本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及電能發(fā)射端及應(yīng)用其的無線電能傳輸裝置。

背景技術(shù)：

無線電能傳輸技術(shù)由于其方便實用的特點而廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品領(lǐng)域，目前，實現(xiàn)無線電能傳輸?shù)姆绞街饕写鸥袘?yīng)式和磁共振式兩種方式，磁感應(yīng)式由于受傳輸距離的限制其應(yīng)用場合非常有限，磁共振式無線電能傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離、大功率的電能傳輸，可以廣泛應(yīng)用于電子終端、電動汽車、水下、地下等用電設(shè)備的充電和供電。

磁共振式無線電能傳輸裝置主要包括發(fā)射部分和接收部分，兩者通過電磁共振原理實現(xiàn)能量傳輸?shù)淖畲蠡?。如圖1所示為磁共振式無線電能傳輸裝置的電路框圖，發(fā)射部分包括有原邊發(fā)射線圈ls和諧振電容cs組成的諧振結(jié)構(gòu)，接收部分包括有副邊接收線圈ld和諧振電容cd組成的諧振機構(gòu)。為了保證無線功率能夠有效傳輸，通常要求原副邊的諧振結(jié)構(gòu)的諧振點一致或非常接近，并記作系統(tǒng)的工作頻率。

磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)在原邊線圈和副邊線圈耦合程度較高時，會出現(xiàn)頻率分叉現(xiàn)象，即系統(tǒng)的最優(yōu)效率點或最大功率傳輸點會偏離系統(tǒng)的諧振頻率。為了解決頻率分叉現(xiàn)象，現(xiàn)有技術(shù)中通常是設(shè)置阻抗調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，通過改變系統(tǒng)參數(shù)使得系統(tǒng)可以仍然工作在諧振頻率點。如圖2所示，通過在原副邊各增加一個線圈，一個輸入線圈，一個輸出線圈(如圖2中的lg或ll所示)，通過手動調(diào)整輸入線圈和原邊線圈的耦合關(guān)系，以及輸出線圈和副邊線圈的耦合關(guān)系來改變系統(tǒng)的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，而手動的調(diào)節(jié)則明顯不適用于原副邊相對位置存在變化以及負載變動的情況。而且在無線電能傳輸中，由于原邊線圈的電流存在不在系統(tǒng)工作頻率的交流紋波，例如存在高于系統(tǒng)工作頻率或低于系統(tǒng)工作頻率的電流分量，這都對系統(tǒng)的損耗或傳輸效率產(chǎn)生影響，由于是高于系統(tǒng)工 作頻率的電流分量，由于在發(fā)射線圈中產(chǎn)生很大的集膚效應(yīng)，導(dǎo)致線圈損耗大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提出了電能發(fā)射端及應(yīng)用其的無線電能傳輸裝置，其通過電流調(diào)制電路調(diào)節(jié)原邊線圈的電流信號，使得通過原邊線圈的電流為恒定頻率恒定幅值的準正弦電流信號，并且通過頻率調(diào)節(jié)電路使得所述準正弦電流信號中只包含在系統(tǒng)工作頻率的電流分量。使得系統(tǒng)耦合性穩(wěn)定，損耗小，傳輸效率高。

第一方面,依據(jù)本發(fā)明的一種電能發(fā)射端，用以向與其隔離的電能接收端傳輸能量，所述電能發(fā)射端包括：

電壓變換器，接收電能以輸出具有預(yù)設(shè)頻率的高頻交流電，所述預(yù)設(shè)頻率與所述電能發(fā)射端和電能接收端的系統(tǒng)工作頻率一致，

電流調(diào)制電路，接收所述高頻交流電，以獲得調(diào)節(jié)電流信號，所述調(diào)節(jié)電流信號為具有恒定頻率恒定幅值的準正弦電流信號；

電能發(fā)射部分，包括原邊發(fā)射線圈，所述原邊發(fā)射線圈用于接收所述調(diào)節(jié)電流信號，產(chǎn)生空間磁場以向所述電能接收端傳輸能量；

其中，所述電流調(diào)制電路包括諧振電路和頻率調(diào)節(jié)電路，所述諧振電路的諧振頻率與所述預(yù)設(shè)頻率一致；所述頻率調(diào)節(jié)電路控制所述準正弦電流信號中只包含在系統(tǒng)工作頻率的電流分量。

