CN104218640B - 具有多负载频率适应性的无线充电系统 - Google Patents

Abstract

一种具有多负载频率适应性的无线充电系统，其初级电能发射装置包括整流滤波电路、DC/DC变换电路、驱动控制电路、逆变电路和发射线圈、信息接收处理电路、谐振补偿电容阵列和谐振补偿电感阵列；所述的次级用电设备装置包括接收线圈、谐振补偿电路、高频整流滤波电路、驱动控制电路、信息管理反馈电路、DC/DC变换电路和电池。初级电能发射装置的信息接收处理电路通过蓝牙无线通信方式接收次级用电设备装置的信息管理反馈电路反馈的特征信息，根据该特征信息控制逆变电路的电能输出频率，以及谐振补偿电容阵列、谐振补偿电感阵列中的电容和电感组合方式，确定初级电能发射装置的工作模式。

Description

具有多负载频率适应性的无线充电系统

技术领域

本发明涉及一种无线充电装置。

背景技术

电磁感应式无线充电系统通常由初级电能发射子系统和次级电能接收子系统组成，初、次级子系统间通过的高频电磁场耦合实现电能的无线传输，由于其电能利用的灵活性及便捷性，使之得到了广泛应用。

公知的无线充电系统的初级电能发射子系统可对一个或多个次级子系统进行有效的无线充电，但是这样的系统在实际应用中存在若干问题：

首先，公知的无线充电系统的初、次级工作频率固定，需要初级电能发射装置与次级电能接收装置相互对应，系统可移植性、适应性差，不能满足特定谐振频率用电设备的充电需求。

其次，公知的无线充电系统通常能够满足多个相匹配的同一谐振频率用电设备的同时充电请求，但是对于多个不同谐振频率的用电设备同时充电请求的状况，往往不能满足不同用电设备的充电功率及效率需求，导致部分或全部用电设备无法充电。

公知的电磁感应式无线充电系统如图1所示，包括初级电能发射子系统1和次级电能接收子系统2两个部分。初级电能发射子系统由驱动控制电路10、功率变换电路11、谐振补偿电路12及发射线圈13四个部分组成。次级电能接收子系统由接收线圈20、谐振补偿电路21、驱动控制电路22、功率变换电路23及电池24五个部分组成。次级电能接收子系统处于初级电能发射子系统的高频电磁场一定范围内时，系统便能实现无线充电过程。上述的系统是公知的，其结构及功能将不会进一步详细描述。

图1所示公知系统往往需要初、次级系统型号相互匹配，才能对用电设备进行有效充电。

发明内容

本发明的目的是克服现有的无线充电系统不能满足特定谐振频率用电设备的充电需求，也不能满足不同谐振频率用电设备同时充电时的功率及效率需求的缺点，提出一种具有多负载频率适应性的无线充电装置。本发明能够检测用电设备反馈信息产生不同频率和稳定幅值的交变电磁场，通过不同工作模式的切换同时为多个不同谐振频率的用电设备同时进行无线充电。

本发明由初级电能发射装置和次级用电设备装置两部分组成。所述的初级电能发射装置由整流滤波电路、DC/DC变换电路、信息接收处理电路、驱动控制电路、逆变电路、谐振补偿电容阵列、谐振补偿电感阵列，以及发射线圈组成。次级用电设备装置由接收线圈、谐振补偿电路、信息管理反馈电路、高频整流滤波电路、驱动控制电路、DC/DC变换电路，以及电池组成。

所述初级电能发射装置的整流滤波电路与电网输入电源相连，整流滤波电路的输出端和DC/DC变换电路输入端连接，将整流后的直流电压输出至DC/DC变换电路。DC/DC变换电路的输出与逆变电路的输入相连，逆变电路的输出与由谐振补偿电容阵列、谐振补偿电感阵列、发射线圈三部分串联组成的谐振网络相连。另外，信息接收处理电路与驱动控制电路相连，驱动控制电路分别与逆变电路、谐振补偿电容阵列、谐振补偿电感阵列相连。信息接收处理电路接收到次级用电设备装置反馈的功率等级、工作频率、充电状态等特征信息后，通过驱动控制电路驱动控制逆变电路输出的交变电能的频率及配置谐振补偿电容阵列、谐振补偿电感阵列的电容值和电感值，确定初级电能发射装置的工作模式。

