CN106059108A - 一种充电效率高的自适应无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充电效率高的自适应无线充电系统，包括功率发射端和功率接收端；所述功率发射端包括依次相连的发射端电源单元、发射端处理器单元、功率控制单元、功率振荡单元和电磁发射线圈，所述发射端电源单元电性连接至功率控制单元；所述功率接收端包括依次相连的电磁接收线圈、整流稳压模块、机载电池、电池信息监测单元和接收端处理器单元，电磁接收线圈与电磁发射线圈耦合连接，形成功率传输通道，所述功率接收端还包括接收端无线通讯单元，功率发射端还包括与接收端无线通讯单元相配合的发射端无线通讯单元。该自适应无线充电系统提升充电装置和电池的兼容性，提高了充电效率。

Description

一种充电效率高的自适应无线充电系统

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，具体是一种充电效率高的自适应无线充电系统。

背景技术

无线传能技术包括至少以下三个方向：电磁感应、微波、电磁共振。

电磁感应通过送电线圈和接收线圈之间传输电力。当送电线圈中有交变电流通过时，发送（初级）、接收（次级）两线圈之间产生交替变化的磁束，由此在次级线圈产生随磁束变化的感应电动势，通过接收线圈端子对外输出交变电流。而目前存在的问题是：送电距离比较短（约100mm左右），并且送电与接受两部分出现较大偏差时，则电力传输效率就会明显下降；功率大小与线圈尺寸直接相关。

微波方式使用2.45GHz的电波发生装置传送电力，发送装置与微波炉使用的“磁控管”基本相同。传送的微波也是交流电波，可用天线在不同方向接收，用整流电路转换成直流电为电池充电。为防止充电时微波外漏，充电部分装有金属屏蔽装置。使用中，送电与接收之间的有效屏蔽可防止微波外漏。目前存在的主要问题是，磁控管产生微波时的效率过低，造成许多电力变为热能被白白消耗。

而电磁共振耦合方式主要由电源、电力输出、电力接收、整流器等主要部分组成，原理与电磁感应方式基本相同。与电磁感应充电方式不同之处在于，磁共振方式加装了一个高频驱动电源，采用兼备线圈和电容器的LC共振电路，而并非由简单线圈构成送电和接收两个单元。共振频率的数值，会随送电与接收单元之间距离的变化而改变。当传送距离发生改变时，传输效率也会像电磁感应一样迅速降低。为此，可通过控制电路调整共振频率，使两个单元的电路发生共振。在控制回路的作用下改变传送与接收的频率，可将电力传送距离增大至数米左右，同时将两单元电路的电阻降至最小以提高传送效率。与电磁感应不同的是，电磁共振所使用的频道往往大于磁感应频段，或至少并不是磁感应时所使用的频段。由于发射端和接收端要匹配才能无线充电，对充电对象具有局限性，只能对和发射端匹配的设备才可以，如果不匹配就不能够充电，制约了充电无线充电的进一步推广。另外，现有的无线充电方式存在无法自动判断、识别适应电池使用的通信协议，兼容性差，使用率低，无法对无线供电的发射功率进行控制等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种充电效率高的自适应无线充电系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种充电效率高的自适应无线充电系统，包括功率发射端和功率接收端；所述功率发射端包括依次相连的发射端电源单元、发射端处理器单元、功率控制单元、功率振荡单元和电磁发射线圈，所述发射端电源单元电性连接至功率控制单元，发射端电源单元为发射端处理器单元和功率控制单元提供输入电压；所述功率接收端包括依次相连的电磁接收线圈、整流稳压模块、机载电池、电池信息监测单元和接收端处理器单元，电磁接收线圈与电磁发射线圈耦合连接，形成功率传输通道，所述功率接收端还包括接收端无线通讯单元，接收端无线通讯单元连接接收端处理器单元，功率发射端还包括与接收端无线通讯单元相配合的发射端无线通讯单元，发射端无线通讯单元连接发射端处理器单元，发射端处理器单元通过发射端无线通讯单元与接收端无线通讯单元的配合通讯连接至接收端处理器单元，发射端处理器单元与接收端处理器单元之间形成信息传递通道；

