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TW201914167A - 具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統 - Google Patents

具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統 Download PDF

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TW201914167A
TW201914167A TW106128204A TW106128204A TW201914167A TW 201914167 A TW201914167 A TW 201914167A TW 106128204 A TW106128204 A TW 106128204A TW 106128204 A TW106128204 A TW 106128204A TW 201914167 A TW201914167 A TW 201914167A
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洪浩喬
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Abstract

本發明揭露一種具備校正傳送端與接收端電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統，其係藉由在適當的校正環境設定下，偵測線圈電感或共振電容兩端的峰值電壓並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等共振電容，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。

Description

具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統
本發明係有關一種磁共振式無線傳能系統（wireless power transfer system），特別是關於一種可以自動校正電感電容(LC)共振頻率之共振式磁耦合無線傳能系統。
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值係小於或等於1；另一種主要規格則是最大傳輸功率（Maximal Transferred 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係數(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於線圈的直徑時，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系統僅適用於一對一的WPT。
另一方面，共振式磁耦合WPT系統能在一個非常小的耦合係數的操作環境下達成非共振式磁耦合WPT系統在較高的耦合係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之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，而這些特徵擴大了WPT系統的應用。
雖然共振式磁耦合WPT系統具有這麼多優點，但目前商業產品量產時，最主要的困難係在於共振式磁耦合WPT系統需要將傳送端和接收端二側的LC電路之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系統的效能遠低於理論上可達之最佳值。
傳統用來校正LC共振頻率的方法通常是透過LCR儀器來分別測量電感及電容值，通常使用可變電容器並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之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CA2448316 A1提出一種測量最大和最小共振頻率，並使用線性插值來猜測一數位控制電容器的目標控制代碼，以節省校正時間。但是此方法應用於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，且校正環境不同於正常操作環境，所以它們會具有不同的寄生電容和電感值，因此，校正後WPT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等專利前案係調整PLL的振盪頻率，或是如美國專利US 8,918,070 B2調整LNA的振盪頻率等，目前尚未有發展出適用於校正WPT系統的共振頻率以提升其效能的校正技術。
