本發(fā)明涉及無線充電系統(tǒng)，尤其涉及一種磁耦合共振式無線充電系統(tǒng)的自動阻抗匹配裝置及方法。

背景技術(shù)：

無線充電技術(shù)是一種應(yīng)用前景十分廣闊的技術(shù)，它的優(yōu)點(diǎn)是安全，可靠，靈活。當(dāng)今時(shí)代，無線充電主要有三種形式：電磁感應(yīng)式；磁耦合共振式；微波輻射式。其中磁耦合共振式利用近場區(qū)的能量非輻射特性，基于共振原理，通過發(fā)射線圈與接收線圈之間的耦合諧振作用令到能量在具有相同諧振頻率的發(fā)射線圈和接收線圈之間來回傳遞，而不同頻率的物體基本不受影響。這種技術(shù)相對于電磁感應(yīng)式，傳輸?shù)木嚯x大大增加；相對于微波輻射式，其傳輸效率大大提高。在磁共振式無線充電的過程中，手機(jī)、平板、可穿戴設(shè)備等接收端的不斷移動會通過互感作用引起較大的發(fā)射端LC諧振線圈輸入阻抗的變化，導(dǎo)致發(fā)射端LC諧振線圈的輸入阻抗與電源(功率放大器)的內(nèi)阻不滿足共軛負(fù)匹配，從而大大減少發(fā)射端LC諧振線圈從電源處獲得的功率，嚴(yán)重的時(shí)候，甚至導(dǎo)致電源的功率不能夠傳送至發(fā)射端LC諧振線圈，使接收端無法充電。

現(xiàn)有技術(shù)中，中國專利CN205647044U在理念上提出了一種具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的磁耦合諧振式無線充電裝置，其中關(guān)于自動阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，它在發(fā)射線圈的控制系統(tǒng)中利用了定向耦合器，衰減器及反射系數(shù)檢測模塊，原理上是通過測線發(fā)射端網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)，然后再根據(jù)特定的算法來計(jì)算出所阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)所需要的電感電容值。中國專利CN103825467A提出了一種具有阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的充電系統(tǒng)的高頻變換電路，雖然此專利提及到阻抗匹配，但其設(shè)計(jì)目的是為了制作寬負(fù)載變化范圍的無線電能傳輸發(fā)射電路，而且它的技術(shù)核心是在發(fā)射線圈與常規(guī)功率放大器之間增加了一個(gè)固定的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，并沒有應(yīng)用一些可調(diào)電感，可調(diào)電容之類的可調(diào)元件實(shí)行阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)性，從而導(dǎo)致應(yīng)用范圍窄。

經(jīng)研究表明，現(xiàn)有技術(shù)中的阻抗匹配原理多是把發(fā)射端線圈作為一個(gè)整體二端口網(wǎng)絡(luò)，測量其S參數(shù)，然后通過測量所得的S參數(shù)來推導(dǎo)出需要的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)類型及相應(yīng)的電感電容元件的值，從而進(jìn)行發(fā)射端線圈的阻抗匹配。這些方法大都采用網(wǎng)絡(luò)分析儀來實(shí)時(shí)測量S參數(shù)，并將實(shí)時(shí)測得的S參數(shù)反饋到發(fā)射端的控制系統(tǒng)，經(jīng)由控制系統(tǒng)對測得的S參數(shù)進(jìn)行處理，得出相應(yīng)的電感電容值，然后采取措施搭建阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。這些方法僅僅適用于實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，無法被集成到一個(gè)產(chǎn)品中，所以適用范圍有限，不適合應(yīng)用在產(chǎn)品開發(fā)上。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種磁耦合共振式無線充電系統(tǒng)的自動阻抗匹配裝置及方法，該裝置及方法基于對電路Z參數(shù)的測量，可有效解決現(xiàn)有共振式無線充電系統(tǒng)中，發(fā)射端LC諧振線圈的無法實(shí)現(xiàn)阻抗匹配等問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。

一種磁耦合共振式無線充電系統(tǒng)的自動阻抗匹配裝置，其包括有：一阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，其前端用于連接功率放大器，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)包括有多個(gè)供于選擇的阻抗匹配支路，多個(gè)阻抗匹配支路的參數(shù)不同；一發(fā)射端LC諧振線圈，并聯(lián)于阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的后端，所述發(fā)射端LC諧振線圈用于從功率放大器獲取交流電，并在空間中形成交變的電磁場；一檢測模塊，其用于測量發(fā)射端LC諧振線圈的輸入阻抗；一控制單元，連接于檢測模塊與阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)之間，所述控制單元用于對檢測模塊測量的輸入阻抗進(jìn)行運(yùn)算，在滿足發(fā)射端LC諧振線圈的輸入阻抗與功率放大器的內(nèi)阻共軛匹配的條件下，運(yùn)算得出發(fā)射端LC諧振線圈所需的阻抗匹配參數(shù)，并將所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中與該阻抗匹配參數(shù)相對應(yīng)的阻抗匹配支路連接于發(fā)射端LC諧振線圈。

