非接触式感应输电设备的制作方法
【专利摘要】一种非接触式感应输电设备，适用于供电至一负载，且包含一电力供应系统及一电力接收系统。该电力供应系统包括一个一次侧线圈，用以根据一具有一操作频率的交流电流产生一电磁场。该电力接收系统具有一个二次侧线圈及一电抗值。该二次侧线圈感应该电磁场产生一开回路电压，且具有一线圈电感值。该电抗值具有一跨于该二次侧线圈两端的第一电容值、一跨于该二次侧线圈两端的第二电容值及一跨于二次侧线圈及负载间的第一电感值，该第一电容值和该线圈电感值于该操作频率下产生共振，该第二电容值及该第一电感值于该操作频率下产生共振。
【专利说明】非接触式感应输电设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种设备，特别是涉及一种非接触式感应输电设备。
【背景技术】
[0002]无线电力传输系统(wireless power transfer system),取代了部分传统接触导电式输电系统，因其可非接触式的传输电力，可用于不方便接线的场合。
[0003]于美国专利US20070109708中，提出一种现有的无线电力传输系统，无线电力传输系统包含一供应端及一接收端，两者分别包括一用于传输电力的线圈。一般而言，在无线电力传输系统的接收端，会包括一传统的电感电容共振电路，其电容及电感值可调整，借此而可控制该输出电压的位准及其自身谐振电路的共振频率。
[0004]该谐振电路使用电容及电感串联共振时，电容及电感串联合成阻抗为零，该谐振电路具有理想电压源的特性，但是其电压增益皆不大于I。该谐振电路使用电容及电感并联共振时，可提供大于I的电压增益，但是电容及电感并联合成阻抗为无限大，成为一开路，该谐振电路形成理想电流源。
[0005]实用上的需求为一理想电压源且具可变电压增益的特性，因为当供应端及接收端相距较远，两者间的耦合较弱而使得接收端的感应电压下降时，将造成使用上的不便，且无法满足某些负载的要求。
[0006]此外，由供应端所观察，该接收端常具有一输入阻抗。该从供应端所观察的输入阻抗会受到不同的因素影响(如耦合条件、接收端的负载条件、接收端的调变条件等)而改变，且该输入阻抗的变化将会改变供应端的线圈电流，而供应端的线圈是通过电流流经而产生电磁场，因此电流的改变会造成接收端供电不稳定。
【发明内容】
[0007]本发明的第一目的，在提供一种可以稳定供电的非接触式感应输电设备。
[0008]本发明感应输电设备，适用于供电至一负载，且包含一电力供应系统及一电力接收系统。
[0009]该电力供应系统包括一个一次侧线圈，该一次侧线圈根据一具有一操作频率的交流电流产生一电磁场。
[0010]该电力接收系统，包括一谐振电路。
[0011]该谐振电路，感应该电磁场并输出一输出电压至该负载，且具有一个二次侧线圈及一电抗值。
[0012]该二次侧线圈感应该电磁场产生一开回路电压，且具有一线圈电感值。
[0013]该电抗值具有一跨于该二次侧线圈两端的第一电容值、一跨于该二次侧线圈两端的第二电容值及一跨于二次侧线圈及负载间的第一电感值。该第一电容值和该线圈电感值于该操作频率下产生共振，该第二电容值及该第一电感值于该操作频率下产生共振。
[0014]本发明的第二目的，即在提供另一种可以稳定供电的非接触式感应输电设备。[0015]于是，本发明另一非接触式感应输电设备，适用于供电至一负载，且包含一电力供应系统及一电力接收系统。
[0016]该电力供应系统，包括一个一次侧线圈、一整流电路(例如一交流对直流转换器)、一变频电路(例如一直流对交流转换器)、一调整电路及一第二控制电路。
[0017]该整流电路接收一交流电并转换为一直流电。
[0018]该变频电路电连接该直流电并转换为一具有可变的操作频率的交流电流。
[0019]该一次侧线圈根据该交流电流产生一电磁场。
[0020]该调整电路电连接该变频电路及该一次侧线圈之间，且具有一第一可调电抗。
[0021]该第一可调电抗串联于该一次侧线圈，由一次侧线圈观察，该电力接收系统具有一输入阻抗，该第一可调电抗受控调整其等效电抗值，以抵消该输入阻抗的电抗值。
[0022]该第二控制电路电连接该第一可调电抗以调整其等效电抗值。
[0023]该电力接收系统，包括一个二次侧线圈。
[0024]该二次侧线圈感应该电磁场产生一开回路电压，用以供电至该负载。
[0025]本发明的有益效果在于:该谐振电路共振于该操作频率，使得该谐振电路的输出为一理想电压源，且产生电压增益。此外，该第一可调电抗抵消该输入阻抗的电抗值，使得该电力供应系统的线圈电流不至于受到该电力接收系统的影响。
[0026]另一方面，该电力供应系统可维持在一共振状态下运作。于该共振状态，该调整电路与该一次侧线圈的一共振频率可控制为与该操作频率相符。此外，该电力接收系统的该谐振电路可在通过其被动组件的调整以维持其理想电压源特性时，受控调整其电压增益，以满足负载需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是本发明感应输电设备的较佳实施例的部分电路图，说明一电力接收系统的架构；
[0028]图2是一示意图，说明本较佳实施例的一谐振电路的等效电路；
[0029]图3是本较佳实施例的一固定电容及一第一可调电容的电路图；
[0030]图4是本较佳实施例的一固定电容及一第一可调电感的电路图；
