CN106655537B - 基于最佳效率跟踪的自适应无线供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于最佳效率跟踪的自适应无线供电系统，包括发射端和接收端；发射端包括第一控制模块，分别与第一控制模块连接的BUCK‑BOOST模块、第一电压电流检测模块、第一蓝牙模块和第一LC并联谐振模块，BUCK‑BOOST模块与第一电压电流检测模块连接，第一电压电流检测模块与第一LC并联谐振模块连接；接收端包括第二控制模块，分别与第二控制模块连接的第二LC并联谐振模块、整流模块、稳压模块、第二电压电流检测模块、第二蓝牙模块，第二LC并联谐振模块与整流模块连接，整流模块与稳压模块连接，稳压模块与第二电压电流检测模块连接；本发明能够实现最佳效率跟踪，找出当前充电状态下最佳效率。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电技术，具体涉及一种基于最佳效率跟踪的自适应无线供电系统。
背景技术
无线供电技术也称为非接触式供电，是通过电磁感应耦合将电能以无线的方式传输给负载，它无需任何物理上的连接，避免了摩擦，消除了触电的危险，具有广泛的应用前景。
无线充电系统主要利用电磁感应原理，在无线充电系统中设置有发送线圈用于将电源的能量发送出去，在待充电的负载端中设置有接收线圈，通过在发送线圈中施加变化的电流以产生变化的电磁场，则变化的电磁场耦合到接收线圈，于是接收线圈中产生了充电电流，从而实现对负载端的无线充电。但是采用现有的无线充电技术进行充电时，无线充电效率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于最佳效率跟踪的自适应无线供电系统，能实现最佳效率跟踪，且效率高，电路简单，成本低。
本发明所述的基于最佳效率跟踪的自适应无线供电系统，包括发射端和接收端；
所述发射端包括BUCK-BOOST模块、第一控制模块、第一电压电流检测模块、第一蓝牙模块和第一LC并联谐振模块，第一控制模块分别与BUCK-BOOST模块、第一电压电流检测模块、第一蓝牙模块、第一LC并联谐振模块连接，BUCK-BOOST模块与第一电压电流检测模块连接，第一电压电流检测模块与第一LC并联谐振模块连接；
所述接收端包括第二控制模块、第二LC并联谐振模块、整流模块、稳压模块、第二电压电流检测模块、第二蓝牙模块，第二控制模块分别与整流模块、稳压模块、第二电压电流检测模块、第二蓝牙模块连接，第二LC并联谐振模块与整流模块连接，整流模块与稳压模块连接，稳压模块与第二电压电流检测模块连接；
所述BUCK-BOOST模块用于调整发射端的电压，使接收端的输出电压达到充电要求的电压；
所述第一电压电流检测模块用于测量BUCK-BOOST模块输出的电流及电压，并将测量数据传输给第一控制模块；
所述第一LC并联谐振模块与第二LC并联谐振模块采用磁场耦合，第一LC并联谐振模块用于将直流电能转化为交流电能并发射出去，第二LC并联谐振模块接收第一LC并联谐振模块所发送的交流电能；
所述整流模块用于将交流电能转换为直流电能；
所述稳压模块用于稳定输出电压并输出电源到负载模块，为负载模块充电；
所述第二电压电流检测模块用于测量接收端的电压及电流，并将测量数据传输给第二控制模块；
所述第一蓝牙模块、第二蓝牙模块用于发送端与接收端建立蓝牙通信连接；
所述第二控制模块用于控制接收端输出稳定的充电电压，并将第二电压电流检测模块所检测的电流信号通过所建立的蓝牙连接反馈给第一控制模块；
所述第一控制模块根据第一电压电流检测模块、第二电压电流检测模块所检测的数据动态调整发射端的交流电能的频率，并比对第一电压电流检测模块、第二电压电流检测模块所检测的数据，在确保接收端输出的电压及电流稳定的基础上，找出当前位置状态下的最小发射直流电流所对应的频率。
所述发射端还包括电源去耦模块，用于对输入的直流信号进行去耦处理，该电源去耦模块与BUCK-BOOST模块连接。
所述第一LC并联谐振模块包括电容C8、电容C9、电感L1和MOS管Q1，电容C8的一端接地，电容C8的另一端经电容C9与MOS管Q1的漏极连接，MOS管Q1的源极接地，电感L1与电容C9并联。