優(yōu)選地，所述阻抗匹配支路的參數(shù)包括阻抗匹配類型，以及用于組成阻抗匹配支路的電容的電容值和電感的電感值。

優(yōu)選地，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)包括有多個(gè)相互并聯(lián)的第一電容支路、多個(gè)相互并聯(lián)的第二電容支路、第一電感支路、第二電感支路和第一繼電器，所述第一電感支路和第二電感支路相互并聯(lián)，所述第一電容支路的前端用于連接功率放大器，所述第一電容支路的后端連接于第一電感支路的前端，所述第一電感支路的后端和所述第二電容支路的后端分別連接于發(fā)射端LC諧振線圈的兩端，其中：所述第一電容支路包括有第二繼電器和第一電容，所述第二繼電器的一對觸點(diǎn)與第一電容相串聯(lián)；所述第一電感支路包括有第三繼電器和第一電感，所述第三繼電器的一對觸點(diǎn)與第一電感相串聯(lián)；所述第二電感支路包括有第八繼電器和第二電感，所述第八繼電器的一對觸點(diǎn)與第二電感相串聯(lián)；所述第二電容支路包括有第四繼電器和第二電容，所述第四繼電器的一對觸點(diǎn)與第二電容相串聯(lián)；所述第一繼電器的控制端、第二繼電器的控制端、第三繼電器的控制端、第八繼電器的控制端和第四繼電器的控制端分別電性連接于控制單元，所述第一繼電器為Z型繼電器，所述第一繼電器的兩個(gè)靜觸點(diǎn)分別連接于第一電容支路的前端和第一電感支路的后端，所述第一繼電器的動觸點(diǎn)連接于第二電容支路的前端，所述第一繼電器用于響應(yīng)控制單元發(fā)出的控制指令而驅(qū)使其動觸點(diǎn)與兩個(gè)靜觸點(diǎn)擇一吸合；所述控制單元用于運(yùn)算得出發(fā)射端LC諧振線圈所需的阻抗匹配參數(shù)，并通過控制第一繼電器、第二繼電器、第三繼電器、第八繼電器和第四繼電器的通斷狀態(tài)，以令相應(yīng)的第一電容、相應(yīng)的第二電容與第一電感組成L型阻抗匹配支路，或者相應(yīng)的第一電容、相應(yīng)的第二電容與第二電感組成反L型阻抗匹配支路。

優(yōu)選地，還包括有第五繼電器、第六繼電器和第七繼電器，所述第五繼電器的一對觸點(diǎn)并聯(lián)于第一電容支路的前后兩端，所述第六繼電器的一對觸點(diǎn)并聯(lián)于第一電感支路的前后兩端，所述第七繼電器的一對觸點(diǎn)串聯(lián)于第二電容支路的后端，所述第五繼電器的控制端、第六繼電器的控制端和第七繼電器的控制端分別連接于控制單元，藉由所述控制單元而控制第五繼電器、第六繼電器和第七繼電器的觸點(diǎn)通斷狀態(tài)。

一種磁耦合共振式無線充電系統(tǒng)的自動阻抗匹配方法，該方法基于一系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，所述系統(tǒng)包括有一阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、一發(fā)射端LC諧振線圈、一檢測模塊及一控制單元，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的前端用于連接功率放大器，所述發(fā)射端LC諧振線圈并聯(lián)于阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的后端，所述控制單元連接于檢測模塊與阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)之間，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)包括有多個(gè)供于選擇的阻抗匹配支路，多個(gè)阻抗匹配支路的參數(shù)不同，所述方法包括如下步驟：步驟S1，所述檢測模塊測量發(fā)射端LC諧振線圈的輸入阻抗并傳輸至控制單元；步驟S2，所述控制單元對所述輸入阻抗進(jìn)行運(yùn)算，在滿足發(fā)射端LC諧振線圈的輸入阻抗與功率放大器的內(nèi)阻共軛匹配的條件下，運(yùn)算得出發(fā)射端LC諧振線圈所需的阻抗匹配參數(shù)；步驟S3，所述控制單元將所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中與該阻抗匹配參數(shù)相對應(yīng)的阻抗匹配支路連接于發(fā)射端LC諧振線圈；步驟S4，所述發(fā)射端LC諧振線圈從功率放大器獲取交流電，并在空間中形成交變的電磁場；每間隔預(yù)設(shè)時(shí)間而重復(fù)執(zhí)行步驟S1至步驟S4。

優(yōu)選地，所述步驟S2包括：步驟S20，所述控制單元將發(fā)射端LC諧振線圈的輸入阻抗Z_L設(shè)定為復(fù)數(shù)：Z_L＝R_L+jX_L；其中，R_L為實(shí)部，jX_L為虛部；步驟S21，判斷實(shí)部R_L是否大于功率放大器內(nèi)阻Z₀，若是，則執(zhí)行步驟S22，若否，則執(zhí)行步驟S23；步驟S22，選擇L型阻抗匹配支路，依據(jù)如下公式計(jì)算L型阻抗匹配支路中并聯(lián)元件的目標(biāo)電抗值B：其中，Z₀為功率放大器內(nèi)阻，f為功率放大器輸出交流電的頻率；再依據(jù)如下公式計(jì)算L型阻抗匹配支路中串聯(lián)元件的目標(biāo)電抗值X：步驟S23，選擇反L型阻抗匹配支路，依據(jù)如下公式計(jì)算反L型阻抗匹配支路中并聯(lián)元件的目標(biāo)電抗值B：其中，Z₀為功率放大器內(nèi)阻，f為功率放大器輸出交流電的頻率；再依據(jù)如下公式計(jì)算反L型阻抗匹配支路中串聯(lián)元件的目標(biāo)電抗值X：

