CN106410980B - 无线电能传输系统和无线电能传输控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种无线电能传输系统以及无线电能传输控制方法，该无线电能传输系统包括无线发射端和无线接收端，无线发射端中的发射线圈内设磁阻传感器，并在无线发射端设置有低通滤波运放电路和比较器电路，以将磁阻传感器中的感应信号与预设信号相比较，并输入至发射端MCU中，发射端MCU根据该比较信号控制发射端的工作频率。该发明能够解决无线接收端移入或移出无线发射端时，实现无线电能传输系统的唤醒或休眠。

Description

无线电能传输系统和无线电能传输控制方法

技术领域

本发明属于电能传输领域，尤其涉及一种利用无线电传输的电能传输系统。

背景技术

无线电能传输是一种通过空间电磁场耦合进行电能传输的技术，其主要优点是不需要插拔，使用简单方便；不会产生电火花，可以在易燃易爆的工业环境中使用；可以在水中进行能量传输，可以应用到海洋装备等水下应用中。无线电能传输系统的发射端和无线电能接收端通过磁场来传递能量,两者之间不需要导线连接当接收端设备移走时,发射端应该马上停止能量传输,进入休眠待机状态,等待下一次接收端设备的到来。

目前，实现无线电能传输系统唤醒休眠多采用PING的方式，此方法通过在接收端设备移走后发射端设备采取间歇性发送信号的方式来检测接收端设备是否到来，但在系统PING的过程中依然有能量的传输，导致系统的待机功耗较高。

另外，还有一种使用磁阻传感器实现唤醒休眠的方法,该种方法通过磁阻传感器感知接收端设备移走或进入的状态，进而来实现系统的唤醒与休眠，减少了待机损耗。但是，该种方式在实际使用过程中发现，磁阻传感器非常容易受到接收端线圈中产生的高频交变电磁场的影响，从而使磁阻传感器的输出信号中既包含磁场感应物(如永磁体)的直流信号，也包括了高频交变磁场产生的高频交流信号，并且两种信号耦合在一起。尤其是当接收端设备移走时，磁阻传感器仍处于发射段线圈产生的高频交变的电磁场中，导致GMR巨磁阻传感器的输出不再是正常的高低电平信号，从而导致发射端设备无法休眠。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种无线电能传输系统和无线电能传输控制方法，该发明能够解决无线接收端移入或移出无线发射端时，无线电能传输系统的唤醒或休眠。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种无线电能传输系统，包括连接于电网的无线发射端，以及可接收无线发射端电能的无线接收端，无线发射端包括可传输无线电能的发射线圈，以及可接收通讯信号的通信接收模块；无线接收端外连负载，包括可接收发射线圈中发射电能的接收线圈，以及可将接收线圈输出电能转化为通讯信号传输至通信接收模块的通信发射模块，无线发射端还包括发射端整流滤波电路，发射端整流滤波电路的输出端连接有逆变电路，发射线圈连接逆变电路的输出端，发射线圈内设有可感应发射线圈与接收线圈位置的磁阻传感器，接收线圈内设置有磁场感应物；发射线圈上的磁阻传感器与接收线圈的磁场感应物形成感应信号，从而传感到接收线圈是否进入发射线圈的有效工作区域；磁阻传感器连接有可滤除感应信号中高频信号的低通滤波运放电路，低通滤波运放电路的输出端连接有比较器电路，比较器电路用于将滤波后感应电平信号与预设参考电压信号比较并输出比较电平信号，比较器电路的输出端连接发射端MCU，以将比较后的电平信号发送至发射端MCU；发射端MCU电连通信接收模块的输出端，以接收通信接收模块中的通讯信号，发射端MCU电连逆变电路的控制端，以控制逆变电路中转换的高频交流电频率；发射端MCU接收比较器电路发送的电平信号，根据该电平信号的高低判断无线接收端是否在工作区域内，如在工作区域内，则发射端MCU控制无线电能传输系统进入唤醒状态；如不在工作区域，则发射端MCU控制无线电能传输系统保持休眠状态。

