CN104009551B - 一种减少开关管数量的无线充电供电侧电路及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种减少开关管数量的无线充电供电侧电路，其特征在于，所述电路包括一套整流逆变电路以及由其控制的多个原边线圈，所述整流逆变电路包括AC/DC整流器，所述AC/DC整流器的输出端并联n个桥臂，其中n≥3，每个桥臂包括两个开关管，每个桥臂的两个开关管之间的引出端连接原边线圈的一端，每两个桥臂的引出端Wi和Wj，连接一个原边线圈Wi-Wj，其中i≠j，为原边线圈Wi-Wj充电，n个桥臂的引出端组合，为个原边线圈进行充电。

Description

一种减少开关管数量的无线充电供电侧电路及其应用

技术领域

本发明涉及电路设计领域，具体地，涉及一种减少开关管数量的无线充电供电侧电路及其应用。

背景技术

无线充电技术由于其安全、方便、环保等在人们的生活中越来越受到重视，但是现有技术中的无线充电系统大都结构复杂，基本上是每套线圈均配置整流逆变单元，成本较高，并且会造成结构部件的大量浪费。

无线充电技术致力于切除困扰人们生活的“最后一段”电线，将给人们的生活带来巨大的方便性和变革。在未来的智能家居中，家用电器将不再受到电线的束缚而自由摆放，无线充电桌面将会让所有智能终端不再需要拖着电线的充电器。化石能源日渐枯竭，环境污染对人们生活的影响日趋严重，电动汽车替代燃油汽车的呼声越来越高，无线充电公路将会让电动汽车不再具有途中缺电而无法充电的先天不足，使电动汽车更具竞争力。

无线充电技术的改进与完善将会促进我们走向更智能的生活。针对无线充电桌面、无线充电公路等的应用，因为受电目标，接收电能或者消费电能的设备，如智能终端、电动汽车等的位置不定，往往需要多组供电线圈的设计，或用于判定受电目标所处的位置，智能终端放置在无线充电桌面的某处，或用于跟踪受电目标的移动位置，电动汽车行驶在无线充电公路上。而真正进行供电的时候，只有一组供电线圈工作。因此如果为每一线圈配套整流逆变单元，则会造成装置成本的巨大浪费。因此，迫切的需要一种新的电路装置解决上述技术问题。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种减少开关管数量的无线充电供电侧电路及其应用，以达到精简整个供电侧结构，减少开关管使用数量的目的。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下，一种减少开关管数量的无线充电供电侧电路，其特征在于，所述电路包括一套整流逆变电路以及由其控制的多个原边线圈，所述整流逆变电路包括AC/DC整流器和所述AC/DC整流器的输出端连接由n个桥臂组成的扩展型逆变器，其中n≥3，每个桥臂包括两个开关管，每个桥臂的两个开关管之间的引出端连接原边线圈的一端，每两个桥臂的引出端Wi和Wj，连接一个原边线圈Wi-Wj，其中i≠j，为原边线圈Wi-Wj充电，n个桥臂的引出端组合，为个原边线圈进行充电。

作为本发明的一种改进，在该电路中，任意时刻，当负载受电线圈正好对应在原边线圈Wi-Wj位置时，桥臂i，j工作，i≠j，其他桥臂k则不工作，k≠i，j，在下一时刻，负载受电线圈若发生移动，则对应的工作桥臂随之发生变化。

作为本发明的一种改进，所述整流逆变电路中AC/DC整流器的数量为两个，其中一个是作为备份用。

作为本发明的一种改进，所述电路还包括检测与保护电路，检测直流母线电容电压，当发生过压或欠压时对电路进行保护；AC/DC整流器的输出电流，当发生过流或短路情况时对电路进行保护。