所述BUCK-BOOST模块3包括电感L4、电容C27、MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5和MOS管Q6，电感L4的一端与MOS管Q3的源极和MOS管Q5的漏极连接，电感L4的另一端与MOS管Q4的源极和MOS管Q6的漏极连接，电容C27的阳极分别与MOS管Q4的漏极和VCC连接，电容C27的阴极、MOS管Q6的源极、MOS管Q5的源极均接地。
所述第二LC并联谐振模块包括电容C10、电容C11、电感L2和MOS管Q2，电容C10的一端接地，电容C10的另一端经电容C11与MOS管Q2的漏极连接，MOS管Q2的源极接地，电感L2与电容C11并联。
所述第一控制模块包括单片机控制子模块和单片机供电子模块，所述单片机供电子模块与单片机控制子模块连接。
所述单片机控制子模块包括单片机、电容C25、电容C26、电阻R6、电阻R7和发光二极管D7和发光二极管D8，所述单片机的4脚经电容C25后接地，单片机的8脚经电容C26后接地，单片机的13脚经电阻R6、发光二极管D6后接VDD，单片机的15脚经电阻R7、发光二极管D7后接VDD。
本发明的有益效果：根据第二控制模块接收到的电流电压数据通过蓝牙通讯来确定发射端的频率，从而使其达到最佳并联谐振频率，其发射端电流最小，电流使无线传输能量效率达到最佳。并通过控制工作频率来维持恒定的输出电压和电流。本发明采用闭环控制，以保持一个恒定的输出电压来抵消耦合和负载的变化，虽然系统会因等效负载阻抗偏离最佳点而发生效率退化，但它可以基于蓝牙通信接收的电流数据来反馈补偿退化的效率。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明中电源输入去耦模块的电路图；
图3为本发明中第一电压电流检测模块的电路图；
图4为本发明中BUCK-BOOST模块的电路图；
图5为本发明中第一LC并联谐振模块的电路图；
图6为本发明中第二LC并联谐振模块的电路图；
图7为本发明中整流模块的电路图；
图8为本发明中第一蓝牙模块的电路图；
图9为本发明中第二蓝牙模块的电路图；
图10为本发明中第二电压电流检测模块的电路图；
图11为本发明中稳压模块的电路图；
图12为本发明中单片机供电子模块的电路图；
图13为本发明中单片机控制子模块的电路图；
图14为本发明的控制流程图；
图中：1、电源去耦模块，2、第一电压电流检测模块，3 、BUCK-BOOST模块，4、第一LC并联谐振模块，5、第一控制模块，6、第一蓝牙模块，7、第二LC并联谐振模块，8、整流模块，9、稳压模块，10、第二电压电流检测模块，11、负载模块，12、第二控制模块，13、第二蓝牙模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示的基于最佳效率跟踪的自适应无线供电系统，包括发射端和接收端。
如图1所示，本发明中，所述发射端包括电源去耦模块1、第一电压电流检测模块2、BUCK-BOOST模块3，第一LC并联谐振模块4、第一控制模块5和第一蓝牙模块6。
发射端的各模块的连接关系如下：电源去耦模块1与自动升降模块3连接，BUCK-BOOST模块3与第一电压电流检测模块2连接，第一电压电流检测模块2与第一LC并联谐振模块4连接，第一控制模块5分别与第一电压电流检测模块2、第一蓝牙模块6、BUCK-BOOST模块3、第一LC并联谐振模块4连接。
如图1所示，本发明中，所述接收端包括第二LC并联谐振模块7、整流模块8、稳压模块9、第二电压电流检测模块10、第二控制模块12、第二蓝牙模块13。
接收端的各模块的连接关系如下：第二LC并联谐振模块7与整流模块8连接，整流模块8与稳压模块9连接，稳压模块9与第二电压电流检测模块10连接，第二控制模块12分别与整流模块8、稳压模块9、第二电压电流检测模块10、第二蓝牙模块13连接。
