具有固定调谐和功率限制的可变距离无线功率传输系统技术方案

无线功率传输系统包括发射机电路和接收机电路。发射机电路包括：连接到提供固定频率输出的振荡器控制的驱动级的初级串联谐振电容器，以及连接到初级串联谐振电容器的发射线圈。发射谐振频率低于振荡器控制的驱动级的固定频率。接收机电路包括：接收线圈、与接收线圈串联连接的次级串联谐振电容器、以及与接收线圈并联连接的次级并联谐振电容器。当整流器电路DC输出增加时，接收谐振频率随着至少一个整流器的非线性电容减小而增加。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有固定调谐和功率限制的可变距离无线功率传输系统
本专利技术涉及无线功率传输，且更具体地，本专利技术涉及针对谐振无线功率传输系统的发射线圈与接收线圈之间的距离变化进行补偿以提供高功率发射效率的无线功率传输系统。
技术介绍
无线功率传输系统已被用于向设备提供功率，而无需直接的物理连接，例如电缆或电线。各种方法已经用于无线发射功率，包括电容耦合、谐振电感耦合、激光、和微波束。使用谐振电感耦合的无线功率传输系统在相对短的线圈间隔距离上提供从发射线圈到接收线圈的相对高效的功率传输。更具体地，谐振电感耦合比诸如激光和微波束之类的方法便宜，并且还提供了优于简单的磁感应耦合的优点。例如，已经使用简单的磁感应耦合来对直接放置在充电垫上的电动牙刷或蜂窝电话充电，但是仅允许小于一个线圈直径的非常有限的线圈间隔距离。在松散耦合的谐振无线功率传输系统中，期望能够在大的距离范围上移动发射线圈和/或接收线圈，而不需要不断地重新调谐系统谐振。如果由初级线圈产生的大部分通量不被接收线圈所接收，则谐振无线功率传输系统被认为是松散耦合的。考虑到发射线圈和接收线圈之间的耦合系数K随距离的变化与接收机中整流器的非线性反向偏置电容的输出电压的变化，可以建立允许在一到五个线圈直径范围内的线圈间隔距离的特定调谐，而无需重新调谐。耦合系数K指示了穿过接收线圈的来自发射线圈的通量的比例，并且通常与以下相关：(1)当发射线圈和接收线圈彼此耦合时，发射线圈和接收线圈的互感；以及(2)当发射线圈和接收线圈是孤立的、未耦合的线圈时，发射线圈和接收线圈中的每一个线圈的自感。耦合系数K通常具有零和一之间的值，且“零”值指示在发射线圈和接收线圈之间不存在相互通量，并且因此没有互感。耦合系数K的“一”值指示来自发射线圈的所有通量都被接收线圈所接收，且因此发射线圈和接收线圈中的每一个线圈的自感与发射线圈和接收线圈之间的整体互感相同。然而，耦合系数K也可以具有负值，例如，如果发射线圈和接收线圈之一的极性反转，使得在接收线圈中感生的电压相对于在发射线圈中的电压为180度异相。此外，难以精确地确定在发射线圈和接收线圈之间的耦合系数K，因为用于确定发射线圈和接收线圈的互感和自感的公式是复杂的，并且为了确定耦合系数K所作出的测量是不准确的，特别是对于耦合系数K的低值来说。谐振无线功率传输系统中重新调谐谐振的一种已知方法依赖于变容二极管(varactor)，其是一种类型的二极管，其电容根据跨其端子施加的电压而变化。变容二极管已被用作谐振无线功率传输系统中的压控电容器，以在线圈间隔距离变化时递送最大功率。然而，变容二极管在谐振无线功率传输系统中引起不期望的功率损耗，并且变容二极管经常需要复杂的控制电路或系统。在谐振无线功率传输系统中重新调谐谐振的另一种已知方法是改变发射振荡器和接收振荡器的工作频率，以保持谐振无线功率传输系统在它们各自的系统谐振频率下的操作。然而，如果功率传输频率在内部允许电磁干扰的工业、科学和医疗(ISM)无线电频段内，则很少的带宽可用于允许工作频率的变化。根据已知的方法，谐振无线功率传输系统的接收机输出处的电压可以通过在整流器输入处使用较大值的电容器来限制，以便在输出处发生过压状况时使接收机失谐，这有助于分流谐振调谐和在发射线圈和接收线圈之间的功率传输，以防止过大的电压增益。特别地，通过强制无线功率传输系统间歇地工作，则可以防止在接收机的负载较小的情况下接收机中的过大的电压增益。然而，这种方法使得针对接收机的功率传输停止，从而减少了可以接收的功率量。根据另一种已知的方法，通过强制接收机输出电压被固定到电池电压，接收机输出可以直接连接到电池，以防止接收机的过载。因此，包括接收机输出处的电池在内的谐振无线功率传输系统不会经历在每次耦合系数K改变时为了在接收线圈处尝试从发射线圈接收可用的最大功率量而不断的重新调谐。更具体地，针对接收机的负载，电池呈现大体固定的电压，其在接收机输出特性的功率传输曲线上提供稳定的工作点。然而，该方法强制接收机输出电压固定为电池电压，这不太可能被设置在接收机输出特性的功率传输曲线上的最大功率传输点处。虽然可以调谐接收机以相对于最大功率点处的距离来提供恒定或大体恒定的电压输出，但是如果功率传输在相对长的线圈间隔距离上开始时，这种布置将防止接收机向负载提供功率。更具体地，在充分高的线圈间隔距离上，接收机输出电压足够接近零伏特，使得接收机中的整流器处于断开状态，并且在该状态下跨整流器的反向电压充分接近于零，这增加了非线性接收机电容。因此，非线性接收机电容变得太高，而无法提供足够的增益来将接收机的输出电容器充电到负载的工作电压。根据又一种已知的方法，可以将欠压锁定电路添加到接收机输出电压上，使得如果接收机输出电压下降到预定电平以下，则谐振无线功率传输系统的DC-DC级被关闭当接收机输出电压上升到另一预定电平以上时，再次接通DC-DC级。然而，这种操作方法导致无线功率传输系统的间歇操作，并且仅为谐振无线功率传输系统提供过载保护，并且不提供调谐或重新调谐。因此，上述已知的方法导致谐振无线功率传输系统的效率损耗和/或需要复杂的控制电路或系统。