[0031]图5是本较佳实施例的一固定电感及一第二可调电感的电路图；
[0032]图6是本较佳实施例的一固定电感及一第二可调电容的电路图；
[0033]图7是本较佳实施例产生一参考电压信号的流程图；
[0034]图8是本较佳实施例的一第一控制器及一第二控制器的架构图；及
[0035]图9是本较佳实施例的部分电路图，说明一电力供应系统的架构。
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
[0037]有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的四个较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。
[0038]在本发明被详细描述之前，要注意的是，在以下的说明内容中，类似的组件是以相同的编号来表不。[0039]参阅图1，本发明非接触式感应输电设备的第一较佳实施例适用于供电至一负载3，且包含一个电力供应系统I及一电力接收系统2。
[0040]该电力供应系统I包括一个一次侧线圈LP，该一次侧线圈Lp根据一具有一操作频率的交流电流产生一电磁场。该操作频率为可变，依据负载端需求不同而定。然而，在其他实施态样中，该操作频率也可以是固定频率，不以前述的可变频率为限。
[0041]该电力接收系统包括一谐振电路21及一第一控制电路22。
[0042]该谐振电路21感应该电磁场并输出一输出电压Votjt至该负载3,且具有一个二次侧线圈Ls及一电抗值。该二次侧线圈Ls感应该电磁场产生一开回路电压Vre，且具有一线圈电感值。该电抗值具有一跨于该二次侧线圈Ls两端的第一电容值C1、一跨于该二次侧线圈Ls两端的第二电容值C2及一跨于二次侧线圈Ls及负载3间的第一电感值U。该第一电容值C1和该线圈电感值Ls于该操作频率下产生共振，该第二电容值C2及该第一电感值L1于该操作频率下产生共振。由于共振于同一频率，因此LsXC1=L1XCy
[0043]参阅图2，可将开回路电压Vqc及线圈电感值转换为一诺顿(Norton)等效电路，成为一短路电流源1%并联于该线圈电感值，其值为
[0044]
【权利要求】
1.一种非接触式感应输电设备，适用于供电至一负载，其特征在于:该非接触式感应输电设备包含: 一电力供应系统，包括一个一次侧线圈，该一次侧线圈根据一具有可变的操作频率的交流电流产生一电磁场；及 一电力接收系统，包括一谐振电路，该谐振电路感应该电磁场并输出一输出电压至该负载，该谐振电路具有 一个二次侧线圈，感应该电磁场产生一开回路电压，且具有一线圈电感值，及 一电抗值，具有一跨于该二次侧线圈两端的第一电容值、一跨于该二次侧线圈两端的第二电容值及一跨于二次侧线圈及负载间的第一电感值，该第一电容值和该线圈电感值于该操作频率下产生共振，该第二电容值及该第一电感值于该操作频率下产生共振。
2.根据权利要求1所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该电力接收系统还包括一第一控制电路，该第一控制电路具有一第一控制器及一第二控制器，该第一控制器电连接该谐振电路接收一参考电压及该输出电压，进行运算后输出一第一控制信号，用于控制该谐振电路维持共振，该第二控制器电连接该负载接收跨于该负载的一负载电压及预储存一预设电压，进行运算后输出一第二控制信号，用于控制该负载电压等于该预设电压。
3.根据权利要求2所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该第一控制器控制该第一电容值及第二电容值，该第二控制器控制该第一电感值。
4.根据权利要求2所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该第一控制器控制该第一电感值，该第二控制器控制该第一电容值及第二电容值。
5.根据权利要求2所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该第一控制电路还具有一参考电压产生器，该第二电容值及该第一电感值于初始系统设计时已被设定使该输出电压起始时，可满足该第一控制电路的开机的需求，以启动该参考电压产生器，该参考电压产生器接着调整该第二电容值及该第一电感值其中一个值，在其可调整的范围内进行扫描，当该谐振电路的共振频率等于该操作频率时，该输出电压处于一个峰值，确认该输出电压达到峰值后，该参考电压产生器接收该输出电压而产生该参考电压，该参考电压是由该输出电压直接产生而与该输出电压相位相同，或由该输出电压将其相位改变一角度而对应产生，该角度为共振时该开回路电压与该输出电压的相位差。
6.根据权利要求5所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该第一控制器具有: 一比较单元，电连接该参考电压产生器及该谐振电路以接收该参考电压及该输出电压，并产生一相关于该参考电压及该输出电压之间相位差的相位差信号；及 一第一控制单元，电连接该比较单元以接收该相位差信号，并预储存一参考相位信号，于该参考电压由该输出电压直接产生时，该参考相位信号代表该参考电压与该输出电压之间的O度相位差,或于该参考电压由该输出电压将其相位改变该角度而对应产生时，该参考相位信号代表该谐振电路共振时该开回路电压及该输出电压之间相位差，该第一控制单元以该相位差信号为回授信号和该参考相位信号比较及运算而输出一第一控制信号。
