CN106451704A - 应用于移动终端的无线充电系统及无线充电方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于移动终端的无线充电系统，包括无线电能发射端和无线电能接收端。无线电能发射端固定设置，无线电能接收端配置在移动终端上；所述移动终端设置有移动终端控制器和移动装置，移动终端控制器与接收端微控制器通信，移动装置接收移动终端控制器的控制信号，以带动移动终端移动或转动。应用于移动终端的无线充电方法，可实现发射线圈和接收线圈θ轴向、X向、Y向多维度对准，以使发射线圈和接收线圈间获得最佳的充电效率。

Description

应用于移动终端的无线充电系统及无线充电方法

技术领域

本发明属于无线充电控制技术领域，涉及一种无线充电系统及无线充电方法。

背景技术

申请人在先申请，公开号为CN106100149A，专利名称为“无线充电系统和无线充电方法”的专利公开了一种应用于无线充电系统的无线充电方法。具体公开了一种通过控制无线充电接收端运动，以实现发射线圈和接收线圈对准，从而使无线电能发射端和无线电能接收端间电能传输效率达到最大的方法。但以上方法适用于无线电能接收端配置于不易移动物体上的无线充电，例如，电动汽车，一但电动汽车停泊好，受空间限制，很难再调整电动汽车的位置，因此，仅可以通过控制无线电能发射端的移动来调整发射线圈和接收线圈间的对准。由于无线电能发射端需要增加移动装置，增加了其成本。

现有技术中，无线电能接收端也可配置于具有移动装置的接收端上，其本身就具有移动的装置。以移动机器人的充电为例。目前机器人的充电采取的是有线充电，一种是人为来充，但这种方式背离机器人设计的初衷，智能化、自动化。另一种方式是不需要人为干预，由机器人自身通过对准，实现机器人自身电池的电极与充电电极的接触实现充电，这种方式的弊端是因为使用插头接触，当充电次数多了后，接头会发生氧化，增大接触内阻，从而使得充电速度越来越慢。而使用无线充电方式，既可以不需要人为的参与，又因为是通过磁场耦合传递能量，所以不需要电气连接，不会发生因为插头氧化，而造成充电效率变慢，和拉弧打火的问题。此外采取无线充电还可以实现24小时不间断工作。机器人采用有线充电方式，需要花费大量的时间，专门进行充电。而采用无线充电，可以在机器人经过的路线预先埋设充电装置，这样使得机器人在工作的过程中，就可以充电，实现24小时不间断工作，大大提高了工作效率。同时可以节省成本。通常机器人采用有线充电方式时，为了提高工作效率，会准备备用机，当一台机器人充电时，另一台接替工作，而采用无线充电方式则可以省去备用机，这样节约了成本。采取无线充电方式，有一个劣势，当发送端和接受端对不准的时候，充电效率会比较低，从节能的角度考虑，本专利提出一种新型的无线充电对准策略。

目前机器人无线充电技术主要采用电磁感应式和磁场共振式。通常充电系统一般具有一个电能发射线圈和一个电能接收线圈。在能量传输过程中，发射线圈和接收线圈的相对距离和偏移都会对系统的传输效率产生一定的影响。当发射线圈和接收线圈中心位置相对对准时，整个无线电能传输系统可以获得最大效率，这一点对于大功率无线电能传输系统的能效要求非常重要。

此外，考虑到发射线圈和接收线圈需要多维度精确对准才可使无线电能接收端和无线电能发射端之间实现最佳的传输效率。公开号为CN106100149A的在先专利申请仅公开了发射线圈和接收线圈在X向和Y向的对准方法，若两端线圈之间存在对准角度偏差，仍不能实现最佳的电能传输效率。

发明内容

本发明的目的在于根据现有技术的不足，提供一种针对无线充电接收端配置于移动终端上的无线充电控制系统，并提供一种通过控制无线电能接收端与无线电能发射端对准的方式，获得最大充电效率的无线充电方法。

为实现以上目的，本发明提供以下技术方案：一种应用于移动终端的无线充电系统，包括无线电能发射端和无线电能接收端，无线电能发射端包括发射线圈、发射端微控制器和无线通信接收模块，电网经发射端整流滤波电路及逆变电路与发射线圈相连；无线电能接收端包括接收线圈、接收端微控制器和无线通信发射模块，接收线圈经接收端整流滤波电路及DC/DC变换电路接负载，接收端微控制器获取接收端整流滤波电路的整流信号并经无线通信发射模块传输至无线通信接受模块，发射端微控制器获取无线通信接受模块获取的信息，并控制逆变电路工作；接收端微控制器还与DC/DC变换电路相连，控制其启闭；