作为本发明的一种改进，所述电路还包括近场通信电路，及时获取负载接入的配对信息，根据应用场景的不同，配置相应的近场通信电路。

一种减少开关管数量的无线充电供电侧电路的应用，其特征在于，所述电路用于电动汽车无线充电公路，将无线充电公路分解为一个个小段，每个小段的长度以高速公路车距限制为参考量，如100米，任一时刻在每个小段内铺设的无线充电原边线圈仅对一台车辆充电，原边线圈轮流工作，每一段仅需一个原边线圈的供电电路，其工作过程为：1)无线充电公路上的通信装置处于等待负载接入信息的状态；2)当所适用的电动汽车驶入本发明所述无线充电公路上后，车内近场通信装置人为或自动设置为匹配接入状态，无线充电公路上的通信装置获取负载接入信息(确认负载合法以及充电规格要求)，通知无线充电公路控制器启动；3)控制器控制该段公路所配置的线圈开启轮流检测，以每个线圈覆盖5米公路，每个线圈的检测确认时间小于20ms，以车速80km/h为例，车辆仅前进约0.45米，所以当搜寻完整段公路(20×20ms=400ms，车辆最多前进9米)时，车辆不可能离开下一个线圈范围(5×2=10米)，当车辆恰好在本段无线充电控制器所属公路最后一个线圈进入，则本段线圈不负责充电，由下一段公路重新检测，因而总可以确认电动汽车所处位置；4)当确认完毕电动汽车所处线圈位置后，控制器提升充电装置的输出功率至负载需求的充电规格要求值，然后按顺序轮流启动下一个线圈，开始正常充电过程，在本阶段中如果有新的负载信号要求接入，则视为非法，忽略新的接入要求；5)本段公路的无线充电控制器与下一段公路的无线充电控制器会匹配协调，当电动汽车驶离本段公路后，下段公路会自动接续启动；6)当电动汽车驶离公路时，对于公路无线充电器来说，相当于匹配负载突然撤出，则整流器输出电流会下降，当整流器输出电流下降到指定阈值，公路无线充电器会返回1)状态。

一种减少开关管数量的无线充电供电侧电路的应用，其特征在于，用于无线充电桌面，为各种中小型设备供电，以各个设备本身面积划分为多个功能单元，每个功能单元内部覆盖多个原边线圈，设备内部的受电线圈与功能单元内的其中一个原边线圈的大小相近，设备放置在桌面的任意位置，均会落入一个功能单元区域内，该功能单元轮流试测每个原边线圈，以期找出最佳位置的原边线圈；具体方案包括，无线充电桌面控制单元控制输出一个较低的试测电压，同时检测输出电流，当输出电流会上升到一个指定阈值后确认有负载线圈存在，否则，试测下一个线圈；当测试找到有负载线圈存在后，将通过满足Qi标准的通信算法，匹配负载的合法性和充电要求规格，如果匹配通过，则确认找到等待供电的设备，同时确定了设备落在了某一原边线圈上，找到该原边线圈后，则用该原边线圈为设备内部的受电线圈供电，其他的设备不会再进入该功能单元。

作为本发明的一种改进，所述中小型设备包括手机、平板电脑、笔记本电脑、话筒、显示器、PDA、GPS。

相对于现有技术，本发明的优点如下，1）本发明公开的新型的电路拓扑及其控制策略，应用于无线充电装置的供电侧电路，具有开关管用量大大减少的优势；2）本发明用于控制两组以上无线充电线圈组，其控制策略是通过灵活组合不同的桥臂，可以用单一直流母线为多组无线充电线圈组轮流供电，开关管数量大量减少；3）该技术方案适用于电动汽车无线充电公路这样的需要大量线圈轮流供电的应用场合，亦或者是需要定位而备有较多冗余线圈的无线充电桌面的应用场合；4）该技术方案所涉及电路结构简单，控制目标明确，能够明显降低装置的复杂性，增加装置寿命，降低相同规模下的系统维护成本，提高装置的可靠性，便于大规模推广使用。

