CN103312016A - 一种蓄电池无线充电最小接入装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓄电池无线充电最小接入装置，包括高频逆变电源、能量发射系统、能量接受系统、能量耦合线圈、负载侧、功率检测电路和电池能量管理系统，所述能量发射系统和能量接收系统谐振式耦合，所述负载侧包括整流稳压系统、蓄电池和功率变化型负载；所述高频逆变电源根据功率变化型负载的实时功率调整电能输出功率、根据蓄电池的实时阻抗值与设定的充电频率之间的关系启动电能输出，为能量发射系统提供能量。本发明提供的蓄电池无线充电最小接入装置，原理简单、调节方便，可推广至多种类型负载接入无线电能传输系统后的最小接入调整方法，基本解决了无线电能传输系统关于最小接入技术的难题。

Description

一种蓄电池无线充电最小接入装置

技术领域

本发明涉及一种充电功率可根据负载功率的变化进行实时调节、且充电频率一次性设置的蓄电池无线充电最小接入装置，输入无线电能传输技术。

背景技术

近年来，随着人们生活水平的不断提高和探索物质世界的逐渐深入，人们对电能的传输方式和传输质量也有了新的要求。传统的电能传输主要是由导线或导体直接接触进行的，接触产生的火花、滑动磨损、碳积累及带电导体裸露等带来了一系列问题。无线电能传输是一种利用无线电传输电能的技术，最早由尼古拉特斯拉提出，与传统的电能传输方式相比，无线电能传输的过程中供电和用电之间不存在电的直接连接，避免了裸露导体和接触火花，具有使用安全、方便等优点，因而受到了广大研究工作者的关注和重视。无线电能传输技术应用领域非常广泛，特别是在军事、矿山、水下、医疗、石油、交通等特殊和恶劣环境下具有广泛的应用前景。因此，对于无线电能传输技术的研究有着非常深远的意义。

目前，随着无线电能传输技术研究的不断升温及其相关应用领域的不断拓宽，越来越多的科学家对此项技术给予了足够的肯定。但是，由于无线电能传输系统传输特性的特殊性，当负载接入时，系统谐振频率会随之改变，即频率漂移。因此尽量减小负载接入后对系统传输性能特别是输出功率的影响，是本发明的主要目的。本发明采用无线电能传输的最小接入技术，针对于功率实时变化的负载，采用蓄电池作为能量中转站式无线供电系统，可保证负载长时间稳定工作。然而，国内外对蓄电池接入后对无线电能传输系统带来的频率漂移、功率无法输出等问题一直没有简单有效的解决方法。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种蓄电池无线充电最小接入装置，保证蓄电池的无线充电及依靠蓄电池供电的小功率负载的长时间稳定工作。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种蓄电池无线充电最小接入装置，包括高频逆变电源、能量发射系统、能量接受系统、能量耦合线圈、负载侧、功率检测电路和电池能量管理系统，所述能量发射系统和能量接收系统谐振式耦合，所述负载侧包括整流稳压系统、蓄电池和功率变化型负载；

所述能量发射系统用于产生高频电磁能量场；

所述能量接收系统用于接收能量发射系统产生的高频电磁能量场，并将其转化为高频电能；

所述能量耦合线圈将能量接收系统转化后高频电能耦合至负载侧；

所述能量耦合线圈与整流稳压系统之间通过特性同轴电缆连接，所述能量耦合线圈将电能传送给整流稳压系统，所述整流稳压系统对输入的电能进行整流稳压并传送给蓄电池，所述蓄电池为功率变化型负载供电；

所述电池能量管理系统对蓄电池的实时阻抗值进行检测，并将检测结果反馈给高频逆变电源；

所述功率检测电路对功率变化型负载的实时功率进行检测，并反馈给高频逆变电源；

所述高频逆变电源根据功率变化型负载的实时功率调整电能输出功率、根据蓄电池的实时阻抗值与设定的充电频率之间的关系启动电能输出，为能量发射系统提供能量。

上述装置中，采用了高频逆变电源功率实时动态调节、充电频率预先设定和特性同轴电缆三种方式的结合实现最小接入，使蓄电池电量始终维持在人为设定值之上，保证了负载的长时间稳定工作。

所述蓄电池为无线电能传输系统与实际负载之间的阻抗隔离装置，本案提供的蓄电池无线充电最小接入装置能够保证蓄电池的无线充电及依靠蓄电池供电的小功率负载的长时间稳定工作。

