一种无线充/供电系统的过功率保护装置和方法

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，尤其是涉及一种无线充/供电系统的过功率保护装置和方法。

背景技术

在无线充/供电系统中，包括发射端与接收端，如图1所示，发射端通过在发射线圈上产生交流电流进而产生交变磁场。接收端通过接收线圈将磁场接收并耦合为电信号。接收线圈的交流电信号通过补偿和整流电路转换为直流的整流滤波电压Vrec，后级的电池充电电路提供所需的充电电流及相应的电池保护机制，常用的电池充电电路包括线性充电电路型和开关变换型。而为了防止接收能量过大导致Vrec过高，一般在Vrec处加入电压钳位电路，常用的电压钳位电路包括稳压二极管等。

在无线充电过程中，为了降低损耗，发射端往往需要根据接收端的充电参数来实时闭环调节发射强度，达到接收端恰好所需的功率。接收端的充电参数一般只能通过无线通信方式传递给发射端，而无线通信方式往往有一定的延时或通信间隔。当发射端发射功率过剩时，在通信间隔时间内，过剩的功率只能由接收端的电池充电电路和电压钳位电路自行消耗。接收端过剩功率越大、通信间隔时间越长，电路的温升就越高。一旦电路中的器件超过其最高耐温值，电路便可能失效。

尤其对于近场通信方式，通信的速率较低、通信间隔时间较长(往往达到秒或十秒量级)，接收端的电压钳位电路和电池充电电路往往已经热平衡，达到温度最高点，热损伤风险极大。

不同使用者在使用无线充电产品时，两个线圈的充电距离和对位往往有很大偏差，充电距离越远、对位越偏，则耦合系数就越差，充电效率就越低。在产品设计时，为了兼顾这样的耦合系数较低的情景，发射端的极限发射功率往往设计得很大。而在实际运行过程中，往往会出现发射端发射功率很大但耦合系数却很好的情况，必须经过一定时间的闭环调节，才能使发射功率逐渐降低到合理值。但在这段动态调节时间内，接收端的元器件功率便会承受巨大的过剩功耗，导致其额定功率必须设计的很大。额定功率越大的器件，其体积和重量一般也越大。对于体积很敏感的应用场景，如植入式医疗设备，增大体积会明显影响使用者的体验，甚至增加患者的术后并发症的罹患概率。

另外，动态调节时间往往依赖发射和接收端的通信数据，这段时间往往是较长的。而动态调节时间内所产生的过剩功耗势必导致接收端发热，对于发热很敏感的应用场景，如植入式医疗设备，其发射端位于患者体外，其接收端位于患者体内，如接收端温度过人体核心温度2度便有组织热烫伤的风险，因此设备发热超过一定范围必然危及到人体安全。

因此，如何快速实现对接收端接收功率的控制，抑制功率过高，减少元器件发热，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种无线充/供电系统的过功率保护装置和方法，实时采样发射端的总电流、总电压、发射端线圈上的电流，计算发射端总功率、发射端线路上的总损耗，根据负载电流设定值，计算接收端过剩损耗P

第一方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：

一种无线充/供电系统的过功率保护装置，所述系统包括发射端和接收端，所述发射端包括发射线圈，所述接收端包括接收线圈、负载，所述过功率保护装置设置在发射端，包括采样单元、控制单元；

所述采样单元用于实时检测发射端的输入电压V

所述控制单元用于计算发射端总功率P

所述接收端过剩损耗P

其中，P

本发明进一步设置为：所述发射端还包括DC/AC电路、谐振电容，所述谐振电容与DC/AC电路并联，连接在发射线圈的二个输入端之间，所述谐振电容用于与所述发射线圈构成谐振电路，提高发射电压；所述发射端损耗P

本发明进一步设置为：所述接收端还包括依次连接的整流电路、负载电路、补偿电路，所述整流电路的输入端连接在接收线圈的二端，负载电路、补偿电路连接在整流电路的输出端，所述补偿电路用于匹配接收线圈的阻抗，提高功率接收效率；所述接收端电路损耗包括接收线圈损耗、整流电路损耗、负载电路损耗、补偿电路损耗。

本发明进一步设置为：所述接收端还包括钳位电路，所述钳位电路的输入连接整流电路的输出，所述钳位电路的输出连接负载电路，所述接收端电路损耗还包括钳位电路损耗P

本发明进一步设置为：所述控制单元根据接收端电路结构，计算所述接收端过剩损耗阈值P

本发明进一步设置为：当所述负载电路为线性稳压型时，所述接收端过剩损耗阈值P

本发明进一步设置为：当所述负载电路为开关型时，所述接收端过剩损耗阈值P

本发明进一步设置为：接收线圈电流I

本发明进一步设置为：所述控制单元控制发射端总功率包括：当P

第二方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：一种无线充/供电系统的过功率保护方法，包括如下步骤：

