CN104967153A - 电磁感应无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供电磁感应无线充电系统，由发射端和接收端组成：发射端由高频逆变模块、发射线圈、功率检测模块以及发射端通信模块组成；接收端由接收线圈、整流模块、通信模组、输出断开模块以及接收端通信模块组成。高频逆变模块、发射线圈和功率检测模块用于将直流输入转化为交流输出，驱动由电感线圈和电容组成的谐振单元，通过电流侦测来实时控制发射线圈的电流，发射端通信模块用于接收和解码接收端反馈回来的信息，执行功率控制算法和协议，并驱动交流信号的频率来控制功率传输，还用于与其它端口通信。接收端通信模块用于处理所有数字信号以及与发射端进行协议交换，接收线圈、整流模块、通信模组、输出断开模块用于将磁能转换为电量。

Description

电磁感应无线充电系统

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，特别是涉及电磁感应无线充电系统。

背景技术

电动汽车应用广泛，需要大功率充电设备，无线充电技术虽然使用安全、便捷，但依旧存在不足：发射端和搭载在电动车的接收端成本高、维修费用大；磁电的远距离传输转换，耗费大量电能，磁路越长，磁损越大，且电动汽车与发射端存在一定距离，该段距离内若是存在金属异物，金属异物发热，影响无线充电；无线充电系统已广泛应用于小型直流用电设备中，而且也有统一的标准进行设计，但对于实施大功率的无线传输来说，没有统一的标准，且研究和使用都未得到推广。

发明内容

本发明提供一种电磁感应无线充电系统，解决现有无线充电系统维修难、损耗大、不能应用于大功率无线传输的问题。

本发明通过以下技术方案解决上述问题：

电磁感应无线充电系统，由发射端和接收端组成；

所述发射端由高频逆变模块、发射线圈、功率检测模块以及发射端通信模块组成；所述接收端由接收线圈、整流模块、通信模组、输出断开模块以及接收端通信模块组成；

所述高频逆变模块、发射线圈和功率检测模块用于将直流输入转化为交流输出，所述发射端通信模块用于接收和解码接收端反馈回来的信息，执行功率控制算法和协议，并驱动外部输入功率的传输；

所述接收线圈、整流模块、通信模组、输出断开模块用于将磁能转换为电量，所述接收端通信模块用于处理数字信号以及与发射端进行协议交换。

上述方案中，所述发射线圈表层设有屏蔽层。

上述方案中，所述高频逆变模块由两个TPS51604搭建而成，为电压型全桥逆变电路。

上述方案中，所述接收端采用SN51013，将接收线圈接收到的磁场能量转为直流电源供给外部负载。

附图说明

图1为本发明结构原理框图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。

图1给出了本发明的结构原理框图。

本发明由发射端和接收端组成：发射端由高频逆变模块、发射线圈、功率检测模块以及发射端通信模块组成；接收端由接收线圈、整流模块、通信模组、输出断开模块以及接收端通信模块组成。

高频逆变模块、发射线圈和功率检测模块用于将直流输入转化为交流输出，驱动由电感线圈和电容组成的谐振单元，通过电流侦测来实时控制发射线圈的电流。发射端通信模块用于接收和解码接收端反馈回来的信息，执行功率控制算法和协议，并驱动交流信号的频率来控制功率传输，还用于与其它端口通信。

为防止电磁波外露对周边环境造成辐射，线圈需进行电磁屏蔽，屏蔽层由软磁材料制成，用于保护发射线圈产生的电磁波，当电磁波到达屏蔽层时，一部分电磁波被反射，另一部分电磁波进入屏蔽体内经过多次反射和折射，被屏蔽层吸收，设置屏蔽层，能保证无线电能安全传输。

发射端采用BQ500211实现，BQ500211用于将功率传送到单一的WPC标准的接收端，通过BQ500211可以动态改变输入功耗限制点，使得无线电能传输更安全。

控制芯片接收外部输入功率，用于做FOD(外来物)的判断。功率检测模块为INA199A，INA199A是一种用于电流侦测的控制芯片，通过侦测外部的精密电阻两端压降，再经过放大输出到发射端控制芯片使用。全桥、半桥发射拓扑、D类功率放大器和E类功率放大器是四种常用且高效的发射拓扑。高频逆变模块为两个TPS51604搭设成的四个场效应管，为电压型全桥逆变电路，TPS51604是一种驱动芯片，用于将输入的PWM信号转化为两个门控制信号，分别控制外部场效应管交互导通，将直流信号转化为交流信号。发射端可以采用多种方式来有效地检测到接触面版所放置的物体，利用接收线圈和发射线圈耦合时会在发射端的发射线圈产生共振频率的原理。