作为本发明的进一步优化，低通滤波运放电路包括连接于磁阻传感器两个输出端的电阻R5、电阻R6，电阻R5的另一端连接有电容C1的第一端和运算放大器U1的同相输入端，电容C1的第二端接地；电阻R6的另一端连接电容C2和运算放大器U2的同相输入端，C2的第二端接地；运算放大器U1和运算放大器U2的反向输入端分别与运算放大器U1以及运算放大器U2的输出端相连接，运算放大器U1的输出端同时连接电阻R7的第一端和运算放大器U3的同相输入端，电阻R7的第二端接地，运算放大器U2的输出端同时连接电阻R8的第一端和运算放大器U3的反向输入端，电阻R8的第二端连接运算放大器U3的输出端，电容C3的第一端连接运算放大器U3的输出端，电容C3的第二端接地。

作为本发明的进一步优化，比较器电路包括连接于低通滤波运放电路输出端的电阻R9，电阻R9的另一端连接比较器U4的同相输入端，比较器U4的同相输入端经过电阻R10连接到比较器U4的输出端，比较器U4的反向输入端连接有预计参考电压输入端，电阻R10的第一端连接比较器U4的同相输入端，电阻R10的第二端连接比较器U4的输出端，比较器U4的输出端连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接电阻R11的第一端，电阻R11的第二端连接NPN型三极管Q1的基极，NPN型三极管Q1的发射极接地，集电极连接电阻R12与电阻R13的第一端，电阻R12的第二端外连电源，电阻R13的第二端输出高低电平信号，并与发射端MCU连接。

作为本发明的进一步优化，无线接收端的接收线圈连接有整流滤波电路，整流滤波电路的输出端连接接收端MCU，接收端MCU连接通信发射模块，以将转换后的数字信号传输至通信发射模块形成通讯信号。

作为本发明的进一步优化，线接收端的整流滤波电路的输出端连接有可输出恒定电压的稳压电路，稳压电路的输出端连接负载。

作为本发明的进一步优化，磁阻传感器设置于可避免电磁场干扰的发射线圈中心处。

一种无线电能传输控制方法，使用上述无线电能传输系统，包括以下步骤：

S1：启动无线电能传输系统，无线电能传输系统的无线发射端处于待机状体；

S2：发射端MCU检测是否接收到唤醒信号，如是，则执行S3，如否，则返回执行S1；

S3：发射端唤醒并以预设工作频率工作；

S4：接收端接收发射端的能量传输，并通过通信模块反馈调整发射端的工作频率；

S5：发射端MCU检测是否接收到休眠信号，如是，则返回执行S1，如否，则返回执行S4。

作为本发明的进一步优化，还包括以下步骤：发射端MCU检测是否接收到唤醒信号的步骤中，具体包括以下步骤：磁阻传感器感应无线接收端是否进入无线发射端的有效工作区域并形成感应信号，并将该感应信号发送至低通滤波运放电路中，低通滤波运放电路将该感应信号中的高频交流信号滤除，并将该放大直流信号发送至比较器电路中，该放大直流信号与预设信号比较输出比较电平信号，该比较电平信号传输至发射端MCU中，发射端MCU接收该比较电平信号，若该比较电平信号为预设唤醒信号，则输出“是”命令；反之，则输出“否”命令。

作为本发明的进一步优化，还包括以下步骤：发射端MCU检测是否接收到休眠信号的步骤中，具体包括以下步骤：磁阻传感器感应无线接收端是否进入无线发射端的有效工作区域并形成感应信号，并将该感应信号发送至低通滤波运放电路中，低通滤波运放电路将该感应信号中的高频交流信号滤除，并将该放大直流信号发送至比较器电路中，该放大直流信号与预设信号比较输出比较电平信号，该比较电平信号传输至发射端MCU中，发射端MCU接收该比较电平信号，若该比较电平信号为预设休眠信号，则输出“是”命令；反之，则输出“否”命令。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、本发明的无线电能传输系统，其通过在发射线圈内设置磁阻传感器，并通过在无线发射端设置可对磁阻传感器发送的感应信号处理的低通滤波运放电路以及比较器电路，可以解决高频交变电磁场对磁阻传感器的干扰问题，当无线接收端移入或移出无线发射端时，无线电能传输系统能够可靠地唤醒或休眠。

