CN104485759B - 基于nfc的多头灶电磁炉无线供电系统及其工作模式控制方法 - Google Patents
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Abstract
基于NFC的多头灶电磁炉无线供电系统及其工作模式控制方法，属于无线电能传输技术领域。本发明是为了解决厨房电器采用供电电线连接电源进行供电，存在的用电困难并且布线不便的问题。供电系统基于多头灶电磁炉实现，它包括能量发射单元、能量接收单元、能量发送端电压电流检测电路、温度检测电路、工作模式切换电路、散热器、主控制器、能量接收端电压电流检测电路和辅助控制器；方法为首先选择工作模式；若为电磁感应加热模式，则进行是否存在锅具的判定；否则执行供电模式，根据判断获得的负载类型分别输出控制信号给斩波电路和高频逆变电路，实现相应负载的供电功率控制。本发明用于实现厨房电器无线供电。
Description
技术领域
本发明涉及基于NFC的多头灶电磁炉无线供电系统及其工作模式控制方法，属于无线电能传输技术领域。
背景技术
随着当今家用电器逐渐向着智能化、小型化、可移动等方向发展，供电电线逐渐成为了制约家用电器发展的主要因素。厨房中的用电器经常会受到油烟、污渍等侵蚀导致电线老化，产生短路打火、触电等安全隐患，且其不易清洁，增加了劳动负担。
无线电能传输技术由于摆脱了传统用电器对电线的依赖，避免了传统电线带来的各种安全问题，免去了收纳清洁及搬动使用中的烦恼。将无线电能传输技术用于家用电器的无线供电中为家用电器进一步的智能化发展提供了多元化的平台，为家用电器的智能化进程增添了新的活力。
发明内容
本发明目的是为了解决厨房电器采用供电电线连接电源进行供电，存在的用电困难并且布线不便的问题，提供了一种基于NFC的多头灶电磁炉无线供电系统及其工作模式控制方法。
本发明所述基于NFC的多头灶电磁炉无线供电系统，它基于多头灶电磁炉实现，它包括能量发射单元、能量接收单元、能量发送端电压电流检测电路、温度检测电路、工作模式切换电路、散热器、主控制器、能量接收端电压电流检测电路和辅助控制器，
能量发射单元包括整流电路、斩波电路、高频逆变电路、发射谐振电路、能量发射线圈和源边NFC通信收发线圈；所述能量发射线圈分别为多头灶电磁炉的每一个电磁线圈，该多头灶电磁炉的每一个电磁线圈匹配一个源边NFC通信收发线圈；能量接收单元包括能量接收线圈、副边NFC通信收发线圈、接收谐振电路和高频可控整流电路；
整流电路将220V市电转换为直流电，再通过斩波电路对直流电压大小进行变换，然后经高频逆变电路将直流电转换为高频交流电，最后通过发射谐振电路将所述高频交流电转换为高频交变磁场，并将该高频交变磁场能量通过耦合磁场传递给能量接收线圈，能量接收线圈接收的磁场能量通过接收谐振电路获得高频交流电，该高频交流电经高频可控整流电路整流后为负载提供工作用电；
能量发送端电压电流检测电路用于检测整流电路的电压信号和电流信号并传递给主控制器，工作模式切换电路将工作模式选择信号传递给主控制器，温度检测电路用于检测高频逆变电路的温度信号和能量发射线圈的温度信号，主控制器根据接收的副边负载工作状态信息实时调整发送给斩波电路的驱动信号占空比、调节发送给高频逆变电路的PWM驱动信号；散热器用于为高频逆变电路和能量发射线圈散热；
能量接收端电压电流检测电路用于检测高频可控整流电路的电压信号和电流信号并传递给辅助控制器，辅助控制器输出控制信号给高频可控整流电路；
主控制器和辅助控制器通过源边NFC通信收发线圈和副边NFC通信收发线圈进行信号传输；
