基于时分复用及脉冲宽度调制的移动光学充电系统及应用的制作方法

本发明涉及一种移动光学充电系统，尤其是涉及一种基于时分复用及脉冲宽度调制的移动光学充电系统及应用。

背景技术：

根据思科Visual Networking Index(VNI)报告，无线业务流量今后将以每年接近100％的幅度增长，在未来十年，无线数据流量将增长1000倍。随之而来，无线通信和移动计算设备信息处理能力也将不断增强，从而对移动设备的能量供给提出了越来越高的要求。以目前的智能手机为例，70％以上的体积和重量都被电池所占据，而且这个比例还在不断升高。其次，供电也是物联网和穿戴式设备的关键技术，特别是远距离、移动地、持久地供电仍是极具挑战性的问题。另外，虚拟/增强现实(Virtual/Augmented Reality，或VR/AR)正日渐走进人们的工作和生活，为头戴式显示设备供电也是VR/AR的瓶颈之一。因此，对移动通信模块的供电能力与用户需求之间的矛盾已日益突出。

解决上述矛盾的方法：一是提升电池性能；二是利用无线充电技术。由于电池在容量、重量、安全等方面的局限性，电池资源可以挖掘的潜力已经有限。因为，增加电池容量或提升电池储能密度，除了重量、成本、环保等考虑，更重要的是对安全的顾虑。例如，三星Note7手机电池爆炸事件，凸显出提升电池容量和确保安全之间的矛盾。另一方面，无线充电可以为移动设备提供便捷、持久、安全的电能，从而免去了用户随时携带充电线及寻找充电插孔的麻烦，满足了用户随时随地充电的需求。为减少移动通信模块对电池的依赖，支持更高性能移动通信模块的设计开辟了新的空间。因此，无线充电是解决上述供需矛盾的重要方法。

近年来，无线充电技术取得了长足进步，涌现出许多成熟的理论和方法，例如电磁感应、磁共振、无线电波、激光等。但是，智能手机、平板电脑等移动设备通常需要1-100瓦的供电功率。要实现对这类设备的移动无线充电，上述技术存在以下困难：

(1)电磁感应的充电功率可达到千瓦量级，但是受磁场耦合限制，充电距离只能达到厘米级，很难满足便捷性、移动性的需求。

(2)磁共振可以实现高效率能量传输，但由于线圈尺寸较大，难以集成到移动设备中。

(3)无线电波和激光能够实现数公里的远距离能量传输。但是，发送端和接收端难以对准；更重要的是受到安全规范限制，目前商用系统只能提供微瓦到毫瓦级功率。

因此，如何突破传统技术的局限，以满足移动通信模块移动充电的需求成为迫在眉睫的难题。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于时分复用及脉冲宽度调制的移动光学充电系统及应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于时分复用及脉冲宽度调制的移动光学充电系统，该系统包括发送端以及与之匹配的多个接收端，所述的发送端和接收端对应设有光发送器和光接收器，所述的光发送器和光接收器形成谐振光路，所述的发送端还设有用于控制光发送器根据接收端的充电需求信息向多个光接收器发送时分复用的不同脉冲宽度的光能脉冲的控制器，所述的接收端设有用于将光能脉冲转化为电能的电能转换器。

所述的接收端设有用于发送充电需求信息的第一通信模块，对应地，所述的发送端设有用于接收接充电需求信息的第二通信模块，所述的第一通信模块连接第二通信模块，所述的第二通信模块连接所述的控制器。

所述的电能转换器包括：

光电转换器：将光能脉冲转换为电能脉冲；

功率缓冲器：将电能脉冲转化为直流电能供充电。

所述的光发送器和光接收器分别包括相对设置的发送端反向反射镜和接收端反向反射镜，所述的光发送器还包括增益介质和光路选择器，所述的增益介质位于发送端反向反射镜和接收端反向反射镜之间，所述的光路选择器位于发送端反向反射镜和增益介质之间或光发送器光路出口处。