本发明中，电源去耦模块1用于对输入的直流信号进行去耦处理。所述BUCK-BOOST模块3用于调整发射端的电压，使接收端的输出电压达到充电要求的电压。所述第一电压电流检测模块2用于测量BUCK-BOOST模块3输出的电流及电压，并将测量数据传送给第一控制模块5。 所述第一LC并联谐振模块4与第二LC并联谐振模块7采用磁场耦合，第一LC并联谐振模块4用于将直流电能转化为交流电能并发射出去，第二LC并联谐振模块7接收第一LC并联谐振模块4所发送的交流电能。所述整流模块8用于将交流电能转换为直流电能。所述稳压模块9用于稳定输出电压并输出电源到负载模块11，为负载模块11充电。所述第二电压、电流检测模块10用于测量接收端的输出电压及电流，并将测量数据传送给第二控制模块12。所述第一蓝牙模块6、第二蓝牙模块13用于发送端与接收端建立蓝牙通信连接。所述第二控制模块12用于控制接收端输出稳定的充电电压，并将第二电压电流检测模块10所检测的电流信号通过所建立的蓝牙连接反馈给第一控制模块5。所述第一控制模块5根据第一电压电流检测模块2、第二电压电流检测模块10所检测的数据动态调整发射端的交流电能的频率，并比对第一电压电流检测模块2、第二电压电流检测模块10所检测的数据，在确保接收端输出的电压及电流稳定的基础上，找出当前位置状态下的最小发射直流电流所对应的频率。
在一个开环的WPT（无线能量传输）系统中，电压和效率会随着系统的耦合系数及负载条件变化而变化。耦合系数和负载条件会随着环境变化而变化。例如，在智能手机充电过程中，充电电池的负载条件发生变化是由于智能手机的位置摆放不同使其两线圈的最佳谐振频率发生改变，耦合系数也发生了改变。当充电百分比不同的时候，例如充电到40%，80%，最佳谐振频率也会发生变化。最佳谐振频率：输出电压有两个单独的峰值频率在“耦合”区域。一般来说，无线供电系统需要一个以尽可能最高效率精确的输出电压和电流。
本发明提出了基于最佳效率跟踪的自适应负载无线供电系统，首先根据负载的不同，在发射端提供一个初始电压，第二电压电流检测模块10将检测的结果反馈给发射端，如果电压不能达到发载的供电要求，将提高发射端电压，当电压达到供电要求后，通过调整谐振频率来减小输出电流，当输出电流最小时，此时效率最大。
如图2所示，所述电源输入去耦模块包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电容C5，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电容C5的一端均与USB座的3脚连接，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电容C5的另一端均接地。
如图3所示，所述第一电压电流检测模块2包括芯片U1（型号为ACS712）、电容C6、电容C7，芯片U1的1脚和2脚接VCC，芯片U1的3脚和4脚接VCC1，芯片U1的8脚经电容C7接地，芯片U1的6脚经电容C6后接地，芯片U1的5脚接地。
如图4所示，所述BUCK-BOOST模块3包括电感L4、电容C27、MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5和MOS管Q6，电感L4的一端与MOS管Q3的源极和MOS管Q5的漏极连接，电感L4的另一端与MOS管Q4的源极和MOS管Q6的漏极连接，电容C27的阳极分别与MOS管Q4的漏极和VCC连接，电容C27的阴极、MOS管Q6的源极、MOS管Q5的源极均接地。
如图5所示，所述第一LC并联谐振模块4包括电容C8、电容C9、电感L1和MOS管Q1，电容C8的一端接地，电容C8的另一端经电容C9与MOS管Q1的漏极连接，MOS管Q1的源极接地，电感L1与电容C9并联。
如图6所示，所述第二LC并联谐振模块7包括电容C10、电容C11、电感L2和MOS管Q2，电容C10的一端接地，电容C10的另一端经电容C11与MOS管Q2的漏极连接，MOS管Q2的源极接地，电感L2与电容C11并联。
