TWI757724B - 無線電力傳輸器及電力供應系統 - Google Patents
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Abstract
本創作提供一種電力供應系統，其中包括以電磁耦合方式傳輸電力的無線電力傳輸器與無線電力接收器，無線電力接收器再連接並將電力傳予電力負載裝置，其中無線電力傳輸器具有控制器，能檢測發射器的工作電壓與工作電流，依工作電壓與工作電流的相位差調整供予發射器的工作電壓的震盪頻率，藉以使震盪頻率盡可能接近電力負載裝置的諧振頻率，使電力的傳輸與利用效率最佳化，並提高無線電力傳輸器與無線電力接收器之間的可容許間距。
Description
本創作提供一種電力供應系統，能藉由無線感應方式傳輸電力，再將電力供予並驅動電力負載裝置。
以無線感應方式傳輸電力能夠在空間中進行超距離電力傳輸，在供電側與受電側之間無須以實體電路接觸連接，而具較佳的產品設計條件與使用效果，相關技術可參考例如TWI660554、TWI657635、TWI655838等專利之說明。
前述專利中，為了溝通並協調供電側與受電側之間的工作參數，例如供電側的供電電壓、供電頻率，在供電側與受電側之間均具有通訊手段，例如TWI655838號專利於受電側連接負載偵測電路，並將負載偵測電路連接並輸出訊號至控制電路，再進一步控制供電側與受電側；又例如TWI660554號專利則利用無線通訊方式，在供電側與受電側之間通訊，以達成狀態、參數交換等目的。
前述專利將供電側與受電側通訊連接，雖然能有效達成參數交換的目的，達成提高供電效率或其他目的，然而，如果以實體電路連接進行通訊，將會失去使用無線感應方式傳輸電力時無須連接實體電路的優勢，而如果以無線通訊方式連接進行通訊，又需要使用無線通訊設備運行通訊協定，造成設備成本的上升以及傳輸速度或效率下降等問題。
有鑑於此，本創作的其中一項目的在於提供一種供應電力的技術，能單獨依靠供電側的偵測與控制，免除供電側與受電側必須進行通訊的限制，提供穩定供電的使用效果。
為達成上述目的，本創作提供一種無線電力傳輸器，用於將電力傳輸予一無線電力接收器，該無線電力接收器具有一接收器共振頻率，該無線電力傳輸器包括發射器、頻率轉換器與控制器。發射器經配置適於向該無線電力接收器傳輸電力，該發射器具有一發射器共振頻率。頻率轉換器連接於該發射器而能受電力驅動向該發射器輸出一工作電壓，該工作電壓具有一震盪頻率，該工作電壓施加於該發射器時產生一工作電流。控制器連接於該頻率轉換器，該控制器依該工作電壓的相位及該工作電流的相位控制並調整該震盪頻率。
在某些情況中，該發射器共振頻率與該接收器共振頻率相同。
在上述無線電力傳輸器中，頻率轉換器例如是半橋逆變器。
在某些情況中，該控制器調整該震盪頻率，以使該工作電壓與該工作電流的相位差最小化或趨近於預定值，較佳者，使該工作電壓與該工作電流的相位差為零。
在某些情況中，無線電力傳輸器更包含直流對直流轉換器，該直流對直流轉換器連接於該頻率轉換器而能受電力驅動向該頻率轉換器輸出一驅動電壓，該控制器連接於該直流對直流轉換器以調整該驅動電壓。
本創作還提供一種電力供應系統，用於向一電力負載裝置供應電力，該電力負載裝置具有一諧振頻率，該電力供應系統包括上述的無線電力傳輸器以及無線電力接收器，該接收器共振頻率與該諧振頻率相同，該無線電力接收器能自該無線電力傳輸器接收電力並傳遞予該電力負載裝置。
在上述的電力供應系統中，以該發射器的電容值為C1，該發射器的電感值為L1，該無線電力接收器的電容值為C2，該無線電力接收器的電感值為L2，該電力負載裝置的諧振頻率為fr，則：