一种基于时分复用及脉冲宽度调制的移动光学充电系统的应用，应用该移动光学充电系统充电的方法为：

(1)发送端接收多个接收端的充电需求，采用脉冲宽度调整方法确定不同接收端所需光能脉冲的脉冲宽度；

(2)发送端采用时分复用方法将不同接收端所需的光能脉冲按时间顺序依次排列并发送给对应的接收端，并进行周期性重复发送。

所述的步骤(2)具体为：

(2a)将一个充电周期T划分为多个时间片，每个时间片的时间长度相等；

(2b)根据不同接收端所需的光能脉冲的脉冲宽度确定对应接收端所需的时间片的个数，每个时间片的光能脉冲作为一个能量片；

(2c)对每个接收端分配对应个数的能量片，并将不同接收端所需的能量片依次排布；

(2d)按照排布顺序向不同的接收端发送对应的能量片直至下一个充电周期，并重复上述(2a)～(2d)。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明区别于传统的移动光学充电装置，采用空间上分离的发射端和接收端联合构成分布式激光系统(DLC,Distributed Laser Charging)，进而可以实现多个接收端同时进行充电；

(2)本发明移动光学充电系统发送端和接收端对应设有通信模块，通信模块可以交换两端的数据，以决定对接收端充电的策略，使得接收端对锂电池充电的性能大幅提高；

(3)本发明移动光学充电系统采用时分复用和脉冲宽度调制的方法，所谓脉宽调制即根据接收端的充电需求确定所需光能脉冲的脉冲宽度，所谓时分复用即将不同接收端所需的光能脉冲按时间顺序依次排列并发送给对应的接收端，从而实现对多个接收端进行持续的直流充电，且每一个接收端输出的直流充电功率可调(通过光能脉冲的脉冲宽度调节)，充电可靠方便；

(4)本发明将时分复用和脉冲宽度调制向结合具有如下优势：第一，通过时分复用技术，可以极大地节省时间资源；第二，通过脉冲宽度调制，可以通过改变脉冲宽度来改变输出的直流电功率，可以根据每一个接收端需求来提供相应的功率能量；第三，可以保持发送端的脉冲功率不变，简化发送端的设计，有利于减少光发送器中的增益介质损耗，提高发送端的寿命；第四，将脉冲能量变成直流电能有利于电池的持续充电，提高电池寿命。

附图说明

图1为基于时分复用及脉冲宽度调制的移动光学充电系统的结构框图；

图2为分布式激光系统的结构示意图；

图3为光发送器的一种结构简图；

图4为光发送器的另一种结构简图；

图5为功率缓冲器功能示意图；

图6为功率缓冲器的一种电路实例图；

图7为时分复用的脉冲宽度调制技术示意图；

图8为数字化时分复用的脉冲宽度调制技术示意图；

图9为锂电池充电的特性曲线；

图10为PV面板输出功率和电压之间的关系图。

图中，1为发送端，2为接收端，11为光发送器，12为控制器，13为第二通信模块，14为增益介质，15为光路选择器，21为光接收器，22为电能转换器，23为第一通信模块，24为光电转换器，25为功率缓冲器，R1为发送端反向反射镜，R2为接收端反向反射镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，一种基于时分复用及脉冲宽度调制的移动光学充电系统(MOC，Mobile Optical Charging)，该系统包括发送端1以及与之匹配的多个接收端2，发送端1和接收端2对应设有光发送器11和光接收器21，光发送器11和光接收器21形成谐振光路，发送端1还设有用于控制光发送器11根据接收端2的充电需求信息向多个光接收器21发送时分复用的不同脉冲宽度的光能脉冲的控制器12，接收端2设有用于将光能脉冲转化为电能的电能转换器22。接收端2设有用于发送充电需求信息的第一通信模块23，对应地，发送端1设有用于接收接充电需求信息的第二通信模块13，第一通信模块23连接第二通信模块13，第二通信模块13连接控制器12。电能转换器22包括：光电转换器24：将光能脉冲转换为电能脉冲；功率缓冲器25：将电能脉冲转化为直流电能供充电。