進一步的，所述諧振電路包括第一電感和第一電容，

所述第一電感和所述頻率調(diào)節(jié)電路串聯(lián)連接在所述電壓變換器的正輸出端和電能發(fā)射部分第一端之間，

所述第一電容的第一端與所述電能發(fā)射部分第一端連接，第二端接所述電壓變換器的負輸出端；

其中，所述第一電感和第一電容的諧振頻率與所述預(yù)設(shè)頻率一致，并且，所述第一電容的第一端的信號作為所述調(diào)節(jié)電流信號。

進一步的，所述頻率調(diào)節(jié)電路包括第二電感和第二電容，

所述第二電感和第二電容串聯(lián)連接在所述第一電感的一端和第一電容的第 一端之間，或者是所述第二電感和第二電容串聯(lián)連接在所述電壓變換器的正輸出端和所述第一電感的一端之間，或者是所述第二電感、第一電感和第二電容依次串聯(lián)連接在所述電壓變換器的正輸出端和電能發(fā)射部分第一端之間；

所述第二電感和第二電容的諧振頻率與所述預(yù)設(shè)頻率一致。

第二方面，依據(jù)本發(fā)明的一種無線電能傳輸裝置，包括相互隔離的電能發(fā)射端和電能接收端，電能發(fā)射端包括有電壓變換器、電流調(diào)制電路和電能發(fā)射部分，

所述電壓變換器接收電能以輸出具有預(yù)設(shè)頻率的高頻交流電，所述預(yù)設(shè)頻率與所述電能發(fā)射端和電能接收端的系統(tǒng)工作頻率一致，

所述電流調(diào)制電路接收所述高頻交流電，以獲得調(diào)節(jié)電流信號，所述調(diào)節(jié)電流信號為具有恒定頻率恒定幅值的準正弦電流信號；

所述電能發(fā)射部分包括原邊發(fā)射線圈，所述原邊發(fā)射線圈用于接收所述調(diào)節(jié)電流信號，產(chǎn)生空間磁場以向所述電能接收端傳輸能量；

所述電能接收端包括副邊接收線圈，所述副邊接收線圈用于接收從電能發(fā)射部分傳輸?shù)哪芰浚?/p>

其中,所述電流調(diào)制電路包括諧振電路和頻率調(diào)節(jié)電路，所述諧振電路的諧振頻率與所述預(yù)設(shè)頻率一致；所述頻率調(diào)節(jié)電路控制所述準正弦電流信號中只包含有在系統(tǒng)工作頻率的電流分量。

進一步的，所述諧振電路包括第一電感和第一電容，

所述第一電感和所述頻率調(diào)節(jié)電路串聯(lián)連接在所述電壓變換器的正輸出端和電能發(fā)射部分第一端之間，

所述第一電容的第一端與所述電能發(fā)射部分第一端連接，第二端接所述電壓變換器的負輸出端；

其中，所述第一電感和第一電容的諧振頻率與所述預(yù)設(shè)頻率一致，并且，所述第一電容的第一端的信號作為所述調(diào)節(jié)電流信號。

進一步的，所述頻率調(diào)節(jié)電路包括第二電感和第二電容，

所述第二電感和第二電容串聯(lián)連接在所述第一電感的一端和第一電容的第一端之間，或者是所述第二電感和第二電容串聯(lián)連接在所述電壓變換器的正輸出端和所述第一電感的一端之間，或者是所述第二電感、第一電感和第二電容 依次串聯(lián)連接在所述電壓變換器的正輸出端和電能發(fā)射部分第一端之間；

所述第二電感和第二電容的諧振頻率與所述預(yù)設(shè)頻率一致。

通過上述的電能發(fā)射端及應(yīng)用其的無線電能傳輸裝置，利用諧振電路使得原邊線圈的電流為恒定頻率恒定幅值的準正弦電流信號，利用頻率調(diào)節(jié)電路使得所述準正弦電流信號只包含系統(tǒng)工作頻率的電流分量。本發(fā)明的無線電能傳輸系統(tǒng)具有以下有益效果：

1)在原邊線圈的周圍空間中產(chǎn)生恒定頻率恒定幅值的交變磁場，保證原邊傳輸至副邊的電能不因外界變動因素如原副邊線圈的位置變化(即原副邊線圈耦合強度改變)或負載的改變而發(fā)生變動。