所述次级用电设备装置的接收线圈与谐振补偿电路串联后连接至高频整流滤波电路的输入，高频整流滤波电路的输出端与DC/DC变换电路的输入端相连，DC/DC变换电路的输出端与电池相连。另外，接收线圈与驱动控制电路相连为驱动控制电路供电，驱动控制电路分别与信息管理反馈电路及DC/DC变换电路相连，控制次级用电设备装置向初级电能发射装置反馈功率等级、工作频率、充电状态等特征信息，并控制DC/DC变换电路向电池的充电。

当次级用电设备装置处于初级电能发射装置的可操作范围内时，即初级电能发射装置能够检测到次级用电设备装置的反馈信息，并且次级用电设备装置处在能够接收到初级电能发射装置满足次级用电设备装置充电功率的可操作范围内时，次级用电设备装置的信息管理反馈电路通过蓝牙无线通信将用电设备的功率等级、工作频率、充电状态信息反馈到初级电能发射装置的信息接收处理电路，并判断反馈特征信息是否符合初级电能发射装置所能够提供的最大输出功率及输出频段范围的要求。如果反馈特征信息不符合所述的要求，则当次级用电设备装置的反馈组合功率等级超过初级电能发射装置最大输出功率时，初级电能发射装置的驱动控制电路间歇性输出驱动脉冲，控制逆变电路“打嗝”式输出，此时初级电能发射装置处于逆变电路“打嗝”式输出工作的间歇工作模式；当次级用电设备装置的反馈频率信息超出初级电能发射装置的工作频率段或出现其他系统故障时，初级电能发射装置的驱动控制电路停止输出驱动脉冲，控制逆变电路关闭，此时初级电能发射装置处于故障工作模式。如果次级用电设备装置反馈特征信息符合所述的要求，则判断次级用电设备装置是否反馈单个频率信息，当次级用电设备装置反馈单个频率信息时，初级电能发射装置配置投切以适应该频率的谐振补偿电容阵列、谐振补偿电感阵列参数，然后控制驱动逆变电路产生固定频率、稳定幅值的交变电流，使初级电能发射装置处于固定频率工作模式为次级用电设备装置充电；当反馈多个频率信息时，初级电能发射装置交替配置投切以适应多个频率的电容、电感阵列参数，然后交替控制驱动逆变电路产生多个不同频率、稳定幅值的交变电流，使初级电能发射装置处于交替频率工作模式为多个次级用电设备装置同时充电。

所述的不同工作模式的切换是通过控制投切初级电能发射装置中的谐振补偿电容阵列及谐振补偿电感阵列中电容、电感的个数，从而改变谐振补偿电容阵列电容值和谐振补偿电感阵列电感值的大小，使初级电能发射装置的谐振网络谐振频率与次级用电设备装置相匹配，产生不同频率、稳定幅值的交变电磁场，并通过不同频率交替工作的方式对不同谐振频率的次级用电设备装置同时充电。

所述的谐振补偿电容阵列由多个电容及与之对应的双向可控硅串联，然后再并联组成。通过双向可控硅控制与之对应的电容的投放和切出：开通双向可控硅即把与之对应的电容投入到谐振电路中，关断双向可控硅即把与之对应的电容切出到谐振电路外。

所述的谐振补偿电感阵列由多个电感及与分别之对应的双向可控硅并联，然后再串联组成。通过双向可控硅控制与之对应的电容的投放和切出：开通双向可控硅即把与之对应的电感切出到谐振电路外，关断双向可控硅即把与之对应的电感投入到谐振电路中。

所述的谐振补偿电容阵列及谐振补偿电感阵列通过不同的投切组合方式可实现电容阵列的电容值可调范围为1～999nF、调节精度为1nF，电感阵列的电感值可调范围为1～999uH、调节精度为1uH。

所述的初级电能发射装置的谐振网络谐振频率f满足其中L为谐振补偿电感阵列的电感值与发射线圈电感值之和，C为谐振补偿电容阵列的电容值。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够同时为多个不同谐振频率的次级用电设备装置同时充电，提高了无线充电装置的普适性；在不同工作模式下能够产生不同频率、稳定幅值的交变电流，提高了无线充电装置的可靠性及安全性；通过谐振补偿电容阵列、谐振补偿电感阵列的电容值和电感值高精度投切组合，能够设定产生精确特定频率的交变电流，提高了无线充电装置的可移植性。