具体地：

A、移动光学充电装置

传统的激光是由两个并行反射镜和他们之间的增益介质14组成的谐振器产生的，它们被集成到单个器件中。然而，本发明的MOC系统中，这些谐振器部件被分离，射端和接收端2联合构成分布式激光系统(DLC,Distributed Laser Charging)，具体如图2所示。在MOC的发射端中，有一个具有100％反射率的发送端反向反射镜R1和一个放大通过光子的增益介质14。而在MOC的接收端2中，包含95％反射率的接收端反向反射镜R2，通过接收端反向反射镜R2的光子可以形成激光束。本实施例中光点转换器采用光伏面板(PV-panel)，光伏面板(PV-panel)安装在接收端反向反射镜R2的后面，激光束被太阳能电池板类似的PV面板转换成电能。众所周知，激光可以传送大功率能量。然而，安全和对准是移动电子传统激光功率传输的主要问题。在MOC系统中，阻挡在R1和R2之间的视线(LOS)的任何物体都会破坏谐振，从而提供了固有的安全性。此外，只要光子能沿着连接R1和R2的LOS传播，R1和R2之间就可以无关入射角地建立谐振。因此，谐振光束可以在没有特定目标或轨迹的情况下自对准。这两种特性克服了传统激光器的困难，保证了MOC的移动充电安全。

光发送器11和光接收器21分别包括相对设置的发送端1反向反射镜和接收端反向反射镜，光发送器11还包括增益介质14和光路选择器15，增益介质14位于发送端1反向反射镜和接收端反向反射镜之间，光路选择器15位于发送端1反向反射镜和增益介质14之间或光发送器11光路出口处。

B、本发明移动光学充电系统的具体结构

如图1所示，发送端1主要包括光发送器11、控制器12和第二通信模块13，接收端2主要包括光接收器21、电能转换器22、锂电池和第一通信模块23。光发送器11包含DLC的发送端1，可以给多个接收端2传送光能量，光发送器11中具有液晶挡板可以选择可以透过的光通道。光接收器21包含DLC的接收端2，光接收器21将光能脉冲输入到电能转换器22。发送端1的控制器12可以控制光发送器11选择不同的光通道，对多个光接收器21发送时分复用的不同脉冲宽度的光能脉冲。发送端1的控制器12通过第一通信模块23和第二通信模块13交换数据所得知的信息，决定时分复用周期中选择哪些接收端2进行充电，同时决定给每个接收端2的脉冲宽度。接收端2的电能转换器22中的光电转换器24先将光能脉冲转换为电能脉冲，进而通过功率缓冲器25将电能脉冲转化为直流电能供充电，功率缓冲器25的具体电路包括但不限于LC滤波电路，输入相同瞬时功率的脉冲，根据脉冲宽度不同，其输出的直流电平均功率不同。第一通信模块23和第一通信模块23数据交换，比如将接收端2的剩余电量、充电电压或计算出的充电所需的功率传递给发送端1。发送端1的控制器12通过第一通信模块23和第一通信模块23交换数据所得知的信息，决定时分复用周期中选择哪些接收端2进行充电，同时决定给每个接收端2的脉冲宽度，以提供最为贴近锂电池充电特性曲线的的充电功率，提高充电的效率。

图3为光发送器11的结构示意图，即在激光腔内增加光路选择器15，这里的光路选择器15可以是液晶构成的。由于液晶存在电光特性，在电场作用下，偶极子会按电场方向取向，导致分子原有的排列方式发生变化，从而液晶的光学性质也随之发生改变。通过液晶的光学性质可以构成电控的光路开关，即通过电场控制液晶的透光性。将这样的液晶构成二维阵列，即可做成光路选择器15。通过电压控制阵列上不同位置液晶的透光性从而选择不同的光路。此外，光路选择器15也可以是由微透镜阵列构成，阵列上每个透镜的光学性质可以通过电控制，从而选择不同的光路。因此在本系统中，通过控制器12控制光路选择器15，可以选择对不同的接收端2传输能量。