7.根据权利要求2所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该谐振电路还具有: 一固定电容，电连接于该二次侧线圈的两端，用于提供该第一电容值； 一第一可调电容，电连接该固定电容的两端，且电连接该第一控制电路以受控调整其等效电容值，用于提供该第二电容值；及一可调电感组，具有一电连接该第一可调电容的第一端的第一端，及一第二端，且该可调电感组电连接该第一控制电路以受控调整其等效电感值，用于提供该第一电感值。
8.根据权利要求2所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该谐振电路还具有: 一固定电容，电连接于该二次侧线圈的两端，用于提供该第一电容值及一第三电容值； 一第一可调电感，电连接该固定电容的两端，且电连接该第一控制电路以受控调整其等效电感值，该第三电容值和所述等效电感值合成而提供该第二电容值；及 一可调电感组，具有一电连接该第一可调电感的第一端的第一端，及一第二端，且该可调电感组电连接该第一控制电路以受控调整其等效电感值，用于提供该第一电感值。
9.根据权利要求2所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该谐振电路还具有: 一总合可调电容，电连接于该二次侧线圈的两端，且电连接该第一控制电路以受控调整其等效电容值，用于提供该第一电容值及该第二电容值；及 一可调电感组，具有一电连接该总合可调电容的第一端的第一端，及一第二端，且该可调电感组电连接该第一控制电路以受控调整其等效电感值，用于提供该第一电感值。
10.根据权利要求7所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该可调电感组具有: 一固定电感；及 一第二可调电感，并联于该固定电感，且电连接该第一控制电路以受控调整其等效电感值。
11.根据权利要求8所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该可调电感组具有: 一固定电感；及 一第二可调电感，并联于该固定电感，且电连接该第一控制电路以受控调整其等效电感值。
12.根据权利要求9所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该可调电感组具有: 一固定电感；及 一第二可调电感，并联于该固定电感，且电连接该第一控制电路以受控调整其等效电感值。
13.根据权利要求7所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该可调电感组具有: 一固定电感；及 一第二可调电容，并联于该固定电感，且电连接该第一控制电路以受控调整其等效电容值。
14.根据权利要求8所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该可调电感组具有: 一固定电感；及 一第二可调电容，并联于该固定电感，且电连接该第一控制电路以受控调整其等效电容值。
15.根据权利要求9所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该可调电感组具有: 一固定电感；及 一第二可调电容，并联于该固定电感，且电连接该第一控制电路以受控调整其等效电容值。
16.根据权利要求1所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该电力接收系统还包括一第一控制电路，该第一控制电路具有一第一控制器及一第二控制器，该第一控制器电连接该谐振电路接收一参考电压及该输出电压，进行运算后输出一第一控制信号，用于控制该谐振电路维持共振，该第二控制器电连接该负载接收跨于该负载的一负载电压及预储存一预设电压，进行运算后输出一第二控制信号，用于控制该负载电压等于该预设电压，其中，该第一控制器还具有一参考电压产生器，该电抗值的该第一电容值、该第二电容值及该第一电感值的三者至少其中之一受控设定该输出电压的一起始状态，以开启该第一控制电路而启动该参考电压产生器，该参考电压产生器受控执行: 调整该电抗值的该第一电容值、该第二电容值及该第一电感值的三者至少其中之一，以改变该谐振电路的该输出电压； 于该输出电压达到一峰值时接收该输出电压，该输出电压是在该谐振电路的一共振频率对应该操作频率时达到该峰值；及 根据该输出电压达到该峰值时所接收的输出电压而产生该参考电压。
17.根据权利要求2所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该电力供应系统还包括: 一整流电路，接收一交流电并转换为一直流电； 一变频电路，电连接该直流电并转换为该具有操作频率的交流电流； 一调整电路，电连接该变频电路及该一次侧线圈之间，且具有一第一可调电抗，该第一可调电抗串联于该一次侧线圈，由一次侧线圈观察，该电力接收系统具有一输入阻抗，该第一可调电抗受控调整其等效电抗值，以抵消该输入阻抗的电抗值；及一第二控制电路，电连接该第一可调电抗以调整其等效电抗值。