有鑑於此，本發明遂提出一種可以自動校正LC共振頻率之共振式磁耦合無線傳能系統，以解決前述困擾。
本發明之主要目的係在提供一種共振式磁耦合無線傳能系統，其係可以自動校正傳送端與接收端之共振電容來準確控制功率傳送端和功率接收端中之LC共振頻率，進而達到以無線方式傳輸最大的功率至負載之功效。
本發明之另一目的係在提供一種共振式磁耦合無線傳能系統，其係可同時兼顧最佳(局部優化/sub-optimal)功率傳輸效率以及最大的傳輸功率之優勢，更可搭配最佳的等效負載電阻來達到最高功率傳輸效率。
為達到上述目的，本發明提出一種具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統，其係包括至少一功率傳送端及至少一功率接收端；此功率傳送端係傳送一交流功率給至少一功率接收端。功率傳送端包括有一功率放大器推動一電感電容共振器，此電感電容共振器係可以等效為至少包含串聯連接的一第一共振電容及一一次側線圈，其中，在對第一共振電容進行校正時，係調整第一共振電容直至一一次側觀察電壓到達最大的峰值電壓，該一次側觀察電壓係指一次側線圈的跨壓或第一共振電容的跨壓，此時之第一共振電容即為最佳化數值。
其中，上述之功率接收端更至少包括有一二次測線圈和一串聯式共振負載電路，此串聯式共振負載電路更至少包含有等效為串聯連接之一第二共振電容及一負載，且一次側線圈與二次側線圈之間係具有一互感，該互感可以一耦合係數以及兩線圈之電感值的關係表示。
其中，上述之功率接收端更至少包括有一二次測線圈和一並聯式共振負載電路，此並聯式共振負載電路至少包含有等效為並聯連接的一第二共振電容及一負載，且一次側線圈與二次側線圈之間係具有一互感，此互感可以一耦合係數及兩線圈之電感值的關係表示。
上述之第一共振電容之校正程序更包括：(S1)設定第一共振電容為任意初始值，然後偵測一次側觀察電壓之峰值電壓，儲存並作為第一峰值電壓；(S2)對第一共振電容增加一個預定級別的第一電容值；(S3)再次偵測一次側觀察電壓的峰值電壓，儲存並作為第二峰值電壓；(S4)判斷第一峰值電壓和第二峰值電壓之差值是否位於一預定誤差範圍內，若是，則停止整個校正程序，並保留最後的第一共振電容之數值；若否則進行下一步驟；(S5)若第二峰值電壓大於第一峰值電壓，則繼續對第一共振電容增加一個預定級別的該第一電容值，若第二峰值電壓小於第一峰值電壓，則對第一共振電容減少一個預定級別的第一電容值；最後，(S6)以第二峰值電壓的數值取代第一峰值電壓的數值，再重新回到步驟(S3)，依序重複進行相同步驟。
其中，在第一共振電容進行校正時，二次側線圈可以為短路或開路，甚至可先移除功率接收端，以將第一共振電容校正為特定值，提供校正第二共振電容時使用。
其中，本發明更可對功率接收端之第二共振電容進行校正，以得到最佳(sub-optimal)功率傳輸效率，在對第二共振電容進行校正時，係在適當校正環境設定下調整第二共振電容直至一二次側觀察電壓到達最大的峰值電壓，該二次側觀察電壓係指二次側線圈的跨壓或第二共振電容的跨壓，此時之第二共振電容即為最佳化數值。
續上，第二共振電容之校正程序更包括：(S1)設定第二共振電容為任意初始值，然後偵測二次側觀察電壓之峰值電壓，儲存並作為第一二次側峰值電壓；(S2)對第二共振電容增加一個預定級別的第二電容值；(S3)再次偵測二次側觀察電壓的峰值電壓，儲存並作為第二二次側峰值電壓；(S4)判斷第一二次側峰值電壓和第二二次側峰值電壓之差的絕對值是否位於一預定誤差範圍內，若是，則停止整個校正程序，並保留最後的第二共振電容之數值；若否，則進行下一步驟；(S5)若第二二次側峰值電壓大於第一二次側峰值電壓，則繼續對第二共振電容增加一個預定級別的第二電容值，若第二二次側峰值電壓小於第一二次側峰值電壓，則對第二共振電容減少一個預定級別的第二電容值；以及(S6)將第二二次側峰值電壓的數值取代第一峰二次側值電壓的數值，再重新回到步驟(S3)，依序重複進行相同步驟。
底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容及其所達成的功效。
本發明提出之具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統可以在適當的校正環境設定下，校正共振電容之數值至最大的峰值電壓，以藉此達到自我校正之目的。本發明之系統可以為串聯負載式（Series-loaded）共振式磁耦合無線傳能系統或是並聯負載式（Shunt-loaded）共振式磁耦合無線傳能系統，且不管為何種系統，其技術精神皆相同。
