[發明專利]具有固定調諧和功率限制的可變距離無線功率傳輸系統

有效

• 申請號: 201580057064.8
• 申請日: 2015-11-06
• 公開（公告）號: CN106852182B
• 公開（公告）日: 2019-07-12
• 發明（設計）人: 杰弗里·約翰·佐爾格
• 申請（專利權）人: 株式會社村田制作所
• 主分類號: H02J50/00
• 分類號: H02J50/00;H02J5/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 倪斌

無線功率傳輸系統包括發射機電路和接收機電路。發射機電路包括：連接到提供固定頻率輸出的振蕩器控制的驅動級的初級串聯諧振電容器，以及連接到初級串聯諧振電容器的發射線圈。發射諧振頻率低于振蕩器控制的驅動級的固定頻率。接收機電路包括：接收線圈、與接收線圈串聯連接的次級串聯諧振電容器、以及與接收線圈并聯連接的次級并聯諧振電容器。當整流器電路DC輸出增加時，接收諧振頻率隨著至少一個整流器的非線性電容減小而增加。

技術領域

本發明涉及無線功率傳輸，且更具體地，本發明涉及針對諧振無線功率傳輸系統的發射線圈與接收線圈之間的距離變化進行補償以提供高功率發射效率的無線功率傳輸系統。

背景技術

無線功率傳輸系統已被用于向設備提供功率，而無需直接的物理連接，例如電纜或電線。各種方法已經用于無線發射功率，包括電容耦合、諧振電感耦合、激光、和微波束。使用諧振電感耦合的無線功率傳輸系統在相對短的線圈間隔距離上提供從發射線圈到接收線圈的相對高效的功率傳輸。更具體地，諧振電感耦合比諸如激光和微波束之類的方法便宜，并且還提供了優于簡單的磁感應耦合的優點。例如，已經使用簡單的磁感應耦合來對直接放置在充電墊上的電動牙刷或蜂窩電話充電，但是僅允許小于一個線圈直徑的非常有限的線圈間隔距離。

在松散耦合的諧振無線功率傳輸系統中，期望能夠在大的距離范圍上移動發射線圈和/或接收線圈，而不需要不斷地重新調諧系統諧振。如果由初級線圈產生的大部分通量不被接收線圈所接收，則諧振無線功率傳輸系統被認為是松散耦合的。考慮到發射線圈和接收線圈之間的耦合系數K隨距離的變化與接收機中整流器的非線性反向偏置電容的輸出電壓的變化，可以建立允許在一到五個線圈直徑范圍內的線圈間隔距離的特定調諧，而無需重新調諧。

耦合系數K指示了穿過接收線圈的來自發射線圈的通量的比例，并且通常與以下相關：(1)當發射線圈和接收線圈彼此耦合時，發射線圈和接收線圈的互感；以及(2)當發射線圈和接收線圈是孤立的、未耦合的線圈時，發射線圈和接收線圈中的每一個線圈的自感。耦合系數K通常具有零和一之間的值，且“零”值指示在發射線圈和接收線圈之間不存在相互通量，并且因此沒有互感。耦合系數K的“一”值指示來自發射線圈的所有通量都被接收線圈所接收，且因此發射線圈和接收線圈中的每一個線圈的自感與發射線圈和接收線圈之間的整體互感相同。然而，耦合系數K也可以具有負值，例如，如果發射線圈和接收線圈之一的極性反轉，使得在接收線圈中感生的電壓相對于在發射線圈中的電壓為180度異相。此外，難以精確地確定在發射線圈和接收線圈之間的耦合系數K，因為用于確定發射線圈和接收線圈的互感和自感的公式是復雜的，并且為了確定耦合系數K所作出的測量是不準確的，特別是對于耦合系數K的低值來說。

諧振無線功率傳輸系統中重新調諧諧振的一種已知方法依賴于變容二極管(varactor)，其是一種類型的二極管，其電容根據跨其端子施加的電壓而變化。變容二極管已被用作諧振無線功率傳輸系統中的壓控電容器，以在線圈間隔距離變化時遞送最大功率。然而，變容二極管在諧振無線功率傳輸系統中引起不期望的功率損耗，并且變容二極管經常需要復雜的控制電路或系統。

在諧振無線功率傳輸系統中重新調諧諧振的另一種已知方法是改變發射振蕩器和接收振蕩器的工作頻率，以保持諧振無線功率傳輸系統在它們各自的系統諧振頻率下的操作。然而，如果功率傳輸頻率在內部允許電磁干擾的工業、科學和醫療(ISM)無線電頻段內，則很少的帶寬可用于允許工作頻率的變化。

根據已知的方法，諧振無線功率傳輸系統的接收機輸出處的電壓可以通過在整流器輸入處使用較大值的電容器來限制，以便在輸出處發生過壓狀況時使接收機失諧，這有助于分流諧振調諧和在發射線圈和接收線圈之間的功率傳輸，以防止過大的電壓增益。特別地，通過強制無線功率傳輸系統間歇地工作，則可以防止在接收機的負載較小的情況下接收機中的過大的電壓增益。然而，這種方法使得針對接收機的功率傳輸停止，從而減少了可以接收的功率量。