[发明专利]最佳效率的谐振感应功率传输系统的初级单元控制

说明书

技术领域

本公开涉及无线能量传输及其控制。

背景技术

人们对于无线传输功率以为从手机到重型工业设备（如起重机马达）的各种消费电子设备充电或供电具有越来越大的兴趣。在这方面，感应充电使用电磁场在两个对象之间传递能量。能量通过感应耦合发送至电子设备，以对设备充电或供电。取消了发送器和接收器之间的直接（即有线）电接触可以提供多种优点。

例如，与导电充电相比，感应式充电可以降低触电的危险，因为没有暴露的导体。另外，提供了密封发射器电路和接收器电路的能力。这种电路封装提供了需要提供防水密封的应用，例如为可能与水接触的植入式医疗设备或个人卫生设备（如牙刷，剃须刀）充电。

即使在触电或卫生不是最重要关注点的应用中，感应式功率传输也是可取的。例如，要供电的设备及其电源之间的连接可能随着时间的推移而变得不可靠。此外，在充电器和设备之间建立物理接触比较耗时。

因此，无线功率传输增加了安全性、可靠性、和时间效率，同时降低了维护成本。

图1示出一个典型的无线功率传输系统100，其包括发射器电路104（即初级单元）和接收器电路110（即次级单元）。发射（Tx）线圈106通电以发射随时间变化的磁场。由发射线圈106产生的磁场在所产生的磁场附近的接收（Rx）线圈108中感生出电流。在谐振系统100中，此交流电流在产生输出电压的接收器电路中的接收线圈108和贮能电容器（图中未示出）之间往返流动。随后可以对该交流电压整流，以在跨接负载R_L112的输出端产生交流电压。在接收器电路110的输出端稳压的输出电压能够传递直流电流，以对接收器侧的负载R_L112供电。

次级单元110可以利用稳压来控制传递到负载112的功率量。在一个示例中，该稳压器可以是稳压其输出电压的DC/DC转换器。对于固定的电阻性负载，稳压的输出电压控制负载112中的电流量，并因此控制传递到电阻112的功率总量。

注意，从接收器电路110到发射器电路不存在直接的反馈。如果没有这样的反馈，则初级单元104上的发射电路可以将发射线圈通电至最大程度，以容纳次级单元110上的最坏情况操作条件。例如，最坏情况操作条件可以包括最大负载电流和两个线圈（即，线圈106和108）之间的最低耦合。以最大程度对发射线圈106通电会导致发射器电路104以及发射线圈106的较大功耗，因为实际的发射器电路104和实际的发射线圈106不够理想。

因此，即使不存在接收器电路110或R_L112，发射器电路104和发射线圈106也会耗散功率。非理想因素（例如发射器电路104中的耗能元件）包括开关损耗。此外，发射线圈106中的损耗包括I2R损耗。一个显著的非理想因素可以是发射线圈106自身的寄生串联电阻。这些非理想因素降低了能量效率。

因此，如果接收器电路110不将其操作的主要部分用于将最大功率传递至负载R_L112，以最大程度对发射线圈106通电是不可取的。例如，如果负载112是移动电话的电池，则只需要在每个充电周期开始的短时间段内以最大电流为电池充电。在此短时间段之后持续以最大电流对发射线圈106通电是低能量效率的。

在一种对从初级侧106到次级侧110的功率传输的整体效率进行优化的方法中，使用从接收器电路110到发射器电路106的物理反馈。关于这一点，存在多种提供这种反馈的方法。

例如可以是从接收器电路110到发射器电路104的提供直接反馈信息的光电耦合器。在另一示例中，可以是具有提供这种反馈信息的无线通信协议的专用射频链路。其它方法可以通过次级谐振电容器的轻微调制来间接观测初级单元交流波形。随后可以将这种调制用作低带宽射频链路，以将反馈信息从接收器电路110发送到发射器电路104。

然而，现有技术基本上依赖于从接收器电路110到发射器电路104的直接反馈信息，以便稳压从接收器电路110到发射器电路104的功率传递。

因此，通过间接确定接收器电路和负载的状态来提供从发射器电路到接收器电路和负载的功率传递的主动控制是有利的。

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