首先如第1圖所示，一種串聯負載式具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統主要包括，至少一功率傳送端10包括有一功率放大器PA推動一電感電容共振器11，此電感電容共振器11的等效電路至少包含串聯連接的一第一共振電容C1 及一一次側線圈L1 ，且一次側線圈L1 兩端會產生一一次側觀察電壓，此一次側觀察電壓亦可為第一共振電容C1 之跨壓。此功率傳送端10會傳送一交流功率(AC power)給至少一功率接收端20，其係具有電性連接的一二次側線圈L2 及一共振負載電路，此共振負載電路係為一串聯式共振負載電路21，其係可以等效為至少包含有串聯連接之一第二共振電容C2 及一等效負載電阻，並有二開關SS 、SO 電性連接在二次側線圈L2 以及該串聯式共振負載電路21之間，其中開關SS 並聯該串聯式共振負載電路21，開關SO 串聯該串聯式共振負載電路21，且該等效負載電阻亦並聯一額外開關SR ，開關SS 、開關SR 在正常操作模式下係保持開路，開關SO 在正常操作模式下則保持導通。此功率接收端20會產生一二次側觀察電壓，此二次側觀察電壓可為二次側線圈L2 的跨壓或第二共振電容C2 的跨壓，且該一次側線圈L1 與該二次側線圈L2 之間係具有一互感，此互感可以一耦合係數k 以及兩線圈之電感值的關係表示；其中，在對第一共振電容C1 進行校正時，係調整第一共振電容C1 直至一次側觀察電壓到達最大的峰值電壓，不論當時功率接收端20之元件參數為何，此時之第一共振電容C1 即為該操作環境下提供最大負載功率之最佳化數值。功率傳送端10更包括一峰值偵測器12，其係電性連接一次側線圈L1 或第一共振電容C1 ，以測量該一次側觀察電壓之峰值電壓；另有一一次側控制器14係電性連接峰值偵測器12，以接收與儲存峰值電壓，並據此判斷其大小來調整第一共振電容C1 ，此外該一次側控制器14亦可控制該功率放大器PA在校正模式下的等效輸出電阻。同樣地，功率接收端20包括有一峰值偵測器22，其係電性連接二次側線圈L2 或第二共振電容C2 ，以測量二次側觀察電壓之峰值電壓，峰值偵測器22更電性連接一二次側控制器24，以接收儲存峰值電壓，並據此判斷其大小來調整第二共振電容C2 ，此外該二次側控制器24依據工作模式控制該等開關SS 、SO 、與SR 的作動。
同時參考第2圖所示，對第一共振電容C1 之校正程序更包括下列步驟，首先如步驟S1所示，設定第一共振電容C1 為任意初始值，然後偵測一次側觀察電壓之峰值電壓，儲存並作為第一峰值電壓；接著如步驟S2所示，對第一共振電容增加一個預定級別的第一電容值；如步驟S3所示，再次偵測一次側觀察電壓的峰值電壓，儲存並作為第二峰值電壓；在步驟S4中判斷第一峰值電壓和第二峰值電壓之差的絕對值是否位於一預定誤差範圍內，若是，如步驟S41所示停止校正程序，並保留最後的第一共振電容C1 ；若否，則繼續進行下一步驟S5；在步驟S5中判斷第二峰值電壓是否大於第一峰值電壓，若第二峰值電壓大於第一峰值電壓，如步驟S51繼續對該第一共振電容C1 增加一個預定級別的第一電容值，若第二峰值電壓小於第一峰值電壓，則如步驟S52所示對第一共振電容C1 減少一個預定級別的第一電容值，其中預定級別的第一電容值亦可根據第一峰值電壓與第二峰值電壓的差值作動態調整；繼續如步驟S6所示以第二峰值電壓的數值取代第一峰值電壓的數值，再重新回到步驟S3，並依序重複進行相同步驟。如此，即可藉由前述之校正程序取得最佳化的第一共振電容C1 。若將預定誤差範圍設為0，則此校正程序會持續進行以追蹤系統參數的任何變化。
其中，該第一共振電容C1 或第二共振電容C2 係為一數位控制變容器或是一壓控變容器。另外，在第一共振電容C1 進行校正時，二次側線圈L2 可以為短路或開路以控制校正後之第一共振電容C1 值為校正第二共振電容C2 時所需之特定值(在非短路或非開路狀況下之校正結果即為當時負載狀況下之最佳值)。詳言之，如第1圖所示，控制開關SS 導通，使二次側線圈L2 可以為短路以進行C1 校正，此時開關SO 與SR 可為導通或開路狀態；或是控制開關SS 開路且SO 導通，使二次側線圈L2 可以為開路以進行校正，此時開關SR 可為導通或開路狀態；其中設定二次側線圈L2 開路狀態更可藉由移除功率接收端20達成，也因此開關SO 為非必需的選擇性元件。
在第1圖所示之具備校正電感電容共振頻率功能之串聯負載式共振式磁耦合無線傳能系統中，除了進行第一共振電容C1 校正之外，更可對功率接收端20之第二共振電容C2 進行校正，以得到高(局部優化)功率傳輸效率，在對第二共振電容C2 進行校正時，係調整第二共振電容C2 直至二次側觀察電壓到達最大的峰值電壓，該二次側觀察電壓係為二次側線圈L2 的跨壓或第二共振電容C2 的跨壓，此時之第二共振電容C2 即為最佳化數值。有關第二共振電容C2 之校正程序係相同於第2圖所示之第一共振電容C1 之校正程序，差別僅在於在進行第二共振電容C2 校正時，是偵測二次側觀察電壓，並依序偵測得到第一二次側峰值電壓和第二二次側峰值電壓以進行後續之校正程序，其餘則與前面相同，故不再此贅述；校正第二共振電容C2 時，功率接收端20之負載的等效負載電阻係藉由控制並聯開關SR 設定為0，且在進行第二共振電容C2 校正時，係基於第一共振電容C1 已在二次側線圈L2 為短路或開路狀態下完成校正之狀況下進行的；另外，為了取得最佳的第二共振電容C2 ，一次側線圈與二次側線圈之間的耦合係數k 係可以設定為足夠小的數值，且功率放大器PA之等效輸出電阻亦可以增加，以利於降低第二共振電容C2 校正結果的誤差。
