CN101567570B - 非接触感应式充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种非接触感应式充电系统，包括电力变换装置、感应电缆和n个结构相同的充电电池，其中电力变换装置包括充电系统控制单元、工频电源、整流滤波电路、高频逆变模块、谐振电路、隔离变压器、数字滤波器和补偿电容，充电电池包括交流电流感生单元、电池电压监控单元、谐振电路、整流电路、恒压/恒流输出器和蓄电池。本发明可同时给多个充电电池充电，充电效率稳定，可应用在大功率充电场合并且解决了充电主体与充电电池之间的远距离实时通讯问题。
Description
技术领域
发明涉及一种非接触感应式充电系统，属于充电系统的技术领域。
背景技术
例如电动自行车和工业自动化领域广泛应用的自动引导小车(AGV——Automatic Guided Vehicle)都是通过蓄电池供电，当蓄电池电压低于预定电压值时，需要用户使用充电器对其充电。由于这种充电过程是接触式的，充电设备和蓄电池的连接端子在长期的工作中会被磨损、被氧化导致接触不良。另外，接触式充电方式也不利于集中布线与管理，给充电过程带来安全隐患。
为了解决上述问题，已经有非接触式充电技术的提出，如中国专利申请号200780003798.3、中国专利申请号200680027984.6、中国专利申请号200680027807.8、中国专利申请号200510085491.5、中国专利申请号200510101051.4、中国专利申请号200580000668.5和中国专利申请号200410046366.9中所公开的，现有技术在没有接触端子的情况下通过充电体的初级线圈与电池组的次级线圈之间的感应耦合来对电池进行充电。
然而，上述非接触充电技术缺点在于：首先，初级线圈与次级线圈存在一一对应的关系，一个充电设备同一时间只能给一个充电电池耦合充电。其次，初级线圈与次级线圈的相对位置关系决定了充电效率的大小，在两者相对位置出现偏差的情况下就不能在次级线圈中充分感应出感应电动势，即使采用中国专利申请号200780003798.3中所公开的采用阵列初级线圈的方式，也不能很好的解决次级线圈落在两阵列初级线圈之间带来的相对位置偏差问题。再次，由于次级线圈没有绕在导磁率很高的磁芯材料上，漏磁很大，感应充电效率低，不适合应用在大功率的充电场合。最后，如中国专利申请号200780003798.3和中国专利申请号200680027807.8中所公开的，为防止由于初级线圈产生的磁场造成对无线数据信号的屏蔽，采用分时驱动初级线圈和无线模块的方法，降低了充电效率。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷提供一种非接触感应式充电系统，其可同时给多个充电电池充电。
另外，本发明的另一技术问题是，实施过程中充电电池的电流感生单元与感应电缆相对位置容易确定，解决初级线圈与次级线圈的相对位置偏差带来的效率不确定问题。
另外，本发明的另一技术问题是，提高感应充电效率，使其可应用在大功率充电的场合。
另外，本发明的另一目的是，解决充电主体与充电电池之间的远距离实时通讯问题。
本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：
本发明非接触感应式充电系统，包括电力变换装置，其中电力变换装置包括工频电源、整流滤波电路、高频逆变模块、第一谐振电路、隔离变压器和补偿电容，工频电源的输出端依次串接整流滤波电路、高频逆变模块、第一谐振电路、隔离变压器，其特征在于：
还包括感应电缆和n个结构相同的充电电池，所述的电力变换装置还包括充电系统控制单元和数字滤波器，每个充电电池都包括交流电流感生单元、电池电压监控单元、第二谐振电路、整流电路、恒压/恒流输出器和蓄电池，充电系统控制单元的输出端接高频逆变模块的输入端，所述充电系统控制单元通过载波通信方式与感应电缆连接，隔离变压器的输出端接数字滤波器的输入端，感应电缆串接补偿电容后两端分别接数字滤波器的输出端，交流电流感生单元与感应电缆相对设置，交流电流感生单元并通过感应电缆周围的交变磁场感应出交流电流，交流电流感生单元的输出端接第二谐振电路的输入端，电池电压监控单元的输出端接恒压/恒流输出器的控制端，电池电压监控单元的输入端接蓄电池的输出端恒压/恒流输出器的输入端，电池电压监控单元通过载波通信方式与感应电缆连接，第二谐振电路的输出端依次串接整流电路、恒压/恒流输出器和蓄电池，其中n为自然数。