无线电能发射端固定设置，无线电能接收端配置在移动终端上；移动终端设置有移动终端控制器和移动装置，移动终端控制器与接收端微控制器通信，移动装置接收移动终端控制器的控制信号，以带动移动终端移动或转动。

作为优选：配置在移动终端上的接收线圈和固定设置的发射线圈竖向高度相等。

作为优选：移动终端为移动机器人。

应用于移动终端的无线充电方法，包括发射线圈和接收线圈间角度对准，步骤包括：

无线电能接收端移动到近无线电能发射端处，闭锁无线电能发射端DC/DC变换电路；

t₀时刻，控制发射线圈与接收线圈间实现电能传输，接收端整流滤波电路输出电压V_t0；接收端微控制器采集整流滤波电路输出的电压V_t0，将该信号传递到移动终端控制器，并控制移动终端沿预设转动方向、预设转动步长转动；

转动结束后，继续控制发射线圈与接收线圈间实现电能传输；

t_n时刻，接收端整流滤波电路输出电压V_tn，并将该信号传递到移动终端控制器；移动终端控制器对V_tn与V_tn-1比较，若V_tn＞V_tn-1，移动终端控制器将继续控制移动终端沿预设转动方向、预设转动步长继续转动，直至，V_tn≥V_tn+1，移动终端控制器控制移动终端转动到t_n时刻角度；若V_tn＜V_tn-1，移动终端控制器将控制移动终端沿与预设转动方向相反的方向、预设转动步长转动，直至V_tn≥V_tn+1，移动终端控制器控制移动终端转动到t_n时刻角度；

闭锁DC/DC变换电路，无线电能传输系统开始正常电能传输。

更进一步的：应用于移动终端的无线充电方法，其特征在于：还包括发射线圈和接收线圈之间的方向对准，步骤包括：

T₀时刻，控制发射线圈与接收线圈间实现电能传输，接收端整流滤波电路输出电压V_T0；接收端微控制器采集整流滤波电路输出的电压V_T0，将该信号传递到移动终端控制器，并控制移动终端沿预设平移方向、预设移动步长平移；

平移结束后，继续控制发射线圈与接收线圈间实现电能传输；

T₀时刻，接收端整流滤波电路输出电压V_Tn，并将该信号传递到移动终端控制器；移动终端控制器对V_Tn与V_Tn-1比较，若V_Tn＞V_Tn-1，移动终端控制器将继续控制移动终端沿预设移动方向、预设移动步长继续平移，直至，V_Tn≥V_Tn+1，移动终端控制器控制移动终端移动到T_n时刻位置；若V_Tn＜V_Tn-1，移动终端控制器将控制移动终端沿与预设移动方向相反的方向、预设移动步长平移，直至V_Tn≥V_Tn+1，移动终端控制器控制移动终端移动到T_n时刻位置；

闭锁DC/DC变换电路，无线电能传输系统开始正常电能传输。

本发明的有益效果为：

(1)本系统将无线充电接收端配置在可移动终端上，可实现移动无线充电接收端与固定无线充电发射端之间的无线充电；通过调整无线充电接收端的方位或角度，实现无线充电接收端与无线充电发射端之间的对准。与将无线充电发射端设计为可移动的方案相比，设计难度及成本更低，安全系数更高。

(2)本发明提供的无线充电方法可实现发射线圈和接收线圈θ轴向、X向、Y向多维度对准，以使发射线圈和接收线圈间获得最佳的充电效率。

(3)为了减少对准调节的步骤，作为一种更优的设计，将配置在移动终端上的接收线圈和固定设置的接收线圈竖向高度设计为相等，因此，可减少Y向调节的步骤。

附图说明

图1为无线电能传输系统功能框图。

图2为移动机器人到位示意图。

图3为接收线圈与发射线圈X向对准示意图。

图4为接收线圈与发射线圈θ向对准示意图。

图5为θ轴向对准调整流程图。

图6为X向或Y向对准调整流程图。

其中：1-发射线圈，2-接收线圈，z-接收端与发射端间横向水平间距

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚完整地描述。显然，具体实施方式所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