本發明之另一種實施例係為具備校正電感電容共振頻率功能之並聯負載式共振式磁耦合無線傳能系統如第3圖所示，其主要包括有一功率傳送端30包括有一功率放大器PA及一電感電容共振器31，此電感電容共振器31可以等效為至少包含串聯連接有一第一共振電容C1 及一一次側線圈L1 ，且一次側線圈L1 會產生一一次側觀察電壓，此一次側觀察電壓亦可為第一共振電容C1 之跨壓，此功率傳送端30會傳送一交流功率給至少一功率接收端40，其係具有電性連接的一二次側線圈L2 及一共振負載電路，此共振負載電路係為並聯式共振負載電路41，其係可以等效為至少包含有並聯連接的一第二共振電容C2 及一等效電阻負載，並有二開關SS 、SO 電性連接至二次側線圈L2 ，其中開關SS 與第二共振電容C2 與等效負載電阻並聯，開關SO 為非必要元件且其係與該並聯式共振負載電路41串聯，開關SS 在正常操作模式下係保持開路，開關SO 在正常操作模式下則保持導通。此二次側線圈L2 兩端會產生一二次側觀察電壓，且該一次側線圈L1 與該二次側線圈L2 之間係具有一耦合係數k （互感）；其中，在對第一共振電容C1 進行校正時，係調整第一共振電容C1 直至一次側觀察電壓到達最大的峰值電壓，不論當時功率接收端之元件參數為何，此時之第一共振電容C1 即為該操作情形之最佳化數值。功率傳送端30更包括一峰值偵測器32，其係電性連接一次側線圈L1 或第一共振電容C1 ，以測量該一次側觀察電壓之峰值電壓；另有一一次側控制器34係電性連接峰值偵測器32，以接收與儲存峰值電壓，並據此判斷其大小來調整第一共振電容C1 ，此外該一次側控制器34亦可控制該功率放大器PA在校正模式下的等效輸出電阻。同樣地，功率接收端40包括有一峰值偵測器42，其一端係電性連接二次側線圈L2 或第二共振電容C2 ，以測量二次側觀察電壓之峰值電壓，另一端則電性連接一二次側控制器44，以接收與儲存峰值電壓，並據此判斷其大小來調整第二共振電容C2 ，此外該二次側控制器44依據工作模式控制該等開關SS 與SO 的作動。
在第3圖所示之系統架構中，其功率接收端40的電路連接關係雖然不同於第1圖中之電路連接關係，但是整體作動以及第一共振電容C1 和第二共振電容C2 的校正程序係相同於前述程序，故可參考前面所述內容，於此不再重複贅述，唯校正第二共振電容C2 時，功率接收端40中之等效負載電阻不需設為0而是維持原狀。
在說明完本發明之技術特徵之後，為證明本發明確實可以藉由自動校正功率傳送端與功率接收端中之共振電容，使其二端組成之電感電容共振器之共振頻率得以最佳化(最佳頻率不一定是載波頻率)，進而使此共振式磁耦合無線傳能系統可以達到最佳效能。因此，將與本發明相關之技術理論基礎詳細說明如後。
如第1圖和第3圖所示，第一共振電容C1 和一次側線圈L1 的位置係可以交換的，在圖中所示之開關SS 和SR 在正常操作模式下係保持開路(open)狀態，開關SO 在正常操作模式下則保持導通狀態，且這些開關僅使用於校正過程。在功率傳送端，功率放大器（PA）驅動帶有電感L1 的一次側線圈，PA的等效輸出電阻係為可以調整的，在傳送端的C1 和L1 係組成一個LC共振器。在功率接收端，具有電感L2 之二次側線圈係透過與L1 間的互感LM 接收功率，並將接收到的功率傳送至負載RL，且C2 和L2 係在接收端組成另一個LC共振器。其中，在這二個LC共振器之共振頻率最接近特定頻率時，共振式磁耦合WPT系統可以達到最佳效能。互感LM 可以表示為，其中k 定義為耦合係數。
第4圖和第5圖係分別為第1圖和第3圖的等效電路，圖中所示之 、 、 、 和分別代表載波的角頻率、PA的等效輸出電阻、等效負載電阻、一次側線圈的寄生串聯電阻和二次側線圈的寄生串聯電阻，且 、 、 、 和在正常操作模式下被預設為常數。一般而言，串聯負載式RMC架構在較小時可以更有效率地提供電力給接收端的負載；而並聯式RMC架構則更適合在較大時有效率地提供電力給接收端的負載。
第4圖及第5圖所示之共振式磁耦合WPT系統之電路模型可以用相同之集總電路模型（lumped circuit model）來表示，如第6圖所示。且在第6圖中所使用的電路模型參數係如表1所示。
表1
在下面分析中，將使用表2中所定義之品質因子來表示這些分析結果。
表2
一般情形下， 、 這二電感的品質因子 、 以及必須遠大於1才能使共振式磁耦合WPT系統達到良好的特性，實際應用一般亦會要求。