能量发射线圈设置在平面式铁氧体磁芯上表面上，该平面式铁氧体磁芯为空心结构，该空心结构内设置铁氧体屏蔽盘，源边NFC通信收发线圈设置在铁氧体屏蔽盘内，并位于能量发射线圈的中心，能量发射线圈与源边NFC通信收发线圈位于同一水平面内；所述铁氧体屏蔽盘与平面式铁氧体磁芯之间有间隙；
副边NFC通信收发线圈与能量接收线圈的相对设置方式与能量发射线圈与源边NFC通信收发线圈的相对设置方式相同。
能量发射线圈与能量接收线圈的距离范围在0～20cm之间。
多头灶电磁炉的单灶头功率输出上限为1500W。
能量发射线圈的内径大于或等于8cm。
一种基于NFC的多头灶电磁炉无线供电系统的工作模式控制方法，该控制方法通过基于NFC的多头灶电磁炉无线供电系统实现，它包括以下步骤：
步骤一：由工作模式切换电路选择工作模式，若选择电磁感应加热模式，则执行步骤二；否则执行步骤三；
步骤二：对多头灶电磁炉进行检锅测试，通过对整流电路的电流大小的判断确定是否存在锅具，若是，则通过主控制器按用户指定功率调整驱动信号占空比，使多头灶电磁炉处于工作模式，直至结束；否则判定存在异物，报警，执行步骤五；
步骤三：使供电系统上电1秒，若主控制器接收到副边NFC通信收发线圈的应答信息，则执行步骤四；否则转执行电磁感应加热模式，返回步骤二；
步骤四：主控制器根据副边NFC通信收发线圈传递的负载的工作电压与工作电流值信息，获得负载的类型及功率状态，并根据该功率状态判断负载的类型，然后根据负载的类型分别输出控制信号给斩波电路和高频逆变电路，实现相应的功率控制；
步骤五：结束。
本发明的优点：本发明将能量发射单元置于多头灶电磁炉内部，在具有能够给普通金属器具加热的同时，通过能量发射线圈产生高频磁场，再通过能量接收线圈接收并提供给厨房用电器负载工作电源，适用于厨房用电器的无线供电。所述基于NFC的多头灶电磁炉无线供电系统是一种中功率加热、供电两用装置，能够用于多个厨房电器的电能供给，摆脱线缆对用电器位置的束缚，适用于搭载微波炉、豆浆机、电热锅等不同特性用电器的供电。
本发明所述控制方法采用闭环控制，引入了近场磁通信技术，避免了多负载工作运行时容易出现的通信匹配混乱问题，提升系统稳定性与安全性。能够实现系统的统动态功率调整及异物检测，对异物进行判定，执行完整的异物判定检测程序，形成异物检测算法。并通过声光信息进行报警，保证系统的安全运行。
在电路结构中通过合理的阻抗匹配对开关管工作状态进行软开关调整，及时判断及调整开关管工作状态，使其满足安全工作条件，降低系统损耗。
附图说明
图1是本发明所述基于NFC的多头灶电磁炉无线供电系统的原理框图；
图2是能量发射线圈和NFC通信发送线圈的设置结构示意图；
图3是多头灶电磁炉的结构示意图；
图4是负载识别的流程图；
图5是负载识别及异物检测流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述基于NFC的多头灶电磁炉无线供电系统，它基于多头灶电磁炉实现，它包括能量发射单元、能量接收单元、能量发送端电压电流检测电路3、温度检测电路4、工作模式切换电路5、散热器6、主控制器7、能量接收端电压电流检测电路8和辅助控制器9，
能量发射单元包括整流电路11、斩波电路12、高频逆变电路13、发射谐振电路14、能量发射线圈15和源边NFC通信收发线圈16；所述能量发射线圈15分别为多头灶电磁炉的每一个电磁线圈，该多头灶电磁炉的每一个电磁线圈匹配一个源边NFC通信收发线圈16；能量接收单元包括能量接收线圈21、副边NFC通信收发线圈22、接收谐振电路23和高频可控整流电路24；