附图说明

图1是传统的单台无线电能传输设备电路示意图；

图2是用图1搭建的无线充电桌面或无线充电公路的供电侧电路图；

图3是本发明公开的无线充电供电侧电路图；

图4是本发明公开的电路开关管控制波形图；

图5是本发明公开的无线充电桌面单元线圈排列示意图；

图6是本发明公开的无线充电桌面单元排布图；

图7是本发明公开的无线充电公路结构图；

图8是本发明公开的无线充电设备供电侧直流母线备用支撑电路示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述和介绍。

实施例1：参见图1—图3，其中图1、图2，是现有技术中所述的无线电能传输设备电路示意图，图3是本发明所述的无线充电供电侧电路图，图3中所示，所述电路包括一套整流逆变电路以及由其控制的多个原边线圈，所述整流逆变电路包括AC/DC整流器和所述AC/DC整流器的输出端连接由n个桥臂组成的扩展型逆变器，其中n≥3，每个桥臂包括两个开关管，每个桥臂的两个开关管之间的引出端连接原边线圈的一端，每两个桥臂的引出端Wi和Wj，连接一个原边线圈Wi-Wj，其中i≠j，为原边线圈Wi-Wj充电，n个桥臂的引出端组合，为个原边线圈进行充电。可以看出，该技术方案可节省很多开关器件，而且线圈数量越多，所节省的器件数量越多，例如：当为10个线圈供电时，使用传统电路方案需要20个桥臂共40个开关器件，而使用本新型电路仅需5个桥臂，共10个开关器件即可。

图1、图2，现有技术中的每个线圈使用单独的供电电路，从图中明显的看出，本发明与传统无线充电装置原边电路的区别在于，传统的电路一套整流逆变单元只能控制一个原边线圈，而本发明提出的电路可以用一套整流逆变单元轮流控制多个原边线圈。

本发明的技术方案使用少量的开关管就可以对多组充电线圈进行轮流供电，实现了按需供电的目的。

另外，为了进一步提高装置的可靠性，为直流母线的供电端加一个备份，如图8所示，所述整流逆变电路中AC/DC整流器的数量为两个，其中一个是作为备份用。

作为本发明的一种改进，所述电路还包括检测与保护电路，检测直流母线电容电压，当发生过压或欠压时对电路进行保护；AC/DC整流器的输出电流，当发生过流或短路情况时对电路进行保护。

作为本发明的一种改进，所述电路还包括近场通信电路，及时获取负载接入的配对信息。

本发明公开的新型电路的开关控制策略是时刻变化的，具体为：在任意时刻，当负载线圈正好对应在线圈Wi-Wj位置时，桥臂i，j（i≠j）工作，而其他桥臂k（k≠i，j）则封锁，不工作，桥臂i，j的控制信号波形如图4所示。在下一时刻，负载线圈若发生移动，则对应的工作桥臂随之发生变化。

实施例2：适用于本发明提出的电路的应用场合可以是无线充电桌面。无线充电桌面是面向于手机、平板电脑、笔记本电脑、话筒、PDA、GPS、显示器等中小型设备的供电装置。设备本身占据一定面积，而受电线圈的覆盖面积相对设备要小一些。所以在一定面积内只要有一个覆盖小范围的原边线圈供电即可。如图5所示，大三角所示的范围可以是与受电设备的大小，如手机，面积相近，而设备内部的受电线圈则是与其中单个原边线圈的大小相近。以大三角为一个功能单元，划分整个桌面，如图6所示进行布局，这样一来，设备放置在桌面的任意位置，都会落入一个功能单元区域内，该功能单元轮流试测每个原边线圈，以期找出最佳位置的原边线圈，找到该原边线圈后，则用该原边线圈为设备内部的受电线圈供电。具体方案包括，无线充电桌面控制单元控制输出一个较低的试测电压，同时检测输出电流，当输出电流会上升到一个指定阈值后确认有负载线圈存在，否则，试测下一个线圈；当测试找到有负载线圈存在后，将通过满足Qi标准的通信算法，匹配负载的合法性和充电要求规格，如果匹配通过，则确认找到等待供电的设备，同时确定了设备落在了某一原边线圈上，找到该原边线圈后，则用该原边线圈为设备内部的受电线圈供电，其他的设备不会再进入该功能单元。因此该功能单元的一组原边线圈只需一个直流母线供电，由此可见，本发明提出的电路是适用的。根据本发明所提出的设计方案，无线充电桌面可以为放置在上面的多台设备进行供电，所需要的直流母线及开关管数量都比传统方案要减少很多。