所述电池信息监测单元电性连接机载电池，电池信息监测单元获取机载电池的电池状态信息，并将获取的电池状态信息发送至接收端处理器单元，接收端处理器单元对电池状态信息进行调制，并将调制后的电池状态信息通过信息传递通道发送至发射端处理器单元，发射端处理器单元对获取的电池状态信息进行解调，并将解调后的电池状态信息发送给功率控制单元，功率控制单元对电池状态信息进行处理，并根据处理结果控制调整功率振荡单元的发射功率，功率振荡单元将发射端电源单元的输出功率振荡为高频振荡磁场，电磁发射线圈与电磁接收线圈通过耦合作用传输振荡功率，电磁接收线圈获取的振荡功率经整流稳压模块调整并传输至机载电池。

作为本发明进一步的方案：所述功率控制单元包括协议获取器、协议转换器和控制模块，协议获取器、协议转换器和控制模块依次相连。

作为本发明再进一步的方案：所述功率发射端还包括发射端频率控制单元和发射线圈补偿单元，发射端频率控制单元一端连接发射端处理器单元，另一端连接发射线圈补偿单元，发射线圈补偿单元的另一端连接电磁发射线圈，所述功率发射端通过发射端频率控制单元和发射线圈补偿单元的配合使功率发射端的发射频率与功率接收端的接收频率始终保持一致。

作为本发明再进一步的方案：所述功率接收端还包括接收端频率控制单元和接收线圈补偿单元，接收端频率控制单元一端连接接收端处理器单元，另一端连接接收线圈补偿单元，接收线圈补偿单元另一端连接电磁接收线圈，功率接收端通过接收端频率控制单元和接收线圈补偿单元的配合使功率接收端的接收频率与功率发射端的发射频率始终保持一致。

作为本发明再进一步的方案：所述电磁发射线圈的发射频率为100kHz-100MHz。

作为本发明再进一步的方案：所述发射端无线通讯单元与接收端无线通讯单元之间的通讯频率为433MHz。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、该自适应无线充电系统能自动判断、识别并且适应电池使用的通信协议，大大提升充电装置和电池的兼容性，有效扩展充电装置的适用范围；2、该自适应无线充电系统能够使发射端和接收端的频率始终一致，使发射端和接收端始终保持良好的匹配性，提高了充电效率，且能够延长充电距离。

附图说明

图1为充电效率高的自适应无线充电系统的结构示意图。

图2为充电效率高的自适应无线充电系统中功率控制单元的结构示意图。

图3为充电效率高的自适应无线充电系统中功率振荡单元、功率控制单元和发射端处理器单元7的作用关系示意图。

图中：1-功率发射端、2-电磁发射线圈、3-功率振荡单元、4-功率控制单元、5-发射端电源单元、6-发射端无线通讯单元、7-发射端处理器单元、8-发射端频率控制单元、9-发射线圈补偿单元、10-功率接收端、11-接收线圈补偿单元、12-接收端频率控制单元、13-接收端无线通讯单元、14-接收端处理器单元、15-电池信息监测单元、16-机载电池、17-整流稳压模块、18-电磁接收线圈、41-协议获取器、42-协议转换器、43-控制模块。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-3，一种充电效率高的自适应无线充电系统，包括功率发射端1和功率接收端10；所述功率发射端1包括依次相连的发射端电源单元5、发射端处理器单元7、功率控制单元4、功率振荡单元3和电磁发射线圈2，所述发射端电源单元5电性连接至功率控制单元4，发射端电源单元5为发射端处理器单元7和功率控制单元4提供输入电压；所述功率接收端10包括依次相连的电磁接收线圈18、整流稳压模块17、机载电池16、电池信息监测单元15和接收端处理器单元14，电磁接收线圈18与电磁发射线圈2耦合连接，形成功率传输通道，所述功率接收端10还包括接收端无线通讯单元13，接收端无线通讯单元13连接接收端处理器单元14，功率发射端1还包括与接收端无线通讯单元13相配合的发射端无线通讯单元6，发射端无线通讯单元6连接发射端处理器单元7，发射端处理器单元7通过发射端无线通讯单元6与接收端无线通讯单元13的配合通讯连接至接收端处理器单元14，发射端处理器单元7与接收端处理器单元14之间形成信息传递通道；