首先，先描述本实施方式所涉及的无线充电系统的结构。

如图1所示，应用于移动终端的无线充电系统，包括无线电能发射端和无线电能接收端。

无线电能发射端包括发射线圈、发射端微控制器和无线通信接收模块，电网经发射端整流滤波电路及逆变电路与发射线圈相连。作为辅助外围电路，无线电能发射端进一步包括现行稳压器，发射端整流滤波电路输出经现行稳压器与发射端微控制器相连，为发射端微控制器供电；发射端微控制器与逆变电路之间还设置有驱动电路，驱动电路对发射端微控制器发出的PWM驱动信号进行放大，该信号用于驱动逆变电路工作。

无线电能接收端包括接收线圈、接收端微控制器和无线通信发射模块，接收线圈经接收端整流滤波电路及DC/DC变换电路接负载，接收端微控制器获取接收端整流滤波电路的整流信号并经无线通信发射模块传输至无线通信接受模块，发射端微控制器获取无线通信接受模块获取的信息，并控制逆变电路工作；接收端微控制器还与DC/DC变换电路相连，控制其启闭。作为辅助外围电路，无线电能接收端进一步包括辅助供电模块，接收端整流滤波电路的输出经辅助供电模块与接收端微控制器相连，用于为接收端微控制器供电。

具体的说，工作过程中，发射端微控制器发送PWM驱动信号，驱动逆变电路工作，发射线圈发射功率信号；此时，若无线电能接收端位于无线电能发射端的辐射范围内，则接收线圈与发射线圈之间建立功率传输，接收端整流滤波电路将产生整流信号，其输出的整流信号一路经DC/DC电路接负载，此时若DC/DC变换电路闭合，无线电能接收端正常工作，则可实现对负载的正常充电；接收端整流滤波电路的另一路输出经整流信号采样模块传输至接收端微控制器，接收端微控制器将该信号传输至移动终端微控制器，移动终端微控制器内置调整算法，根据调整算法计算生成调整指令，用于控制移动装置，以使移动终端执行移动动作或转动动作。移动终端的移动可使接收线圈位置水平移动或竖直移动，移动终端的转动可是接收线圈跟随其转动。

无线电能发射端固定设置，无线电能接收端配置在移动终端上；移动终端设置有移动终端控制器和移动装置，移动终端控制器与接收端微控制器通信，移动装置接收移动终端控制器的控制信号，以带动移动终端移动或转动。

具体到本实施例，移动终端为移动机器人，无线电能接收端的负载为移动机器人的充电器，移动终端微控制器为内置在机器人内部的机器人微控制器，也就是说，接收线圈经接收端整流滤波电路和DC/DC变换电路与移动机器人的充电器相连，为机器人充电。即提供一种将无线电能接收端配置于移动机器人上，并为移动机器人进行无线充电的方法。

移动机器人电量即将耗尽时，将自动运动到靠近无线电能发射端处。到位后，接收端与发射端之间的水平间距z，且该间距就固定不变，接收端与发射端之间无金属隔离。

发射线圈和接收线圈工作在特定的工作距离z，由于接收线圈1的位置会受移动机器人运动的影响，此时，发射线圈2和接收线圈1会存在X向、Y向或θ轴向偏差，即存在多维度不对准的可能性。图3所示，以X向偏差为例，图3左图所示，移动机器人到位后，接收线圈1和发射线圈2间X向未对准；图3右图所示，接收线圈1和发射线圈2对准后，电能传输效率更佳。图4所示，以θ轴向偏差偏差为例，图4左图所示，移动机器人到位后，接收线圈1和发射线圈2间θ轴向未对准，存在夹角α，图4右图所示，接收线圈1和发射线圈2对准后，电能传输效率更佳。Y向未对准原理同X向未对准，不在赘述。

本发明进一步提供一种无线充电方法，充电控制的目的是控制接收线圈1和发射线圈2在X向、Y向和θ轴向对准，以获得最佳的电能传输效率。

无线充电方法包括发射线圈和接收线圈间θ轴向角度对准，步骤包括：

无线电能接收端移动到近无线电能发射端处，闭锁无线电能发射端DC/DC变换电路；

t₀时刻，控制发射线圈与接收线圈间实现电能传输，接收端整流滤波电路输出电压V_t0；接收端微控制器采集整流滤波电路输出的电压V_t0，将该信号传递到移动终端控制器，并控制移动终端沿预设转动方向、预设转动步长转动；