本发明有益效果如下：
根据本发明的非接触感应式充电系统，其可同时给多个充电电池充电，充电效率稳定，可应用在大功率充电场合并且解决了充电主体与充电电池之间的远距离实时通讯问题。
附图说明
图1为本发明非接触供电系统的结构示意图。
图2为本发明第一种实施方式的结构示意图，(a)为俯视图，(b)为(a)的A向视图。
图3为本发明第二种实施方式的结构示意图，(a)为俯视图，(b)为(a)的A向视图。
图4为本发明第三种实施方式的结构示意图，(a)为俯视图，(b)为(a)的A向视图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
图1为本发明非接触感应式充电系统的结构示意图，其包括电力变换装置1、配置规定频率的交流电流供给的感应电缆2、与上述感应电缆相耦合的充电电池3，电力变换装置1输出的交流电连接于感应电缆2的两个端头构成回路，充电电池3中的交流电流感生单元31放置于感应电缆2上感应出交流电流，电力变换装置1中的载波收发器11c放置于感应电缆2上实现载波信号的提取与加载，充电电池3中的载波收发器32c紧贴交流电流感生单元31上方放置实现载波信号的提取与加载。
电力变换装置1：实现工频交流电到高频交流电的转换，完成充电电池状态信息的处理工作。它主要包括充电系统控制单元11、工频电源12、整流滤波电路13、高频逆变模块14、第一谐振电路15、隔离变压器16、数字滤波器17和补偿电容18。
1.充电系统控制单元11：其通过载波通信方式在所述感应电缆2中接收与发送数据，显示电池状态信息并控制感应电缆中交流电流的供给；它包括载波收发器11c，其通过载波通信方式在所述感应电缆2中提取与加载数据；液晶显示模块11a，其通过微处理器控制显示电池状态信息；微处理器11b，其分别与载波收发器11c、液晶显示模块11a和PWM信号驱动电路14b相连并控制PWM信号的输出；
2.工频电源12：两相或三相市电输出。
3.整流滤波电路13：把工频交流电输入转换成平稳的直流电输出。
4.高频逆变模块14：把平稳的直流电输入转换成20kHz的方波交流电输出。
它包括高频逆变电路14a，由4个场效应管组成的全桥逆变电路；PWM信号驱动电路，其将微处理器输出的PWM信号转换成有驱动能力的且适合场效应管栅源电压范围的PWM驱动信号。
5.第一谐振电路15：用于选频，把20kHz的方波交流电输入转换成20kHz的正弦交流电输出。
6.隔离变压器16：采用1∶1电压比的变压器，用于隔离上述电路模块与感应电缆2之间的电气联系，保护各电路模块。
7.数字滤波器17：用来过滤感应电缆2中的载波通讯信号，消除其对谐振电路15和高频逆变电路14a的干扰。
8.补偿电容18：用于补偿感应电缆2上的自身电感，使得系统工作时感应电缆2上的电压与电流相位达到一致，提高功率因数。
感应电缆2：由多股漆包线绞制而成，其中流过20kHz高频交流电，在感应电缆2周围形成高频交变的磁场与充电电池3感应耦合。另外，充电系统控制单元与电池电压检测单元之间的载波信号(10MHz～100MHz)传输也是通过感应电缆传输的。
充电电池3：把感应电缆2周围的高频交变磁场转换成蓄电池的电能，实现充电电池状态信息的监控与采集。它主要包括交流电流感生单元31、第二谐振电路33、整流电路34、恒压/恒流输出器35、蓄电池36和电池电压监控单元32。
1.交流电流感生单元31：由磁芯31a和感应线圈31b组成，其通过所述交流电流供给的感应电缆2周围的交变磁场感应出交流电流。
2.第二谐振电路33：用于选频，选择20kHz频率的交流电流。