所述电池信息监测单元15电性连接机载电池16，电池信息监测单元15获取机载电池16的电池状态信息，并将获取的电池状态信息发送至接收端处理器单元14，接收端处理器单元14对电池状态信息进行调制，并将调制后的电池状态信息通过信息传递通道发送至发射端处理器单元7，发射端处理器单元7对获取的电池状态信息进行解调，并将解调后的电池状态信息发送给功率控制单元4，功率控制单元4对电池状态信息进行处理，并根据处理结果控制调整功率振荡单元3的发射功率，功率振荡单元3将发射端电源单元5的输出功率振荡为高频振荡磁场，电磁发射线圈2与电磁接收线圈18通过耦合作用传输振荡功率，电磁接收线圈18获取的振荡功率经整流稳压模块17调整并传输至机载电池16，实现机载电池16的充电，电池信息监测单元15再次获取机载电池16的电池状态信息，如此形成一个循环，从而使该自适应无线充电系统在充电过程中，能够不断根据机载电池16的状态调整电磁发射线圈2与电磁接收线圈18之间的传输功率，实现了对发射功率的调整，本实施例中，优选的，所述电磁发射线圈2的发射频率为100kHz-100MHz，所述发射端无线通讯单元6与接收端无线通讯单元13之间的通讯频率为433MHz；

所述功率控制单元4包括协议获取器41、协议转换器42和控制模块43，协议获取器41、协议转换器42和控制模块43依次相连，协议获取器41检测机载电池16所使用的通信协议，协议转换器42将机载电池16通信协议转换为发射端所用通信协议，获取电池信息，控制模块43分析所获得的电池信息，并控制功率振荡单元3。充电连接开始时，接收端处理器单元14信息发送至协议获取器41，随后协议转换器42将电池通信协议转换成发射端通信协议，发送给控制模块43，完成充电连接，开始进行充电。所述功率控制单元4根据所接收的电池协议信息，自动适应机载电池16的充电协议，同时依据传回的实时电压信息，控制功率振荡单元3的发射功率大小，从而实现控制功率发射端1的发射功率。

所述功率发射端1还包括发射端频率控制单元8和发射线圈补偿单元9，发射端频率控制单元8一端连接发射端处理器单元7，另一端连接发射线圈补偿单元9，发射线圈补偿单元9的另一端连接电磁发射线圈2，所述功率发射端1通过发射端频率控制单元8和发射线圈补偿单元9的配合使功率发射端1的发射频率与功率接收端10的接收频率始终保持一致；

所述功率接收端10还包括接收端频率控制单元12和接收线圈补偿单元11，接收端频率控制单元12一端连接接收端处理器单元14，另一端连接接收线圈补偿单元11，接收线圈补偿单元11另一端连接电磁接收线圈18，功率接收端10通过接收端频率控制单元12和接收线圈补偿单元11的配合使功率接收端10的接收频率与功率发射端1的发射频率始终保持一致；

所述接收线圈补偿单元11，由于匹配功率在100kHz-100MHz之间，功率接收端10的线圈电路需要在电感和/或电容值等参数进行改变，以产生在这些频段中的共振频率。

所述接收端频率控制单元12，利用发射端无线通讯单元6与接收端无线通讯单元13之间组成的信息传递通道，接收端频率控制单元12可以通知发射端处理器单元7或接受来自功率发射端1的频率改变信息，从而即刻发出频率调整的命令，控制接收线圈补偿单元11，使功率接收端10的接收频率与功率发射端1的发射频率始终保持一致。

所述发射线圈补偿单元9，该单元为了与接收线圈补偿单元11频率始终保持一致，需要对电磁发射线圈2做出补偿。如当获悉电磁接收线圈18发生变化，即负载改变，则本单元也随即进行调整成与电磁接收线圈18一样频率的补偿。

所述发射端频率控制单元8，作用类似于接收端频率控制单元12，该单元用于对频率变化做出相应调整。

如果移走该接收端而换之以基于其他共振频率无线充电技术的接收端设备。则原来的功率发射端1发射的能量无法被基于不同技术路线的设备所采用。因此，所述功率接收端10利用发射端无线通讯单元6与接收端无线通讯单元13之间组成的信息传递通道，告知功率发射端1，功率发射端1对发射端频率控制单元8发出指令，并进而通过发射线圈补偿单元9改变自身频率，并使得电磁发射线圈2与电磁接收线圈18之间重新产生共振。