所述能量发射系统和能量接收系统均可设计为由可调真空陶瓷电容与多砸螺旋空心铜管串联组成的结构；优选的，所述能量发射系统由能量发射线圈和发送用高频陶介调谐电容串联组成，通过调节发送用高频陶介调谐电容调节能量发送系统的谐振频率；所述的能量接收系统由能量接收线圈和接收用高频陶介调谐电容串联组成，通过调节接收用高频陶介调谐电容调节能量接收系统的谐振频率；工作时，充电频率、高频逆变电源的频率、能量发送系统的谐振频率和能量接收系统的谐振频率相同。相同频率的调节，能够使能量发射系统和能量接收系统间产生超高速电磁耦合场，通过谐振式磁耦合无线电能传输，使得放大后的大功率高频能量能高效的供给负载。

所述电池能量管理系统，可以通过实时监测并显示蓄电池的电压以及剩余电量，通过与电池阻抗特性曲线进行对比，得出蓄电池的实时阻抗值。由于充电频率和蓄电池的阻抗值存在对应关系，因此可以按如下方式设定充电频率：设定充电频率和蓄电池基准点相对应，所述蓄电池基准点按如下方式选取：首先选取出蓄电池的阻抗特性曲线上最为平缓的若干段，取每一段的中位值作为一个蓄电池基准点。由于充电功率远大于负载功率，同时蓄电池基准点附近阻抗特性平缓，因此可以满足蓄电池无线充电功率大于负载所需功率的要求，保证蓄电池电量维持在蓄电池基准点以上。

特性同轴电缆的使用时为了屏蔽负载侧接入后对无线电能传输系统的阻抗影响，优选的，所述特性同轴电缆的内阻与能量耦合线圈前级二端口网络的内阻相等，进一步实现最小接入。

能量耦合线圈前级二端口网络的内阻（无线充电系统等效电源网络的阻抗特性）可以通过网络阻抗分析仪进行分析，通过分析的结果即可选择符合系统阻抗匹配的同轴特性电缆，保证蓄电池接入后对原有无线电能传输系统传输性能影响最小。

优选的，所述高频逆变电源为占空比可调式高频逆变电源，通过DSP调节占空比实现高频逆变电源的电能输出功率调整。具体来时，所述占空比可调式高频逆变电源为全桥逆变电源，通过DSP输出占空比可变的PWM波，控制逆变全桥的MOSFET的通断，可以控制电源的输出功率大小，其与功率检测电路形成闭环控制，将功率检测电路提供的信号与PWM波进行对比，即可实时改变高频逆变电源的输出功率，满足系统正常工作的要求。

优选的，所述功率检测电路包括信号依次连接的数字功率计、信号检测电路、信号多倍放大器和模数转换电路，所述数字功率计与功率变化型负载连接，所述模数转换电路与高频逆变电源连接。

所述蓄电池为四端口蓄电池，其中一对端口为充电端口，另一对端口为供电端口；可以在充电的同时为负载进行供电。所述整流稳压系统主要用于将输入的电能进行整流稳压，以匹配蓄电池所需等级的电能，保证蓄电池的正常、可靠充电。

优选的，所述高频逆变电源输出功率为功率变化型负载功率的5倍以上。

优选的，所述充电频率在该装置每次使用前进行一次设定，避免在工作过程中对充电频率的调节，保证整个装置的稳定工作。

有益效果：本发明提供的蓄电池无线充电最小接入装置，具有如下优势：1、原理简单、调节方便，可推广至多种类型负载接入无线电能传输系统后的最小接入调整方法，基本解决了无线电能传输系统关于最小接入技术的难题；2、结构简单，可根据不同型号及电压等级的蓄电池选取频率基准点，对充电频率进行一次性设定；频率设定简单，能够保证在充电时，蓄电池阻抗特性的变化对系统谐振频率的影响不大，能够保证蓄电池电量始终保持在选定的基准点以上，同时也保证负载的正常工作；3、采用功率跟踪调节、频率一次性设置及同阻抗特性电缆屏蔽三种方法相结合，保证了蓄电池接入无线电能传输系统后的正常、稳定工作，解决了由于负载接入后引起的阻抗不匹配所带来的功率无法传输、频率漂移等问题，是一种无线电能传输最小接入系统的简单调整方法；4、采用电磁谐振式无线电能传输系统对电能进行隔离式传输，安全性好，且传输距离长，效率高，应用范围更广。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为功率检测电路的结构示意图；

图3为谐振频率设定示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种蓄电池无线充电最小接入装置，包括高频逆变电源、能量发射系统、能量接受系统、能量耦合线圈、负载侧、功率检测电路、网络阻抗分析仪和电池能量管理系统，所述负载侧包括整流稳压系统、蓄电池和功率变化型负载。下面就各个部件加以详细说明。