優(yōu)選地，執(zhí)行步驟S22之后，還包括L型阻抗匹配支路選擇接通步驟：步驟S220，將多個(gè)第一電容支路中的多個(gè)第一電容記為C_a1...C_an電容陣列，多個(gè)第二繼電器(A₁...A_n)之一閉合，多個(gè)第四繼電器(D₁...D_m)之一閉合，第三繼電器閉合，使得第一電容與兩個(gè)電感支路中的第一電感組成串聯(lián)等效電感，則該串聯(lián)等效電感的感抗值X_N為：所述控制單元計(jì)算出每個(gè)第一電容接入時(shí)串聯(lián)等效電感的感抗值X_N(N＝1…n)，再將每個(gè)感抗值X_N(N＝1…n)分別與步驟S22中串聯(lián)電感的感抗目標(biāo)值X作差平方運(yùn)算，將差平方最小的感抗X_N確定為L型阻抗匹配支路所需的串聯(lián)等效電感，指定該感抗值X_N所對應(yīng)的第一電容，并將該第一電容所串聯(lián)的第二繼電器接通；步驟S221，將多個(gè)第二電容支路中的多個(gè)第二電容記為C_b1…C_bm陣列，所述控制單元計(jì)算多個(gè)第二電容的容抗值B_M：B_M＝ωC_bM(M＝1…m)；之后，所述控制單元將每個(gè)容抗值B_M(M＝1…m)與步驟S22中并聯(lián)電容的容抗值目標(biāo)值B作差平方運(yùn)算，將差平方最小的容抗值B_M確定為阻抗匹配支路所需的容抗，指定該容抗值B_M所對應(yīng)的第二電容，并將該第二電容所串聯(lián)的第四繼電器接通。

優(yōu)選地，執(zhí)行步驟S23之后，還包括反L型阻抗匹配支路選擇接通步驟：步驟S230，將多個(gè)第一電容支路中的多個(gè)第一電容記為C_a1...C_an電容陣列，多個(gè)第二繼電器(A₁...A_n)之一閉合，多個(gè)第四繼電器(D₁...D_m)之一閉合，第八繼電器閉合，使得第一電容與兩個(gè)電感支路中的第二電感組成串聯(lián)等效電感，則該串聯(lián)等效電感的感抗值X_N為：所述控制單元計(jì)算出每個(gè)第一電容接入時(shí)串聯(lián)等效電感的感抗值X_N(N＝1…n)，再將每個(gè)感抗值X_N(N＝1…n)分別與步驟S23中串聯(lián)電感的感抗目標(biāo)值X作差平方運(yùn)算，將差平方最小的感抗X_N確定為反L型阻抗匹配支路所需的串聯(lián)等效電感，指定該感抗值X_N所對應(yīng)的第一電容，并將該第一電容所串聯(lián)的第二繼電器接通；步驟S231，將多個(gè)第二電容支路中的多個(gè)第二電容記為C_b1…C_bm陣列，所述控制單元計(jì)算多個(gè)第二電容的容抗值B_M：B_M＝ωC_bM(M＝1…m)；之后，所述控制單元將每個(gè)容抗值B_M(M＝1…m)與步驟S23中并聯(lián)電容的容抗值目標(biāo)值B作差平方運(yùn)算，將差平方最小的容抗值B_M確定為阻抗匹配支路所需的容抗，指定該容抗值B_M所對應(yīng)的第二電容，并將該第二電容所串聯(lián)的第四繼電器接通。

本發(fā)明公開的磁耦合共振式無線充電系統(tǒng)的自動阻抗匹配裝置中，首先由所述檢測模塊測量發(fā)射端LC諧振線圈的輸入阻抗并傳輸至控制單元，之后所述控制單元對所述輸入阻抗進(jìn)行運(yùn)算，在滿足發(fā)射端LC諧振線圈的輸入阻抗與功率放大器的內(nèi)阻共軛匹配的條件下，運(yùn)算得出發(fā)射端LC諧振線圈所需的阻抗匹配參數(shù)，再將所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中與該阻抗匹配參數(shù)相對應(yīng)的阻抗匹配支路連接于發(fā)射端LC諧振線圈，最后發(fā)射端LC諧振線圈從功率放大器獲取交流電，并在空間中形成交變的電磁場。每隔預(yù)設(shè)時(shí)間重復(fù)上述過程，以確保整個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)Σ粩嘧兓陌l(fā)射端LC諧振線圈的輸入阻抗及時(shí)應(yīng)對，使得阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和發(fā)射端LC諧振線圈構(gòu)成的能量輻射單元能夠最大程度上與功率放大器共軛負(fù)匹配，從而保證功率能夠高效地傳輸。

附圖說明

圖1為無線充電系統(tǒng)的組成框圖。

圖2為阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的電路原理圖。

圖3為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中自動阻抗匹配方法的流程圖。

圖4為計(jì)算阻抗匹配參數(shù)過程的流程圖。

圖5為L型阻抗匹配支路的等效電路圖。

圖6為反L型阻抗匹配支路的等效電路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作更加詳細(xì)的描述。

