CN105914899A - 一种可双向工作的无线电能传输系统及方法 - Google Patents

一种可双向工作的无线电能传输系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可双向工作的无线电能传输系统及方法，系统包括电源模块，双向DC‑DC变换器，逆变及整流模块，谐振电路及传输线圈，控制及通信模块；双向DC‑DC变换器和逆变及整流模块，协同工作实现电能的双向传输，在对其他系统进行无线充电的过程中，由双向DC‑DC变换器启动BOOST功能，逆变及整流模块启动逆变功能，电能经过谐振电路及线圈传输到下一级系统中；在其他系统对本系统进行充电的过程中，电能经过谐振电路及线圈，启动逆变整流模块中的整流功能，双向DC‑DC变换器中的BUCK功能，对电源模块进行充电；本发明结合双向DC‑DC转换和磁耦合无线充电，使得充电过程更加的方便安全，同时可以加入到便携设备中，无需增加电源线，便可以直接进行充电。

Description

一种可双向工作的无线电能传输系统及方法
技术领域
本发明涉及一种可双向工作的无线电能传输系统及方法，属于功率电子学技术领域。
背景技术
在1889年，交流电的发明者，尼古拉特斯拉，便开始了远程无线电能传输的研究，他设想，将地球作为内导体，距离地面60Km的电离层作为外导体，在地球和电离层之间产生8Hz的共振，从而向全球输送电能。但自从特斯拉之后，无线电能传输的进步似乎就停止了。
直到20世纪90年代，新西兰奥克兰大学的John.T Boys教授提出了ICPT技术，之后无线充电的成果越来越多，直到今天，无线充电技术已经应用到心脏起搏器，大到公交汽车等人们生活中的方方面面。
在所有的无线充电方案中，都是采用一个装置作为电能发射端，一个作为电能接收端，但是一些应用场景中，需要电能接收和发射是一体的，所以基于这样的思路，在本发明中，提出了采用双向DC-DC结合无线电能传输的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以进行双向无线电能传输系统及方法，目的在于通过双向DC-DC与无线电能传输模块整合，以及传输方向控制的设计。结合双向DC-DC转换和磁耦合无线充电，使得充电过程更加的方便安全，同时可以加入到便携设备中，无需增加电源线，便可以直接进行充电。
本发明的技术方案如下：
一种可双向工作的无线电能传输系统，所述系统包括电源模块，双向DC-DC变换器，逆变及整流模块，谐振电路及传输线圈，控制及通信模块；
所述双向DC-DC变换器和逆变及整流模块，协同工作实现电能的双向传输，在对其他系统进行无线充电的过程中，由双向DC-DC变换器启动BOOST功能，逆变及整流模块启动逆变功能，电能经过谐振电路及线圈传输到下一级系统中；在其他系统对本系统进行充电的过程中，电能经过谐振电路及线圈，启动逆变整流模块中的整流功能，双向DC-DC变换器中的BUCK功能，对电源模块进行充电；
所述控制及通信模块用于负责系统的整体的工作过程控制及与外部系统的数据通信。
上述逆变及整流模块由全桥逆变电路及整流电路组成；所述控制及通信模块通过四个信号mos管控制四个开关mos管的通断选择逆变或者整流功能；
当处于放电状态时，选择全桥逆变电路，接入BOOST电路，输出高频交流；当处于充电状态时，选择整流电路，电路中由高频交流变为直流，接入BUCK电路；
上述控制及通信模块中的四个引脚控制四个信号mos管g1,g2,g3,g4；
当控制pin1,pin2输出低电平的时，信号mos g1,g2的源极输出低电平，LC振荡电路与全桥电路接通；
当控制pin3,pin4输出低电平时，信号mos g3,g4的源极输出低电平，LC振荡电路与整流滤波电路接通。
一种可双向工作的无线电能传输方法，利用上述的系统，包括如下步骤：
(1)、控制及通信模块对电源模块，双向DC-DC模块，逆变及整流模块的状态进行设置；
当系统充电时，控制模块设置电源模块为充电状态，双向DC-DC模块为BUCK状态，逆变及整流模块为整流状态；