附图说明

图1是公知的电磁感应式无线充电系统的结构框图；

图2是本发明所述无线充电装置的结构框图；

图3是本发明的谐振补偿电容阵列、谐振补偿电感阵列的连接方式示意图；

图4是不同谐振频率的用电设备同时充电需求状况下的装置工作状态示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图2所示为本发明所述无线充电装置的结构框图。如图2所示，本发明包括初级电能发射装置3和次级用电设备装置4两个部分。初级电能发射装置3由整流滤波电路30、DC/DC变换电路31、信息接收处理电路32、驱动控制电路33、逆变电路34、谐振补偿电容阵列35、谐振补偿电感阵列36、发射线圈37八个部分组成。其中，电网输入电源与整流滤波电路30的输入端相连，整流滤波电路30的输出端和DC/DC变换电路31的输入端连接，将整流后的直流电压输出至DC/DC变换电路31；DC/DC变换电路31的输出与逆变电路34的输入相连，逆变电路34的输出与由谐振补偿电容阵列35、谐振补偿电感阵列36、发射线圈37三部分串联组成的谐振网络相连。另外，信息接收处理电路32与驱动控制电路33相连，驱动控制电路33分别与逆变电路34、谐振补偿电容阵列35、谐振补偿电感阵列36相连。信息接收处理电路32接收到次级用电设备装置4反馈的功率等级、工作频率、充电状态等特征信息后，通过驱动控制电路33驱动控制逆变电路34的输出交变能的频率，以及配置谐振补偿电容阵列35电容值的大小、谐振补偿电感阵列36电感值的大小，确定初级电能发射装置3的工作模式。

次级用电设备装置4由接收线圈40、谐振补偿电路41、信息管理反馈电路42、高频整流滤波电路43、驱动控制电路44、DC/DC变换电路45，以及电池46七个部分组成。其中，接收线圈40与谐振补偿电路41串联后连接至高频整流滤波电路43的输入，高频整流滤波电路43的输出端与DC/DC变换电路45的输入端相连，DC/DC变换电路45的输出端与电池46相连。另外，接收线圈40与驱动控制电路44相连，为驱动控制电路44供电。驱动控制电路44分别与信息管理反馈电路42及DC/DC变换电路45相连，驱动控制电路44控制次级用电设备装置4向初级电能发射装置3反馈功率等级、工作频率、充电状态等特征信息，并控制DC/DC变换电路45向电池46充电。

本发明工作过程如下：

初级电能发射装置3的信息接收处理电路32通过检测次级用电设备装置4的信息管理反馈电路42的反馈信息，配置当前谐振补偿电容阵列35及谐振补偿电感阵列36的参数，确定初级电能发射装置的当前工作模式。电网输入电源经整流滤波电路30、DC/DC变换电路31并由驱动控制电路33控制逆变电路34产生适应当前工作模式的高频电能，该高频电能输入到由谐振补偿电容阵列35、谐振补偿电感阵列36、发射线圈37串联组成的谐振网络，在发射线圈37中产生相应频率、稳定幅值的高频交变电流。次级用电设备装置4的接收线圈40产生的感应电流经谐振补偿电路41后，通过高频整流滤波电路43将电能转换成直流，并由驱动控制电路44控制DC/DC变换电路45为电池46充电。

本发明所述的初级电能发射装置中各参数须满足如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}f=\frac{\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}\\ I_P=Q\·V_{\mathrm{DC}}\\ Q=\frac{\mathrm{\ωL}}{R}=\frac{1}{\mathrm{\ωRC}}\end{array}\right.$

于是，发射线圈谐振电流I_P可表示为：

$I_P=\frac{V_{\mathrm{DC}}}{R}\·\sqrt{\frac{L}{C}}$

其中，f为谐振网络谐振频率、I_P为发射线圈谐振电流、Q为谐振网络品质因数、ω为角频率、V_DC为输入电压、R为用电设备等效电阻、L为谐振网络等效电感、C为谐振网络等效电容。

至此，可以看出为了实现本发明所述的初级电能发射装置产生不同频率、稳定幅值的交变电流，谐振网络等效电感L、等效电容C须同时同向变化，才能保证谐振网络谐振频率f变化的同时装置线圈中电流幅值I_P稳定。

公知的系统谐振电路等效电感L、等效电容C为固定值，不能有效地改变系统发射线圈电流的谐振频率并保持其幅值稳定，这样就不能满足多个不同谐振频率用电设备的同时充电需求。

图3所示是本发明的谐振补偿电容阵列35、谐振补偿电感阵列36的连接方式示意图。本发明通过改变谐振补偿电容阵列35和谐振补偿电感阵列36的电容值、电感值大小来实现发射线圈电流I_P的不同频率、稳定幅值输出。