2、本发明的无线电能传输控制方法，当无线接收端不在工作区域中时，可使无线发射端处于待机休眠状态，具有非常低的待机功耗，更加节能环保。

附图说明

图1为本发明无线电能传输系统的框图示意图；

图2为图1中部分电路连接图；

图3为本发明无线电能传输控制方法的流程图。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

参见图1，是本发明中无线电能传输系统的框图。如图1所示，本发明的无线电能传输系统，包括连接于电网的无线发射端，以及可接收无线发射端电能的无线接收端，无线发射端包括可传输无线电能的发射线圈，以及可接收通讯信号的通信接收模块；无线接收端外连负载，包括可接收发射线圈中发射电能的接收线圈，以及可将接收线圈输出电能转化为通讯信号传输至通信接收模块的通信发射模块。通过上述发射线圈与接收线圈的设置，可实现无线电能的传输，该处的接收线圈通过磁场耦合拾取发射线圈的能量；而上述通信发射模块与通信接收模块的设置，实现了无线发送端与无线接收端之间的通讯传输，通讯传输的建立有利于无线发射端根据无线接收端负载的需求而适时改变。

进一步参见图1，无线发射端还包括发射端整流滤波电路，发射端整流滤波电路的输出端连接有逆变电路，发射线圈连接逆变电路的输出端，发射线圈内设有可感应发射线圈与接收线圈位置的磁阻传感器，接收线圈内设置有磁场感应物；发射线圈上的磁阻传感器与接收线圈的磁场感应物形成感应信号，从而传感到接收线圈是否进入发射线圈的有效工作区域；磁阻传感器连接有可滤除感应信号中高频信号的低通滤波运放电路，低通滤波运放电路的输出端连接有比较器电路，比较器电路用于将滤波后感应电平信号与预设参考电压信号比较并输出比较电平信号，比较器电路的输出端连接发射端MCU，以将比较后的电平信号发送至发射端MCU；发射端MCU电连通信接收模块的输出端，以接收通信接收模块中的通讯信号，发射端MCU电连逆变电路的控制端，以控制逆变电路中转换的高频交流电频率；发射端MCU接收比较器电路发送的电平信号，根据该电平信号的高低判断无线接收端是否在工作区域内，如在工作区域内，则发射端MCU控制无线电能传输系统进入唤醒状态；如不在工作区域，则发射端MCU控制无线电能传输系统保持休眠状态。

上述具体的，发射端MCU包括可接收电平信号的采集模块，判断采集模块中采集信号为高或低电平的判断模块，以及根据判断模块中形成的判断信号做出控制指令的控制模块，本发明中用于比较电路中的预设电流信号为实验值，该实验值为根据磁场感应物的大小和形状，以及在允许的水平和垂直位移偏差范围内感应信号的变化幅度来确定。在比较电路中，由低通滤波运放电路传递的直流信号大于预设电流信号，则输出低电平，判断模块根据该低电平信号判定接收端进入至发射端的工作区域内，判断模块将该判断信号发送至控制模块，控制模块控制逆变电路以工作频率输出；若在比较电路中，由低通滤波运放电路传递的直流信号小于预设电流信号，则输出高电平，判断模块根据该高电平信号判定接收端移出发射端的工作区域，判断模块将该判断信号发送至控制模块，控制模块控制逆变电路以待机频率输出。