接收端安装在电动汽车上，由接收线圈、整流模块、通信模组、输出断开模块、接收端通信模块组成。接收端通信模块用于处理所有数字信号以及与发射端进行协议交换，接收线圈、整流模块、通信模组、输出断开模块用于将磁能转换为电量，双谐振电路由接收线圈加串联和并联电容组成，整流电路及其控制单元，以及为通信单元提供电源。通信调节单元用于切换通信阶段和能量传输阶段输出断开单元，当负载不再消耗功率时，切断输出供电，做到节能。接收端的控制单元芯片采用SN51013。此芯片将接收线圈接收到的磁场能量转为直流电源供给负载。芯片集成了低阻抗的同步整流器，低压差的稳压器，数字控制和精准的电压/电流回路来提高转换效率。另外，芯片还包含输出功耗控制单元，精确计算输出功耗的大小，并将信息告知发射端以确保是否发生FOD异常。双谐振线路由电感串联电容后与电容并联组成双谐振电路。

接收线圈信号振幅大小为输出功率的大小，在曲线上横轴为操作的频率，在不同的工作频率下于线圈上有不同大小的振幅输出，而最大振幅的谐振电将出现在频率。在感应供电过程中可能需要加大或降低输出功率，调整工作频率即可。在需要加功率时需要降低些频率使其靠近谐振点，用以提高输出功率，反之要降低输出功率时只需提高频率即可完成。对于双谐振电路，存在两种能量交换，一种是谐振电路自身电场合磁场之间的能量交换，另外一种是两个谐振体之间的能量交换。若谐振体由理想电容和电感组成，则能量不会消耗，但电感的设计中必然存在视在功率整个环路的品质因数的大小会影响到最大功率传输，如果整个回路阻抗很大，即使在最大的谐振频率点也只能得到很小的能量传输。

发射端将电能转换为电磁波通过发射线圈发送到接收线圈上，接收线圈与电容形成谐振电路，接收到的高频交流信号通过整流回路利用全波整流将交流转换为直流，然后供应负载使用。整流器采用全波整流可以有效提高整流后电压值。在无线充电系统中，最重要的环节就是进行能量传递的部件——线圈，它直接关系到能量能否通过无线方式进行传递。铜线线圈绕线方式采用绞合线，是为了避免趋肤效应和集束效应。当线圈中流过电流时，在低频的情况下，导体内部的电流密度是均匀的，在中心流动的电流和边缘的电流密度是相同的。但当频率逐步增加时，流动电荷会渐渐向边缘靠近，甚至中间将没有电流通过，称之为趋肤效应。与此类似的还有集束效应，现象是电流密集区域集中在导体的内侧。

两种现象不同之处在于趋肤效应与频率密切相关，而集束效应主要和导线中心距与直径的比值有关。这里我们主要考虑趋肤效应，因为由于趋肤效应引发的关键问题是导体电阻的增加。当低频的时候，不考虑交流电阻，所以导体的电阻是恒定的，随着频率的增加，当达到一定的频率时，总的电阻开始正比于频率的平方根，这个临界频率就是在趋肤效应出现的时候，也就是当趋肤深度小于等于导体厚度的时候，对于圆形的导体，临界状态是趋肤深度等于导体的半径。对于较短的传输线，线圈的绕线方式需减少趋肤效应和集束效应对阻抗的影响。

Claims (4)

1.电磁感应无线充电系统，其特征在于：

由发射端和接收端组成；

所述发射端由高频逆变模块、发射线圈、功率检测模块以及发射端通信模块组成；所述接收端由接收线圈、整流模块、通信模组、输出断开模块以及接收端通信模块组成；

所述高频逆变模块、发射线圈和功率检测模块用于将直流输入转化为交流输出，所述发射端通信模块用于接收和解码接收端反馈回来的信息，执行功率控制算法和协议，并驱动外部输入功率的传输；

所述接收线圈、整流模块、通信模组、输出断开模块用于将磁能转换为电量，所述接收端通信模块用于处理数字信号以及与发射端进行协议交换。

2.根据权利要求1所述的电磁感应无线充电系统，其特征在于：所述发射线圈表层设有屏蔽层。

3.根据权利要求1所述的电磁感应无线充电系统，其特征在于：所述高频逆变模块由两个TPS51604搭建而成，为电压型全桥逆变电路。

4.根据权利要求1所述的电磁感应无线充电系统，其特征在于：所述接收端采用SN51013，将接收线圈接收到的磁场能量转为直流电源供给外部负载。