转动结束后，继续控制发射线圈与接收线圈间实现电能传输；

t_n时刻，接收端整流滤波电路输出电压V_tn，并将该信号传递到移动终端控制器；移动终端控制器对V_tn与V_tn-1比较，若V_tn＞V_tn-1，移动终端控制器将继续控制移动终端沿预设转动方向、预设转动步长继续转动，直至，V_tn≥V_tn+1，移动终端控制器控制移动终端转动到t_n时刻角度；若V_tn＜V_tn-1，移动终端控制器将控制移动终端沿与预设转动方向相反的方向、预设转动步长转动，直至V_tn≥V_tn+1，移动终端控制器控制移动终端转动到t_n时刻角度；

闭锁DC/DC变换电路，无线电能传输系统开始正常电能传输。

如图5所示，为θ轴向调整算法流程图，举例具体说明。

在t₀时刻，控制发射线圈与接收线圈间实现电能传输，接收端整流滤波电路输出电压V_t0；由于t₀时刻没有作为比较的基准电压，因此接收端微控制器采集整流滤波电路输出的电压V_t0后，将该信号传递到移动终端控制器，移动终端控制器内部设定一个预设转动方向和预设转动步长，在没有基准比较电压的前提下，移动终端控制器直接控制移动终端沿预设转动方向、预设转动步长转动一定的角度。

由于转动方向和转动步长均是预先设定好的，转动后实现的效果有两种，一种效果是接收端整流滤波电路输出电压增大，这种情况下，表明按预设方向转动时正确的；另一种效果是端整流滤波电路输出电压减小，这种情况下，表明按预设方向转动时错误的，需要调整转动策略。

因此，从t₁时刻起，调整算法将在判断转动策略是否正确的前提下，做出相应的调整策略。

具体的说，t₀时刻接收端整流滤波电路输出电压V_t0将作为基准比较电压暂存在移动终端控制器内。移动终端控制器接收到t₁时刻接收端整流滤波电路输出电压V_t1后，首先与V_t0进行比较，若V_t1＞V_t0，说明转动后输出电压在增大，则按预先设定方向转动时正确的，下一步移动终端控制器将继续控制移动终端沿预设转动方向、预设转动步长继续转动，转动结束后，将V_t1作为下一步基准比较电压，存储在移动终端控制器内，并依此执行转动控制，直至V_tn≥V_tn+1，表明在t_n时刻已经获得最佳的传输效率，进一步控制接收线圈向与设定方向相反的方向转动，即回到t_n时刻的位置。

与以上情况不同，若V_t1＜V_t0，则说明默认的转动方向是错误的，没有实现期望达到的使输出电压增大的效果，此时需要及时调整接收线圈的转动策略。将V_t1作为下一步基准比较电压，并从t₂时刻起，将控制接收线圈按与预设方向相反的方向转动。直至V_tn≥V_tn+1，表明在t_n时刻已经获得最佳的传输效率，进一步控制接收线圈向与设定方向相反的方向转动，即回到t_n时刻的位置。

进一步的，还包括发射线圈和接收线圈之间的方向对准，其目的是实现发射线圈和接收线圈X向和Y向的方向对准，步骤包括：

T₀时刻，控制发射线圈与接收线圈间实现电能传输，接收端整流滤波电路输出电压V_T0；接收端微控制器采集整流滤波电路输出的电压V_T0，将该信号传递到移动终端控制器，并控制移动终端沿预设平移方向、预设移动步长平移；

平移结束后，继续控制发射线圈与接收线圈间实现电能传输；

T₀时刻，接收端整流滤波电路输出电压V_Tn，并将该信号传递到移动终端控制器；移动终端控制器对V_Tn与V_Tn-1比较，若V_Tn＞V_Tn-1，移动终端控制器将继续控制移动终端沿预设移动方向、预设移动步长继续平移，直至，V_Tn≥V_Tn+1，移动终端控制器控制移动终端移动到T_n时刻位置；若V_Tn＜V_Tn-1，移动终端控制器将控制移动终端沿与预设移动方向相反的方向、预设移动步长平移，直至V_Tn≥V_Tn+1，移动终端控制器控制移动终端移动到T_n时刻位置；