3.整流电路34：对高频交流电流进行平滑处理，以将其转换成直流电流。
4.恒压/恒流输出器35：其在充电初期以恒定电流模式对蓄电池充电，当蓄电池电压达到预定值时则以恒定电压模式对蓄电池充电从而降低充电电流。
5.蓄电池36：充电的对象。
6.电池电压监控单元32：其分别检测恒压/恒流输出器35输入端和蓄电池36输出端的电压，控制恒压/恒流输出器35的开启与关闭，并通过载波通信方式在所述感应电缆2中接收与发送数据；它包括载波收发器32c，其通过载波通信方式在所述感应电缆2中提取与加载数据；电压检测电路32a，其分别检测恒压/恒流输出器35输入端和蓄电池36输出端的电压；微处理器32b，其分别与载波收发器32c、电压检测电路32a和恒压输出器35相连并控制恒压/恒流输出器35的接通与关断；
图2为本发明第一种实施方式的结构示意图。其包括电力变换装置1、配置规定频率的交流电流供给的感应电缆2、与上述感应电缆相耦合的充电电池3，电力变换装置1输出的交流电连接于感应电缆2的两个端头构成回路。所述交流电流感生单元31包括磁芯31a和感应线圈31b，磁芯31a为一个窗口的U型磁芯，感应线圈32b分别绕置在U型磁芯的两边磁芯柱上，两个感应线圈32b串联连接；交流电流感生单元31放置于单根感应电缆2上感应出交流电流，两者相对位置如图2中A向视图所示。电力变换装置1中的载波收发器11c放置于感应电缆2上实现载波通讯，充电电池3中的载波收发器32c紧贴交流电流感生单元31上方放置实现载波通讯。
图3为本发明第二种实施方式的结构示意图。其包括电力变换装置1、配置规定频率的交流电流供给的感应电缆2、与上述感应电缆相耦合的充电电池3，电力变换装置1输出的交流电连接于感应电缆2的两个端头构成回路。所述交流电流感生单元31包括磁芯31a和感应线圈31b，磁芯31a为一个窗口的U型磁芯，感应线圈32b分别绕置在U型磁芯的两边磁芯柱上，两个感应线圈32b串联连接；交流电流感生单元31放置于两根感应电缆2之间感应出交流电流，两者相对位置如图3中A向视图所示。电力变换装置1中的载波收发器11c放置于感应电缆2上实现载波通讯，充电电池3中的载波收发器32c紧贴交流电流感生单元31上方放置实现载波通讯。
图4为本发明第三种实施方式的结构示意图。其包括电力变换装置1、配置规定频率的交流电流供给的感应电缆2、与上述感应电缆相耦合的充电电池3，电力变换装置1输出的交流电连接于感应电缆2的两个端头构成回路。所述交流电流感生单元31包括磁芯31a和感应线圈31b，磁芯31a为两个窗口的E型磁芯，感应线圈32b绕置在E型磁芯的中间磁芯柱上；交流电流感生单元31放置于两根感应电缆2上感应出交流电流，两者相对位置如图4中A向视图所示。电力变换装置1中的载波收发器11c放置于感应电缆2上实现载波通讯，充电电池3中的载波收发器32c紧贴交流电流感生单元31上方放置实现载波通讯。
第一种实施方式和第二种实施方式的区别在于，第一种实施方式中交流电流感生单元31所处的交变磁场由单根感应电缆2产生，而第二种实施方式中的交变磁场由两根感应电缆2共同产生，因此，第二种实施方式的电能转化效率相对要高。
第一种实施方式和第二种实施方式两者跟第三种实施方式的主要区别在于第一种实施方式和第二种实施方式中磁芯31a均为一个窗口的U型磁芯，而第三种实施方式中磁芯31a为两个窗口的E型磁芯。第三种实施方式中两根感应电缆2穿过E型磁芯的两个窗口，同时提供交流电流感生单元31所需的交变磁场。因此第三种实施方式的电能转化效率最高，但相对体积也最大。
另外，在感应电缆2总长度一定的情况下，第一种实施方式中能同时充电的充电电池数量最多。在实际应用中，可根据不同要求灵活选择实施方式。虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内作出各种变形与修改。