2)通過產(chǎn)生恒定頻率恒定幅度的交變磁場，極大的有利于無線傳輸裝置中副邊接收端的設(shè)計。

3)由于在電能發(fā)射端產(chǎn)生恒定的空間磁場，可以實現(xiàn)單個發(fā)射線圈對應(yīng)多個接收接圈，接收線圈之間相互不干擾，能夠?qū)崿F(xiàn)多路輸出的獨立控制。

4)本發(fā)明通過對原邊發(fā)射線圈電流的頻率調(diào)節(jié)控制，使得原邊發(fā)射線圈的電流只包含在系統(tǒng)工作頻率的電流分量，從而解決了高頻分量帶來的損耗較大的問題。

附圖說明

圖1所示為磁共振式無線電能傳輸裝置的電路框圖；

圖2所示為現(xiàn)有技術(shù)中的磁共振式無線電能傳輸裝置的阻抗匹配的一種實現(xiàn)方式；

圖3所示為依據(jù)本發(fā)明的無線電能傳輸裝置的第一實施例的電路框圖；

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例，但本發(fā)明不限于此，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，并且附圖不一定是按比例繪制的。

同時，應(yīng)當理解，在以下的描述中，“電路”是指由至少一個元件或子電路通過電氣連接或電磁連接構(gòu)成的導(dǎo)電回路。當稱元件或電路“連接到”另一元件或 稱元件/電路“連接在”兩個節(jié)點之間時，它可以是直接耦接或連接到另一元件或者可以存在中間元件，元件之間的連接可以是物理上的、邏輯上的、或者其結(jié)合。相反，當稱元件“直接耦接到”或“直接連接到”另一元件時，意味著兩者不存在中間元件。

參考圖3所示為依據(jù)本發(fā)明的無線電能傳輸裝置的第一實施例的電路框圖；如圖3所示,所述無線電能傳輸裝置包括相互隔離的電能發(fā)射端和電能接收端,在本實施例中,所述電能發(fā)射端包括有電壓變換器1、電流調(diào)制電路2和原邊發(fā)射線圈ls和諧振電容cs組成電能發(fā)射部分3，所述電能接收端包括有副邊接收線圈ld和諧振電容cd組成的電能接收部分4和整流電路5。這里，原邊諧振電容cs和副邊諧振電容cd并不一定是需要的，當對電路參數(shù)要求不高或線路寄生電容較大的情況下,原邊諧振電容cs和副邊諧振電容cd可以不需要。外部電能通過無線電能傳輸裝置的原邊的電能發(fā)射端向副邊的電能接收端傳輸，經(jīng)副邊整流濾波電路處理后供給負載。

其中,所述電壓變換器1具體為dc-ac電壓變換器,dc-ac電壓變換器可以為現(xiàn)有技術(shù)中的或改進的多種實現(xiàn)方式，如多開關(guān)管組成的橋式拓撲，半橋、全橋拓撲等,或者是單開關(guān)管組成的拓撲機構(gòu)，如classe放大器,classφ放大器等,所述dc-ac電壓變換器接收電能以輸出具有預(yù)設(shè)頻率的高頻交流電vin,所述預(yù)設(shè)頻率與所述無線電能傳輸裝置的系統(tǒng)工作頻率ω0一致，即所述預(yù)設(shè)頻率為ω0，需要明確的是,所述無線電能傳輸裝置的系統(tǒng)工作頻率是根據(jù)電路結(jié)構(gòu)和效率要求預(yù)先設(shè)定的，例如，根據(jù)allianceforwirelesspower(a4wp)的標準，為滿足emi標準，要求系統(tǒng)工作頻率為6.78mhz，而根據(jù)無線充電聯(lián)盟qi標準，一般要求系統(tǒng)工作頻率為110-205khz，用戶可以根據(jù)標準的要求和電路的控制難易自定義系統(tǒng)的工作頻率大小。

