用于以无线方式将电力供应到负载的方法和设备技术

本发明专利技术涉及用于以无线方式将电力供应到负载的方法和设备。本发明专利技术提供一种用于发射器电感器的自动谐振驱动器，其以最优频率驱动所述电感器以达到最大效率。所述发射器电感器磁性地耦合而不是物理地耦合到接收器电感器，且由所述接收器电感器产生的电流是用于给负载供电。举例来说，系统可用于远程地给电池(作为所述负载的一部分)充电或将电力提供到电动机或电路。反馈电路用于产生谐振驱动频率。发射侧中的检测器以无线方式检测是否在接收器侧中产生充足电流，以通过电压调节器实现调节从而给所述负载供电。当发射器电感器峰值电压随着驱动脉冲宽度斜升而突然增加时，实现此点。在所述点处，使所述脉冲宽度保持恒定以达到最优效率。

【技术实现步骤摘要】
用于以无线方式将电力供应到负载的方法和设备分案申请的相关信息本申请是国际申请号为PCT/US2013/062129、申请日为2013年9月27日、专利技术名称为“用于感测所需发射电力以达到最优效率的无线电力发射器的自动谐振驱动器”的PCT申请进入中国国家阶段后申请号为201380051798.6的中国专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术涉及例如用于给便携式装置或远程供电装置中的电池再充电的电力到装置的无线发射，且特定来说涉及使用自动谐振电力发射器的此系统。
技术介绍
最近，对开发用以给从消费型电子器件(例如手机)到重型工业设备(例如在起重机的端处的电动机)的各种装置供电的无线电力传送系统越来越感兴趣。此兴趣背后的主要驱动力是此些无线电力传送系统能够移除在传统线连接的系统中将电力从源递送到负载所必需的直接电接触。此电接触的移除许诺许多优点，包含便利性、经减少维护成本及可靠性。在图1中所展示的典型无线电力传送系统中，由电压源13供电的发射器电路12使发射电感器L1通电以发射随时间变化的磁场。接着将接收电感器L2放置于所产生的磁场中，从而诱发在接收电感器L2中流动的类似地随时间变化的电流。此所诱发电流可用于在接收器电路14中产生AC电压，所述AC电压又可接着在接收器输出处经整流以产生能够递送DC电流以给接收器侧上的负载RL供电的DC电压。所述负载可为待再充电的电池或电路。接收器电路14可位于也容纳负载的外壳(例如手机或其它手持式装置)内侧。发射器电路12可位于支撑平台中，手机(例如)通宵放置于所述支撑平台上以用于给其电池再充电。在最实际无线电力传送系统中，到达接收器电感器L2的磁场量与传统基于变压器的孤立系统相比是相对小的。对由发射器电感器L1产生的磁场有多少到达接收器电感器L2的常用测量叫做由在0与1之间的耦合系数k表示的耦合。具有小于0.8的耦合系数的系统通常在发射器电路中采用谐振电路以在发射电感器L1中产生足够电流。需要此相对大的发射电感器L1电流产生在接收电感器中诱发充足电流以给负载供电所需的强磁场。注意，通常还在接收侧上采用谐振电路。通过将接收侧上的谐振电路调谐到与磁场发生改变的频率相同的频率，谐振电路为磁场提供闭合其回路的优选路径(注意，磁场线总是必须自身闭合回路，因为不存在磁单极子)。因此，接收器处的谐振电路帮助重塑围绕接收电感器L2的局部磁场且增加场强度，使得可在电感器中诱发相对较大电流量。在谐振接收器中，此AC电流在接收电感器L2与接收器电路14中的电容器之间来回流动，从而产生电压。较大所诱发电流产生较大峰值电压，所述较大峰值电压可接着更容易地经整流且可能经调节，从而产生所要电压以用于接收器负载。在发射侧上，图2中展示用于在发射电感器中产生AC电流的常见谐振电路。图2图解说明驱动LC槽电路的半桥驱动器。以特定频率且以特定工作循环驱动开关SW-A及SW-B。通常通过扫掠特定频率范围且监视跨越发射电感器L(图1中的发射电感器L1)产生的电压VL来确定此频率。当电压VL的振幅处于最大值时，接着将驱动频率确定为等于LC槽的自然频率。接着还可控制开关SW-A相对于开关SW-B的工作循环以调节在此LC槽自然频率下对应于的电流IL的峰值振幅的VL的峰值振幅。