所述自适应无线充电系统能自动判断、识别并且适应电池使用的通信协议，大大提升充电装置和电池的兼容性，有效扩展充电装置的适用范围；所述自适应无线充电系统能够使发射端和接收端的频率始终一致，使发射端和接收端始终保持良好的匹配性，提高了充电效率，且能够延长充电距离。

上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种充电效率高的自适应无线充电系统，其特征在于，包括功率发射端（1）和功率接收端（10）；所述功率发射端（1）包括依次相连的发射端电源单元（5）、发射端处理器单元（7）、功率控制单元（4）、功率振荡单元（3）和电磁发射线圈（2），所述发射端电源单元（5）电性连接至功率控制单元（4）；所述功率接收端（10）包括依次相连的电磁接收线圈（18）、整流稳压模块（17）、机载电池（16）、电池信息监测单元（15）和接收端处理器单元（14），电磁接收线圈（18）与电磁发射线圈（2）耦合连接，并配合形成功率传输通道，所述功率接收端（10）还包括接收端无线通讯单元（13），接收端无线通讯单元（13）连接接收端处理器单元（14），功率发射端（1）还包括与接收端无线通讯单元（13）相配合的发射端无线通讯单元（6），发射端无线通讯单元（6）连接发射端处理器单元（7），发射端处理器单元（7）通过发射端无线通讯单元（6）与接收端无线通讯单元（13）的配合通讯连接至接收端处理器单元（14），发射端处理器单元（7）与接收端处理器单元（14）之间形成信息传递通道；

所述电池信息监测单元（15）电性连接机载电池（16），电池信息监测单元（15）获取机载电池（16）的电池状态信息，并将获取的电池状态信息发送至接收端处理器单元（14），接收端处理器单元（14）对电池状态信息进行调制，并将调制后的电池状态信息通过信息传递通道发送至发射端处理器单元（7），发射端处理器单元（7）对获取的电池状态信息进行解调，并将解调后的电池状态信息发送给功率控制单元（4），功率控制单元（4）对电池状态信息进行处理，并根据处理结果控制调整功率振荡单元（3）的发射功率，功率振荡单元（3）将发射端电源单元（5）的输出功率振荡为高频振荡磁场，电磁发射线圈（2）与电磁接收线圈（18）通过耦合作用传输振荡功率，电磁接收线圈（18）获取的振荡功率经整流稳压模块（17）调整并传输至机载电池（16）。

2.根据权利要求1所述的充电效率高的自适应无线充电系统，其特征在于，所述功率控制单元（4）包括协议获取器（41）、协议转换器（42）和控制模块（43），协议获取器（41）、协议转换器（42）和控制模块（43）依次相连。

3.根据权利要求2所述的充电效率高的自适应无线充电系统，其特征在于，所述功率发射端（1）还包括发射端频率控制单元（8）和发射线圈补偿单元（9），发射端频率控制单元（8）一端连接发射端处理器单元（7），另一端连接发射线圈补偿单元（9），发射线圈补偿单元（9）的另一端连接电磁发射线圈（2），所述功率发射端（1）通过发射端频率控制单元（8）和发射线圈补偿单元（9）的配合使功率发射端（1）的发射频率与功率接收端（10）的接收频率始终保持一致。

4.根据权利要求2所述的充电效率高的自适应无线充电系统，其特征在于，所述功率接收端（10）还包括接收端频率控制单元（12）和接收线圈补偿单元（11），接收端频率控制单元（12）一端连接接收端处理器单元（14），另一端连接接收线圈补偿单元（11），接收线圈补偿单元（11）另一端连接电磁接收线圈（18），功率接收端（10）通过接收端频率控制单元（12）和接收线圈补偿单元（11）的配合使功率接收端（10）的接收频率与功率发射端（1）的发射频率始终保持一致。

5.根据权利要求3或4所述的充电效率高的自适应无线充电系统，其特征在于，所述电磁发射线圈（2）的发射频率为100kHz-100MHz。

6.根据权利要求3或4所述的充电效率高的自适应无线充电系统，其特征在于，所述发射端无线通讯单元（6）与接收端无线通讯单元（13）之间的通讯频率为433MHz。