如图7所示，所述整流模块8包括电阻R1、电容C12、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4，电阻R1与电容C12并联，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4组成整流桥，其中，二极管D1与二极管D3的连接点接地，电阻R1与电容C12的其中一个连接点和二极管D3与二极管D4的连接点连接，电阻R1与电容C12的另一个连接点和二极管D1与二极管D2的连接点连接。
如图8和图9所示，第一蓝牙模块6和第二蓝牙模块13的电路图。
如图10所示，所述第二电压电流检测模块10包括芯片U2（型号为ACS712）、电容C13、电容C14，芯片U2的1脚和2脚接OUT，芯片U2的3脚和4脚接VCC，芯片U2的8脚经电容C14接地，芯片U2的6脚经电容C13后接地，芯片U2的5脚接地。
如图11所示，所述稳压模块8包括芯片MP2307、电容C15、电容C16、电容C17、电容C18、电容C19、电容C20、电容C21、电容C22、电容C23、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5和稳压二极管D5，其中，电容C15、电容C16、电容C17、电容C18并联，电容C15、电容C16、电容C17、电容C18的负极接地，电容C15、电容C16、电容C17、电容C18的正极经电阻R3与芯片MP2307的5脚连接，电阻R4与电阻R3并联；芯片MP2307的6脚经电容C22、电阻R5后接地，芯片MP2307的6脚还经电容C23后接地；芯片MP2307的7脚经电阻R2、电容C21、电容C20与芯片MP2307的8脚连接，芯片MP2307的1脚经电容C19、稳压二极管D5后接地。
所述第一控制模块5包括单片机控制子模块和单片机供电子模块，所述单片机供电子模块与单片机控制子模块连接。
如图12所示，所述单片机供电子模块包括芯片U3（型号为LM1117MP-3.3）、二极管D6、电容C24，芯片U3的2脚经二极管D6与芯片U3的3脚连接，芯片U3的2脚还经电容C24与芯片U3的1脚连接。
如图13所示，所述单片机控制子模块包括单片机（STM8）、电容C25、电容C26、电阻R6、电阻R7和发光二极管D7和发光二极管D8，所述单片机的4脚经电容C25后接地，单片机的8脚经电容C26后接地，单片机的13脚经电阻R6、发光二极管D7后接VDD，单片机的15脚经电阻R7、发光二极管D8后接VDD。
如图14所示，本发明的控制流程图，系统上电后进入初始化，接收端的单片机（即第一控制模块）将发射端BUCK-BOOST模块3输出的电压调整为4V，之后系统则进入休眠模式，以减少待机耗电；当发射端检测到总电流有较大增量时，打开蓝牙进行通信，确认是否为接收设备接入；在确认接收设备接入后，提高发射端的BUCK-BOOST模块3的输出电压；接收端读取当前的负载电压和电流，判断负载电压和电流是否满足负载充电要求；若不满足，则接收端的单片机（即第二控制模块）通过所建立的蓝牙连接告知发射端，使其提高发射端的BUCK-BOOST模块3的输出电压；如满足要求，则发射端单片机在保证接收端负载电压和电流不变的情况下，调节谐振频率，找到最佳谐振频率点；当检测到已经达到充电完成时，系统则进入休眠，并减少发射端的能量输出，从而保护负载。
本发明主要设计最佳频率跟踪技术。基于最佳效率跟踪的自适应无线供电系统所传输的效率的大小是通过调节发射端的工作频率来实现的。设定系统的谐振频率为150KHz，当系统开始传输电能后，其工作频率一般在 112KHz 到 205KHz 之间，频率偏离谐振点越远，传输的电能就越小。在改变系统工作频率的过程中，系统的占空比保持50%不变，只有当工作频率达到205KHz时，才会通过减小占空比来减少能量的传输。
Claims (5)
1.一种基于最佳效率跟踪的自适应无线供电系统，其特征在于：包括发射端和接收端；
所述发射端包括BUCK-BOOST模块（3）、第一控制模块（5）、第一电压电流检测模块（2）、第一蓝牙模块（6）和第一LC并联谐振模块（4），第一控制模块（5）分别与BUCK-BOOST模块（3）、第一电压电流检测模块（2）、第一蓝牙模块（6）、第一LC并联谐振模块（4）连接，BUCK-BOOST模块（3）与第一电压电流检测模块（2）连接，第一电压电流检测模块（2）与第一LC并联谐振模块（4）连接；