整流电路11将220V市电转换为直流电，再通过斩波电路12对直流电压大小进行变换，然后经高频逆变电路13将直流电转换为高频交流电，最后通过发射谐振电路14将所述高频交流电转换为高频交变磁场，并将该高频交变磁场能量通过耦合磁场传递给能量接收线圈21，能量接收线圈21接收的磁场能量通过接收谐振电路23获得高频交流电，该高频交流电经高频可控整流电路24整流后为负载提供工作用电；
能量发送端电压电流检测电路3用于检测整流电路11的电压信号和电流信号并传递给主控制器7，工作模式切换电路5将工作模式选择信号传递给主控制器7，温度检测电路4用于检测高频逆变电路13的温度信号和能量发射线圈15的温度信号，主控制器7根据接收的副边负载工作状态信息实时调整发送给斩波电路12的驱动信号占空比、调节发送给高频逆变电路13的PWM驱动信号；散热器6用于为高频逆变电路13和能量发射线圈15散热；
能量接收端电压电流检测电路8用于检测高频可控整流电路24的电压信号和电流信号并传递给辅助控制器9，辅助控制器9输出控制信号给高频可控整流电路24；
主控制器7和辅助控制器9通过源边NFC通信收发线圈16和副边NFC通信收发线圈22进行信号传输；
能量发射线圈15设置在平面式铁氧体磁芯上表面上，该平面式铁氧体磁芯为空心结构，该空心结构内设置铁氧体屏蔽盘，源边NFC通信收发线圈16设置在铁氧体屏蔽盘内，并位于能量发射线圈15的中心，能量发射线圈15与源边NFC通信收发线圈16位于同一水平面内；所述铁氧体屏蔽盘与平面式铁氧体磁芯之间有间隙；
副边NFC通信收发线圈22与能量接收线圈21的相对设置方式与能量发射线圈15与源边NFC通信收发线圈16的相对设置方式相同。
本实施方式中的平面式铁氧体磁芯位于能量发射线圈15下方能够起到增强互感，提高电磁屏蔽性能的作用。为了保证副边NFC通信收发线圈22通信时不受到发射线圈电磁波的影响，设置了一个独立的铁氧体屏蔽盘。
发射谐振电路14和接收谐振电路23均为由谐振线圈与谐振电容矩阵组成的LC谐振电路。多头灶电磁炉的每个能量发射线圈15分别独立并共同位于同一平面上，可以同时由一个或多个控制器进行控制。工作模式切换电路5为功能切换继电器，能够实现加热与供电模式的切换。
供电系统采用大功率碳化硅(SiC)MOSFET或IGBT功率开关管作为高频逆变功率器件，能有效提高源端功率等级，通过合理设计RCD吸收回路、反压保护电路、软开关检测电路，进一步为开关管的安全稳定工作提供保障。
本发明供电系统采用近场通信NFC，即Near Field Communication,作为系统闭环通信手段的目的是：避免因多灶头同时为用电器供电产生误配对情况，由于传统的无线通信手段多是较远距离配对模式，所以很容易产生用电器与源端误匹配的情况。采用NFC近场通信则会避免上述问题，使用电器负载仅与最近距离的源端进行通信。实现一对一匹配。
集成在负载内部的能量接收线圈21将高频电磁波转换为交流电，并根据负载特性及类型进行调理。辅助控制器收集负载当前用电状态，包括电流及电压信息，并将该信息通过副边NFC通信收发线圈22传递给源端的源边NFC通信收发线圈16。
本实施方式中副边的所有电路，即能量接收单元包括的能量接收线圈21、副边NFC通信收发线圈22、接收谐振电路23和高频可控整流电路24均设置于负载的用电器内。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，能量发射线圈15与能量接收线圈21的距离范围在0～20cm之间。
本实施方式能量驱动源输出的谐振频率为20kHz～40kHz。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，多头灶电磁炉的单灶头功率输出上限为1500W。
本实施方式对多头灶电磁炉进行供电功率上限过载保护。