注意，在正常操作中，开关SW-A及SW-B决不同时接通。然而，二极管D1及D2的存在允许所述两个开关同时关断，与此同时将SW节点电压维持在供应电压VS或接地的二极体压降内。注意，LC槽电路的自然频率在电路操作的过程期间通常不保持固定在一个值。举例来说，通常使用的电容器及发射电感器具有温度系数，此意味槽的自然频率将随温度变化而变动。且由于正在此电感器及电容器中发展相对大量的AC电流，因此此电容器及电感器中的20到30度的温度增加是相对常见的。另一常见效应是当以不同或改变的耦合系数耦合接收器电感器时发生的自然频率的变动。所有这些变化的效应需要必须以定期间隔重复用以找到自然频率的频率扫掠以确保以LC槽的自然频率驱动开关SW-A及SW-B。对不断地搜索此自然频率及工作循环调制控制的需要通常意味涉及复杂数字电路。常常，此需要微处理器的使用以实施自定义算法。需要一种用于以无线方式将电力发射到负载的发射技术，所述发射技术以更具成本效益方式设置槽电路的自然频率。关于用于以无线方式将电力发射到负载的现有技术发射系统的另一问题是：通常针对更糟糕情形负载情况设置发射电力。因此，如果接收器侧上的负载不需要太多电力，那么发射电力是过多的且浪费的。因此，还需要一种将发射电力量高效地控制到仅实际需要用于负载的量的技术。
技术实现思路
本专利技术揭示一种用于以无线方式将电力供应到负载的高效发射及接收系统。发射电路包含以其自然频率操作以达到最大所发射电力及效率的LC槽电路。本专利技术自动检测LC槽电路的自然频率且在逐循环基础上调整其开关的驱动频率，使得其总是追踪所述槽电路的所述自然频率。本专利技术还提供展示此方法与工作循环调制兼容的实例性电路。换句话说，谐振电力发射器将其驱动频率锁定到谐振槽的所述自然频率上以形成自动谐振电路。所述方法及电路还允许驱动波形的脉冲宽度的调制以控制谐振槽中的循环电流量。除此方法及电路之外，本专利技术还揭示一种允许对所发射电力的控制以减少常备电力且优化总体系统效率的新检测方法。因此，发射器电路在负载不需要其时不必以全功率操作。所述方法调制自动谐振电路的驱动波形的脉冲宽度或振幅且在监视发射器谐振槽中产生的峰值电压的递增改变。接着将峰值电压调节到递增改变刚刚开始增加之处。此峰值电压反映谐振电力传送系统的总体质量(Q)因数。一旦接收电路中的电压调节器(将DC电力提供给负载)实现调节，Q因数便改变，因为从接收器电路到发射器电路的经反射阻抗在存在调节时改变。发射器电力不必为大于接收器电路中的电压调节器实现调节所需要的最小值的任何电力。此质量因数检测方法可经延伸以包含具有次级侧调节的任何电力传送系统且其中从次级侧到初级侧的直接电连接并非合意的。附图说明图1图解说明用于以无线方式将电力提供到负载的现有技术系统。图2图解说明用于驱动发射器电感器的现有技术半桥电路。图3将图2中的开关图解说明为产生脉冲序列的电压源。图4图解说明在谐振稳定状态下穿过图3的电感器的电流。图5图解说明驱动槽电路的经简化发射器电路。图6图解说明在包含谐振频率的频率范围内的槽电路的阻抗。图7图解说明在图3的槽电路中响应于单个电压脉冲而产生的电流。图8图解说明根据本专利技术的一个实施例的以其谐振频率驱动槽电路的控制电路。图9图解说明在添加用于起始切换的振荡器的情况下图8的控制电路。图10图解说明发射器电感器与接收器电感器的耦合。图11图解说明在一频率范围内的图10的槽电路的阻抗。图12类似于图3，但根据本专利技术经控制。图13图解说明在谐振稳定状态下穿过图12的电感器的电流波形。图14A、14B及14C图解说明在开关的操作期间的三个相位。图15将脉冲宽度控制添加到图9的电路以控制峰值电感器电流。图16图解说明在稳定状态下的图15的受控脉冲宽度及所得电感器电流。图17图解说明控制穿过电感器的电流的全桥。图18图解说明控制图17的全桥的图9的控制电路。图19将脉冲宽度控制添加到图18的电路以控制峰值电感器电流。