本發(fā)明公開了一種磁耦合共振式無線充電系統(tǒng)的自動阻抗匹配裝置，結(jié)合圖1和圖2所示，其包括有：

一阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)1，其前端用于連接功率放大器5，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)1包括有多個(gè)供于選擇的阻抗匹配支路，多個(gè)阻抗匹配支路的參數(shù)不同；

一發(fā)射端LC諧振線圈2，并聯(lián)于阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)1的后端，所述發(fā)射端LC諧振線圈2用于從功率放大器獲取交流電，并在空間中形成交變的電磁場；

一檢測模塊3，其用于測量發(fā)射端LC諧振線圈2的輸入阻抗；

一控制單元4(即為MCU)，連接于檢測模塊3與阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)1之間，所述控制單元4用于對檢測模塊3測量的輸入阻抗進(jìn)行運(yùn)算，在滿足發(fā)射端LC諧振線圈2的輸入阻抗與功率放大器的內(nèi)阻共軛匹配的條件下，運(yùn)算得出發(fā)射端LC諧振線圈2所需的阻抗匹配參數(shù)，并將所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)1中與該阻抗匹配參數(shù)相對應(yīng)的阻抗匹配支路連接于發(fā)射端LC諧振線圈2。

上述自動阻抗匹配裝置中，首先由所述檢測模塊3測量發(fā)射端LC諧振線圈2的輸入阻抗并傳輸至控制單元4，之后所述控制單元4對所述輸入阻抗進(jìn)行運(yùn)算，在滿足發(fā)射端LC諧振線圈2的輸入阻抗與功率放大器的內(nèi)阻共軛匹配的條件下，運(yùn)算得出發(fā)射端LC諧振線圈2所需的阻抗匹配參數(shù)，再將所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)1中與該阻抗匹配參數(shù)相對應(yīng)的阻抗匹配支路連接于發(fā)射端LC諧振線圈2，最后發(fā)射端LC諧振線圈2從功率放大器獲取交流電，并在空間中形成交變的電磁場，使得處于該電磁場內(nèi)的接收端能夠產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而實(shí)現(xiàn)能量的傳輸。每隔預(yù)設(shè)時(shí)間重復(fù)上述過程，以確保整個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)Σ粩嘧兓陌l(fā)射端LC諧振線圈的輸入阻抗及時(shí)應(yīng)對，使得阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和發(fā)射端LC諧振線圈構(gòu)成的能量輻射單元能夠最大程度上與功率放大器共軛負(fù)匹配，從而保證功率能夠高效地傳輸。

其中，功率放大器5用于進(jìn)行功率放大，進(jìn)而提高能量強(qiáng)度。對于接收端而言，其包括接收端LC諧振線圈100、全橋整理電路101、DC-DC穩(wěn)壓模塊102和負(fù)載103，實(shí)際應(yīng)用中，接收端也可設(shè)置阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，本發(fā)明僅對發(fā)射端進(jìn)行配置，因此，對接收端的具體結(jié)構(gòu)不作贅述。

作為一種優(yōu)選方式，所述阻抗匹配支路的參數(shù)包括阻抗匹配類型，以及用于組成阻抗匹配支路的電容的電容值和電感的電感值。

關(guān)于阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的具體結(jié)構(gòu)，請參照圖2、圖5和圖6，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)1包括有多個(gè)相互并聯(lián)的第一電容支路10、多個(gè)相互并聯(lián)的第二電容支路12、第一電感支路11、第二電感支路13和第一繼電器K1，所述第一電感支路11和第二電感支路13相互并聯(lián)，所述第一電容支路10的前端用于連接功率放大器，所述第一電容支路10的后端連接于第一電感支路11的前端，所述第一電感支路11的后端和所述第二電容支路12的后端分別連接于發(fā)射端LC諧振線圈2的兩端，其中：

所述第一電容支路10包括有第二繼電器和第一電容，所述第二繼電器的一對觸點(diǎn)與第一電容相串聯(lián)；

所述第一電感支路11包括有第三繼電器H1和第一電感L1，所述第三繼電器H1的一對觸點(diǎn)與第一電感L1相串聯(lián)；

所述第二電感支路13包括有第八繼電器H2和第二電感L2，所述第八繼電器H2的一對觸點(diǎn)與第二電感L2相串聯(lián)；

所述第二電容支路12包括有第四繼電器和第二電容，所述第四繼電器的一對觸點(diǎn)與第二電容相串聯(lián)；

所述第一繼電器K1的控制端、第二繼電器的控制端、第三繼電器H1的控制端、第八繼電器H2的控制端和第四繼電器的控制端分別電性連接于控制單元4，所述第一繼電器K1為Z型繼電器，所述第一繼電器K1的兩個(gè)靜觸點(diǎn)分別連接于第一電容支路10的前端和第一電感支路11的后端，所述第一繼電器K1的動觸點(diǎn)連接于第二電容支路12的前端，所述第一繼電器K1用于響應(yīng)控制單元4發(fā)出的控制指令而驅(qū)使其動觸點(diǎn)與兩個(gè)靜觸點(diǎn)擇一吸合；