当系统放电时，控制模块设置电源模块为放电状态，双向DC-DC模块为BOOST状态，逆变及整流模块为逆变状态；
设定电源模块的电池容量为C，电量为E，当系统电量E<5％C时，系统无法进入放电状态；
(2)、系统设定为充电或放电状态后，进行试充或试放电，系统根据接收端的电压电流进行判断，是否符合系统电能收发情况，如果符合进入充电或者放电状态；
(3)、设定系统充电最大功率为Pmax，最小充电功率为Pmin，恒定工作温度为Tw在系统充电过程中，根据电源模块中电池特性曲线，调整发射功率，从而让电压电流符合特性曲线变化。
作为接收端的双向无线电能传输装置，则向发送端发送增大或者减小发射功率请求，得到发射端的确认请求状态信息，将状态信息发送到发射端。作为发射端的双向无线无线电能传输装置，收到功率请求信息后，发回确认信息以及请求获得接收端状态信息，发射端根据状态信息对功率进行调整。
如果接收不接受功率调整，则调整发射功率为75％，当电源模块内芯片温度检测引脚，经过检测得到工作温度T＞2.3Tw时，则判断为充电结束；如果系统接受功率调整，则当接受端发射的功率需求P＜Pmin则判断为充电结束；
(4)、设此时接收端功率要求P，上一次功率请求为P-1，当|P-P-1|>0.4Pmax则判断为充电异常，重新进入步骤(1)。
本发明结合双向DC-DC转换和磁耦合无线充电，使得充电过程更加的方便安全，同时可以加入到便携设备中，无需增加电源线，便可以直接进行充电。
附图说明
图1是本发明的系统框图；
图2是系统工作流程图；
图3是逆变及整流模块的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种可双向工作的无线电能传输系统，所述系统包括电源模块，双向DC-DC变换器，逆变及整流模块，谐振电路及传输线圈，控制及通信模块；
所述双向DC-DC变换器和逆变及整流模块，协同工作实现电能的双向传输，在对其他系统进行无线充电的过程中，由双向DC-DC变换器启动BOOST功能，逆变及整流模块启动逆变功能，电能经过谐振电路及线圈传输到下一级系统中；在其他系统对本系统进行充电的过程中，电能经过谐振电路及线圈，启动逆变整流模块中的整流功能，双向DC-DC变换器中的BUCK功能，对电源模块进行充电；
所述控制及通信模块用于负责系统的整体的工作过程控制及与外部系统的数据通信。
如图3所示，上述逆变及整流模块由全桥逆变电路及整流电路组成；所述控制及通信模块通过四个信号mos管控制四个开关mos管的通断选择逆变或者整流功能；
当处于放电状态时，选择全桥逆变电路，接入BOOST电路，输出高频交流；当处于充电状态时，选择整流电路，电路中由高频交流变为直流，接入BUCK电路；
上述控制及通信模块中的四个引脚控制四个信号mos管g1,g2,g3,g4；
当控制pin1,pin2输出低电平的时，信号mos g1,g2的源极输出低电平，LC振荡电路与全桥电路接通；
当控制pin3,pin4输出低电平时，信号mos g3,g4的源极输出低电平，LC振荡电路与整流滤波电路接通。
如图2所示，一种可双向工作的无线电能传输方法，利用上述的系统，包括如下步骤：
(1)、控制及通信模块对电源模块，双向DC-DC模块，逆变及整流模块的状态进行设置；
当系统充电时，控制模块设置电源模块为充电状态，双向DC-DC模块为BUCK状态，逆变及整流模块为整流状态；
当系统放电时，控制模块设置电源模块为放电状态，双向DC-DC模块为BOOST状态，逆变及整流模块为逆变状态；
设定电源模块的电池容量为C，电量为E，当系统电量E<5％C时，系统无法进入放电状态；
(2)、系统设定为充电或放电状态后，进行试充或试放电，系统根据接收端的电压电流进行判断，是否符合系统电能收发情况，如果符合进入充电或者放电状态；
(3)、设定系统充电最大功率为Pmax，最小充电功率为Pmin，恒定工作温度为Tw在系统充电过程中，根据电源模块中电池特性曲线，调整发射功率，从而让电压电流符合特性曲线变化。