所述的光路选择器15除了可以存在于增益介质14和光输出口之间也可以存在于反射镜和增益介质14之间。如图4所示，这样的位置放置光路选择器15也可以对光路进行选择，阻止某些光路上产生激光振荡。

C、脉宽调制方法及功率缓冲器25

移动光学充电系统中发送端1如果是分布式谐振激光器，其本身可以同时对多个接收端2发送激光，但是为了安全和充电效率，一般需要通过接入协议确认充电设备，然后通过轮流的方式给不同的接收端2提供所需不同功率的激光。这么做带来的问题是，不断调节激光的发射功率对激光器内的增益介质14损耗较大，并且由于发送的功率在改变，发出的能量平均功率并不高，倘若接收器过多，总的效率就会降低。

对此，为了保持发送功率一致，本发明提出了脉冲宽度调制的方法进行电能传输。脉冲宽度调制本是通过数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。这里即是利用了脉冲宽度调制的思想，将激光能量进行脉冲宽度调制，从而经过接收端2的转化可以输出平均功率可变的直流电能。图5显示了功率缓冲器25对脉冲调制能量进行转换的实现形式。可见输入到功率缓冲器25的瞬时功率为经过脉冲宽度调制的矩形脉冲波，而输出的功率恒定且持续不间断。

图6所示为功率缓冲器25电路的一个实例，可以用来解释功率缓冲器25的实现原理。图中U_i表示从光电转换器24中输出的电压，U_o表示输出的电压。当输入端输入电能脉冲的时候，电容C_f和电感L_f作为储能元件可以在存储一部分电能的同时给负载R_L提供电能。当输入端不提供电能输入的时候，储能元件与二极管D_f构成回路，将所存储的能量释放出来继续给负载供电。从信号角度来看，电感L_f和电容C_f构成LC滤波电路，可以滤除高频分量后留下直流分量，因此功率缓冲器25可以将脉冲电能转化成直流电能。

D、时分复用的脉冲宽度调制技术

脉冲宽度调制是针对具体接收端2而言的，为了给多个接收端2同时充电，就需要在同一时间周期内给多个接收端2发送调制脉冲，这就是所述的时分复用脉冲宽度调制。

如图7所示，发送端1每一个发送周期为T，即图中两个虚线之间。在发送周期内发送端1依次接连对不同的接收端2发送不同宽度的能量脉冲，脉冲的瞬时功率相同。并且从图7中可见，各个接收端2收到的是不同占空比的能量脉冲波，而这些脉冲波的周期时间是相同的，即图7中t标注的周期时间相同。图7中大括号t标注的即为三个不同接收端2接收到的不同脉冲宽度的功率波形，而经过图7中的能量缓冲器转换后即为连续不间断的恒定功率电能，而输出的电能功率由调制脉冲的宽度决定。这里要说明的是图7中的T和t的时间跨度是一样的，用不同的标记只是为了区分发送端1执行的周期和PWM波的周期。

E、数字化时分复用的脉冲宽度调制技术

为了便于计算机数字化控制，进一步将上述时分复用技术进行数字化。其方法为，将一个充电周期T划分为多个时间片ts，每个时间片的时间长度相等。控制器12对每个接收端2分配不同数量的时间片以满足其需要的脉冲宽度。

如图8所示，由于是对多个接收端2的充电进行时分复用，每一个时间段传递的是能量，所以这里将最小的时间片称作“能量片”，而组合的多个能量片的脉冲称作“能量包”，可见接收端2在一个周期时间内，收到能量包和没有能量的空闲阶段组合成PWM能量波。多个相同的充电周期可以组成一个较长时间的时间段，这里称作“能量段”，这么做是为了保证一定时间长度的充电连续性和稳定性，尽量避免频繁地改变某一接收端2在周期内接收脉冲的起始位置。不同的时间段开始前将更新所有参数，重新确定充电的目标接收端2，为目标接收端2分配能量片，为不同能量包排序以保证最大资源利用率。

