CN106059107A - 无线充电装置 - Google Patents

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    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H02J7/007188—Regulation of charging or discharging current or voltage the charge cycle being controlled or terminated in response to non-electric parameters
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Abstract

一种无线充电装置，包括：控制模块，输入模块，第一整流模块，第一变换模块，初级补偿模块，一次侧耦合线圈，第一识别模块，次级补偿模块，二次侧耦合线圈，第二整流模块，第二识别模块，负载模块，通过一、二次侧的补偿模块来充分调节电能质量，通过识别模块来对无线充电过程进行控制，确保所述无线充电系统高效、安全、可靠地运行。

Description

无线充电装置
技术领域
本发明涉及无线充电领域，具体是一种应用于电网的无线充电装置。
背景技术
随着人工智能技术的不断发展，类似机器人这样的智能装置广泛应用于各行各业，尤其在一些高危敏感的作业区域，使用智能装置可以提高工作效率和可靠性。就电力系统领域来说，使用智能装置获取换流站现场活动的信息并与换流站设备上安装的固定状态测量装置采集的数据进行对比，提前掌握设备健康状况、发现设备运行过程的变化趋势，智能装置与操作人员相比在稳定性和可靠性上具有很多优势。但是智能装置的工作离不开电池稳定可靠的供电，因此需要满足智能装置供电电池能够快速、方便地实现电池的充电。目前，其电池充电方法主要有两种：有线充电(接触式充电)和无线充电(非接触式充电)，其中，有线充电的能量转化率远高于无线充电，但是，因无线充电技术能有效克服有线充电技术存在的设备移动灵活性差、环境不美观、容易产生接触火花、供电线暴露等问题，能够消除安全隐患，提高供电过程的安全性，无线充电技术受到推崇。目前，无线电能传输大致可分为：电磁感应式、电磁辐射式和磁耦合谐振式；电磁感应式属于松散式耦合结构，类似于分离变压器，其系统能耗达到40％左右，能量转换率低；电磁辐射式是一种远场辐射能量传输，易发散，传输效率低，传输功率为毫瓦级，且易对人体产生危害；磁耦合谐振式可以在几米的范围内实现高效能量传输。
磁耦合谐振电路是利用两个发生谐振的电路感应磁场变化，实现能量传递。根据谐振耦合电路的工作原理不难得出，当发射回路与接收回路谐振频率一致时，大部分能量由发射回路传递到接收回路，可实现电能的高效传输。但是磁耦合无线充电技术在工作过程中容易出现过压、过流和过热的现象，会损坏磁耦合线圈的性能，影响使用寿命，还容易触发安全问题，因此有必要对换流站使用的磁耦合无线充电系统进行硬件和软件的优化，通过电路的改良和控制优化来提高其安全性和稳定性，延长使用寿命。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种在换流站电能无线传输中，能够确保发射电路与接收电路安全可靠的无线充电系统。本发明采用技术方案如下：一种无线充电装置，包括：
输入模块，具有输入端口和开关器件，用于从换流站的交流母线获取工频的交流电源；
第一整流模块，采用功率开关器件，用于将输入模块输入的交流电源整流为直流电源，并将该直流电源的输出电压控制在额定电压等级；
第一变换模块，用于将第一整流模块输出的额定电压等级的直流电源变换为高频交流电源；
初级补偿模块，用于完成初级线圈侧的无功补偿，其在第一变换模块的输出端串联电感以及并联电容；