如图3所示，所述谐振补偿电容阵列35由多个电容及与之对应的双向可控硅串联，然后再并联组成。双向可控硅用于选择与之对应的电容，即开通双向可控硅即把与之对应的电容投入到谐振电路中去，关断双向可控硅即把与之对应的电容切出到谐振电路外去。本实施例共有12个电容值分别为1、2、4、8、10、20、40、80、100、200、400、800nF的电容C1～C12，每个电容分别与一个与之对应并控制其投入与切出的可控硅KC1～KC12串联，然后再并联组成可控电容阵列，该电容阵列的电容值可调范围为1～999nF、调节精度为1nF。

所述谐振补偿电感阵列36由多个电感及与之对应的双向可控硅并联，然后再串联组成。双向可控硅用于选择与之对应的电感，即开通双向可控硅就把与之对应的电感切出到谐振电路外，关断双向可控硅就把与之对应的电感投入到谐振电路中去。如图3所示，本实施例共有12个电感值分别为1、2、4、8、10、20、40、80、100、200、400、800uH的电感L1～L12，每个电感分别与一个与之对应并控制其投入与切出的可控硅KL1～KL12并联，然后再串联组成可控电感阵列，该电感阵列的电感值可调范围为1～999uH、调节精度为1uH。

本发明一个具体实施例，设计发射线圈37的电感值为100uH，通过开通双向可控硅KC7、KC5、KC3，其余双向可控硅均关断的控制方式，投入电容阵列中的40、10、4nF三个电容并联，使得谐振补偿电容阵列35电容值为54nF；通过关断双向可控硅KL10、KL6、KL5、KL3、KL2，其余双向可控硅均开通的控制方式，投入电感阵列中的200、20、10、4、2uH五个电感串联，使得谐振补偿电感阵列36电感值为236uH。此时根据谐振网络谐振频率其中L为谐振补偿电感阵列的电感值与发射线圈电感值之和，C为谐振补偿电容阵列的电容值，可以设置初级电能发射装置的谐振频率为37.38Khz。

本实施例中设计发射线圈37的电感值为100uH，在谐振补偿电容阵列35、谐振补偿电感阵列36的电容值和电感值的可调范围及调节精度下，本发明能够实现谐振网络谐振频率f在5.04Khz～503.55Khz范围内设定近10⁶个频率点，并在这些频率点工作时能够保证发射线圈电流的幅值稳定输出，这样就能够满足在一定频段内可设定谐振频率为特殊要求用电设备充电。当用电设备有多个谐振频率充电需求时，通过周期交替改变谐振补偿电容、电感阵列的参数，并控制驱动逆变电路在发射线圈中交替产生不同频率、幅值稳定的交变电流，满足多个不同谐振频率用电设备同时充电的需求。

本发明的另一个具体实施例如图4所示，为三个不同谐振频率的用电设备同时充电需求状况下的装置工作状态示意图。双向可控硅的开关状态分别为状态1、状态2和状态3，每个状态分别对应的是初级电能发射装置三个不同的工作谐振频率f1、f2和f3，即三组不同的双向可控硅开关状态，双向可控硅并以频率f_s在三个状态间轮流交替切换，其中f_s为双向可控硅的不同开关状态间的切换频率，即为发射线圈37中所交替产生的不同频率、稳定幅值电流之间的切换频率。同时，驱动控制电路33控制逆变电路34同样以频率f_s轮流切换输出频率f1、f2和f3的高频电能，这样就在发射线圈37中交替产生三个对应频率f1、f2和f3、幅值稳定的交变电流5、6、7同时为三个用电设备充电。

另外，本发明装置的双向可控硅的多个开关状态间的切换频率f_s应小于初级电能发射装置多个谐振网络谐振频率f中最小频率f_min的1/10，这样就能够维持多个次级用电设备充电电压的恒定，提供稳定连续的充电电流。

Claims (6)

1.一种具有多负载频率适应性的无线充电系统，包括初级电能发射装置(3)和次级用电设备装置(4)；所述的初级电能发射装置(3)包括整流滤波电路(30)、DC/DC变换电路(31)、驱动控制电路(33)、逆变电路(34)和发射线圈(37)；所述的次级用电设备装置(4)包括接收线圈(40)、谐振补偿电路(41)、高频整流滤波电路(43)、驱动控制电路(44)、DC/DC变换电路(45)和电池(46)，其特征在于，所述的初级电能发射装置(3)还包括信息接收处理电路(32)、谐振补偿电容阵列(35)和谐振补偿电感阵列(36)；所述的次级用电设备装置(4)还包括信息管理反馈电路(42)；