利用上述裝置，電力供應系統能夠利用相配適的無線電力傳輸器與無線電力接收器，較佳者，發射器共振頻率與接收器共振頻率相同，在以電磁感應方式傳輸電力時能在無線電力傳輸器與無線電力接收器之間引發電壓與電流的共振，提高無線電力傳輸器與無線電力接收器之間的可容許間距，又，在無線電力傳輸器、無線電力接收器或電力負載裝置發生共振頻率或諧振頻率改變時，可藉由控制器測出電壓與電流的相位變化，及時調整震盪頻率，無須在無線電力傳輸器與無線電力接收器之間進行額外通訊，即可維持共振，獲得穩定且有效率的電力供應。
請參考圖1與圖2，本創作提供一種電力供應系統，適於配置用於向電力負載裝置供電，其中電力負載裝置具有諧振頻率，本創作電力供應系統包括無線電力傳輸器1與無線電力接收器2。
無線電力傳輸器1包括整流器11、直流對直流轉換器12、頻率轉換器13、發射器14與控制器15。
整流器11例如為橋式整流器，可接受外部交流電源輸入，並輸出直流電V1。
直流對直流轉換器12例如為降壓-升壓轉換器(buck-boost converter)，連接於整流器11而能由整流器11接受電力驅動，改變直流電的電壓後輸出驅動電壓V2與驅動電流I1，惟在本創作其他可能的實施例中，亦可改為使用半橋式、全橋式、返馳式或其他類型的直流對直流電壓轉換器。
頻率轉換器13例如為逆變器，連接於直流對直流轉換器12，能受直流對直流轉換器12輸出的驅動電壓V2驅動，並且輸出具有週期性震盪特性的工作電壓V3，工作電壓V3具有震盪頻率，具體而言，頻率轉換器13為半橋逆變器，以開關電路方式輸出震盪波形為方波之工作電壓V3，惟若改採用全橋逆變器或其他類型的逆變器，亦無不可。
發射器14連接於頻率轉換器13，能接受工作電壓V3驅動並產生一工作電流I2，並且與無線電力接收器2電磁耦合，將電力傳輸予無線電力接收器2，具體而言，發射器14包括一發射線圈141與一第一電容器142，發射線圈141與第一電容器142串聯連接，使發射器14具有一電容值C1與一電感值L1，其中電感值L1可由發射線圈141的電感值近似而得，電容值C1可由第一電容器142的電容值近似而得，發射器14並具有一發射器共振頻率fc1，可由以下公式求得。
控制器15例如是系統單晶片，連接於直流對直流轉換器12、頻率轉換器13與發射器14，經過編程而能檢測並監看輸出至發射器14的工作電壓V3與工作電流I2的有效值及相位，並且依工作電壓V3與工作電流I2控制並調整直流對直流轉換器12與頻率轉換器13，藉以調整工作電壓V3與工作電流I2的相位，並且能將工作電壓V3與工作電流I2控制在目標範圍中，目標範圍例如是預先設定或寫入控制器15的目標範圍，或是/或同時是另外經由目標命令輸入控制器的目標範圍，具體而言，對於工作電壓V3與工作電流I2的有效值，當工作電壓V3過高或過低時，控制器15控制直流對直流轉換器12降壓或升壓以調整驅動電壓V2，從而維持工作電壓V3的穩定，或將工作電壓V3控制於目標範圍中，另一方面，當工作電流I2過高或過低時，控制器15亦可控制直流對直流轉換器12降壓或升壓以調整驅動電壓V2，間接利用工作電壓V3控制工作電流I2，將工作電流I2控制於目標範圍中；對於工作電壓V3與工作電流I2的相位，當工作電壓V3與工作電流I2的相位差為零，或相位差為預先設定並儲存於控制器15中的預定值時，代表工作電壓V3的震盪頻率與電力負載裝置的諧振頻率同步或符合某一希望達成的特定關係，控制器15維持頻率轉換器13在工作電壓V3產生的震盪頻率，當工作電壓V3與工作電流I2的相位差不為零，或相位差偏離預定值時，代表工作電壓V3的震盪頻率偏離了電力負載裝置的諧振頻率或某一目標值，控制器15則控制頻率轉換器13改變工作電壓V3的震盪頻率，直到工作電壓V3與工作電流I2的相位差最小化或趨近於零或趨近於預定值為止。