所述能量发射系统和能量接收系统谐振式耦合，所述能量发射系统用于产生高频电磁能量场，所述能量接收系统用于接收能量发射系统产生的高频电磁能量场，并将其转化为高频电能。所述能量发射系统和能量接收系统均可设计为由可调真空陶瓷电容与多砸螺旋空心铜管串联组成的结构；优选的，所述能量发射系统由能量发射线圈和发送用高频陶介调谐电容串联组成，通过调节发送用高频陶介调谐电容调节能量发送系统的谐振频率；所述的能量接收系统由能量接收线圈和接收用高频陶介调谐电容串联组成，通过调节接收用高频陶介调谐电容调节能量接收系统的谐振频率；工作时，充电频率、高频逆变电源的频率、能量发送系统的谐振频率和能量接收系统的谐振频率相同。相同频率的调节，能够使能量发射系统和能量接收系统间产生超高速电磁耦合场，通过谐振式磁耦合无线电能传输，使得放大后的大功率高频能量能高效的供给负载。

所述网络阻抗分析仪对能量耦合线圈前级二端口网络的内阻进行分析，通过分析的结果即可选择符合系统阻抗匹配的同轴特性电缆，保证蓄电池接入后对原有无线电能传输系统传输性能影响最小。这里选择同轴电缆的内阻与能量耦合线圈前级二端口网络的内阻相等。

所述能量耦合线圈将能量接收系统转化后高频电能耦合至负载侧；所述能量耦合线圈与整流稳压系统之间通过特性同轴电缆连接，所述能量耦合线圈将电能传送给整流稳压系统；所述整流稳压系统用于将输入的电能进行整流稳压，以匹配蓄电池所需等级的电能，保证蓄电池的正常、可靠充电；所述蓄电池为功率变化型负载供电，所述蓄电池为四端口蓄电池，其中一对端口为充电端口，另一对端口为供电端口，可以在充电的同时为负载进行供电。

所述电池能量管理系统对通过实时监测并显示蓄电池的电压以及剩余电量，通过与电池阻抗特性曲线进行对比，得出蓄电池的实时阻抗值，并将实时阻抗值反馈给高频逆变电源；由于充电频率和蓄电池的阻抗值存在对应关系，可以按如下方式设定充电频率：设定充电频率和蓄电池基准点相对应，所述蓄电池基准点按如下方式选取：如图3所示，首先选取出蓄电池的阻抗特性曲线上最为平缓的若干段，取每一段的中位值作为一个蓄电池基准点。由于充电功率远大于负载功率，同时蓄电池基准点附近阻抗特性平缓，因此可以满足蓄电池无线充电功率大于负载所需功率的要求，保证蓄电池电量维持在蓄电池基准点以上。所述充电频率在该装置每次使用前进行一次设定。

如图2所示，所述功率检测电路包括信号依次连接的数字功率计、信号检测电路、信号多倍放大器和模数转换电路，所述数字功率计与功率变化型负载连接，所述模数转换电路与高频逆变电源连接。功率检测电路对功率变化型负载的实时功率进行检测，并反馈给高频逆变电源。

所述高频逆变电源根据功率变化型负载的实时功率调整电能输出功率、根据蓄电池的实时阻抗值与设定的充电频率之间的关系启动电能输出（当实时阻抗值在蓄电池基准点对应范围以内时启动电能输出，否则不启动电能输出），为能量发射系统提供能量。所述高频逆变电源为占空比可调式高频逆变电源，通过DSP调节占空比实现高频逆变电源的电能输出功率调整。具体来时，所述占空比可调式高频逆变电源为全桥逆变电源，通过DSP输出占空比可变的PWM波，控制逆变全桥的MOSFET的通断，可以控制电源的输出功率大小，其与功率检测电路形成闭环控制，将功率检测电路提供的信号与PWM波进行对比，即可实时改变高频逆变电源的输出功率，满足系统正常工作的要求。

本案采用蓄电池作为小功率用电负载的直接电源，是一种针对蓄电池接入无线电能传输系统后保证原系统正常稳定工作的新型系统。首先，通过网络阻抗分析仪检测出原无线电能传输系统的能量耦合线圈前级二端口阻抗特性，选择合适的特性同轴传输电缆来接入负载；其次，在掌握蓄电池充电阻抗特性曲线的前提下，选择其阻抗特性曲线最为平缓的一段，取其中位值点作为无线电能传输系统的谐振频率点，一次性设置充电频率，简单、方便、可靠；最后，通过功率检测电路将负载功率以数字信号的形式反馈给高频逆变电源，使得电源实时调节输出功率，保证了负载的正常工作。该系统传输频率可根据蓄电池基准点的选择而任意改变，一般在10k～1MHz范围内。