在本實施例中,所述電流調(diào)制電路2接收所述高頻交流電vin,經(jīng)調(diào)制處理獲得具有恒定頻率恒定幅值的準正弦電流信號,記為調(diào)節(jié)電流信號ip。本發(fā)明實施方式中,所述電流調(diào)制電路包括諧振電路和頻率調(diào)節(jié)電路，所述諧振電路的諧振頻率與所述預(yù)設(shè)頻率一致，也即是所述諧振電路的諧振頻率與無線電能傳輸裝置的系統(tǒng)工作頻率一致。在本實施例中,所述諧振電路包括第一電感l(wèi)1和第一電容c1，所述頻率調(diào)節(jié)電路包括第二電感l(wèi)2和第二電容c2，所述第一電 感l(wèi)1的第一端連接所述電壓變換器1的正輸出端，第二端接至所述第二電感l(wèi)2第一端；所述第二電容的第一端接所述第二電感l(wèi)2的第二端，所述第一電容c1的第一端與所述第二電容c2的第二端連接，第二端接所述電壓變換器1的負輸出端,其中，所述第一電感l(wèi)1和第一電容c1的諧振頻率與所述預(yù)設(shè)頻率ω0一致,即有l1為第一電感的電感值，c1為第一電容的電容值；所述第二電感l(wèi)2和第二電容c2的諧振頻率與所述預(yù)設(shè)頻率ω0一致,即有l2為第一電感的電感值，c2為第一電容的電容值；所述第一電容c1的第一端的信號作為所述調(diào)節(jié)電流信號ip。

其中，所述第一電感l(wèi)1、第二電感l(wèi)2和第二電容c2的連接方式不限于上述所述，例如還可以為：所述第二電感l(wèi)2和第二電容c2串聯(lián)連接在所述電壓變換器的正輸出端和所述第一電感l(wèi)1的一端之間，或者是所述第二電感l(wèi)2、第一電感l(wèi)1和第二電容c2依次串聯(lián)連接在所述電壓變換器的正輸出端和電能發(fā)射部分第一端之間。

根據(jù)上述的電流調(diào)制電路具體闡述所述調(diào)節(jié)電流信號的獲得過程:將上述原邊發(fā)射線圈ls、諧振電容cs以及副邊線圈的等效阻抗zd記為磁共振網(wǎng)絡(luò)阻抗zs,則zs為:

其中，ls為原邊發(fā)射線圈的電感值,cs為原邊諧振電容的電容值。

根據(jù)上述第一電感和第一電容的介紹，定義第一電感l(wèi)1的阻抗為：jω0l1＝j(luò)x，則第一電容c1的阻抗為:-jx，第二電感l(wèi)2的阻抗為：jω0l2＝j(luò)y第二電容c2的阻抗為：-jy，根據(jù)第一電感、第一電容、第二電感、第二電和磁共振網(wǎng)絡(luò)的電路關(guān)系可得原邊的總輸入阻抗zin為，其中，由于第二電感l(wèi)2和第二電容c2串聯(lián)連接，其在系統(tǒng)工作頻率上阻抗之和為零，因此有zin為：

設(shè)所述高頻交流電的幅值為vin，則根據(jù)公式(2)可得電流調(diào)制電路輸出的調(diào)節(jié)電流信號ip為:

從公式(3)中可以看出，當?shù)谝浑姼泻偷谝浑娙莸闹C振頻率與所述預(yù)設(shè)頻率ω0一致時,所述調(diào)節(jié)電流信號ip的幅值由第一電感l(wèi)1在系統(tǒng)工作頻率下的阻抗和輸入電壓共同決定，當?shù)谝浑姼衛(wèi)1的阻抗和輸入電壓確定后，則所述調(diào)節(jié)電流信號ip為恒定頻率恒定幅值的準正弦電流信號，所述恒定頻率為與所述預(yù)設(shè)頻率ω0一致。這里需要說明的是，所述恒定頻率恒定幅值的準正弦電流信號是指基波頻率恒定，但是準正弦電流信號中有包含除掉基波以外的多次諧波。從圖3中可知，所述調(diào)節(jié)電流信號ip為所述原邊發(fā)射線圈的電流信號，而當原邊發(fā)射線圈通過恒定頻率恒定幅值的交變電流時，所述交流電流為準正弦電流信號，將會在原邊線圈的周圍空間中產(chǎn)生恒定頻率恒定幅值的交變磁場，這樣，副邊的電能接收端就能接收到穩(wěn)定的電能量,不因外界因素如原副邊線圈耦合的變化或負載的變化而變化,確保能量傳輸效率的最大化。此外，從公式(2)中還可以看出，在本實施例中，原邊的總輸入阻抗zin表現(xiàn)為感性特征，這樣有利于實現(xiàn)dc-ac電壓變換器中開關(guān)管的軟開關(guān)啟動。