一次侧耦合线圈，当经过初级补偿模块补偿的交流电源输入时，在一次侧耦合线圈产生自磁通和自磁链，并产生自感电压；
第一识别模块，取样一次侧耦合线圈的电压大小变化并反馈给控制模块，其包括电压传感器、电流传感器、温度传感器；所述第一识别模块的电压传感器实时检测一次级侧耦合线圈的工作电压V11的大小，若工作电压低于第一起始电压阈值V10，则一次侧电路的开关电路控制输入模块停止供电；若一次侧耦合线圈的工作电压V11大于起始电压阈值V10且小于第二电压阈值V12，则一次侧电路的开关电路控制无线充电系统的输入模块继续输入电源，若一次侧耦合线圈的工作电压V11大于第三电压阈值V13，则控制二次侧电路降低负载容量，其中V10<V12<V13；
控制模块，用于接收无线充电系统的电路状态信息，并根据状态信息进行判断和发出控制指令，所述电路状态信息包括电压信号、电流信号、温度信号。
所述无线充电装置还包括：
次级补偿模块，用于次级线圈侧的无功补偿，其在第一变换模块的输出端串联电感以及并联电容；
二次侧耦合线圈，用于耦合一次级侧线圈产生的电磁场并进而转换成电能，其输出端连接次级补偿模块的输入端；
第二整流模块，采用功率开关器件，用于将次级补偿模块输出的交流电源整流为直流电源，并将该直流电源的输出电压控制在额定电压等级；
第二识别模块，取样次级侧线圈的电压大小变化并反馈给控制模块，其包括电压传感器、电流传感器、温度传感器。
负载模块，具有输入端口和开关器件，用于消耗第二整流模块输出的直流电能。
所述输入模块、第一整流模块、第一变换模块、初级补偿模块、一次侧耦合线圈、第一识别模块组成一次侧电路。
所述次级补偿模块、二次级侧耦合线圈、第二整流模块、第二识别模块组成二次侧电路。
第一识别模块和第二识别模块均连接无线充电系统的控制模块。
所述一次侧电路还包括：开关电路、滤波电路、稳压电路、驱动电路、谐振电路，所述滤波电路包括至少一个电容、所述稳压电路至少包括齐纳二极管、三极管、电阻，所述稳压电路采用LM317集成稳压芯片，其还包括输入电容、输出电容、调压电阻，所述驱动电路包括单片机构成的控制单元、所述谐振电路为LC并联谐振电路。
所述二次侧电路还包括：谐振电路、MOS开关管构成的开关电路、降压稳压电路、驱动电路，所述降压稳压电路用于使二次侧输出的电压能够满足负载的电压要求，所述驱动电路包括单片机构成的控制单元。
所述第二识别模块的电压传感器实时检测二次侧耦合线圈的工作电压V21，若工作电压低于第二起始电压阈值V20，则二次侧电路的开关电路控制二次侧电路停止工作；若二侧耦合线圈的工作电压V21大于第二起始电压阈值V20且小于第四电压阈值V24，则二次侧电路的开关电路控制无线充电系统的二次侧电路继续工作，若二次侧耦合线圈的工作电压V21大于第五电压阈值V25，则控制二次侧电路降低负载容量，其中V20<V24<V25。
本发明的有益效果是：通过无线充电系统硬件电路的优化使得电路结构更加合理完善，在一次侧和二次侧均设置补偿模块充分提高电路的电能质量，使得电能质量双侧呼应，有效降低谐波影响；通过设置一次侧和二次侧的识别模块，能够有效监控磁耦合线圈的工作状态，并根据监控的状态信息实时作出电路调节，有效提高了电路的效率、安全性、可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本申请的系统结构图，
图2为本申请一次侧电路的稳压电路的电路拓扑。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种无线充电装置，包括：
输入模块，具有输入端口和开关器件，用于从换流站的交流母线获取工频的交流电源；
第一整流模块，采用功率开关器件，用于将输入模块输入的交流电源整流为直流电源，并将该直流电源的输出电压控制在额定电压等级；
第一变换模块，用于将第一整流模块输出的额定电压等级的直流电源变换为高频交流电源；
初级补偿模块，用于完成初级线圈侧的无功补偿，其在第一变换模块的输出端串联电感以及并联电容；