關於上述工作電壓V3與工作電流V2的相位差、工作電壓的震盪頻率及電力負載裝置的諧振頻率之間的關係，可由工作電壓V3、工作電流I2以及電力負載裝置的電壓Vp與電流Ip實測並解析後獲得。在已知的實驗環境中，可預先設定工作電壓的震盪頻率等於電力負載裝置的諧振頻率，可檢測並繪製出工作電壓V3、工作電流V2以及電力負載裝置的電壓Vp與電流Ip之波形圖，如圖3所示，工作電壓與工作電流的相位近乎同步，相位差趨近於零，電力負載裝置電壓與電流的相位亦趨近於同步。請參考圖4，當調整降低工作電壓的震盪頻率，或者參考圖5，調整提高工作電壓的震盪頻率後，工作電壓與工作電流之間以及電力負載裝置的電壓與電流之間，均出現相位差ψ，可以判斷得知當工作電壓與工作電流的相位趨近於同步時，工作電壓的震盪頻率亦趨近於電力負載裝置的諧振頻率。
值得一提的是，電力負載裝置可能具有多個諧振頻率，控制器可受控制或自行切換，將工作電壓的震盪頻率控制在數個諧振頻率之間調整切換，舉例而言，電力負載裝置可以具有25kHz、50kHz、75kHz等數種諧振頻率，控制器能以其中一個諧振頻率為基礎，例如25kHz，控制頻率轉換器輸出具有25kHz震盪頻率的工作電壓，並且依工作電壓與工作電流的相位差，在25kHz附近調整震盪頻率，遇使用者切換或其他預設事件時，控制器能切換至另一諧振頻率，例如以50kHz為基礎控制頻率轉換器，而能以數種不同震盪頻率的工作電壓驅動電力負載裝置。
無線電力接收器2與發射器14的構造相似，並且與發射線圈141電磁耦合，從而能自發射器14接收電力，具體而言，無線電力接收器2包括一接收線圈21與一第二電容器22，接收線圈21與發射線圈141電磁耦合，接收線圈21與第二電容器22串聯連接，使無線電力接收器2具有一電容值C2與一電感值L2，其中電感值L2可由接收線圈21的電感值近似而得，電容值C2可由第二電容器22的電容值近似而得，無線電力接收器2並具有一接收器共振頻率fc2，可由以下公式求得。
其中，無線電力接收器2與發射器14能經組態而使接收器共振頻率fc2與發射器共振頻率fc1相同，以提高無線電力接收器2與發射器14之間電磁耦合、傳輸電力的效率。
電力負載裝置31連接於無線電力接收器2，電力負載裝置31具有諧振頻率，在受到以諧振頻率震盪的電壓、電流作用時具有最大功率，較佳者，諧振頻率與接收器共振頻率fc2及發射器共振頻率fc1相同，而滿足下列公式。
利用上述裝置，使用者可將一般交流電連接供應予無線電力傳輸器，由整流器將交流電轉換為直流電，再由直流對直流轉換器將直流電轉換為需求電壓的直流電，再由頻率轉換器將直流電轉換為具有需求震盪頻率的工作電壓，供予發射器，經由發射器與無線電力接收器以電磁耦合方式傳輸電力，再將電力供予電力負載裝置，達成電力供應。
在上述電力傳輸的路徑中，發射器與無線電力接收器是以電磁耦合方式傳輸電力，且發射器與無線電力接收器的共振頻率相同，可提高發射線圈與接收線圈之間的可容許間距，降低對線圈設置位置的機構限制，提高機構設計的自由度。
其次，在上述電力傳輸的過程中，進一步利用控制器檢測發射器的工作電壓與工作電流的相位，依相位差調整頻率轉換器輸出工作電壓的震盪頻率，能盡可能將工作電壓與工作電流的相位差最小化，使工作電壓的震盪頻率能追蹤電力負載裝置的諧振頻率，維持以符合諧振頻率的工作電壓驅動電力負載裝置，獲得較佳的電力傳輸與使用效率。
上述的頻率追蹤，控制器僅檢測無線電力傳輸器中的工作電壓與工作電流，無須對無線電力接收器或電力負載裝置進行檢測，而不需要從無線電力接收器或電力負載裝置另外導出訊號，也不需要在無線電力傳輸器與無線電力接收器之間設置額外的通訊裝置，能維持極簡化的機構與電路設計需求。
在上述實施例中，無線電力傳輸器具有整流器與直流對直流轉換器，可供使用者輸入廣範圍區間電壓的交流電作為電源，惟若在使用者能夠取得特定規格的電源時，例如直流電、特定電壓的交流電或特定電壓的直流電時，無線電力傳輸器亦可省略整流器與直流對直流轉換器兩者或其中任一者。