但在實際電路中，由于濾波電容的限制，所述調(diào)節(jié)電流信號ip并不能完全只包含工作在系統(tǒng)頻率的基波，會存在多次諧波，多次諧波在發(fā)射線圈會產(chǎn)生損耗。而在本實施例中，第二電感l(wèi)2和第二電容c2串聯(lián)諧振，當諧振頻率與系統(tǒng)工作頻率一致時，其實際相當于一個在系統(tǒng)工作頻率點上的陷波器，即是，該串聯(lián)諧振電路只有在工作頻率點上阻抗為零，高于工作頻率或低于工作頻率的分量均呈現(xiàn)為高阻抗，高頻分量或低頻分量不能通過該串聯(lián)諧振電路，這樣，所述調(diào)節(jié)電流信號就只包括在系統(tǒng)工作頻率的電流分量，屏蔽了高頻分量和低頻分量。從而解決背景技術(shù)中的高頻分量帶來的集膚效應(yīng)損耗大的問題，使得系統(tǒng)傳輸損耗小，效率高、并且有利于降低系統(tǒng)的電磁干擾。

此外，根據(jù)上述計算過程可以知道，在本發(fā)明中，由于使得原邊發(fā)射線圈的電流為恒定頻率恒定幅值的交變電流,因此磁共振網(wǎng)絡(luò)中l(wèi)s和cs的諧振點并不一定要求等于系統(tǒng)工作頻率ω0，這樣cs可以簡化為大容量的隔直電容。然而在現(xiàn)有技術(shù)的共振系統(tǒng)中，一般要求磁共振網(wǎng)絡(luò)的ls和cs的諧振點嚴格等于或非常接近于系統(tǒng)工作頻率，以確保能量的有效傳輸。這種含電流調(diào)制電路的 結(jié)構(gòu)對于無線電能傳輸系統(tǒng)而言，只要預(yù)先設(shè)定電流調(diào)制網(wǎng)絡(luò)的l和c的諧振頻率和系統(tǒng)工作頻率一致，那么就不需要根據(jù)不同的耦合去做相應(yīng)的變化，降低了對于系統(tǒng)參數(shù)的控制精度要求,總體控制難度和控制成本都將能夠降低。

本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解,所述電流調(diào)制電路中的諧振頻率與所述系統(tǒng)工作頻率一致時,電流的恒定效果最好,因此傳輸效率最高。但根據(jù)本發(fā)明也可推知,在電流調(diào)制電路中的諧振頻率不完全等于工作頻率(存在電感或者電容參數(shù)誤差)，恒流效果會略有下降，但是并不影響無線充電的高效率。因此通過本發(fā)明可以看出，本發(fā)明的無線電能傳輸系統(tǒng)對參數(shù)的誤差不敏感，非常有利于批量生產(chǎn)。

需要說明的是,在上述實施例中介紹了無線電能傳輸裝置中的電能發(fā)射端的一種實現(xiàn)方式,但本領(lǐng)域技術(shù)人員可知,能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能的所述電能發(fā)射端的結(jié)構(gòu)并不限于此,例如，實現(xiàn)諧振頻率與系統(tǒng)工作頻率一致的諧振電路具有多種實現(xiàn)方式，如申請?zhí)枮?01510011896.8中公開的實施方式均可應(yīng)用至本發(fā)明中，從而使得發(fā)射線圈的電流可以恒定頻率恒定幅值，并且確保高頻電流分量或低頻電流分量被屏蔽掉，上述的實施例的電能發(fā)射端不限于用于無線電能傳輸系統(tǒng)中,例如負載阻抗zd可以為純阻性或含有感性(容性)感抗，也可以是直接連接在原邊線圈的負載,還可以是通過副邊線圈耦合，而折射到原邊的等效阻抗。

以上對依據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的電能發(fā)射端及應(yīng)用其的無線電能傳輸裝置進行了詳盡描述，但關(guān)于該專利的電路和有益效果不應(yīng)該被認為僅僅局限于上述所述的，公開的實施例和附圖可以更好的理解本發(fā)明，因此，上述公開的實施例及說明書附圖內(nèi)容是為了更好的理解本發(fā)明，本發(fā)明保護并不限于限定本公開的范圍，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本發(fā)明實施例的替換、修改均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。