詳細分析第6圖所示之集總電路模型的結果顯示，C1 是在耦合係數k 、 C2 和RL 的值不變下決定最大傳輸功率(MTP)的唯一因子，因此，我們可以藉由調整C1 至其最佳值以獲得最大的負載功率(PL )；另外一方面，分析結果亦顯示RMC WPT系統的功率傳輸效率取決於C2 和RL 的值且與C1 無關，因此在給定一固定的RL 的情形下，我們可以調整C2 至其最佳值而得到此時最大的功率傳輸效率。表3列出在RMC WPT系統中的最佳設計值。
表3
由表3可以看出串聯負載式RMC系統的C2,opt 係與RL 、k 和傳送端的設計參數無關。因此，本發明可以在這些參數於不同於正常操作環境的設定值下對C2 進行校正，然後再儲存這些校正結果，並將校正結果使用在實際應用上，換言之，校正環境中RL 、k 和傳送端的設計參數皆可以與正常操作環境的設定值有所不同而不影響校正結果的準確性。
首先說明，校正共振式磁耦合無線傳能系統中之第一共振電容 C1 的較佳實施例。
除了要求高PTE之外，WPT系統通常也會要求高MTP。詳細分析結果顯示負載RL 接收到的功率PL 可以表示為：其中，式(1)、(2)係可同時適用於串聯負載式及並聯負載式共振式磁耦合無線傳能系統。由式(2)可知係與C1 無關，所以根據式(1)，最大的也會產生最大的PL 。因此，本發明提出自動調整C1 來達成最大的|VL1 |，當找到最佳化的C1 ，標示為C1,opt ，則此C1,opt 即可提供最大的功率給RL 。
首先，定義及其中， ，適用於並聯負載式RMC系統；及，適用於串聯負載式RMC系統。
另一方面，為了了解C1 與|VL1 |的關係，分析結果得到：其中，
在此並同時定義：
由於二種RMC WPT系統同時具有且的條件，所以可以得到式(12)：且當時，。式(12)顯示是對應最大|VL1 |的最佳化值，亦即；此式(12)亦同時顯示，當C1 大於最佳化值時，與C1 相關的|VL1 |導數係為負的，當C1 小於最佳化值時，與C1 相關的|VL1 |導數係為正的。
本發明提出的校正方法就是使用式(12)的關係，藉由計算出相對應於的斜率，增減來找出峰值所對應之。的詳細校正流程如下所示： 1、設定為任意初始值，然後偵測的峰值，儲存此峰值並作為。 2、對增加一個預定級別。 3、偵測此時的峰值，儲存此峰值並作為。 4、若與的差的絕對值小於一預訂之最大誤差範圍則校正完成，儲存目前之為校正結果；否則繼續進行下一步驟。 5、若，相對應於的斜率為正，其係表示電容，所以對增加一個與該預定級別同號(the same sign)之級別（相同於該預定級別，也可以依與的差值作動態調整，以加速校正過程）；若，的斜率為負，其係表示電容，則對減少一個與該預定級別同號(the same sign)之級別（相同於該預定級別，也可以依與的差值作動態調整，以加速校正過程）。 6、更新的值為，並重新回到步驟3，依序重複進行相同步驟。 其中，的值除了為正之外，亦可以為負。換言之，當的值為負時，在上述第2或5步驟中，增加一個負的事實上就等於減少一個；同理，在上述第5步驟中，減少一個負的事實上就等於增加一個。當然，此時相對應於的斜率亦會改變，例如，時，相對應於的斜率變為負，其係表示電容；若，的斜率變為正，其係表示電容。
第7圖顯示具有二個不同之初始值的校正程序，在校正程序結束時，相對應於的斜率係接近0，並可以藉此得到預期中的最大。若將設定為0，則校正程序為一無限迴圈，同時校正中的最終會來來回回的在校正標的附近的級別範圍內切換，此乃因為變容器的本質(intrinsic)校正量化錯誤(quantization error)存在的緣故，但可使用較小的使其不影響校正結果。
值得注意的是，最佳化會追蹤耦合係數k 的變化，亦即，由於校正時會隨時追蹤的最高值，所以功率傳送端可以持續提供最大的功率給負載RL 。
除了校正達到MTP，本發明可以在校正的過程中，設定或，以設定做為一個特定值，用於校正。將第1圖和第3圖中的開關SO 保持導通或開路，並將開關SS 導通來設定的狀況；將第1圖和第3圖中的開關SS 保持開路，並將開關SO 開路來設定的狀況，或是直接移除整個功率接收端20/40來設定，這就是為什麼開關SO 為非必要元件的原因。的校正結果如下面表4所示。
表4
其次，說明校正並聯負載式共振式磁耦合無線傳能系統中第二共振電容 C2 的較佳實施例。
對並聯負載式RMC系統定義出：此適用於並聯負載式RMC系統。為了了解C2 與|VL2 |的關係，分析結果得到：其中， 同時亦定義：
由於，所以得到：且當時，。式(18)顯示是對應最大|VL2 |的最佳化值；此式(18)亦同時顯示，當C2 大於最佳化值時，與C2 相關的|VL2 |導數係為負的，當C2 小於最佳化值時，與C2 相關的|VL2 |導數係為正的。因此，校正C2 的方式係類似於校正的方式，且校正後的結果即為。
