容器之間來回流動，從而產生電壓。較大所誘發電流產生較大峰值電壓，所述較大峰值電壓可接著更容易地經整流且可能經調節，從而產生所要電壓以用于接收器負載。在發射側上，圖2中展示用于在發射電感器中產生AC電流的常見諧振電路。圖2圖解說明驅動LC槽電路的半橋驅動器。以特定頻率且以特定工作循環驅動開關SW-A及SW-B。通常通過掃掠特定頻率范圍且監視跨越發射電感器L(圖1中的發射電感器L1)產生的電壓VL來確定此頻率。當電壓VL的振幅處于最大值時，接著將驅動頻率確定為等于LC槽的自然頻率。接著還可控制開關SW-A相對于開關SW-B的工作循環以調節在此LC槽自然頻率下對應于的電流IL的峰值振幅的VL的峰值振幅。注意，在正常操作中，開關SW-A及SW-B決不同時接通。然而，二極管D1及D2的存在允許所述兩個開關同時關斷，與此同時將SW節點電壓維持在供應電壓VS或接地的二極體壓降內。注意，LC槽電路的自然頻率在電路操作的過程期間通常不保持固定在一個值。舉例來說，通常使用的電容器及發射電感器具有溫度系數，此意味槽的自然頻率將隨溫度變化而變動。且由于正在此電感器及電容器中發展相對大量的AC電流，因此此電容器及電感器中的20到30度的溫度增加是相對常見的。另一常見效應是當以不同或改變的耦合系數耦合接收器電感器時發生的自然頻率的變動。所有這些變化的效應需要必須以定期間隔重復用以找到自然頻率的頻率掃掠以確保以LC槽的自然頻率驅動開關SW-A及SW-B。對不斷地搜索此自然頻率及工作循環調制控制的需要通常意味涉及復雜數字電路。常常，此需要微處理器的使用以實施自定義算法。需要一種用于以無線方式將電力發射到負載的發射技術，所述發射技術以更具成本效益方式設置槽電路的自然頻率。關于用于以無線方式將電力發射到負載的現有技術發射系統的另一問題是：通常針對更糟糕情形負載情況設置發射電力。因此，如果接收器側上的負載不需要太多電力，那么發射電力是過多的且浪費的。因此，還需要一種將發射電力量高效地控制到僅實際需要用于負載的量的技術。
技術實現思路
本專利技術揭示一種用于以無線方式將電力供應到負載的高效發射及接收系統。發射電路包含以其自然頻率操作以達到最大所發射電力及效率的LC槽電路。本專利技術自動檢測LC槽電路的自然頻率且在逐循環基礎上調整其開關的驅動頻率，使得其總是追蹤所述槽電路的所述自然頻率。本專利技術還提供展示此方法與工作循環調制兼容的實例性電路。換句話說，諧振電力發射器將其驅動頻率鎖定到諧振槽的所述自然頻率上以形成自動諧振電路。所述方法及電路還允許驅動波形的脈沖寬度的調制以控制諧振槽中的循環電流量。除此方法及電路之外，本專利技術還揭示一種允許對所發射電力的控制以減少常備電力且優化總體系統效率的新檢測方法。因此，發射器電路在負載不需要其時不必以全功率操作。所述方法調制自動諧振電路的驅動波形的脈沖寬度或振幅且在監視發射器諧振槽中產生的峰值電壓的遞增改變。接著將峰值電壓調節到遞增改變剛剛開始增加之處。此峰值電壓反映諧振電力傳送系統的總體質量(Q)因數。一旦接收電路中的電壓調節器(將DC電力提供給負載)實現調節，Q因數便改變，因為從接收器電路到發射器電路的經反射阻抗在存在調節時改變。發射器電力不必為大于接收器電路中的電壓調節器實現調節所需要的最小值的任何電力。此質量因數檢測方法可經延伸以包含具有次級側調節的任何電力傳送系統且其中從次級側到初級側的直接電連接并非合意的。附圖說明圖1圖解說明用于以無線方式將電力提供到負載的現有技術系統。圖2圖解說明用于驅動發射器電感器的現有技術半橋電路。圖3將圖2中的開關圖解說明為產生脈沖序列的電壓源。圖4圖解說明在諧振穩定狀態下穿過圖3的電感器的電流。圖5圖解說明驅動槽電路的經簡化發射器電路。圖6圖解說明在包含諧振頻率的頻率范圍內的槽電路的阻抗。圖7圖解說明在圖3的槽電路中響應于單個電壓脈沖而產生的電流。圖8圖解說明根據本專利技術的一個實施例的以其諧振頻率驅動槽電路的控制電路。圖9圖解說明在添加用于起始切換的振蕩器的情況下圖8的控制電路。圖10圖解說明發射器電感器與接收器電感器的耦合。圖11圖解說明在一頻率范圍內的圖10的槽電路的阻抗。圖12類似于圖3，但根據本專利技術經控制。圖13圖解說明在諧振穩定狀態下穿過圖12的電感器的電流波形。