图20图解说明在稳定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于以无线方式将电力供应到负载的电力发射系统，其包括：发射器电感器；第一开关，其耦合在电压源和所述发射器电感器之间且经控制以产生穿过所述发射器电感器的变化的电流；接收器电感器，其磁性地耦合到所述发射器电感器；电压调节器，其从所述接收器电感器接收电力以产生调节器输出电压；负载，其耦合到所述电压调节器的输出，其中所述发射器电感器中的电力以无线方式耦合到所述接收器电感器以用于通过所述调节器转换为经调节电压以用于驱动所述负载；峰值电压检测器，其经耦合以检测所述发射器电感器上的峰值电压，其中所述发射器电感器上的峰值电压受所述电压调节器实现调节以用于驱动所述负载的能力影响；以及控制器，其用于控制穿过所述发射器电感器的峰值电流，所述控制器经控制以调制穿过所述发射器电感器的所述峰值电流以便调制穿过所述接收器电感器的峰值电流，其中所述发射器电感器上的所述峰值电压在所述电压调节器能够实现调节的时间期间增加，其中所述控制器经配置以通过调制穿过所述发射器电感器的所述峰值电流而可变地增加和降低穿过所述发射器电感器的所述峰值电流，以检测与所述峰值电压由于所述电压调节器实现调节而导致的增加相对应的穿过所述发射器电感器的所述峰值电流的水平，以及其中所述控制器经控制以由于检测到所述峰值电压的增加而暂时停止调制穿过所述发射器电感器的所述峰值电流，以将穿过所述发射器电感器的所述峰值电流限制在足以向所述电压调节器提供实现调节所需的足够电压的水平。...

【技术特征摘要】
2012.10.04 US 61/709,398;2013.04.12 US 13/862,2001.一种用于以无线方式将电力供应到负载的电力发射系统，其包括：发射器电感器；第一开关，其耦合在电压源和所述发射器电感器之间且经控制以产生穿过所述发射器电感器的变化的电流；接收器电感器，其磁性地耦合到所述发射器电感器；电压调节器，其从所述接收器电感器接收电力以产生调节器输出电压；负载，其耦合到所述电压调节器的输出，其中所述发射器电感器中的电力以无线方式耦合到所述接收器电感器以用于通过所述调节器转换为经调节电压以用于驱动所述负载；峰值电压检测器，其经耦合以检测所述发射器电感器上的峰值电压，其中所述发射器电感器上的峰值电压受所述电压调节器实现调节以用于驱动所述负载的能力影响；以及控制器，其用于控制穿过所述发射器电感器的峰值电流，所述控制器经控制以调制穿过所述发射器电感器的所述峰值电流以便调制穿过所述接收器电感器的峰值电流，其中所述发射器电感器上的所述峰值电压在所述电压调节器能够实现调节的时间期间增加，其中所述控制器经配置以通过调制穿过所述发射器电感器的所述峰值电流而可变地增加和降低穿过所述发射器电感器的所述峰值电流，以检测与所述峰值电压由于所述电压调节器实现调节而导致的增加相对应的穿过所述发射器电感器的所述峰值电流的水平，以及其中所述控制器经控制以由于检测到所述峰值电压的增加而暂时停止调制穿过所述发射器电感器的所述峰值电流，以将穿过所述发射器电感器的所述峰值电流限制在足以向所述电压调节器提供实现调节所需的足够电压的水平。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器经控制以通过调制由所述电压源产生的所述电压而调制穿过所述发射器电感器的所述峰值电流。3.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器经控制以通过调制施加于所述第一开关的驱动脉冲的脉冲宽度而调制穿过所述发射器电感器的所述峰值电流。4.根据权利要求1所述的系统，其中所述接收器电感器和所述负载一起封装于装置中以用于对所述装置中的电池再充电。5.根据权利要求1所述的系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·T·利苏瓦迪，
申请(专利权)人：凌力尔特公司，
类型：发明
国别省市：美国,US