所述控制單元4用于運(yùn)算得出發(fā)射端LC諧振線圈2所需的阻抗匹配參數(shù)，并通過控制第一繼電器K1、第二繼電器、第三繼電器H1、第八繼電器H2和第四繼電器的通斷狀態(tài)，以令相應(yīng)的第一電容、相應(yīng)的第二電容與第一電感L1組成L型阻抗匹配支路，或者相應(yīng)的第一電容、相應(yīng)的第二電容與第二電感L2組成反L型阻抗匹配支路。

本實(shí)施例中，所述第一繼電器K1包括有兩個(gè)靜觸點(diǎn)及一動觸點(diǎn)，動觸點(diǎn)位于兩個(gè)靜觸點(diǎn)之間，根據(jù)Z型繼電器的原理，當(dāng)所述第一繼電器K1接收到控制單元4發(fā)出的控制指令時(shí)，驅(qū)使動觸點(diǎn)跳變，使得該動觸點(diǎn)與兩個(gè)靜觸點(diǎn)中的一個(gè)吸合連接，當(dāng)控制指令發(fā)生變化時(shí)，可驅(qū)使該動觸點(diǎn)與兩個(gè)靜觸點(diǎn)中的另一個(gè)吸合連接。本實(shí)施例以動觸點(diǎn)與兩個(gè)靜觸點(diǎn)擇一選通的方式實(shí)現(xiàn)了電路切換，其僅是本發(fā)明的一個(gè)較佳的電路結(jié)構(gòu)，并不用于限制本發(fā)明，在實(shí)際應(yīng)用中，還可以根據(jù)需要而選用其他具有同等功能的器件或者組合開關(guān)電路，而這些器件、電路的選擇均是在本發(fā)明的精神指導(dǎo)下進(jìn)行的，因此均應(yīng)當(dāng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

進(jìn)一步地，本實(shí)施例還包括有第五繼電器E1、第六繼電器F1和第七繼電器K2，所述第五繼電器E1的一對觸點(diǎn)并聯(lián)于第一電容支路10的前后兩端，所述第六繼電器F1的一對觸點(diǎn)并聯(lián)于第一電感支路11的前后兩端，所述第七繼電器K2的一對觸點(diǎn)串聯(lián)于第二電容支路12的后端，所述第五繼電器E1的控制端、第六繼電器F1的控制端和第七繼電器K2的控制端分別連接于控制單元4，藉由所述控制單元4而控制第五繼電器E1、第六繼電器F1和第七繼電器K2的觸點(diǎn)通斷狀態(tài)。其中，第六繼電器F1用于第一電感支路11短接、第七繼電器K2用于將第二電容支路12短接，第七繼電器K2用于控制阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的接入與否。

上述電路結(jié)構(gòu)為本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例，但是在實(shí)際應(yīng)用中，還可以預(yù)設(shè)多條供切換的阻抗匹配支路，每條阻抗匹配支路中設(shè)有固定參數(shù)的電容和電感，控制單元經(jīng)運(yùn)算確定電容電感的參數(shù)時(shí)，可直接選擇切換相對應(yīng)的阻抗匹配支路，這種方式的劣勢在于需要配置較多的阻抗匹配支路，其優(yōu)勢在于開關(guān)器件數(shù)量較少，方便于切換并且故障率較低。

在上述電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明通過如下方法實(shí)現(xiàn)自動阻抗匹配。

結(jié)合圖1至圖6所示，該方法基于一系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，所述系統(tǒng)包括有一阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)1、一發(fā)射端LC諧振線圈2、一檢測模塊3及一控制單元4，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)1的前端用于連接功率放大器，所述發(fā)射端LC諧振線圈2并聯(lián)于阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)1的后端，所述控制單元4連接于檢測模塊3與阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)1之間，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)1包括有多個(gè)供于選擇的阻抗匹配支路，多個(gè)阻抗匹配支路的參數(shù)不同，所述方法包括如下步驟：

步驟S1，所述檢測模塊3測量發(fā)射端LC諧振線圈2的輸入阻抗并傳輸至控制單元4；

步驟S2，所述控制單元4對所述輸入阻抗進(jìn)行運(yùn)算，在滿足發(fā)射端LC諧振線圈2的輸入阻抗與功率放大器的內(nèi)阻共軛匹配的條件下，運(yùn)算得出發(fā)射端LC諧振線圈2所需的阻抗匹配參數(shù)；

步驟S3，所述控制單元4將所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)1中與該阻抗匹配參數(shù)相對應(yīng)的阻抗匹配支路連接于發(fā)射端LC諧振線圈2；

步驟S4，所述發(fā)射端LC諧振線圈2從功率放大器獲取交流電，并在空間中形成交變的電磁場；

每間隔預(yù)設(shè)時(shí)間而重復(fù)執(zhí)行步驟S1至步驟S4。

上述方法中，由于存在自動阻抗匹配過程，所以無論接收端怎樣移動，發(fā)射端的輸入阻抗都能夠因?yàn)樽杩蛊ヅ渚W(wǎng)絡(luò)的作用被最大程度調(diào)整到與功率放大器內(nèi)阻共軛負(fù)匹配，使得功率放大器的能量始終能夠最大程度地傳送到發(fā)射端LC諧振線圈上，從而能夠大大提高無線充電系統(tǒng)的充電效率及延長充電距離。