综上所述，一种基于时分复用及脉冲宽度调制的移动光学充电系统的应用，应用该移动光学充电系统充电的方法为：

(1)发送端1接收多个接收端2的充电需求，采用脉冲宽度调整方法确定不同接收端2所需光能脉冲的脉冲宽度；

(2)发送端1采用时分复用方法将不同接收端2所需的光能脉冲按时间顺序依次排列并发送给对应的接收端2，并进行周期性重复发送。

步骤(2)具体为：

(2a)将一个充电周期T划分为多个时间片，每个时间片的时间长度相等；

(2b)根据不同接收端2所需的光能脉冲的脉冲宽度确定对应接收端2所需的时间片的个数，每个时间片的光能脉冲作为一个能量片；

(2c)对每个接收端2分配对应个数的能量片，并将不同接收端2所需的能量片依次排布；

(2d)按照排布顺序向不同的接收端2发送对应的能量片直至下一个充电周期，并重复上述(2a)～(2d)。

接下来以锂电池充电为例说明本发明基于时分复用及脉冲宽度调制的移动光学充电系统的充电方式。

鉴于其化学特性，不同种类的电池可能具有不同的充电曲线。我们将在这里锂离子电池的充电曲线。它包括四个阶段，如图9所示：

阶段一：涓流充电(Trickle Charge或TC)，当电池电压小于3V时，以电流增加的形态为电池充电，直到电流强度达到100mA时，电压达到3V，第一阶段充电完毕。

阶段二：恒定电流充电(Constant Current或CC)，当电压达到3V以后，充电电流进入恒定模式，介于200mA到1000mA之间。电压持续增高到4.2V。

阶段三：恒定电压充电(Constant Voltage或CV)，当电压达到4.2V后，恒定电压充电开始。为了获得最大充电容量，电压的变化率要控制在小于1％，而电流会降至20mA。

综上所述，在不同的阶段，所需要的充电功率不同。所以如果发送的功率大于所需要的接收功率，那么就会造成一定的损耗，使得整体充电的效率降低。因此，发送端1和接收端2都具有通信模块，接收端2通信模块将其需要的功率信息及其他相关信息传递给发送端1，发送端1根据接收端2的信息对发送的能量脉冲宽度进行调整、对发送的次序进行排序。

图10是太阳能面板输出的功率和电压之间的关系，可以看出在不同的光照功率照射时，其输出的功率随着工作电压的变化有一个最大的功率点，在这个功率点时转化的效率最大。为了跟踪这个最大的功率点，本系统的光接收器21里加入了最大功率跟踪电路，从而可以自动跟踪最大功率点，调节到合适的工作电压。

在MOC系统的接收端2，电能转换器22在给锂电池充电的时候实时监测锂电池的充电电压和充电电流，即可以实时跟踪锂电池在充电功率特性曲线上的位置。接收端2将充电功率的需求等信息传递给发送端1。发送端1根据功率需求信息决定给接收端2分配的能量脉冲的占空比、决定在充电周期中的脉冲位置。然后发送端1控制器12控制光发射器以一定的功率实现在一定周期内接连给多个接收端2发送不同时间宽度的能量脉冲。接收端2的光接收器21通过PV面板输出电能脉冲，这里光接收机通过最大功率点跟踪功能使得PV板达到最大功率输出。