一次侧耦合线圈，当经过初级补偿模块补偿的交流电源输入时，在一次侧耦合线圈产生自磁通和自磁链，并产生自感电压；
第一识别模块，取样一次侧耦合线圈的电压大小变化并反馈给控制模块，其包括电压传感器、电流传感器、温度传感器；
控制模块，用于接收无线充电系统的电路状态信息，并根据状态信息进行判断和发出控制指令，所述电路状态信息包括电压信号、电流信号、温度信号。
所述无线充电装置还包括：
次级补偿模块，用于次级线圈侧的无功补偿，其在第一变换模块的输出端串联电感以及并联电容；
二次侧耦合线圈，用于耦合一次级侧线圈产生的电磁场并进而转换成电能，其输出端连接次级补偿模块的输入端；
第二整流模块，采用功率开关器件，用于将次级补偿模块输出的交流电源整流为直流电源，并将该直流电源的输出电压控制在额定电压等级；
第二识别模块，取样次级侧线圈的电压大小变化并反馈给控制模块，其包括电压传感器、电流传感器、温度传感器。
负载模块，具有输入端口和开关器件，用于消耗第二整流模块输出的直流电能。
所述输入模块、第一整流模块、第一变换模块、初级补偿模块、一次侧耦合线圈、第一识别模块组成一次侧电路。
所述次级补偿模块、二次级侧耦合线圈、第二整流模块、第二识别模块组成二次侧电路。
第一识别模块和第二识别模块均连接无线充电系统的控制模块。
所述一次侧电路还包括：开关电路、滤波电路、稳压电路、驱动电路、谐振电路，所述滤波电路包括至少一个电容、所述稳压电路至少包括齐纳二极管、三极管、电阻，所述稳压电路采用LM317集成稳压芯片，其还包括输入电容、输出电容、调压电阻，所述驱动电路包括单片机构成的控制单元、所述谐振电路为LC并联谐振电路。
所述二次侧电路还包括：谐振电路、MOS开关管构成的开关电路、降压稳压电路、驱动电路，所述降压稳压电路用于使二次侧输出的电压能够满足负载的电压要求，所述驱动电路包括单片机构成的控制单元。
所述第一识别模块的电压传感器实时检测一次级侧耦合线圈的工作电压V11的大小，若工作电压低于第一起始电压阈值V10，则一次侧电路的开关电路控制输入模块停止供电；若一次侧耦合线圈的工作电压V11大于起始电压阈值V10且小于第二电压阈值V12，则一次侧电路的开关电路控制无线充电系统的输入模块继续输入电源，若一次侧耦合线圈的工作电压V11大于第三电压阈值V13，则控制二次侧电路降低负载容量，其中V10<V12<V13。
所述第二识别模块的电压传感器实时检测二次侧耦合线圈的工作电压V21，若工作电压低于第二起始电压阈值V20，则二次侧电路的开关电路控制二次侧电路停止工作；若二侧耦合线圈的工作电压V21大于第二起始电压阈值V20且小于第四电压阈值V24，则二次侧电路的开关电路控制无线充电系统的二次侧电路继续工作，若二次侧耦合线圈的工作电压V21大于第五电压阈值V25，则控制二次侧电路降低负载容量，其中V20<V24<V25。
所述第一识别模块的电流传感器实时检测一次侧耦合线圈的电流大小并发送至控制模块进行判断，若检测到电流大于预设的电流阈值I1，则调节负载变小或增大整流模块的输出电压；所述第一识别模块的温度传感器实时检测一次侧耦合线圈的温度大小，若检测到一次侧耦合线圈的实时温度大于预设的温度阈值T1超过5分钟，则控制模块发出指令调节负载变小。
所述第一识别模块设置有电流报警指示器和温度报警指示器，每个指示器还配备一个互不相同的警报声音。
所述第二识别模块的电流传感器实时检测二次侧耦合线圈的电流大小并发送至控制模块进行判断，若判断该检测到的二次侧耦合线圈的电流大于预设的电流阈值I2，则同时调节负载变小；所述第二识别模块的温度传感器实时检测二次侧耦合线圈的温度大小，若检测到二次侧耦合线圈的实时温度大于预设的温度阈值T2超过1分钟，则控制模块发出指令调节负载变小。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明的权利范围，依据本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种无线充电装置，其特征在于，包括：