本发明的工作过程如下：电力变换装置将工频电源转变成高频(例如，20kHz)电流输送到感应电缆中，在充电电池的交流感生单元中感应出交流电给后续电路供电。充电系统控制单元和电池电压检测单元中的载波收发器完成对感应电缆上的载波信号的提取与加载，从而实现充电系统控制单元与电池电压检测单元之间的数据透明传输。充电系统控制单元定时以广播方式向各充电电池发送读电池状态指令，各充电电池的电压检测单元根据电池编号延时不同时间把电池状态信息发送给充电系统控制单元，其依据电池状态信息控制PWM信号(在所有电池结束充电的情况下停止PWM信号的输出，从而停止感应电缆的交流电流供给，降低功耗)，并通过液晶显示模块显示各电池状态信息。所述充电电池中的电池电压监控单元定时检测蓄电池输出和恒压/恒流输出器输入端电压，充电结束或电压异常时主动发送电池状态信息到充电系统控制单元。根据电力变换装置的设计功率以及感应电缆的长度限制，该系统可同时给多个充电电池充电。
Claims (4)
1.一种非接触感应式充电系统，包括电力变换装置(1)，其中电力变换装置(1)包括工频电源(12)、整流滤波电路(13)、高频逆变模块(14)、第一谐振电路(15)、隔离变压器(16)和补偿电容(18)，工频电源(12)的输出端依次串接整流滤波电路(13)、高频逆变模块(14)、第一谐振电路(15)、隔离变压器(16)，其特征在于：
还包括感应电缆(2)和n个结构相同的充电电池(3)，所述的电力变换装置(1)还包括充电系统控制单元(11)和数字滤波器(17)，每个充电电池(3)都包括交流电流感生单元(31)、电池电压监控单元(32)、第二谐振电路(33)、整流电路(34)、恒压/恒流输出器(35)和蓄电池(36)，充电系统控制单元(11)的输出端接高频逆变模块(14)的输入端，所述充电系统控制单元(11)通过载波通信方式与感应电缆(2)连接，隔离变压器(16)的输出端接数字滤波器(17)的输入端，感应电缆(2)串接补偿电容(18)后两端分别接数字滤波器(17)的输出端，交流电流感生单元(31)与感应电缆(2)相对设置，交流电流感生单元(31)通过感应电缆(2)周围的交变磁场感应出交流电流，交流电流感生单元(31)的输出端接第二谐振电路(33)的输入端，电池电压监控单元(32)的输出端接恒压/恒流输出器(35)的控制端，电池电压监控单元(32)的输入端分别接蓄电池(36)的输出端和恒压/恒流输出器(35)的输入端，电池电压监控单元(32)通过载波通信方式与感应电缆(2)连接，第二谐振电路(33)的输出端依次串接整流电路(34)、恒压/恒流输出器(35)和蓄电池(36)，其中n为自然数。
2.根据权利要求1所述的非接触感应式充电系统，其特征在于所述充电系统控制单元(11)包括：液晶显示模块(11a)、第一微处理器(11b)和第一载波收发器(11c)，其中第一微处理器(11b)的输出端分别接液晶显示模块(11a)的输入端和高频逆变模块(14)的输入端，第一微处理器(11b)和第一载波收发器(11c)电连接，第一载波收发器(11c)通过载波通信方式与感应电缆(2)连接。
3.根据权利要求1所述的非接触感应式充电系统，其特征在于所述电池电压监控单元(32)包括：电压检测电路(32a)、第二微处理器(32b)和第二载波收发器(32c)，其中电压检测电路(32a)的输入端分别接蓄电池(36)的输出端和恒压/恒流输出器(35)的的输入端，电压检测电路(32a)的输出端接第二微处理器(32b)的输入端，第二微处理器(32b)的输出端接恒压/恒流输出器(35)的控制端，第二微处理器(32b)与第二载波收发器(32c)电连接，第二载波收发器(32c)通过载波通信方式与感应电缆(2)连接。
4.根据权利要求1所述的非接触感应式充电系统，其特征在于所述交流电流感生单元(31)包括磁芯(31a)和感应线圈(31b)，感应线圈(31b)绕置在磁芯(31a)上，当磁芯(31a)为U型磁芯时，则感应线圈(31b)分别绕置在U型磁芯的两边磁芯柱上；当磁芯(31a)为E型磁芯时，则感应线圈(31b)绕置在E型磁芯的中间磁芯柱上。
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