本發明提出的校正方法就是使用式(18)來計算出相對應於的斜率，並藉此增減來找出峰值所對應的。的詳細校正流程如下所示： 1、 設定為任意初始值，然後偵測的峰值，儲存此峰值並作為。 2、 對增加一個預定級別。 3、 偵測此時的峰值，儲存此峰值並作為。 4、 若和的差的絕對值係位於一預設範圍內，則此校正完成，儲存目前之為校正結果。否則繼續進行下一步驟。 5、 若，相對應於的斜率為正，其係表示電容，故對增加一個與該預定級別同號(the same sign)之級別（相同於該預定級別，也可以依與的差值作動態調整，以加速校正過程）；若，的斜率為負，其係表示電容，則對減少一個與該預定級別同號(the same sign)之級別（相同於該預定級別，也可以依與的差值作動態調整，以加速校正過程）。 6、 更新的值為，並重新回到步驟3，依序重複進行相同步驟。 其中，的值可以為正，亦可以為負。換言之，當的值為負時，在上述第2或5步驟中，增加一個負的事實上就等於減少一個；同理，在上述第5步驟中，減少一個負的事實上就等於增加一個。當然，當的值為負時，此時相對應於的斜率亦會改變，例如，時，相對應於的斜率變為負，其係表示電容；若，的斜率變為正，其係表示電容。
根據表3所示，並聯負載式共振式磁耦合無線傳能系統可以達成最大PTE的最佳化係為：其係與無關，由於我們想要的校正結果為，結果，必須在校正期間設定為特定的值才能使。當校正完成後，可以在正常操作模式下保持其校正值，因為的值與PTE無關，所以在正常操作模式下的值可以與用來校正時的設定值不同，因此我們可以在校正期間設定二個參數和為任何固定值。然而，對並聯負載式RMC WPT系統來說，參數k 在兩種模式下皆必須相同，因此，線上(on-line)校正是必須的。
利用式（17）等於式（19），在校正期間可以設定為：使。
式(20)的第二個解並沒有比較好的原因在於需要準確量測和、準確設定和需要較大可變電容器作為等的困難度，另一方面，表4顯示在的條件下校正所得之將非常接近式(20)第一個解的數值而無須煩人的量測與設定。給定這個校正後的，然後完成的校正所得到的校正結果對於的標準化(normalized)校正誤差可以表示為：
由式(21)可知，更可以將在校正過程中減少至一個較小值，以進一步減少校正誤差，減少可以藉由增加來完成，有二種不需更動電路連接的方式可以達到此目的，亦即減少PA的輸出電晶體的有效尺寸(推力)或是PA的供應電壓，此外，也可以在校正時於PA與該電感電容共振器之間串聯一額外的電阻來減少。
先設定
此標準化校正誤差會變成：
其中定義誤差增益為：
式(24)表示，在此可以設置為來完全消除校正誤差，其中就算不為，只要，誤差增益仍然小於一，亦即所得校正誤差較未降低時為小。
表4亦表示，在的設定下校正所得之可以在弱耦合（loose coupling）環境中產生最接近式(20)的而無需麻煩的設定。給定在的設定下校正所得之，並完成的校正結果相對於的標準化校正誤差可以近似為：
在弱耦合應用中，所以此校正誤差係可以被忽略的。
對於強耦合（stronger coupling）應用而言，更可以在校正期間增加來將減少至一較小值，以降低校正誤差。校正結果相對於校正結果的標準化校正誤差可以表示為：其中，此誤差增益為：
當等於下式(29)的時，可以完全消除此校正誤差：就算不為，只要，誤差增益仍然小於一，亦即所得校正誤差較未降低時為小。
接續說明校正串聯負載式共振式磁耦合無線傳能系統中第二共振電容 C2 的較佳實施例。
校正串聯負載式RMC WPT系統的 C2 ，係相似於並聯負載式RMC WPT系統，差別係在於校正標的變為，其係根據表3所示且與k 、 RL 、和傳送端的設計參數無關。因此，可以在校正過程中將這些值指定為任意固定值，再儲存此校正結果並將其應用在各種這些參數可能不同的實際應用中。
具體的分析結果顯示：其中，，且
再定義：及
對於弱耦合環境而言，、。因此，
若的校正範圍沒有涵蓋，亦即的初始值小於，則可以得到：
上述式(35)相似於式(18)，因此，相同的校正程序可以用來校正串聯負載式RMC系統的，其校正結果為，事實上，成功將校正為唯一要求是，指定校正程序的初始小於，此為一個簡單的任務。
為了使，其係需要將設定為式(36)：並設定為滿足下式的一個值：但是實際上很難精準設定所需的和。
一種更佳的校正環境設定為在的校正期間，藉由將第1圖的開關開啟導通以設定，並將設定為在的環境下校正所得之如此將使得，其係表示對的校正初始值並無任何限制，且所得之校正結果相對於校正結果的標準化校正誤差可以表示為：
在的校正期間，藉由設定k 值使，讓此校正誤差變得可以忽略不計。
相似於並聯負載式RMC系統，校正誤差更可以在校正期間藉由將減少至較小值而降低。此標準化校正誤差現在變為：其中。
另一個方便的校正環境設定，係在校正時，設定，並將設定為在的條件下校正所得之此校正設定亦可使得，其係表示對的校正初始值並無任何限制，且對於校正結果的標準化校正誤差可以表示為：
由式(40)可知，在的校正期間，藉由設定一個足夠小的k 值滿足()的條件，此校正誤差亦可以被忽略不計。
校正誤差更可以在校正期間藉由將減少至較小值而降低。此時之標準化校正誤差為：其總是小於式(40)。