作为接收端的双向无线电能传输装置，则向发送端发送增大或者减小发射功率请求，得到发射端的确认请求状态信息，将状态信息发送到发射端。作为发射端的双向无线无线电能传输装置，收到功率请求信息后，发回确认信息以及请求获得接收端状态信息，发射端根据状态信息对功率进行调整。
如果接收不接受功率调整，则调整发射功率为75％，当电源模块内芯片温度检测引脚，经过检测得到工作温度T＞2.3Tw时，则判断为充电结束；如果系统接受功率调整，则当接受端发射的功率需求P＜Pmin则判断为充电结束；
(4)、设此时接收端功率要求P，上一次功率请求为P-1，当|P-P-1|>0.4Pmax则判断为充电异常，重新进入步骤(1)。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种可双向工作的无线电能传输系统，其特征在于：所述系统包括电源模块，双向DC-DC变换器，逆变及整流模块，谐振电路及传输线圈，控制及通信模块；
所述双向DC-DC变换器和逆变及整流模块，协同工作实现电能的双向传输，在对其他系统进行无线充电的过程中，由双向DC-DC变换器启动BOOST功能，逆变及整流模块启动逆变功能，电能经过谐振电路及线圈传输到下一级系统中；在其他系统对本系统进行充电的过程中，电能经过谐振电路及线圈，启动逆变整流模块中的整流功能，双向DC-DC变换器中的BUCK功能，对电源模块进行充电；
所述控制及通信模块用于负责系统的整体的工作过程控制及与外部系统的数据通信。
2.根据权利要求1所述的一种可双向工作的无线电能传输系统，其特征在于：所述逆变及整流模块由全桥逆变电路及整流电路组成；所述控制及通信模块通过四个信号mos管控制四个开关mos管的通断选择逆变或者整流功能；
当处于放电状态时，选择全桥逆变电路，接入BOOST电路，输出高频交流；当处于充电状态时，选择整流电路，电路中由高频交流变为直流，接入BUCK电路。
3.根据权利要求2所述的一种可双向工作的无线电能传输系统，其特征在于：所述控制及通信模块中的四个引脚控制四个信号mos管g1,g2,g3,g4；
当控制pin1,pin2输出低电平的时，信号mos g1,g2的源极输出低电平，LC振荡电路与全桥电路接通；
当控制pin3,pin4输出低电平时，信号mos g3,g4的源极输出低电平，LC振荡电路与整流滤波电路接通。
4.一种可双向工作的无线电能传输方法，其特征在于利用权利要求1所述的系统，包括如下步骤：
(1)、控制及通信模块对电源模块，双向DC-DC模块，逆变及整流模 块的状态进行设置；
当系统充电时，控制模块设置电源模块为充电状态，双向DC-DC模块为BUCK状态，逆变及整流模块为整流状态；
当系统放电时，控制模块设置电源模块为放电状态，双向DC-DC模块为BOOST状态，逆变及整流模块为逆变状态；
设定电源模块的电池容量为C，电量为E，当系统电量E<5％C时，系统无法进入放电状态；
(2)、系统设定为充电或放电状态后，进行试充或试放电，系统根据接收端的电压电流进行判断，是否符合系统电能收发情况，如果符合进入充电或者放电状态；
(3)、设定系统充电最大功率为Pmax，最小充电功率为Pmin，恒定工作温度为Tw在系统充电过程中，根据电源模块中电池特性曲线，调整发射功率，从而让电压电流符合特性曲线变化。
作为接收端的双向无线电能传输装置，则向发送端发送增大或者减小发射功率请求，得到发射端的确认请求状态信息，将状态信息发送到发射端。作为发射端的双向无线无线电能传输装置，收到功率请求信息后，发回确认信息以及请求获得接收端状态信息，发射端根据状态信息对功率进行调整。
如果接收不接受功率调整，则调整发射功率为75％，当电源模块内芯片温度检测引脚，经过检测得到工作温度T＞2.3Tw时，则判断为充电结束；如果系统接受功率调整，则当接受端发射的功率需求P＜Pmin则判断为充电结束；
(4)、设此时接收端功率要求P，上一次功率请求为P-1，当|P-P-1|>0.4Pmax则判断为充电异常，重新进入步骤(1)。
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