实施例3：适用于本发明提出的电路的应用场合还可以是无线充电公路，无线充电公路全程铺设原边线圈，但仅需要在一定长度内放置一套本发明提出的供电端电路即可，该供电端电路负责对这一段长度内的所有原边线圈进行供电，构成一个供电功能单元，这种情况下，对车辆行驶过程中的限制条件是：车距需达到或超过每个功能单元负责供电的公路长度。车辆行驶时按一定速度固定向一个方向行驶，此时，供电电路即上述供电功能单元轮流对线圈逐一供电，如图7所示。在某一时刻，进入某一功能单元的车辆只有一辆，如果有第二辆进入，那么可以认为是超速或不按规定行驶，不予以供电。若全程按照规定行驶，则车辆可以全程进行充电。所述电路用于电动汽车无线充电公路，将无线充电公路分解为一个个小段，每个小段的长度以高速公路车距限制为参考量，设置为100米，任一时刻在每个小段内铺设的无线充电原边线圈仅对一台车辆充电，原边线圈轮流工作，每一段仅需一个原边线圈的供电电路，工作过程为，1)无线充电公路上的通信装置处于等待负载接入信息的状态；2)当所适用的电动汽车驶入本发明所述无线充电公路上后，车内近场通信装置人为或自动设置为匹配接入状态，无线充电公路上的通信装置获取负载接入信息，确认负载合法以及充电规格要求，通知无线充电公路控制器启动；3)控制器控制该段公路所配置的线圈开启轮流检测，以每个线圈覆盖5米公路，每个线圈的检测确认时间小于20ms，以车速80km/h为例，车辆仅前进约0.45米，所以当搜寻完整段公路(20×20ms=400ms，车辆最多前进9米)时，车辆不可能离开下一个线圈范围(5×2=10米)，当车辆恰好在本段无线充电控制器所属公路最后一个线圈进入，则本段线圈不负责充电，由下一段公路重新检测，因而总可以确认电动汽车所处位置；4)当确认完毕电动汽车所处线圈位置后，控制器提升充电装置的输出功率至负载需求的充电规格要求值，然后按顺序轮流启动下一个线圈，开始正常充电过程，在本阶段中如果有新的负载信号要求接入，则视为非法，忽略新的接入要求；5)本段公路的无线充电控制器与下一段公路的无线充电控制器会匹配协调，当电动汽车驶离本段公路后，下段公路会自动接续启动；6)当电动汽车驶离公路时，对于公路无线充电器来说，相当于匹配负载突然撤出，则整流器输出电流会下降，当整流器输出电流下降到指定阈值，公路无线充电器会返回1)状态。

基于本发明提出的电路所设计的无线充电桌面或者无线充电公路具有很高可靠性，例如，如果一个功能单元的n个桥臂中某一个桥臂发生故障，还有个线圈能正常工作，这样就可以保证一个功能单元的损坏不会导致整体电路的失效。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (4)