圖14A、14B及14C圖解說明在開關的操作期間的三個相位。圖15將脈沖寬度控制添加到圖9的電路以控制峰值電感器電流。圖16圖解說明在穩定狀態下的圖15的受控脈沖寬度及所得電感器電流。圖17圖解說明控制穿過電感器的電流的全橋。圖18圖解說明控制圖17的全橋的圖9的控制電路。圖19將脈沖寬度控制添加到圖18的電路以控制峰值電感器電流。圖20圖解說明在穩定本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于以無線方式將電力供應到負載的電力發射系統，其包括：發射器電感器；第一開關，其耦合在電壓源和所述發射器電感器之間且經控制以產生穿過所述發射器電感器的變化的電流；接收器電感器，其磁性地耦合到所述發射器電感器；電壓調節器，其從所述接收器電感器接收電力以產生調節器輸出電壓；負載，其耦合到所述電壓調節器的輸出，其中所述發射器電感器中的電力以無線方式耦合到所述接收器電感器以用于通過所述調節器轉換為經調節電壓以用于驅動所述負載；峰值電壓檢測器，其經耦合以檢測所述發射器電感器上的峰值電壓，其中所述發射器電感器上的峰值電壓受所述電壓調節器實現調節以用于驅動所述負載的能力影響；以及控制器，其用于控制穿過所述發射器電感器的峰值電流，所述控制器經控制以調制穿過所述發射器電感器的所述峰值電流以便調制穿過所述接收器電感器的峰值電流，其中所述發射器電感器上的所述峰值電壓在所述電壓調節器能夠實現調節的時間期間增加，其中所述控制器經配置以通過調制穿過所述發射器電感器的所述峰值電流而可變地增加和降低穿過所述發射器電感器的所述峰值電流，以檢測與所述峰值電壓由于所述電壓調節器實現調節而導致的增加相對應的穿過所述發射器電感器的所述峰值電流的水平，以及其中所述控制器經控制以由于檢測到所述峰值電壓的增加而暫時停止調制穿過所述發射器電感器的所述峰值電流，以將穿過所述發射器電感器的所述峰值電流限制在足以向所述電壓調節器提供實現調節所需的足夠電壓的水平。...

【技術特征摘要】
2012.10.04 US 61/709,398;2013.04.12 US 13/862,2001.一種用于以無線方式將電力供應到負載的電力發射系統，其包括：發射器電感器；第一開關，其耦合在電壓源和所述發射器電感器之間且經控制以產生穿過所述發射器電感器的變化的電流；接收器電感器，其磁性地耦合到所述發射器電感器；電壓調節器，其從所述接收器電感器接收電力以產生調節器輸出電壓；負載，其耦合到所述電壓調節器的輸出，其中所述發射器電感器中的電力以無線方式耦合到所述接收器電感器以用于通過所述調節器轉換為經調節電壓以用于驅動所述負載；峰值電壓檢測器，其經耦合以檢測所述發射器電感器上的峰值電壓，其中所述發射器電感器上的峰值電壓受所述電壓調節器實現調節以用于驅動所述負載的能力影響；以及控制器，其用于控制穿過所述發射器電感器的峰值電流，所述控制器經控制以調制穿過所述發射器電感器的所述峰值電流以便調制穿過所述接收器電感器的峰值電流，其中所述發射器電感器上的所述峰值電壓在所述電壓調節器能夠實現調節的時間期間增加，其中所述控制器經配置以通過調制穿過所述發射器電感器的所述峰值電流而可變地增加和降低穿過所述發射器電感器的所述峰值電流，以檢測與所述峰值電壓由于所述電壓調節器實現調節而導致的增加相對應的穿過所述發射器電感器的所述峰值電流的水平，以及其中所述控制器經控制以由于檢測到所述峰值電壓的增加而暫時停止調制穿過所述發射器電感器的所述峰值電流，以將穿過所述發射器電感器的所述峰值電流限制在足以向所述電壓調節器提供實現調節所需的足夠電壓的水平。2.根據權利要求1所述的系統，其中所述控制器經控制以通過調制由所述電壓源產生的所述電壓而調制穿過所述發射器電感器的所述峰值電流。3.根據權利要求1所述的系統，其中所述控制器經控制以通過調制施加于所述第一開關的驅動脈沖的脈沖寬度而調制穿過所述發射器電感器的所述峰值電流。4.根據權利要求1所述的系統，其中所述接收器電感器和所述負載一起封裝于裝置中以用于對所述裝置中的電池再充電。5.根據權利要求1所述的系統，其...

【專利技術屬性】
技術研發人員：E·T·利蘇瓦迪，
申請(專利權)人：凌力爾特公司，
類型：發明
國別省市：美國,US