關(guān)于具體的匹配運(yùn)算過程，有如下原理說明：在電磁學(xué)里，關(guān)于功率傳輸有一條重要的理論：當(dāng)負(fù)載阻抗值Z_L跟功率放大器內(nèi)阻Z₀互為共軛復(fù)數(shù)時(shí)，即負(fù)載與功率放大器內(nèi)阻共軛負(fù)匹配時(shí)，負(fù)載端能夠獲得最大功率。一般情況下，磁共振式無線充電系統(tǒng)是由一個(gè)輸出為高頻正弦波信號的功率放大器驅(qū)動的，該功率放大器可以等效為一個(gè)幅值為U_S，等效串聯(lián)內(nèi)阻為Z₀的電源網(wǎng)絡(luò)，而無線充電系統(tǒng)中的發(fā)射端LC諧振線圈則為該電源網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。假設(shè)發(fā)射端線圈的輸入阻抗為Z_L(即負(fù)載阻抗值為Z_L)，在實(shí)際的充電活動中，接收端(便攜式電子設(shè)備等)多數(shù)情況下處于一個(gè)移動狀態(tài)，由于發(fā)射線圈與接收線圈之間存在互感效應(yīng)，發(fā)射端線圈的輸入阻抗Z_L變化非常巨大，這直接導(dǎo)致了Z_L的值跟Z₀的值嚴(yán)重不匹配，使發(fā)射線圈接收到的功率很小，導(dǎo)致整體的充電效果大大降低。本發(fā)明的基本內(nèi)容就是就是在電源網(wǎng)絡(luò)與發(fā)射端線圈之間增加自動阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，檢測模塊以及控制單元，控制單元通過檢測模塊從發(fā)射端LC諧振線圈兩端檢測得到的數(shù)據(jù)對該阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動控制和調(diào)節(jié)，無論接收端(充電設(shè)備)怎樣移動，發(fā)射端的LC諧振線圈都能夠因?yàn)樽杩蛊ヅ渚W(wǎng)絡(luò)的存在而被調(diào)整到與非常接近于與Z₀共軛負(fù)匹配的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)功率的高效傳輸。

本實(shí)施例中的匹配運(yùn)算過程請參照圖4，所述步驟S2包括：

步驟S20，所述控制單元4將發(fā)射端LC諧振線圈2的輸入阻抗Z_L設(shè)定為復(fù)數(shù)：

Z_L＝R_L+jX_L；

其中，R_L為實(shí)部，jX_L為虛部；

步驟S21，判斷實(shí)部R_L是否大于功率放大器內(nèi)阻Z₀，若是，則執(zhí)行步驟S22，若否，則執(zhí)行步驟S23；

步驟S22，選擇L型阻抗匹配支路，依據(jù)如下公式計(jì)算L型阻抗匹配支路中并聯(lián)元件的目標(biāo)電抗值B：

其中，Z₀為功率放大器內(nèi)阻，f為功率放大器輸出交流電的頻率；從公式上看，B可取正值或負(fù)值，+B代表電容，-B代表電感，由相應(yīng)的容抗值與電容值的關(guān)系或感抗值與電感值的關(guān)系即能求出相應(yīng)的電容值或電感值；

再依據(jù)如下公式計(jì)算L型阻抗匹配支路中串聯(lián)元件的目標(biāo)電抗值X：

從公式上看，X可取正值或負(fù)值。正X代表電抗，負(fù)X代表電容。由相應(yīng)的容抗值與電容值的關(guān)系或感抗值與電感值的關(guān)系能求出相應(yīng)的電容值或電感值；

步驟S23，選擇反L型阻抗匹配支路，依據(jù)如下公式計(jì)算反L型阻抗匹配支路中并聯(lián)元件的目標(biāo)電抗值B：

其中，Z₀為功率放大器內(nèi)阻，f為功率放大器輸出交流電的頻率；從公式上看，B可取正值或負(fù)值。+B代表電容，-B代表電感，由相應(yīng)的容抗值與電容值的關(guān)系或感抗值與電感值的關(guān)系能求出相應(yīng)的電容值或電感值。

再依據(jù)如下公式計(jì)算反L型阻抗匹配支路中串聯(lián)元件的目標(biāo)電抗值X：

從公式上看，X可取正值或負(fù)值，+X代表電感，-X代表電容，由相應(yīng)的容抗值與電容值的關(guān)系或感抗值與電感值的關(guān)系能求出相應(yīng)的電容值或電感值；

處理過程中，發(fā)射端LC諧振線圈的輸入阻抗Z_L多數(shù)情況下是一個(gè)復(fù)數(shù)，由實(shí)部和虛部構(gòu)成，本實(shí)施例假設(shè)為Z_L＝R_L+jX_L。本實(shí)施例中，功率放大器的等效內(nèi)阻Z₀，根據(jù)共軛負(fù)匹配時(shí)功率傳輸效率最大的原理，應(yīng)將發(fā)射端LC諧振線圈的輸入阻抗匹配成，即阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)加上發(fā)射端LC諧振線圈后，總的輸入阻抗為Z₀。首先，控制單元會對這個(gè)阻抗值的實(shí)部R_L進(jìn)行一個(gè)初步的判斷，當(dāng)R_L的值大于Z₀，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)選用L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。