18.根据权利要求17所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该调整电路还具有: 一第一传感器，用于感测流经该一次侧线圈的电流以输出一电流感测信号，该第二控制电路储存一预设电流信号，并电连接该第一传感器以接收该电流感测信号，将该电流感测信号和该预设电流信号比较并进行运算，以控制该第一可调电抗使该电流感测信号等于该预设电流信号。
19.根据权利要求17所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该调整电路还具有: 一第二可调电抗，并联于该一次侧线圈及该第一可调电抗，且电连接该第二控制电路，受控调整其等效电抗值。
20.根据权利要求19所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该调整电路还具有: 一第二传感器，用于感测跨过该第二可调电抗的电压以输出一电压感测信号；及该第二控制电路储存一共振电压信号，该共振电压信号代表该调整电路、该一次侧线圈及该输入阻抗共振于该操作频率时，该第二可调电抗的电压，该第二控制电路电连接该第二传感器以接收该电压感测信号，将该电压感测信号和该共振电压信号比较并进行运算，以控制该第二可调电抗使该电压感测信号等于共振电压信号。
21.根据权利要求19所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该调整电路还具有:一第三可调电抗，电连接于该第二可调电抗的一端及该变频电路之间，且电连接该第二控制电路，受控调整其等效电抗值。
22.根据权利要求21所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该调整电路还具有: 一第三传感器，电连接于该变频电路的输出端，用于感侧该变频电路输出的电压 '及 一第四传感器，电连接该变频电路的输出端，用于感测该变频电路输出的电流； 该第二控制电路还电连接该第三传感器及第四传感器以得知该变频电路输出的电压及电流，比较两者并进行运算，以控制该第三可调电抗使两者相位相等。
23.一种非接触式感应输电设备，适用于供电至一负载，其特征在于:该非接触式感应输电设备包含: 一电力供应系统，包括 一整流电路，接收一交流电并转换为一直流电， 一变频电路，电连接该直流电并转换为一具有可变的操作频率的交流电流， 一个一次侧线圈，根据该交流电流产生一电磁场， 一调整电路，电连接该变频电路及该一次侧线圈之间，且具有一第一可调电抗，串联于该一次侧线圈，由一次侧线圈观察，该电力接收系统具有一输入阻抗，该第一可调电抗受控调整其等效电抗值，以抵消该输入阻抗的电抗值，及 一第二控制电路，电连接该第一可调电抗以调整其等效电抗值；及一电力接收系统，包括一个二次侧线圈，该二次侧线圈感应该电磁场产生一开回路电压，用以供电至该负载。
24.根据权利要求23所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该调整电路还具有: 一第一传感器，用于感测流经该一次侧线圈的电流以输出一电流感测信号，该第二控制电路储存一预设电流信号，并电连接该第一传感器以接收该电流感测信号，将该电流感测信号和该预设电流信号比较并进行运算，以控制该第一可调电抗使该电流感测信号等于该预设电流信号。
25.根据权利要求23所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该调整电路还具有: 一第二可调电抗，并联于该一次侧线圈及该第一可调电抗，且电连接该第二控制电路，受控调整其等效电抗值。
26.根据权利要求25所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该调整电路还具有: 一第二传感器，用于感测跨过该第二可调电抗的电压以输出一电压感测信号； 该第二控制电路储存一共振电压信号，该共振电压信号代表该调整电路、该一次侧线圈及该输入阻抗共振于该操作频率时，该第二可调电抗的电压，该第二控制电路电连接该第二传感器以接收该电压感测信号，将该电压感测信号和该共振电压信号比较并进行运算，以控制该第二可调电抗使该电压感测信号等于该共振电压信号。
27.根据权利要求25所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该调整电路还具有:一第三可调电抗，电连接于该第二可调电抗的一端及该变频电路之间，且电连接该第二控制电路，受控调整其等效电抗值。
28.根据权利要求27所述的非接触式感应输电设备，其特征在于:该调整电路还具有: 一第三传感器，电连接于该变频电路的输出端，用于感测该变频电路输出的电压 '及 一第四传感器，电连接该变频电路的输出端，用于感测该变频电路输出的电流； 该第二控制电路还电连接该第三传感器及第四传感器以得知该变频电路输出的电压及电流，比较两者并进行 运算，以控制该第三可调电抗使两者相位相等。
【文档编号】H02J17/00GK103715778SQ201310449827
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2012年9月28日
【发明者】许致维 申请人:源隆科技股份有限公司