参见图2，图2中显示出低通滤波运放电路以及比较器电路的电路图。具体的，低通滤波运放电路包括连接于磁阻传感器两个输出端的电阻R5、电阻R6，电阻R5的另一端连接有电容C1的第一端和运算放大器U1的同相输入端，电容C1的第二端接地；电阻R6的另一端连接电容C2和运算放大器U2的同相输入端，C2的第二端接地；运算放大器U1和运算放大器U2的反向输入端分别与运算放大器U1以及运算放大器U2的输出端相连接，运算放大器U1的输出端同时连接电阻R7的第一端和运算放大器U3的同相输入端，电阻R7的第二端接地，运算放大器U2的输出端同时连接电阻R8的第一端和运算放大器U3的反向输入端，电阻R8的第二端连接运算放大器U3的输出端，电容C3的第一端连接运算放大器U3的输出端，电容C3的第二端接地。

继续参见图2，比较器电路包括连接于低通滤波运放电路输出端的电阻R9，电阻R9的另一端连接比较器U4的同相输入端，比较器U4的同相输入端经过电阻R10连接到比较器U4的输出端，比较器U4的反向输入端连接有预计参考电压输入端，电阻R10的第一端连接比较器U4的同相输入端，电阻R10的第二端连接比较器U4的输出端，比较器U4的输出端连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接电阻R11的第一端，电阻R11的第二端连接NPN型三极管Q1的基极，NPN型三极管Q1的发射极接地，集电极连接电阻R12与电阻R13的第一端，电阻R12的第二端外连电源，电阻R13的第二端输出高低电平信号，并与发射端MCU连接。

需要说明的是，本发明中所述的工作区域是以发射线圈为中心，在适当的垂直工作距离和水平偏移条件下，并且保证系统效率及安全可靠工作的最大工作区域。

另外，上述的磁阻传感器可为霍尔磁场传感器、GMR巨磁阻传感器、红外传感器等。另外，为了使磁阻传感器的感应强度更好，接收线圈上放置的磁场感应物可为永磁体、铁磁性金属等。

同时，本发明中在无线发射端以及无线接收端均设置有电能转换电路。具体说明：无线接收端的接收线圈连接有整流滤波电路，整流滤波电路的输出端连接输出电压采样电路，以采集整流滤波电路整流后的输出电压，输出电压采样电路的输出端连接接收端MCU，接收端MCU连接通信发射模块，以将转换后的数字信号传输至通信发射模块形成通讯信号。

无线接收端外连负载，该负载可为充电负载或供电负载，一般在为负载供电时，都需要输出稳定电压，因此，无线接收端的整流滤波电路的输出端连接有可输出恒定电压的稳压电路，稳压电路的输出端连接负载。

优选的实施例，本发明中的发射线圈可在中间设置有通孔，该通孔处电磁场干扰较弱，接近式传感器可设置于可避免电磁场干扰的发射线圈中心处。

参见图3，是本发明中无线电能传输控制方法的流程图。如图3所示，本发明的无线电能传输控制方法，使用上述无线电能传输系统，包括以下步骤：

S1：启动无线电能传输系统，无线电能传输系统的无线发射端处于待机状体；

S2：发射端MCU检测是否接收到唤醒信号，如是，则执行S3，如否，则返回执行S1；

S3：发射端唤醒并以预设工作频率工作；

S4：接收端接收发射端的能量传输，并通过通信模块反馈调整发射端的工作频率；

S5：发射端MCU检测是否接收到休眠信号，如是，则返回执行S1，如否，则返回执行S4。

另外，在发射端MCU检测是否接收到唤醒信号的步骤中，具体包括以下步骤：磁阻传感器感应无线接收端是否进入无线发射端的有效工作区域并形成感应信号，并将该感应信号发送至低通滤波运放电路中，低通滤波运放电路将该感应信号中的高频交流信号滤除，并将该放大直流信号发送至比较器电路中，该放大直流信号与预设信号比较输出比较电平信号，该比较电平信号传输至发射端MCU中，发射端MCU接收该比较电平信号，若该比较电平信号为预设唤醒信号，则输出“是”命令；反之，则输出“否”命令。