具体实施方式四：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一、二或三作进一步说明，能量发射线圈15的内径大于或等于8cm。
本发明供电系统以电磁炉基本结构为基础，重新设计加热线圈及保护电路，通过选择开关进行切换，进入不同的使用模式。其无线供电部分与电磁炉加热部分共用驱动源，并基于系统的近场NFC通信架构实现负载识别、异物检测识别、动态功率调整等功能。当能量驱动器接入电源并打开开关后，能量驱动器以较小的功率输入能量发射电路，交变的高频电流转变为交变的高频磁场并传递给用电器内的接收线圈。接收线圈能够通过接收谐振电路为电器提供电能。用电器中的辅助控制器将负载信息通过NFC通信接收线圈传递给发射端的主控制器，能量驱动器根据负载特性及功率要求相应调整功率输出，以供给负载所需的能量。
当系统工作时既需要对炉面进行温度检测以确定线圈及负载的实时温度，也需要对系统源端内部进行温度管控，避免因开关管叠加功率损耗，导致温度过高而烧毁。所以在系统中分别采集炉面及开关管实时温度，并以此为依据对散热系统进行有效控制，实现对系统的热管理。
通过对供电系统磁路的分析及测试，可应用磁束缚手段约束磁场方向、缩小电磁辐射范围、降低电磁辐射强度、降低信号传导干扰，以使系统电磁兼容满足相关标准。
本发明中采用的手段为：使能量发射线圈15呈平面螺旋线圈，其尺寸随系统功率等级要求及所需供电传输距离而定，但其内径尺寸应不小于8cm。平面式铁氧体磁芯尺寸应满足不小于能量发射线圈15的尺寸，其在能量发射线圈15内径以内区域为空心结构。同时保证平面式铁氧体磁芯与铁氧体屏蔽盘无接触。
具体实施方式五：下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述基于NFC的多头灶电磁炉无线供电系统的工作模式控制方法，该控制方法通过基于NFC的多头灶电磁炉无线供电系统实现，它包括以下步骤：
步骤一：由工作模式切换电路5选择工作模式，若选择电磁感应加热模式，则执行步骤二；否则执行步骤三；
步骤二：对多头灶电磁炉进行检锅测试，通过对整流电路11的电流大小的判断确定是否存在锅具，若是，则通过主控制器7按用户指定功率调整驱动信号占空比，使多头灶电磁炉处于工作模式，直至结束；否则判定存在异物，报警，执行步骤五；
步骤三：使供电系统上电1秒，若主控制器7接收到副边NFC通信收发线圈22的应答信息，则执行步骤四；否则转执行电磁感应加热模式，返回步骤二；
步骤四：主控制器7根据副边NFC通信收发线圈22传递的负载的工作电压与工作电流值信息，获得负载的类型及功率状态，并根据该功率状态判断负载的类型，然后根据负载的类型分别输出控制信号给斩波电路12和高频逆变电路13，实现相应的功率控制；
步骤五：结束。
本实施方式中，当判定负载为手机等小型用电负载时，将使供电系统切换至更高高工作频率，并通过斩波电路12约束功率输出，以满足小功率用电负载充电需求。并使系统满足WPC相关标准。
主控制器分别通过负载识别控制算法及负载异物检测算法来实现对负载类型的判断。
图4所示，为对负载识别的工作流程。通过对系统工作模式的切换选择系统处于感应加热模式或者为无线供电方式。当选择无线供电方式后，当系统启动时，系统先给出1秒的判断输出，并通过NFC通信线圈读出该时间内接收端用电器的类型及功率状态，据此判断用电器的负载类型，再通过调节高频逆变器输入控制信号的相应频率及占空比来控制输出功率。