本案与现有无线电能传输装置存在如下区别：1、以蓄电池作为小功率用电负载的直接电源，是一种对蓄电池接入无线电能传输系统后保证原系统正常稳定工作的新型无线充电系统；2、高频逆变电源的输出功率是通过功率检测电路与负载功率变化形成闭环控制而实时调节的，保证了负载功率变化后，电源输出功率足够使负载正常工作；3、采用功率调节、频率一次设定以及特性同轴电缆屏蔽三种方法组合来达到蓄电池接入无线电能传输系统后也能使原先无线电能传输系统正常工作的目的；4、采用电磁谐振耦合方式进行能量的无线传输，同时能量接收系统中通能量耦合线圈与能量接收线圈的感应耦合，将能量接收线圈中的大电流电能隔离引出，减小了将负载与能量接收线圈直接连接所带来的负载匹配以及频率不稳定等问题，避免对无线电能传输系统的传输距离和输出功率的影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种蓄电池无线充电最小接入装置，其特征在于：包括高频逆变电源、能量发射系统、能量接受系统、能量耦合线圈、负载侧、功率检测电路和电池能量管理系统，所述能量发射系统和能量接收系统谐振式耦合，所述负载侧包括整流稳压系统、蓄电池和功率变化型负载；

所述能量发射系统用于产生高频电磁能量场；

所述能量接收系统用于接收能量发射系统产生的高频电磁能量场，并将其转化为高频电能；

所述能量耦合线圈将能量接收系统转化后高频电能耦合至负载侧；

所述能量耦合线圈与整流稳压系统之间通过特性同轴电缆连接，所述能量耦合线圈将电能传送给整流稳压系统，所述整流稳压系统对输入的电能进行整流稳压并传送给蓄电池，所述蓄电池为功率变化型负载供电；

所述电池能量管理系统对蓄电池的实时阻抗值进行检测，并将检测结果反馈给高频逆变电源；

所述功率检测电路对功率变化型负载的实时功率进行检测，并反馈给高频逆变电源；

所述高频逆变电源根据功率变化型负载的实时功率调整电能输出功率、根据蓄电池的实时阻抗值与设定的充电频率之间的关系启动电能输出，为能量发射系统提供能量。

2.根据权利要求1所述的蓄电池无线充电最小接入装置，其特征在于：所述能量发射系统由能量发射线圈和发送用高频陶介调谐电容串联组成，通过调节发送用高频陶介调谐电容调节能量发送系统的谐振频率；所述的能量接收系统由能量接收线圈和接收用高频陶介调谐电容串联组成，通过调节接收用高频陶介调谐电容调节能量接收系统的谐振频率；工作时，充电频率、高频逆变电源的频率、能量发送系统的谐振频率和能量接收系统的谐振频率相同。

3.根据权利要求1所述的蓄电池无线充电最小接入装置，其特征在于：所述充电频率和蓄电池基准点相对应，所述蓄电池基准点按如下方式选取：首先选取出蓄电池的阻抗特性曲线上最为平缓的若干段，取每一段的中位值作为一个蓄电池基准点。

4.根据权利要求1所述的蓄电池无线充电最小接入装置，其特征在于：所述特性同轴电缆的内阻与能量耦合线圈前级二端口网络的内阻相等。

5.根据权利要求1所述的蓄电池无线充电最小接入装置，其特征在于：所述高频逆变电源为占空比可调式高频逆变电源，通过DSP调节占空比实现高频逆变电源的电能输出功率调整。

6.根据权利要求1所述的蓄电池无线充电最小接入装置，其特征在于：所述功率检测电路包括信号依次连接的数字功率计、信号检测电路、信号多倍放大器和模数转换电路，所述数字功率计与功率变化型负载连接，所述模数转换电路与高频逆变电源连接。

7.根据权利要求1所述的蓄电池无线充电最小接入装置，其特征在于：所述蓄电池为四端口蓄电池，其中一对端口为充电端口，另一对端口为供电端口。

8.根据权利要求1所述的蓄电池无线充电最小接入装置，其特征在于：所述高频逆变电源输出功率为功率变化型负载功率的5倍以上。

9.根据权利要求1所述的蓄电池无线充电最小接入装置，其特征在于：还包括网络阻抗分析仪，所述网络阻抗分析仪对能量耦合线圈前级二端口网络的内阻进行分析。

10.根据权利要求1所述的蓄电池无线充电最小接入装置，其特征在于：所述充电频率在该装置每次使用前进行一次设定。

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