在发射端MCU检测是否接收到休眠信号的步骤中，具体包括以下步骤：磁阻传感器感应无线接收端是否进入无线发射端的有效工作区域并形成感应信号，并将该感应信号发送至低通滤波运放电路中，低通滤波运放电路将该感应信号中的高频交流信号滤除，并将该放大直流信号发送至比较器电路中，该放大直流信号与预设信号比较输出比较电平信号，该比较电平信号传输至发射端MCU中，发射端MCU接收该比较电平信号，若该比较电平信号为预设休眠信号，则输出“是”命令；反之，则输出“否”命令。

上述中，预设唤醒信号以及预设休眠信号磁场感应物的大小和形状，以及在允许的水平和垂直位移偏差范围内感应信号的变化幅度，举一具体实施例进行说明，取预设电流信号为小于预设唤醒信号，大于预设休眠信号，在发射端MCU检测是否接收到唤醒信号的步骤中，发射端MCU接收比较器电路输出的比较电平信号，若为“1”，则输出“否”命令；若为“0”，则输出“是”命令；而在发射端MCU检测是否接收到休眠信号的步骤中，若比较电平信号为“1”，则输出“是”命令；若该比较电平信号为“0”，则输出“否”命令。

通过上述步骤，本发明无线电能传输控制方法，发射端的MCU会根据检测到的高低平信号，判断出接收端是否已经被移走，而不会继续依据通信模块返回的接收端状态数据，继续调节发射端的工作频率和输出增益，同时，当接收端知道发射端设备被移走时，立即控制发射端进入待机状态，初始化工作频率和输出增益。当接收端设备被连续重新放入时，发射端会按照初始状态对接收端的输出增益进行调节，不会导致接收端和发射端出现瞬态的过压或过流状态。

Claims (9)

1.一种无线电能传输系统，包括连接于电网的无线发射端，以及可接收无线发射端电能的无线接收端，无线发射端包括可传输无线电能的发射线圈，以及可接收通讯信号的通信接收模块；无线接收端外连负载，包括可接收发射线圈中发射电能的接收线圈，以及可将接收线圈输出电能转化为通讯信号传输至通信接收模块的通信发射模块，其特征在于：

无线发射端还包括发射端整流滤波电路，发射端整流滤波电路的输出端连接有逆变电路，发射线圈连接逆变电路的输出端，发射线圈内设有可感应发射线圈与接收线圈位置的磁阻传感器，接收线圈内设置有磁场感应物；发射线圈上的磁阻传感器与接收线圈的磁场感应物形成感应信号，从而传感到接收线圈是否进入发射线圈的有效工作区域；磁阻传感器连接有可滤除感应信号中高频信号的低通滤波运放电路，低通滤波运放电路的输出端连接有比较器电路，比较器电路用于将滤波后感应电平信号与预设参考电压信号比较并输出比较电平信号，比较器电路的输出端连接发射端MCU，以将比较后的电平信号发送至发射端MCU；发射端MCU电连接通信接收模块的输出端，以接收通信接收模块中的通讯信号，发射端MCU电连接逆变电路的控制端，以控制逆变电路中转换的高频交流电频率；

发射端MCU包括可接收电平信号的采集模块，判断采集模块中采集信号为高或低电平的判断模块，以及根据判断模块中形成的判断信号做出控制指令的控制模块；发射端MCU接收比较器电路发送的电平信号，根据该电平信号的高低判断无线接收端是否在工作区域内，如在工作区域内，则发射端MCU控制无线电能传输系统进入唤醒状态；如不在工作区域，则发射端MCU控制无线电能传输系统保持休眠状态。