图5为另外一种系统工作时的负载识别及异物检测流程。对系统工作模式进行切换后，首先判断系统处于何种工作模式，如处于无线供电模式则在启动时先提供1秒的功率输出，并以此判断副边NFC通信收发线圈22是否传递应答信息，若有应答则确定存在用电器负载，通过读取已经存储在主控制器NFC模块中的负载类型数据给出相应的驱动信号频率以及占空比。若源边NFC通信收发线圈16未接收到任何NFC通信信息，则判定为加热锅具，并自动切换至电磁感应加热模式。通过对上电电流大小的判断鉴别是否存在锅具，如果有锅则按用户指定功率调整驱动信号占空比，若不存在锅具则最终判定为异物，同时发出声音警报。
Claims (4)
1.一种基于NFC的多头灶电磁炉无线供电系统，它基于多头灶电磁炉实现，其特征在于，它包括能量发射单元、能量接收单元、能量发送端电压电流检测电路(3)、温度检测电路(4)、工作模式切换电路(5)、散热器(6)、主控制器(7)、能量接收端电压电流检测电路(8)和辅助控制器(9)，
能量发射单元包括整流电路(11)、斩波电路(12)、高频逆变电路(13)、发射谐振电路(14)、能量发射线圈(15)和源边NFC通信收发线圈(16)；所述能量发射线圈(15)分别为多头灶电磁炉的每一个电磁线圈，该多头灶电磁炉的每一个电磁线圈匹配一个源边NFC通信收发线圈(16)；能量接收单元包括能量接收线圈(21)、副边NFC通信收发线圈(22)、接收谐振电路(23)和高频可控整流电路(24)；
整流电路(11)将220V市电转换为直流电，再通过斩波电路(12)对直流电压大小进行变换，然后经高频逆变电路(13)将直流电转换为高频交流电，最后通过发射谐振电路(14)将所述高频交流电转换为高频交变磁场，并将该高频交变磁场能量通过耦合磁场传递给能量接收线圈(21)，能量接收线圈(21)接收的磁场能量通过接收谐振电路(23)获得高频交流电，该高频交流电经高频可控整流电路(24)整流后为负载提供工作用电；
能量发送端电压电流检测电路(3)用于检测整流电路(11)的电压信号和电流信号并传递给主控制器(7)，工作模式切换电路(5)将工作模式选择信号传递给主控制器(7)，温度检测电路(4)用于检测高频逆变电路(13)的温度信号和能量发射线圈(15)的温度信号，主控制器(7)根据接收的副边负载工作状态信息实时调整发送给斩波电路(12)的驱动信号占空比、调节发送给高频逆变电路(13)的PWM驱动信号；散热器(6)用于为高频逆变电路(13)和能量发射线圈(15)散热；
能量接收端电压电流检测电路(8)用于检测高频可控整流电路(24)的电压信号和电流信号并传递给辅助控制器(9)，辅助控制器(9)输出控制信号给高频可控整流电路(24)；
主控制器(7)和辅助控制器(9)通过源边NFC通信收发线圈(16)和副边NFC通信收发线圈(22)进行信号传输；
能量发射线圈(15)设置在平面式铁氧体磁芯上表面上，该平面式铁氧体磁芯为空心结构，该空心结构内设置铁氧体屏蔽盘，源边NFC通信收发线圈(16)设置在铁氧体屏蔽盘内，并位于能量发射线圈(15)的中心，能量发射线圈(15)与源边NFC通信收发线圈(16)位于同一水平面内；所述铁氧体屏蔽盘与平面式铁氧体磁芯之间有间隙；
副边NFC通信收发线圈(22)与能量接收线圈(21)的相对设置方式与能量发射线圈(15)与源边NFC通信收发线圈(16)的相对设置方式相同。
2.根据权利要求1所述的基于NFC的多头灶电磁炉无线供电系统，其特征在于，能量发射线圈(15)与能量接收线圈(21)的距离范围在0～20cm之间。
3.根据权利要求1或2所述的基于NFC的多头灶电磁炉无线供电系统，其特征在于，多头灶电磁炉的单灶头功率输出上限为1500W。
4.根据权利要求3所述的基于NFC的多头灶电磁炉无线供电系统，其特征在于，能量发射线圈(15)的内径大于或等于8cm。
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