因此，本發明確實可以在適當的環境設定下，藉由自動校正功率傳送端與功率接收端中之共振電容，使一次側線圈與二次側線圈之峰值電壓為最大來完成校正，同時達到最佳功率傳輸效率與最大傳輸功率之優勢。
再者，本發明之技術特徵亦可應用在使用電感/電容式匹配電路的WPT系統中，只要電路架構中有可以等效為本發明之共振負載電路和電感電容共振器之基本架構，即可利用本發明來調整該等等效共振電容的電容值，達成校正電感電容共振頻率之目的。
以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟悉此項技術者能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
10、30‧‧‧功率傳送端
20、40‧‧‧功率接收端
11、31‧‧‧電感電容共振器
12、32‧‧‧峰值偵測器
14、34‧‧‧一次側控制器
21‧‧‧串聯式共振負載電路
22、42‧‧‧峰值偵測器
24、44‧‧‧二次側控制器
41‧‧‧並聯式共振負載電路
PA‧‧‧功率放大器
C1 ‧‧‧第一共振電容
L1 ‧‧‧一次側線圈
C2 ‧‧‧第二共振電容
L2 ‧‧‧二次側線圈
‧‧‧等效負載電阻
SS 、SO 、SR ‧‧‧開關
第1圖係為本發明之串聯負載式具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統的電路示意圖。 第2圖係為本發明在校正功率傳送端之第一共振電容的流程示意圖。 第3圖係為本發明之並聯負載式具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統的電路示意圖。 第4圖係為第1圖的等效電路示意圖。 第5圖係為第3圖的等效電路示意圖。 第6圖係為第4圖及第5圖的集總電路示意圖。 第7圖係為本發明在校正第一共振電容的程序示意圖。

Claims (19)

  1. 一種具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統，包括： 至少一功率接收端，其係至少包括有一二次側線圈和一共振負載電路；以及 至少一功率傳送端，其係傳送一交流功率給該至少一功率接收端，每一該功率傳送端至少包括有一功率放大器推動一電感電容共振器，該電感電容共振器係至少包含串聯連接之一第一共振電容及一一次側線圈，且該一次側線圈兩端會產生一一次側觀察電壓，其中，在對該第一共振電容進行校正時，係調整該第一共振電容直至該一次側觀察電壓到達最大的峰值電壓，此時之該第一共振電容即為最佳化數值。
  2. 如請求項1所述之具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統，其中該一次側觀察電壓係為該第一共振電容之跨壓。
  3. 如請求項1所述之具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統，其中該功率接收端之該共振負載電路更可選自下列其中之一： 一串聯式共振負載電路，其至少包括有串聯連接的一第二共振電容及一負載，該二次側線圈會產生一二次側觀察電壓，且該一次側線圈與該二次側線圈之間係具有一耦合係數；以及 一並聯式共振負載電路，其至少包括有並聯連接的該第二共振電容及該負載，該二次側線圈會產生該二次側觀察電壓，且該一次側線圈與該二次側線圈之間係具有一耦合係數。
  4. 如請求項1或3所述之具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統，其中該第一共振電容之校正程序更包括： (S1) 設定該第一共振電容為任意初始值，然後偵測該一次側觀察電壓之峰值電壓，儲存並作為第一峰值電壓； (S2) 對該第一共振電容增加一個預定級別的第一電容值； (S3) 偵測該一次側觀察電壓的峰值電壓，儲存並作為第二峰值電壓； (S4) 判斷該第一峰值電壓和該第二峰值電壓之差的絕對值是否位於一預定誤差範圍內，若是，則停止該校正程序，並保留最後的該第一共振電容之數值為校正結果；若否，則繼續下一步驟； (S5) 若該第二峰值電壓大於該第一峰值電壓，繼續對該第一共振電容增加一個預定級別的該第一電容值，若該第二峰值電壓小於該第一峰值電壓，則對該第一共振電容減少一個預定級別的該第一電容值；以及 (S6) 以該第二峰值電壓的數值取代該第一峰值電壓的數值，再重新回到步驟(S3)，依序重複進行相同步驟。
  5. 如請求項4所述之具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統，其中在步驟(S5)中之該預定級別的該第一電容值係依該第一峰值電壓與該第二峰值電壓的差值作動態調整，且與步驟(S2)中之該預定級別的該第一電容值同號。