2.根据权利要求1所述无线电能传输系统，其特征在于：低通滤波运放电路包括连接于磁阻传感器两个输出端的电阻R5、电阻R6，电阻R5的另一端连接有电容C1的第一端和运算放大器U1的同相输入端，电容C1的第二端接地；电阻R6的另一端连接电容C2和运算放大器U2的同相输入端，C2的第二端接地；运算放大器U1和运算放大器U2的反相 输入端分别与运算放大器U1以及运算放大器U2的输出端相连接，运算放大器U1的输出端同时连接电阻R7的第一端和运算放大器U3的同相输入端，电阻R7的第二端接地，运算放大器U2的输出端同时连接电阻R8的第一端和运算放大器U3的反相 输入端，电阻R8的第二端连接运算放大器U3的输出端，电容C3的第一端连接运算放大器U3的输出端，电容C3的第二端接地。

3.根据权利要求1或2所述无线电能传输系统，其特征在于：比较器电路包括连接于低通滤波运放电路输出端的电阻R9，电阻R9的另一端连接比较器U4的同相输入端，比较器U4的同相输入端经过电阻R10连接到比较器U4的输出端，比较器U4的反相 输入端连接有预设参考电压输入端，电阻R10的第一端连接比较器U4的同相输入端，电阻R10的第二端连接比较器U4的输出端，比较器U4的输出端连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接电阻R11的第一端，电阻R11的第二端连接NPN型三极管Q1的基极，NPN型三极管Q1的发射极接地，集电极连接电阻R12与电阻R13的第一端，电阻R12的第二端外连电源，电阻R13的第二端输出高低电平信号，并与发射端MCU连接。

4.根据权利要求1或2所述无线电能传输系统，其特征在于：无线接收端的接收线圈连接有整流滤波电路，整流滤波电路的输出端连接接收端MCU，接收端MCU连接通信发射模块，以将转换后的数字信号传输至通信发射模块形成通讯信号。

5.根据权利要求4所述无线电能传输系统，其特征在于：无线接收端的整流滤波电路的输出端连接有可输出恒定电压的稳压电路，稳压电路的输出端连接负载。

6.根据权利要求1所述无线电能传输系统，其特征在于：磁阻传感器设置于可避免电磁场干扰的发射线圈中心处。

7.一种无线电能传输控制方法，使用权利要求1-6中的任一项无线电能传输系统，其特征在于：包括以下步骤：

S1：启动无线电能传输系统，无线电能传输系统的无线发射端处于待机状体；

S2：发射端MCU检测是否接收到唤醒信号，如是，则执行S3，如否，则返回执行S1；

S3：发射端唤醒并以预设工作频率工作；

S4：接收端接收发射端的能量传输，并通过通信模块反馈调整发射端的工作频率；

S5：发射端MCU检测是否接收到休眠信号，如是，则返回执行S1，如否，则返回执行S4。

8.根据权利要求7所述无线电能传输控制方法，其特征在于：还包括以下步骤：发射端MCU检测是否接收到唤醒信号的步骤中，具体包括以下步骤：磁阻传感器感应无线接收端是否进入无线发射端的有效工作区域并形成感应信号，并将该感应信号发送至低通滤波运放电路中，低通滤波运放电路将该感应信号中的高频交流信号滤除，并将放大直流信号发送至比较器电路中，该放大直流信号与预设信号比较输出比较电平信号，该比较电平信号传输至发射端MCU中，发射端MCU接收该比较电平信号，若该比较电平信号为预设唤醒信号，则输出“是”命令；反之，则输出“否”命令。

9.根据权利要求8所述无线电能传输控制方法，其特征在于：还包括以下步骤：发射端MCU检测是否接收到休眠信号的步骤中，具体包括以下步骤：磁阻传感器感应无线接收端是否进入无线发射端的有效工作区域并形成感应信号，并将该感应信号发送至低通滤波运放电路中，低通滤波运放电路将该感应信号中的高频交流信号滤除，并将放大直流信号发送至比较器电路中，该放大直流信号与预设信号比较输出比较电平信号，该比较电平信号传输至发射端MCU中，发射端MCU接收该比较电平信号，若该比较电平信号为预设休眠信号，则输出“是”命令；反之，则输出“否”命令。