理論上R_L的值可能會剛好等于Z₀，但是這種情況出現(xiàn)的可能性十分低，為了減少自動阻抗匹配系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，本實(shí)施例對此情況不作考慮。

在系統(tǒng)的初始狀態(tài)的時(shí)候，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是不被接入到發(fā)射端LC諧振線圈的，故第五繼電器E1、第六繼電器F1閉合，第七繼電器K2斷開，第一繼電器K1可以打向A或B任意一端。阻抗匹配過程中，參數(shù)確定過程可參考如下步驟。

以上所敘述的是整個(gè)通用的L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)思路，但是在實(shí)際應(yīng)用中，并不需要考慮那么多的情況。正如前面所述的，對應(yīng)于L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，會有4種不同的組合。對應(yīng)于反L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)會有4種不同的組合。在設(shè)計(jì)L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)之前，應(yīng)該先應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分析儀對可能出現(xiàn)的阻抗變換范圍作一個(gè)初步的預(yù)估，然后計(jì)算出所需要的并聯(lián)元件以及串聯(lián)元件的值的范圍，再根據(jù)計(jì)算出的值的范圍選取相應(yīng)的元件，設(shè)計(jì)相應(yīng)的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。本實(shí)施例提出的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，是針對一個(gè)具體的實(shí)際系統(tǒng)，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)分析儀測量，發(fā)現(xiàn)其串聯(lián)元件總是呈現(xiàn)感性，其并聯(lián)元件總是呈現(xiàn)容性，所以本實(shí)施例的技術(shù)方案就默認(rèn)串聯(lián)元件為電感性元件，并聯(lián)元件為電容元件，并根據(jù)測得的值，提前預(yù)估所需要的電感電容元件的值，然后構(gòu)建出本實(shí)施例所展示的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。

本實(shí)施例中，對于L型電路而言，執(zhí)行步驟S22之后，還包括L型阻抗匹配支路選擇接通步驟：

步驟S220，將多個(gè)第一電容支路10中的多個(gè)第一電容記為C_a1...C_an電容陣列，多個(gè)第二繼電器(A₁...A_n)之一閉合，多個(gè)第四繼電器(D₁...D_m)之一閉合，第三繼電器H1閉合，使得第一電容與兩個(gè)電感支路11中的第一電感L1組成串聯(lián)等效電感，則該串聯(lián)等效電感的感抗值X_N為：

所述控制單元4計(jì)算出每個(gè)第一電容接入時(shí)串聯(lián)等效電感的感抗值X_N(N＝1…n)，再將每個(gè)感抗值X_N(N＝1…n)分別與步驟S22中串聯(lián)電感的感抗目標(biāo)值X作差平方運(yùn)算，將差平方最小的感抗X_N確定為L型阻抗匹配支路所需的串聯(lián)等效電感，指定該感抗值X_N所對應(yīng)的第一電容，并將該第一電容所串聯(lián)的第二繼電器接通；

步驟S221，將多個(gè)第二電容支路12中的多個(gè)第二電容記為C_b1…C_bm陣列，所述控制單元4計(jì)算多個(gè)第二電容的容抗值B_M：

B_M＝ωC_bM(M＝1…m)；

之后，所述控制單元4將每個(gè)容抗值B_M(M＝1…m)與步驟S22中并聯(lián)電容的容抗值目標(biāo)值B作差平方運(yùn)算，將差平方最小的容抗值B_M確定為阻抗匹配支路所需的容抗，指定該容抗值B_M所對應(yīng)的第二電容，并將該第二電容所串聯(lián)的第四繼電器接通。

上述L型阻抗匹配支路選擇接通步驟的原理舉例：例如圖2中所示，當(dāng)控制單元判定認(rèn)為需要接入L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，K₁打向B端，H₁閉合，H₂，F(xiàn)₁斷開，即在電感陣列中的L₁接入電路，L₂不接。在C_an電容陣列中，電磁繼電器A₁到A_n的其中一個(gè)閉合；在C_bm電容陣列中，繼電器D₁到D_m的其中一個(gè)閉合，通過這樣的方式，一個(gè)L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)就形成了。在這個(gè)形成的L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中，串聯(lián)等效電感的感抗值為控制單元會計(jì)算出所有X_N(N＝1…n)的值，然后將每個(gè)X_N(N＝1…n)值分別與步驟S22中計(jì)算得到的關(guān)于L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的X值進(jìn)行比較，與X的差的平方最小的X_N將被確定為最終L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)所采用的X_N，其對應(yīng)于C_an電容陣列中的C_an上的電磁繼電器A_n將會被閉合。同理，并聯(lián)電容的容抗值為B_M＝ωC_bM(M＝1…m)，控制單元會計(jì)算出所有B_M(M＝1…m)的值，然后將每個(gè)B_M(M＝1…m)與步驟S22所計(jì)算得到的關(guān)于L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的B值進(jìn)行比較，與B值的差的平方最小的B_M值將會作為最終的B_M值，與其對應(yīng)的C_bm電容陣列中的C_bm上的電磁繼電器D_m將會被閉合D₁。