技术实现思路
为了克服上述问题，本专利技术的优选实施例提供了高效且不需要复杂控制电路或系统的无线功率传输系统。根据无线功率传输系统的具体调谐，接收机整流器的非线性电容可用于限制整流器输出处的DC输出电压范围。这在包括接收机输出处的DC-DC转换器以向系统负载提供固定的输出电压的无线功率传输系统中是可期望的。由于需要在DC-DC转换器中使用更高电压的开关器件，因此该DC-DC转换器的输入处的过大的电压可能导致转换器的损坏，或者可能导致较低效率。随着负载减小，或者随着发射线圈和接收线圈的移动更靠近在一起，接收机输出可能经受大的电压增加。因此，为了克服上述问题，本专利技术的优选实施例提供了整流器非线性电容作为整个谐振网络的一部分，使得随着整流器输出电压的增加，整流器电容的减小导致将接收机谐振自动重新调谐到更高的频率。由于无线功率传输系统的操作处于固定的频率，谐振增益受到在低于谐振的频率处的操作的限制。取决于与串联谐振电容相比的非线性电容的相对大小以及整流器中的非线性度，这修改接收机的V-I输出特性的形状。随着线圈间隔增加，接收机输出处提供的功率量减少。根据本专利技术的优选实施例，从接收机到负载的功率输出被限制为可用的最大功率的近似值，以防止无线功率传输系统的过载。具体地，根据本专利技术的优选实施例，从接收机抽取的电流被限制为实际可用的电流量，这防止DC-DC转换器级的负输入阻抗使得接收机输出过载。本专利技术的优选实施例提供一种无线功率传输系统，其包括发射机电路，所述发射机电路包括：DC输入；振荡器控制的驱动级，连接到DC输入并提供具有固定频率的输出；连接到振荡器控制的驱动级的初级串联谐振电容器；以及连接到所述初级串联谐振电容器的发射线圈，并且无线功率传输系统包括接收机电路，所述接收机电路包括：接收线圈；次级串联谐振电容器，与接收线圈串联连接；次级并联谐振电容器，与接收线圈并联连接；连接到次级串联谐振电容器和次级并联谐振电容器并且包括至少一个整流器在内的整流器电路；以及输出滤波电容器，连接到整流电路并被布置为接收整流器电路DC输出。发射谐振本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线功率传输系统，包括：发射机电路，包括：DC输入；振荡器控制的驱动级，连接到所述DC输入并提供具有固定频率的输出；初级串联谐振电容器，连接到所述振荡器控制的驱动级；以及发射线圈，连接到所述初级串联谐振电容器；其中发射谐振频率由所述初级串联谐振电容器和所述发射线圈来限定；以及所述发射谐振频率低于所述振荡器控制的驱动级的固定频率；以及接收机电路，包括：接收线圈；次级串联谐振电容器，与所述接收线圈串联连接；次级并联谐振电容器，与所述接收线圈并联连接；整流器电路，连接到所述次级串联谐振电容器和所述次级并联谐振电容器并且包括至少一个整流器；以及输出滤波电容器，连接到所述整流器电路并且被布置为接收整流器电路DC输出；其中接收谐振频率由所述次级串联谐振电容器、所述次级并联谐振电容器、所述接收线圈、和所述至少一个整流器的非线性电容来限定；以及当所述整流器电路DC输出增加时，所述接收谐振频率随着所述至少一个整流器的非线性电容减小而增加。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.11.07 US 62/076,6411.一种无线功率传输系统，包括：发射机电路，包括：DC输入；振荡器控制的驱动级，连接到所述DC输入并提供具有固定频率的输出；初级串联谐振电容器，连接到所述振荡器控制的驱动级；以及发射线圈，连接到所述初级串联谐振电容器；其中发射谐振频率由所述初级串联谐振电容器和所述发射线圈来限定；以及所述发射谐振频率低于所述振荡器控制的驱动级的固定频率；以及接收机电路，包括：接收线圈；次级串联谐振电容器，与所述接收线圈串联连接；次级并联谐振电容器，与所述接收线圈并联连接；整流器电路，连接到所述次级串联谐振电容器和所述次级并联谐振电容器并且包括至少一个整流器；以及输出滤波电容器，连接到所述整流器电路并且被布置为接收整流器电路DC输出；其中接收谐振频率由所述次级串联谐振电容器、所述次级并联谐振电容器、所述接收线圈、和所述至少一个整流器的非线性电容来限定；以及当所述整流器电路DC输出增加时，所述接收谐振频率随着所述至少一个整流器的非线性电容减小而增加。2.根据权利要求1所述的无线功率传输系统，其中，所述发射线圈和所述接收线圈之...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰弗里·约翰·佐尔格，
申请(专利权)人：株式会社村田制作所，
类型：发明
国别省市：日本,JP