[發明專利]可校正電感電容共振頻率的共振式磁耦合無線傳能系統

有效

• 申請號: 201710968520.5
• 申請日: 2017-10-18
• 公開（公告）號: CN107749673B
• 公開（公告）日: 2019-09-06
• 發明（設計）人: 洪浩喬
• 申請（專利權）人: 財團法人交大思源基金會
• 主分類號: H02J50/12
• 分類號: H02J50/12
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 喬媛

本發明揭露一種可校正電感電容共振頻率的共振式磁耦合無線傳能系統，其通過在適當的校正環境設定下，檢測線圈電感或共振電容兩端的峰值電壓并據以調整此共振電容值，直到此峰值電壓為最大來完成校正系統中的該多個共振電容，以準確控制功率傳送端與功率接收端電路之中的電感電容共振頻率(LC resonance frequency)，進而達成最高功率傳輸效率與最大傳輸功率。

技術領域

本發明有關一種磁共振式無線傳能系統(wireless power transfer system)，特別是關于一種可以自動校正電感電容(LC)共振頻率的共振式磁耦合無線傳能系統。

背景技術

無線傳能(WPT)是一種相當便利的技術，可以廣泛應用在攜帶型設備上，例如行動電話、生醫植入式裝置、感測器、電動車輛等等。這些無線傳能系統通常會具有二種主要規格，一種是功率傳輸效率(Power Transfer Efficiency，PTE)，此為傳輸至負載的功率與供應功率的比值，此PTE值小于或等于1；另一種主要規格則是最大傳輸功率(MaximalTransferred Power，MTP)，亦即負載可以從WPT系統接收到的最大功率。

非共振式磁耦合(NRMC)和共振式磁耦合(RMC)都是常見的無線傳能技術。然而非共振式磁耦合WPT系統只有在傳送端線圈與接收端之間的耦合系數(k)接近1時，亦即當二個線圈具有相近的直徑且它們的距離遠小于線圈的直徑時，才能提供較佳的傳輸效率與功率。也因此，非共振式磁耦合WPT系統僅適用于一對一的WPT。

另一方面，共振式磁耦合WPT系統能在一個非常小的耦合系數的操作環境下達成非共振式磁耦合WPT系統在較高的耦合系數的操作環境下才能達成的功率傳輸效率，亦即共振式磁耦合WPT系統可以在相同線圈的條件下在較長的距離下運作。再者，二線圈的直徑無須相似，且一個傳送端可以對應數個接收端，而這些特征擴大了WPT系統的應用。

雖然共振式磁耦合WPT系統具有這么多優點，但目前商業產品量產時，最主要的困難在于共振式磁耦合WPT系統需要將傳送端和接收端二側的LC電路的共振頻率準確控制在某些與系統電路參數相關的特定值，LC共振頻率的一個小偏差就會嚴重影響系統的功率傳輸效率和最大傳輸功率。然而，電路中的元件一定存在出廠誤差，致使共振式磁耦合WPT系統的效能遠低于理論上可達的最佳值。

傳統用來校正LC共振頻率的方法通常是通過LCR儀器來分別測量電感及電容值，通常使用可變電容器并利用手動調整來補償電感器與電容器的出廠誤差值。另一種常見的方法為加入匹配電路(matching network(s))來調整傳送端所見等效負載阻抗與負載所見的等效傳送端的源阻抗。然而，匹配電路中的元件依然有出廠誤差的問題。加拿大專利CA2448316A1提出一種測量最大和最小共振頻率，并使用線性插值來猜測一數字控制電容器的目標控制代碼，以節省校正時間。但是此方法應用于WPT系統時需先量測WPT系統電路參數來計算出校正目標值，因此費時費力，且校正環境不同于正常操作環境，所以它們會具有不同的寄生電容和電感值，因此，校正后WP T系統的共振頻率在正常操作期間仍會偏離目標。

其他已知校正LC的方法，包括有美國專利US 7,940,140 B2、US 8,508,308 B2、US8,902,009 B1、US 8,766,712 B2等專利前案調整PLL的振蕩頻率，或是如美國專利US 8,918,070 B2調整LNA的振蕩頻率等，目前尚未有發展出適用于校正WPT系統的共振頻率以提升其效能的校正技術。

有鑒于此，本發明遂提出一種可以自動校正LC共振頻率的共振式磁耦合無線傳能系統，以解決前述困擾。

發明內容

本發明的主要目的在提供一種共振式磁耦合無線傳能系統，其可以自動校正傳送端與接收端的共振電容來準確控制功率傳送端和功率接收端中的LC共振頻率，進而達到以無線方式傳輸最大的功率至負載的功效。