本實(shí)施例中，對于反L型電路而言，執(zhí)行步驟S23之后，還包括反L型阻抗匹配支路選擇接通步驟：

步驟S230，將多個(gè)第一電容支路10中的多個(gè)第一電容記為C_a1...C_an電容陣列，多個(gè)第二繼電器(A₁...A_n)之一閉合，多個(gè)第四繼電器(D₁...D_m)之一閉合，第八繼電器H2閉合，使得第一電容與兩個(gè)電感支路11中的第二電感L2組成串聯(lián)等效電感，則該串聯(lián)等效電感的感抗值X_N為：

所述控制單元4計(jì)算出每個(gè)第一電容接入時(shí)串聯(lián)等效電感的感抗值X_N(N＝1…n)，再將每個(gè)感抗值X_N(N＝1…n)分別與步驟S23中串聯(lián)電感的感抗目標(biāo)值X作差平方運(yùn)算，將差平方最小的感抗X_N確定為反L型阻抗匹配支路所需的串聯(lián)等效電感，指定該感抗值X_N所對應(yīng)的第一電容，并將該第一電容所串聯(lián)的第二繼電器接通；

步驟S231，將多個(gè)第二電容支路12中的多個(gè)第二電容記為C_b1…C_bm陣列，所述控制單元4計(jì)算多個(gè)第二電容的容抗值B_M：

B_M＝ωC_bM(M＝1…m)；

之后，所述控制單元4將每個(gè)容抗值B_M(M＝1…m)與步驟S23中并聯(lián)電容的容抗值目標(biāo)值B作差平方運(yùn)算，將差平方最小的容抗值B_M確定為阻抗匹配支路所需的容抗，指定該容抗值B_M所對應(yīng)的第二電容，并將該第二電容所串聯(lián)的第四繼電器接通。

上述反L型阻抗匹配支路選擇接通步驟的原理舉例：例如圖2中所示，當(dāng)控制單元判定認(rèn)為需要接入反L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，開關(guān)K₁打向A端，電磁繼電器H₂閉合，H₁，F(xiàn)₁斷開，即在電感陣列中接入電感L₂,然后在C_an電容陣列中，電磁繼電器A₁到A_n的任意一個(gè)閉合，然后在C_bm電容陣列中，電磁繼電器D₁到D_m的任意一個(gè)閉合，通過這樣的方式，一個(gè)反L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)就形成了。在這個(gè)形成的反L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中，串聯(lián)等效電感的感抗值為(N＝1…n)，控制單元會計(jì)算出所有X_N(N＝1…n)的值，然后將每個(gè)X_N(N＝1…n)值分別與步驟S23中計(jì)算得到的關(guān)于反L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的X值進(jìn)行比較，與X的差的平方最小的X_N將被確定為最終L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)所采用的X_N，其對應(yīng)于C_an電容陣列中的C_an上的電磁繼電器A_n將會被閉合。同理，并聯(lián)電容的容抗值為B_M＝ωC_bM(M＝1…m)，控制單元會計(jì)算出所有B_M(M＝1…m)的值，然后將每個(gè)B_M(M＝1…m)與步驟S23中計(jì)算得到的關(guān)于反L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的B值進(jìn)行比較，與B值的差的平方最小的B_M值將會作為最終的B_M值，與其對應(yīng)的C_bm電容陣列中的C_bm上的電磁繼電器D_m將會被閉合。

關(guān)于C_an電容陣列中的各個(gè)電容(C_a1…C_an)的選值，C_bm電容陣列中的各個(gè)電容(C_b1…C_bm)選值，以及電感陣列L₁，L₂的選值，對于不同頻率的磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)，其選值差別很大，故在本實(shí)施例中不作敘述。一般的方法是，在設(shè)計(jì)自動阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)前，通過實(shí)驗(yàn)利用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，對接收端移動過程中，發(fā)射端LC諧振線圈的輸入阻抗的變化進(jìn)行記錄，然后獲得輸入阻抗變化的最大范圍，然后根據(jù)這個(gè)最大的變化范圍來對C_an電容陣列、C_bm電容陣列以及電感陣列進(jìn)行選值。

實(shí)際應(yīng)用中，控制單元會根據(jù)結(jié)果，驅(qū)動相應(yīng)的數(shù)字端口至高電平狀態(tài)，相應(yīng)的電磁繼電器會迅速閉合，而未被驅(qū)動的數(shù)字端口保持低電平狀態(tài)，相應(yīng)的電磁繼電器保持?jǐn)嚅_，從而搭建相應(yīng)的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。

本發(fā)明公開的磁耦合共振式無線充電系統(tǒng)的自動阻抗匹配裝置及方法，其相比現(xiàn)有技術(shù)而言的有益效果在于，本發(fā)明解決了磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)的發(fā)射端阻抗匹配問題。同時(shí)，本發(fā)明采用了簡單高效，體積小的檢測模塊對發(fā)射端LC諧振線圈的輸入阻抗進(jìn)行測量，使得開發(fā)出來的產(chǎn)品發(fā)射端體積小，便于集成，也降低了成本。

以上所述只是本發(fā)明較佳的實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)所做的修改、等同替換或者改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明所保護(hù)的范圍內(nèi)。