所述的初级电能发射装置(3)的整流滤波电路(30)与电网输入电源相连，整流后的直流电压输出至DC/DC变换电路(31)；DC/DC变换电路(31)的输出与逆变电路(34)的输入相连；逆变电路(34)的输出与由谐振补偿电容阵列(35)、谐振补偿电感阵列(36)、发射线圈(37)三部分串联组成的谐振网络相连；信息接收处理电路(32)与驱动控制电路(33)相连；驱动控制电路(33)的输出分别与逆变电路(34)、谐振补偿电容阵列(35)、谐振补偿电感阵列(36)相连；信息接收处理电路(32)接收次级用电设备装置(4)反馈的功率等级、工作频率和充电状态信息，通过驱动控制电路(33)驱动控制逆变电路(34)输出交变电能的频率，以及配置谐振补偿电容阵列(35)、谐振补偿电感阵列(36)的电容值和电感值，确定初级电能发射装置(3)的工作模式；

所述的次级用电设备装置(4)的接收线圈(40)与谐振补偿电路(41)串联后连接至高频整流滤波电路(43)的输入端，高频整流滤波电路(43)的输出端与DC/DC变换电路(45)的输入端相连；DC/DC变换电路(45)的输出端与电池(46)相连；接收线圈(40)与驱动控制电路(44)相连；驱动控制电路(44)分别与信息管理反馈电路(42)及DC/DC变换电路(45)相连，驱动控制电路(44)控制次级用电设备装置(4)向初级电能发射装置(3)反馈功率等级、工作频率、充电状态，并控制DC/DC变换电路(45)向电池(46)充电；

当所述的次级用电设备装置(4)的反馈组合功率等级超过初级电能发射装置(3)的最大输出功率时，初级电能发射装置(3)的驱动控制电路(33)间歇性输出驱动脉冲，控制逆变电路(34)“打嗝”式输出，初级电能发射装置(3)处于逆变电路(34)“打嗝”式输出的间歇工作模式；

次级用电设备装置(4)反馈单个频率信息时，初级电能发射装置(3)处于固定频率工作模式；

次级用电设备装置(4)反馈多个频率信息时，初级电能发射装置(3)交替配置投切以适应多个频率的谐振补偿电容阵列(35)、谐振补偿电感阵列(36)的参数，然后交替控制驱动逆变电路(34)产生多个不同频率、稳定幅值的交变电流，使初级电能发射装置(3)处于交替频率工作模式，同时为多个不同谐振频率的用电设备充电；

次级用电设备装置(4)反馈频率信息超出初级电能发射装置(3)的工作频率段或其他系统故障时，初级电能发射装置(3)的驱动控制电路(33)停止输出驱动脉冲，控制逆变电路(34)关闭，此时初级电能发射装置(3)处于故障工作模式。

2.根据权利要求1所述的具有多负载频率适应性的无线充电系统，其特征在于：所述的谐振补偿电容阵列(35)由多个电容及与之对应的双向可控硅串联，然后再并联组成；开通双向可控硅即把与之对应的电容投入到谐振电路中，关断双向可控硅即把与之对应的电容切出到谐振电路外。

3.根据权利要求1所述的具有多负载频率适应性的无线充电系统，其特征在于：所述的谐振补偿电容阵列(35)由12个电容值分别为1、2、4、8、10、20、40、80、100、200、400、800nF的电容及与之对应的12只双向可控硅串联，然后再并联组成；该电容阵列的电容值可调范围为1～999nF、调节精度为1nF。

4.根据权利要求1所述的具有多负载频率适应性的无线充电系统，其特征在于：所述的谐振补偿电感阵列(36)由多个电感及与之对应的双向可控硅并联，然后再串联组成；开通双向可控硅即把与之对应的电感切出到谐振电路外，关断双向可控硅即把与之对应的电感投入到谐振电路中。

5.根据权利要求2或4所述的具有多负载频率适应性的无线充电系统，其特征在于：所述的双向可控硅以切换频率f_s切换双向可控硅的开关状态，使发射线圈(37)中交替产生不同频率、稳定幅值的交变电流，满足多个不同谐振频率的次级用电设备装置(4)同时充电的要求；所述双向可控硅的切换频率f_s小于多个频率中最小频率f_min的1/10。

6.根据权利要求4所述的具有多负载频率适应性的无线充电系统，其特征在于：所述的谐振补偿电感阵列(36)由12个电感值分别为1、2、4、8、10、20、40、80、100、200、400、800uH的电感及与之对应的双向可控硅并联，然后再串联组成；该电感阵列的电感值可调范围为1～999uH、调节精度为1uH。