1.一种减少开关管数量的无线充电供电侧电路，其特征在于，所述电路包括一套整流逆变电路以及由其控制的多个原边线圈，所述整流逆变电路包括AC/DC整流器和所述AC/DC整流器的输出端连接由n个桥臂组成的扩展型逆变器，其中n≥3，每个桥臂包括两个开关管，每个桥臂的两个开关管之间的引出端连接原边线圈的一端，每两个桥臂的引出端Wi和Wj，连接一个原边线圈Wi-Wj，其中i≠j，为原边线圈Wi-Wj充电，n个桥臂的引出端组合，为个原边线圈进行充电，在该电路中，任意时刻，当负载受电线圈正好对应在原边线圈Wi-Wj位置时，桥臂i，j工作，i≠j，其他桥臂k则不工作，k≠i，j，在下一时刻，负载受电线圈若发生移动，则对应的工作桥臂随之发生变化，所述整流逆变电路中AC/DC整流器的数量为两个，其中一个是作为备份用，所述电路还包括检测与保护电路，检测直流母线电容电压，当发生过压或欠压时对电路进行保护；AC/DC整流器的输出电流，当发生过流或短路情况时对电路进行保护，所述电路还包括近场通信电路，及时获取负载接入的配对信息。

2.根据权利要求1所述的减少开关管数量的无线充电供电侧电路的应用，其特征在于，所述电路用于电动汽车无线充电公路，将无线充电公路分解为一个个小段，每个小段的长度以高速公路车距限制为参考量，任一时刻在每个小段内铺设的无线充电原边线圈仅对一台车辆充电，原边线圈轮流工作，每一段仅需一个原边线圈的供电电路，工作过程为，1)无线充电公路上的通信装置处于等待负载接入信息的状态；2)当所适用的电动汽车驶入本发明所述无线充电公路上后，车内近场通信装置人为或自动设置为匹配接入状态，无线充电公路上的通信装置获取负载接入信息，确认负载合法以及充电规格要求，通知无线充电公路控制器启动；3)控制器控制该段公路所配置的线圈开启轮流检测，车辆恰好在本段无线充电控制器所属公路最后一个线圈进入，则本段线圈不负责充电，由下一段公路重新检测，因而总可以确认电动汽车所处位置；4)当确认完毕电动汽车所处线圈位置后，控制器提升充电装置的输出功率至负载需求的充电规格要求值，然后按顺序轮流启动下一个线圈，开始正常充电过程，在本阶段中如果有新的负载信号要求接入，则视为非法，忽略新的接入要求；5)本段公路的无线充电控制器与下一段公路的无线充电控制器会匹配协调，当电动汽车驶离本段公路后，下段公路会自动接续启动；6)当电动汽车驶离公路时，对于公路无线充电器来说，相当于匹配负载突然撤出，则整流器输出电流会下降，当整流器输出电流下降到指定阈值，公路无线充电器会返回1)状态。

3.根据权利要求1所述的减少开关管数量的无线充电供电侧电路的应用，其特征在于，用于无线充电桌面，为各种中小型设备供电，以各个设备本身面积划分为多个功能单元，每个功能单元内部覆盖多个原边线圈，设备内部的受电线圈与功能单元内的其中一个原边线圈的大小相近，设备放置在桌面的任意位置，均会落入一个功能单元区域内，该功能单元轮流试测每个原边线圈，以期找出最佳位置的原边线圈，具体方案包括，无线充电桌面控制单元控制输出一个较低的试测电压，同时检测输出电流，当输出电流会上升到一个指定阈值后确认有负载线圈存在，否则，试测下一个线圈；当测试找到有负载线圈存在后，将通过满足Qi标准的通信算法，匹配负载的合法性和充电要求规格，如果匹配通过，则确认找到等待供电的设备，同时确定了设备落在了某一原边线圈上，找到该原边线圈后，则用该原边线圈为设备内部的受电线圈供电，其他的设备不会再进入该功能单元。

4.根据权利要求3所述的减少开关管数量的无线充电供电侧电路的应用，其特征在于，所述中小型设备包括手机、平板电脑、笔记本电脑、话筒、显示器、PDA、GPS。