  6. 如請求項1所述之具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統，其中該第一共振電容係為一數位控制變容器或一壓控變容器。
  7. 如請求項4所述之具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統，其中在該第一共振電容進行校正時，該二次側線圈係為短路或開路。
  8. 如請求項4所述之具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統，其中在該第一共振電容進行校正時，更可先移除該功率接收端。
  9. 如請求項4所述之具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統，更包括一峰值偵測器，其係電性連接該一次側線圈或該第一共振電容，以測量該一次側觀察電壓之該峰值電壓。
  10. 如請求項9所述之具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統，更包括一一次側控制器，其係電性連接該峰值偵測器，以接收與儲存該峰值電壓，並根據前述之該第一共振電容之該校正程序來調整該第一共振電容。
  11. 如請求項3所述之具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統，其中更可對該功率接收端之該第二共振電容進行校正，以得到最大的功率傳輸效率，在對該第二共振電容進行校正時，係調整該第二共振電容直至該二次側觀察電壓到達最大的峰值電壓，此時之該第二共振電容即為最佳化數值。
  12. 如請求項11所述之具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統，其中第二共振電容係為一數位控制變容器或一壓控變容器。
  13. 如請求項11所述之具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統，其中該第二共振電容之校正程序更包括： (S1) 設定該第二共振電容為任意初始值，然後偵測該二次側觀察電壓之峰值電壓，儲存並作為第一二次側峰值電壓； (S2) 對該第二共振電容增加一個預定級別的第二電容值； (S3) 偵測該二次側觀察電壓的峰值電壓，儲存並作為第二二次側峰值電壓； (S4) 判斷該第一二次側峰值電壓和該第二二次側峰值電壓之差的絕對值是否位於一預定誤差範圍內，若是，則停止該校正程序，並保留最後的該第二共振電容之數值為校正結果；若否，則繼續進行下一步驟(S5)； (S5) 若該第二二次側峰值電壓大於該第一二次側峰值電壓，繼續對該第二共振電容增加一個預定級別的該第二電容值，若該第二二次側峰值電壓小於該第一二次側峰值電壓，則對該第二共振電容減少一個預定級別的該第二電容值；以及 (S6) 以該第二二次側峰值電壓的數值取代該第一二次側峰值電壓的數值，再重新回到步驟(S3)，依序重複進行相同步驟。
  14. 如請求項13所述之具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統，其中在步驟(S5)中之該預定級別的該第二電容值係根據該第一二次側峰值電壓與該第二二次側峰值電壓的差值作動態調整，且與步驟(S2)中之該預定級別的該第二電容值同號。
  15. 如請求項11所述之具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統，其中該共振負載電路為該串聯式共振負載電路時，該負載之等效負載電阻係為0。
  16. 如請求項11所述之具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統，其中該耦合係數k 係為足夠小的數值並滿足，其中，且代表載波的角頻率、代表該一次側線圈、在代表該功率放大器的等效輸出電阻以及代表該一次側線圈的寄生串聯電阻。
  17. 如請求項11所述之具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統，其中在校正該第二共振電容時，該功率放大器之等效輸出電阻更可以增加，以利於降低校正該第二共振電容的校正誤差。
  18. 如請求項13所述之具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統，更包括一峰值偵測器，其係電性連接該二次側線圈，以測量該二次側觀察電壓之該峰值電壓。
  19. 如請求項18所述之具備校正電感電容共振頻率功能之共振式磁耦合無線傳能系統，更包括一二次側控制器，其係電性連接該峰值偵測器，以接收與儲存該峰值電壓，並根據前述之該第二共振電容之該校正程序來調整該第二共振電容。
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