输入模块，具有输入端口和开关器件，用于从换流站的交流母线获取工频的交流电源；
第一整流模块，采用功率开关器件，用于将输入模块输入的交流电源整流为直流电源，并将该直流电源的输出电压控制在额定电压等级；
第一变换模块，用于将第一整流模块输出的额定电压等级的直流电源变换为高频交流电源；
初级补偿模块，用于完成初级线圈侧的无功补偿，其在第一变换模块的输出端串联电感以及并联电容；
一次侧耦合线圈，当经过初级补偿模块补偿的交流电源输入时，在一次侧耦合线圈产生自磁通和自磁链，并产生自感电压；
第一识别模块，取样一次侧耦合线圈的电压大小变化并反馈给控制模块，其包括电压传感器、电流传感器、温度传感器；所述第一识别模块的电压传感器实时检测一次级侧耦合线圈的工作电压V11的大小，若工作电压低于第一起始电压阈值V10，则一次侧电路的开关电路控制输入模块停止供电；若一次侧耦合线圈的工作电压V11大于起始电压阈值V10且小于第二电压阈值V12，则一次侧电路的开关电路控制无线充电系统的输入模块继续输入电源，若一次侧耦合线圈的工作电压V11大于第三电压阈值V13，则控制二次侧电路降低负载容量，其中V10<V12<V13；
控制模块，用于接收无线充电系统的电路状态信息，并根据状态信息进行判断和发出控制指令，所述电路状态信息包括电压信号、电流信号、温度信号。
2.根据权利要求1所述的无线充电装置，其特征在于，所述无线充电装置还包括：
次级补偿模块，用于次级线圈侧的无功补偿，其在第一变换模块的输出端串联电感以及并联电容；
二次侧耦合线圈，用于耦合一次级侧线圈产生的电磁场并进而转换成电能，其输出端连接次级补偿模块的输入端；
第二整流模块，采用功率开关器件，用于将次级补偿模块输出的交流电源整流为直流电源，并将该直流电源的输出电压控制在额定电压等级；
第二识别模块，取样次级侧线圈的电压大小变化并反馈给控制模块，其包括电压传感器、电流传感器、温度传感器；
负载模块，具有输入端口和开关器件，用于消耗第二整流模块输出的直流电能。
3.根据权利要求2所述的无线充电装置，其特征在于，所述输入模块、第一整流模块、第一变换模块、初级补偿模块、一次侧耦合线圈、第一识别模块组成一次侧电路；所述次级补偿模块、二次级侧耦合线圈、第二整流模块、第二识别模块组成二次侧电路。
4.根据权利要求3所述的无线充电装置，其特征在于，第一识别模块和第二识别模块均连接无线充电系统的控制模块。
5.根据权利要求4所述的无线充电装置，其特征在于，所述一次侧电路还包括：开关电路、滤波电路、稳压电路、驱动电路、谐振电路，所述滤波电路包括至少一个电容、所述稳压电路至少包括齐纳二极管、三极管、电阻，所述稳压电路采用LM317集成稳压芯片，其还包括输入电容、输出电容、调压电阻，所述驱动电路包括单片机构成的控制单元、所述谐振电路为LC并联谐振电路。
6.根据权利要求5所述的无线充电装置，其特征在于，所述二次侧电路还包括：谐振电路、MOS开关管构成的开关电路、降压稳压电路、驱动电路，所述降压稳压电路用于使二次侧输出的电压能够满足负载的电压要求，所述驱动电路包括单片机构成的控制单元。
7.根据权利要求6所述的无线充电装置，其特征在于，所述第二识别模块的电压传感器实时检测二次侧耦合线圈的工作电压V21，若工作电压低于第二起始电压阈值V20，则二次侧电路的开关电路控制二次侧电路停止工作；若二侧耦合线圈的工作电压V21大于第二起始电压阈值V20且小于第四电压阈值V24，则二次侧电路的开关电路控制无线充电系统的二次侧电路继续工作，若二次侧耦合线圈的工作电压V21大于第五电压阈值V25，则控制二次侧电路降低负载容量，其中V20<V24<V25。
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