S0，初始化，提取预设阈值；

S1，实时检测发射端的输入电压V

S2，计算发射端总功率P

S3，比较接收端过剩损耗P

S4，降低发射端总功率，返回S1；

S5，增大发射端总功率或保持发射端总功率不变，返回S1。

与现有技术相比，本申请的有益技术效果为：

1.本申请通过计算发射端实时发射功率计算接收端的接收功率，在接收功率大于接收端功率门限值时，降低发射端总功率，从发射端控制输入总功率，从而实现对接收端功率的控制，保证了接收端功率不过量，避免了接收端器件过热现象的出现；

2.进一步地，本申请充分考虑发射端与接收端的损耗以及负载功率，计算实时发射功率，实现了对发射端总功率的实时控制，无需接收端反馈运行参数，发射端便可进行实时计算和保护，缩短保护动作的反应时间，缩小接收端元器件的温度变化范围，防止接收端元器件损坏。

附图说明

图1是现有无线充/供电系统结构示意图；

图2是本申请的一个具体实施例的过功率保护电路结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

具体实施例一

本申请的一种无线充/供电系统的过功率保护装置，基于图1所示的无线功率传输装置进行说明，实际应用中，根据具体无线传输功率电路相应增减功率损耗项，以保证对接收端接收功率的控制精度，减小反应时间，降低接收端产生的热量，能够显著降低患者被烫伤的几率。

如图1所示，无线充/供电系统包括发射端、接收端，无线充/供电系统的过功率保护装置包括采样单元、控制单元，其中发射端包括DC/AC电路、谐振电容C、发射端线圈，DC/AC电路的输入为直流电源，其输出为交流电源，DC/AC电路的一个输出端连接谐振电容C的一端，谐振电容C的另一端连接发射端线圈的一端，发射端线圈的另一端连接DC/AC电路的另一个输出端。

采样单元实时检测发射端的输入电压V

控制单元计算发射端总功率P

输入电流I

P

式中，V

发射端损耗P

发射端线圈损耗：P

式中，I

谐振电容C损耗：P

式中，R

DC/AC电路中包括直流转交流全桥或半桥电路，在全桥电路时，DC/AC电路功耗为：P

在半桥电路时，DC/AC电路功耗为：P

式中，R

因此，P

或P

发射端总功率P

P

发射端根据实时采样的数据V

实时发射功率P

接收端接收总功率P

接收端接收总功率阈值P

P

式中，P

如果接收端接收总功率P

如图1所示，接收端包括依次连接的接收端线圈、补偿和整流电路、电压钳位电路、电池充电电路、电池；接收端线圈上的交流电经过补偿和整流电路后，转化为直流电，经过电压钳位电路锁定输出电压，由电池充电电路给电池充电。可选地，接收端的电池也可以替换成其他负载，相应地，电池充电电路也可以是负载供电电路。

接收端最低设定接收功率P

接收端的电池充电功率P

接收线圈损耗：P

式中，I

接收线圈电流I

I

式中，K的取值范围是1.05～1.3。

补偿和整流电路中包括补偿电路、全桥整流电路或半桥整流电路，在全桥整流电路时，损耗为：P

在半桥整流电路时，损耗为：P

式中，V

补偿电路上也有损耗，补偿电路的电容阻抗为R

充电电路损耗P

根据充电电路特性，充电电路损耗P

以上举例并非表示所有电路都包括，根据接收端电路结构不同损耗项目也不同，不同电路损耗也都可通过设计实测值进行损耗的确定。

输入总功率P

P

运行参数包括充电电流值I

当电池充电电路是线性稳压型时，

接收端过剩损耗阈值P

P

其中，V

接收端过剩损耗阈值P

当电池充电电路是开关型时，

接收端过剩损耗阈值P

式中，η

根据电路结构不同，接收端过剩损耗阈值P

当接收端过剩损耗P

控制单元降低发射端总功率，包括以下方式：

方式一、立即切断发射电流，停止发射能量；

方式二、降低发射电流或电压，边降低边测量，计算接收端过剩损耗P

方式三、对接收端过剩损耗P

控制单元增大发射端总功率，包括以下方式：

方式四、增大发射电流或电压，边增大边测量，计算接收端过剩损耗P

方式五、对接收端过剩损耗P

具体实施例二

本申请的一种无线充/供电系统的过功率保护装置，如图2所示，包括依次连接的无线发射端电路、控制电路、采样电路，采样电路与无线发射端电路连接，用于采样无线发射端实时电参数，包括输入总电压、输入总电流、发射端线圈电流，将采样到的电参数传输给控制电路，控制电路根据采样到的电参数、电路设计时的相关参数，计算发射端总功率P

当接收端过剩功率P

发射端损耗功率P

根据接收端充电电流设定值计算接收端过剩损耗阈值P

在本申请的一个具体实施例中，根据接收端满足最低充电电流情况下的设定最低接收功率P

将实时接收功率P

具体实施例三

本申请的一种无线充/供电系统的过功率保护方法，包括如下步骤：

S0，初始化，提取预设阈值；

S1，实时检测发射端的输入电压V

S2，计算发射端总功率P

S3，比较接收端过剩损耗P

S4，降低发射端总功率，返回S1；

S5，增大发射端总功率或保持发射端总功率不变，返回S1。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。