綜上所述，本創作的電力供應系統適於將電力供予電力負載裝置使用，能夠以共振方式傳輸電力，並且無須額外的通訊裝置即可能對電力負載裝置的諧振頻率進行頻率追蹤，可在極簡化的機構限制下獲得良好的電力傳輸與使用效率，實為相關電力技術業者所企盼，惟以上實施例僅在於說明並闡述本創作的技術內容，本專利的專利範圍應以後述的申請專利範圍為準。
V1:直流電
V2:驅動電壓
V3:工作電壓
Vp:電力負載裝置的電壓
I1:驅動電流
I2:工作電流
Ip:電力負載裝置的電流
ψ:相位差
1:無線電力傳輸器
11:整流器
12:直流對直流轉換器
13:頻率轉換器
14:發射器
141:發射線圈
142:第一電容器
15:控制器
2:無線電力接收器
21:接收線圈
22:第二電容器
31:電力負載裝置
圖1為本創作電力供應系統之示意圖。
圖2為本創作電力供應系統之電路圖。
圖3至圖5為本創作電力供應系統中工作電壓、工作電流、電力負載裝置的電壓與電流之實測波形圖。
V1:直流電
V2:驅動電壓
V3:工作電壓
Vp:電力負載裝置的電壓
I1:驅動電流
I2:工作電流
Ip:電力負載裝置的電流
11:整流器
12:直流對直流轉換器
13:頻率轉換器
14:發射器
141:發射線圈
142:第一電容器
15:控制器
2:無線電力接收器
21:接收線圈
22:第二電容器
31:電力負載裝置
Claims (9)
- 一種無線電力傳輸器，用於將電力傳輸予一無線電力接收器，該無線電力接收器具有一接收器共振頻率，該無線電力傳輸器包含：一發射器，經配置適於向該無線電力接收器傳輸電力，該發射器具有一發射器共振頻率；一頻率轉換器，連接於該發射器而能受電力驅動向該發射器輸出一工作電壓，該工作電壓具有一震盪頻率，該工作電壓施加於該發射器時產生一工作電流；一控制器，連接於該頻率轉換器，該控制器依該工作電壓的相位及該工作電流的相位控制並調整該震盪頻率；其中以該發射器的電容值為C1，該發射器的電感值為L1，該無線電力接收器的電容值為C2，該無線電力接收器的電感值為L2，則：
- 如請求項1所述的無線電力傳輸器，其中該控制器檢測該工作電壓與該工作電流的相位差，如果該相位差為一預定值，則維持該震盪頻率，如果該相位差不為該預定值，則改變該震盪頻率，使該相位差趨近於該預定值。
- 如請求項1所述的無線電力傳輸器，其中該控制器檢測該工作電壓與該工作電流的相位差，如果該相位差為零，則維持該震盪頻 率，如果該相位差不為零，則改變該震盪頻率，使該相位差最小化。
- 如請求項1所述的無線電力傳輸器，其中該頻率轉換器為半橋逆變器。
- 如請求項1至4項中任一項所述的無線電力傳輸器，更包含一直流對直流轉換器，該直流對直流轉換器連接於該頻率轉換器而能受電力驅動向該頻率轉換器輸出一驅動電壓，該控制器連接於該直流對直流轉換器以調整該驅動電壓。
- 一種電力供應系統，用於向一電力負載裝置供應電力，該電力負載裝置具有一諧振頻率，該電力供應系統包含：如請求項第1至4項中任一項所述的無線電力傳輸器；該無線電力接收器，該接收器共振頻率與該諧振頻率相同，該無線電力接收器能自該無線電力傳輸器接收電力並傳遞予該電力負載裝置。
- 如請求項6所述的電力供應系統，其中以該電力負載裝置的諧振頻率為fr，則：
- 一種電力供應系統，用於向一電力負載裝置供應電力，該電力負載裝置具有一諧振頻率，該電力供應系統包含：如請求項5所述的無線電力傳輸器； 該無線電力接收器，該接收器共振頻率與該諧振頻率相同，該無線電力接收器能自該無線電力傳輸器接收電力並傳遞予該電力負載裝置。
- 如請求項8所述的電力供應系統，其中以該電力負載裝置的諧振頻率為fr，則：
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