本实施例以电池在CV阶段时被充电，如图9所示。所需的电流和电压分别为0.5A和4.0V。因此，期望的能量缓冲器输出功率应为0.5A×4.0V＝2W。若充电周期为1×10^-6s,则一个周期的所需能量为2W×1×10^-6s＝2×10^-6J。若光发射器的激光照射强度设为8W/cm ²，则根据图10，PV板输出的功率为5W。所以为了提供2×10^-6J的能量，则光发送器11给这个接收端2的光能脉冲时间宽度为2×10^-6J÷5W＝0.4×10^-6s，占空比为0.4×10^-6s÷(1×10^-6)×100％＝40％。所以发送端1的一次发送周期内，在0s时开始给接收端2发送9.375W/cm ²的激光，直到0.4×10^-6s时停止发送，经过0.4×10^-6s的暂停时间后又开启一个新的发送周期。

实施例2

本实施例基于时分复用及脉冲宽度调制的移动光学充电系统与实施例1相同，该实施例假设两个接收端2电池需要被充电，接收端21所需的电流和电压分别为0.25和4.0V，接收端22所需的电流和电压分别为0.5和4.0V。因此，期望的能量缓冲器输出功率应为1W和2W。若充电周期为1×10^-6s，则一个周期的所需能量分别为1×10^-6J和2×10^-6J。若光发射器的激光照射强度设为9.375W/cm ²，则根据图10，PV板输出的功率为5W。所以为了提供1×10^-6J和2×10^-6J的能量，则光发送器11给接收端21的光能脉冲时间宽度为0.2×10^-6s，给接收端21的光能脉冲时间宽度为0.4×10^-6s，占空比分别为20％和40％。所以发送端1的一次发送周期内，在0s时开始给接收端21发送9.375W/cm²的激光，直到0.2×10^-6s时停止发送，然后开始给接收端22发送9.375W/cm²的激光，直到0.6×10^-6s时停止发送，经过0.4×10^-6s的暂停时间后又开启一个新的发送周期。

实施例3

本实施例基于时分复用及脉冲宽度调制的移动光学充电系统与实施例1相同，该实施例假设两个接收端2电池需要被充电，接收端21所需的电流和电压分别为0.25A和4.0V，接收端22所需的电流和电压分别为0.5A和4.0V。因此，期望的能量缓冲器输出功率应为1W和2W。若充电周期为1×10^-6s，则一个周期的所需能量分别为1×10^-6J和2×10^-6J。若光发射器的激光照射强度设为9.375W/cm ²，则根据图9，PV板输出的功率为5W。所以为了提供1×10^-6J和2×10^-6J的能量，则光发送器11给接收端21的光能脉冲时间宽度为0.2×10^-6s，给接收端21的光能脉冲时间宽度为0.4×10^-6s，占空比分别为20％和40％。发送端1将一个周期分成10个时间片，每个时间片为0.1×10^-6s，所以发送端1的一次发送周期内，在第1、2时间片给接收端21发送9.375W/cm ²的激光，在第3-6时间片开始给接收端22发送9.375W/cm ²的激光，7-10时间片不发送激光，然后又开启一个新的发送周期。

实施例性能比较：在传统的MOC充电装置上，一对多的发送端1采用轮流充电方式以保证安全和充电效率。以实施例三中情形为例，如果两个接收端2期望的功率分别为1W和2W，则传统的轮流充电法需要在一个周期1×10^-6s的时间内分别给两个接收端2提供1.875W/cm ²和3.75W/cm ²的激光。假若每个接收端2充电时间相同，则一个周期内发送端1总共输出的能量为1.875W×0.5×10-6s+3.75W×0.5×10-6s＝2.8125×10^-6J。而如果采用时分复用的脉冲宽度调制传能技术，则一个周期内发送端1总共输出的能量为9.375W×(0.2+0.4)×10^-6s＝5.625J。可以看出在实施例三中采用时分复用的脉冲宽度调制传能技术后在一个周期内所能输出的能量远比传统的轮流充电法要大，因此在相同时间内可以给更多的接收端2电池提供最佳的充电功率。此外，可以看出发送端1不需要频繁地改变发送功率，这有利于简化装置的结构，提高装置的寿命。