所述接收端包括第二控制模块（12）、第二LC并联谐振模块（7）、整流模块（8）、稳压模块（9）、第二电压电流检测模块（10）、第二蓝牙模块（13），第二控制模块（12）分别与整流模块（8）、稳压模块（9）、第二电压电流检测模块（10）、第二蓝牙模块（13）连接，第二LC并联谐振模块（7）与整流模块（8）连接，整流模块（8）与稳压模块（9）连接，稳压模块（9）与第二电压电流检测模块（10）连接；
所述BUCK-BOOST模块（3）用于调整发射端的电压，使接收端的输出电压达到充电要求的电压；
所述第一电压电流检测模块（2）用于测量BUCK-BOOST模块（3）输出的电流及电压，并将测量数据传输给第一控制模块（5）；
所述第一LC并联谐振模块（4）与第二LC并联谐振模块（7）采用磁场耦合，第一LC并联谐振模块（4）用于将直流电能转化为交流电能并发射出去，第二LC并联谐振模块（7）接收第一LC并联谐振模块（4）所发送的交流电能；
所述整流模块（8）用于将交流电能转换为直流电能；
所述稳压模块（9）用于稳定输出电压并输出电源到负载模块（11），为负载模块（11）充电；
所述第二电压电流检测模块（10）用于测量接收端的电压及电流，并将测量数据传输给第二控制模块（12）；
所述第一蓝牙模块（6）、第二蓝牙模块（13）用于发射端与接收端建立蓝牙通信连接；
所述第二控制模块（12）用于控制接收端输出稳定的充电电压，并将第二电压电流检测模块（10）所检测的电流信号通过所建立的蓝牙连接反馈给第一控制模块（5）；
所述第一控制模块（5）根据第一电压电流检测模块（2）、第二电压电流检测模块（10）所检测的数据动态调整发射端的交流电能的频率，并比对第一电压电流检测模块（2）、第二电压电流检测模块（10）所检测的数据，在确保接收端输出的电压及电流稳定的基础上，找出当前位置状态下的最小发射直流电流所对应的频率；
所述发射端还包括电源去耦模块（1），用于对输入的直流信号进行去耦处理，该电源去耦模块（1）与BUCK-BOOST模块（3）连接；
所述BUCK-BOOST模块（3）包括电感L4、电容C27、MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5和MOS管Q6，电感L4的一端与MOS管Q3的源极和MOS管Q5的漏极连接，电感L4的另一端与MOS管Q4的源极和MOS管Q6的漏极连接，电容C27的阳极分别与MOS管Q4的漏极和VCC连接，电容C27的阴极、MOS管Q6的源极、MOS管Q5的源极均接地。
2.根据权利要求1所述的基于最佳效率跟踪的自适应无线供电系统，其特征在于：所述第一LC并联谐振模块（4）包括电容C8、电容C9、电感L1和MOS管Q1，电容C8的一端接地，电容C8的另一端经电容C9与MOS管Q1的漏极连接，MOS管Q1的源极接地，电感L1与电容C9并联。
3.根据权利要求1或2所述的基于最佳效率跟踪的自适应无线供电系统，其特征在于：所述第二LC并联谐振模块（7）包括电容C10、电容C11、电感L2和MOS管Q2，电容C10的一端接地，电容C10的另一端经电容C11与MOS管Q2的漏极连接，MOS管Q2的源极接地，电感L2与电容C11并联。
4.根据权利要求3所述的基于最佳效率跟踪的自适应无线供电系统，其特征在于：所述第一控制模块（5）包括单片机控制子模块和单片机供电子模块，所述单片机供电子模块与单片机控制子模块连接。
5.根据权利要求4所述的基于最佳效率跟踪的自适应无线供电系统，其特征在于：所述单片机控制子模块包括单片机、电容C25、电容C26、电阻R6、电阻R7和发光二极管D7和发光二极管D8，所述单片机的4脚经电容C25后接地，单片机的8脚经电容C26后接地，单片机的13脚经电阻R6、发光二极管D6后接VDD，单片机的15脚经电阻R7、发光二极管D7后接VDD。
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