闭锁DC/DC变换电路，无线电能传输系统开始正常电能传输。

其实现及调整方法与θ轴向算法相同，此处不再举例赘述。

需要说明的是，发射线圈和接收线圈之间θ轴向、X向和Y向的对准调整顺序不分先后，根据充电需求，可进行一个方向或多个方向的对准调整。

设计过程中，可将配置在机器人上的接收线圈和固定设置的发射线圈高度设计为相同，因此，不再需要进行Y向的调整，θ轴向和X向调整结束后，即实现了发射线圈和接收线圈之间的对准。

Claims (5)

1.一种应用于移动终端的无线充电系统，包括无线电能发射端和无线电能接收端，所述无线电能发射端包括发射线圈、发射端微控制器和无线通信接收模块，电网经发射端整流滤波电路及逆变电路与发射线圈相连；所述无线电能接收端包括接收线圈、接收端微控制器和无线通信发射模块，接收线圈经接收端整流滤波电路及DC/DC变换电路接负载，接收端微控制器获取接收端整流滤波电路的整流信号并经无线通信发射模块传输至无线通信接受模块，发射端微控制器获取无线通信接受模块获取的信息，并控制逆变电路工作；接收端微控制器还与DC/DC变换电路相连，控制其启闭；

其特征在于：无线电能发射端固定设置，无线电能接收端配置在移动终端上；所述移动终端设置有移动终端控制器和移动装置，移动终端控制器与接收端微控制器通信，移动装置接收移动终端控制器的控制信号，以带动移动终端移动或转动。

2.如权利要求1所述的应用于移动终端的无线充电系统，其特征在于：配置在移动终端上的接收线圈和固定设置的发射线圈竖向高度相等。

3.如权利要求1或2所述的应用于移动终端的无线充电系统，其特征在于：所述移动终端为移动机器人。

4.应用于移动终端的无线充电方法，采用权利要求1至3中任意一项所述的无线充电系统，其特征在于：包括发射线圈和接收线圈间角度对准，步骤包括：

无线电能接收端移动到近无线电能发射端处，闭锁无线电能发射端DC/DC变换电路；

t₀时刻，控制发射线圈与接收线圈间实现电能传输，接收端整流滤波电路输出电压V_t0；接收端微控制器采集整流滤波电路输出的电压V_t0，将该信号传递到移动终端控制器，并控制移动终端沿预设转动方向、预设转动步长转动；

转动结束后，继续控制发射线圈与接收线圈间实现电能传输；

t_n时刻，接收端整流滤波电路输出电压V_tn，并将该信号传递到移动终端控制器；移动终端控制器对V_tn与V_tn-1比较，若V_tn＞V_tn-1，移动终端控制器将继续控制移动终端沿预设转动方向、预设转动步长继续转动，直至，V_tn≥V_tn+1，移动终端控制器控制移动终端转动到t_n时刻角度；若V_tn＜V_tn-1，移动终端控制器将控制移动终端沿与预设转动方向相反的方向、预设转动步长转动，直至V_tn≥V_tn+1，移动终端控制器控制移动终端转动到t_n时刻角度；

开启DC/DC变换电路，无线电能传输系统开始正常电能传输。

5.如权利要求5所述的应用于移动终端的无线充电方法，其特征在于：还包括发射线圈和接收线圈之间的方向对准，步骤包括：

T₀时刻，控制发射线圈与接收线圈间实现电能传输，接收端整流滤波电路输出电压V_T0；接收端微控制器采集整流滤波电路输出的电压V_T0，将该信号传递到移动终端控制器，并控制移动终端沿预设平移方向、预设移动步长平移；

平移结束后，继续控制发射线圈与接收线圈间实现电能传输；

T₀时刻，接收端整流滤波电路输出电压V_Tn，并将该信号传递到移动终端控制器；移动终端控制器对V_Tn与V_Tn-1比较，若V_Tn＞V_Tn-1，移动终端控制器将继续控制移动终端沿预设移动方向、预设移动步长继续平移，直至，V_Tn≥V_Tn+1，移动终端控制器控制移动终端移动到T_n时刻位置；若V_Tn＜V_Tn-1，移动终端控制器将控制移动终端沿与预设移动方向相反的方向、预设移动步长平移，直至V_Tn≥V_Tn+1，移动终端控制器控制移动终端移动到T_n时刻位置；

开启DC/DC变换电路，无线电能传输系统开始正常电能传输。