CN107124046B - 具有活体检测功能的无线充电系统及无线充电方法 - Google Patents
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Abstract
具有活体检测功能的无线充电系统,包括与发射端线圈贴近或紧贴设置的发射端金属板,发射端金属板顺次连接有振荡电路及电容数字转换器;所述发射端MCU与电容数字转换器相接,获取电容数字转换器的数字信号,并根据获取的数字信号生成系统的控制信号;具有活体检测功能的无线电能传输方法,通过在发射端MCU设定电容阈值,判断电容数字转换器输出的电容与电容阈值之间的关系来判断是否具有活体进入无线电能传输系统中。该系统和方法可以识别发射端线圈和接收权线圈的磁场中是否存在活物,可极大提高无线电能传输系统的安全性。
Description
技术领域
本发明属于无线充电技术领域,涉及一种无线充电系统及充电方法,具体的说,为一种具有活体检测功能的无线充电系统及充电方法。
背景技术
无线电能传输是一种通过空间电磁场耦合来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。
无线电能传输系统主要包括两部分,一部分是能量传输,通过电能变换,将电能从发射端无线传输到接收端;另外一部分是通信控制,主要用于完成发射端与接收设备之间的信息和控制交互,保证整个系统工作的安全性和稳定性。
能量传输部分又分为发射部分与接收部分,通常通过间隔设置的发现线圈和接收线圈传递电能。由于这两部分在空间上完全处于分离状态,能量的传输是通过这两部分之间的电磁场进行能量耦合,此电磁场是一个高频的交变磁场,当发射端线圈与接收端线圈垂直工作距离较远时(如电动汽车的无线充电距离要求是15-25CM),发射与接收端之间的空隙可以进入小动物或者其他的生物。例如:在冬季比较寒冷的季节,电动汽车在户外无人值守的情况下进行无线充电时,发射端线圈与接收端线圈存在的温升,小动物就会进入磁场中趴伏在发射端线圈上面进行取暖。生物体长时间处于高频交变的磁场中可能会受到一定的伤害,出于人道的考虑,要求无线电能传输系统具有生物识别的功能,停止无线电能传输,以便下一步采取保护或驱逐小动物离开的动作。
而现有的无线电能传输系统,通常不具有活体检测的功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有活体检测功能的无线电能传输系统机无线充电方法,该系统可以检测出发射端线圈和接收端线圈之间是否有活体进入,以便控制无线电能发射端的工作。
本发明的内容为:具有活体检测功能的无线充电系统,无线电能传输系统包括连接电网的无线电能发射端和可与无线电能发射端进行电能和通讯信号传输的无线电能接收端,所述无线电能发射端包括发射端线圈、发射端MCU及与发射端线圈相连的逆变电路,发射端MCU 经驱动电路与逆变电路相接;所述无线电能接收端包括与发射端线圈间隔设置的接收端线圈;
进一步包括与发射端线圈贴近或紧贴设置的发射端金属板,发射端金属板顺次连接有振荡电路及电容数字转换器;
所述发射端MCU与电容数字转换器相接,获取电容数字转换器的数字信号。
优选为:进一步包括设置在发射端金属板与发射端线圈之间的发射端磁屏蔽材料板,发射端金属板、发射端磁屏蔽材料板和发射端线圈三者之间顺次紧贴设置。
优选为:振荡电路与电容数字转换器之间设置有滤波电路。
优选为:无线电能接收端进一步包括与接收端线圈贴近或紧贴设置的接收端金属板。
优选为:无线电能接收端进一步包括设置在接收端金属板与发射端线圈之间的接收端磁屏蔽材料板,;接收端金属板、接收端磁屏蔽材料板和接收端线圈三者顺次紧贴设置。
优选为:发射端金属板和接收端金属板优选采用铝板。
无线电能传输方法,包括以下步骤:
发射端MCU内设定电容阈值X0,及电容差阈值a;
发射端MCU获取电容数字转换器的输出信号X1,并与电容阈值X0进行比较,获得比较结果b=X1-X0;
若b>a,则判断有活体进入到发射线圈与接收线圈之间,控制无线电能发射端停止工作。
优选为:进一步包括以下步骤,发射端MCU内设定时间阈值T0;在b>a的情况下,发射端MCU启动计时,计b>a持续时间为T1;若T1>T0,则控制无线电能发射端停止工作。
优选为:发射端MCU停止向驱动电路发送驱动信号,无线电能发射端停止工作。
本发明的有益效果为:
(1)本发明提出了一种无线电能传输系统,可以识别发射端线圈和接收权线圈的磁场中是否存在活物,可极大提高无线电能传输系统的安全性。
(2)通过为无线电能发射端配置金属板、振荡电路及滤波电路,检测占当电路感应电容的变化,以判断是否有活体进入。该方法相比于光传感器、微波雷达等传感器方案,具有低功耗、低成本、高精度、非接触式等优点。
(3)通过为无线电能和发射端及无线电能接收端配置金属板、磁屏蔽材料板,可进行磁屏蔽,减少电磁泄露,提高发射端和接收端之间的电能传输效率。
附图说明
图1为无线充电系统结构示意图;
图2为活体检测电路结构示意图;
图3为无线充电方法结构示意图;
图4为另一种实施方式无线充电方法结构示意图。
其中,1-发射端线圈,2-发射端磁屏蔽板,3-发射端金属板,4-接收端线圈,5-接收端磁屏蔽板,6-接收端金属板,7-发射端MCU,8-驱动电路,9-逆变电路,10-振荡电路,11-滤波电路,12-电容数字转换器,13-活体
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。
本发明提供了一种无线充电系统及充电方法,与传统的无线充电系统不同,本发明提供的无线充电系统具有活体检测功能,可以检测发射端线圈与接收端线圈之间是否存在活物;与传统的无线充电方法不同,本发明提供的无线充电方法可以根据发射端线圈与接收端线圈之间是否存在活体而控制无线充电系统的工作,避免对活体造成伤害。
具体参考图1,具有活体检测功能的无线充电系统,包括连接电网的无线电能发射端和可与无线电能发射端进行电能和通讯信号传输的无线电能接收端。其中,无线电能发射端包括与电网连接的发射端整流滤波电路、发射端线圈1、发射端MCU7及与发射端线圈1相连的逆变电路9,发射端MCU7经驱动电路8与逆变电路9相接;无线电能接收端包括与发射端线圈1间隔设置的接收端线圈4,接收端线圈4输出信号经接收端高频整流滤波电路、 DC/DC稳压电路后与负载连接。
发射端线圈1与接收端线圈4是间隔设置的,具有一定的垂直距离。而二者之间的间隔,足够一些小型的活物进入高频交变的磁场。
为了实现活体检测功能,进一步设计与发射端线圈1贴近或紧贴设置的发射端金属板3,发射端金属板3顺次连接有振荡电路10及电容数字转换器12;发射端MCU7与电容数字转换器相12接,获取电容数字转换器12的数字信号,并根据获取的数字信号生成系统的控制信号,以控制驱动电路8是否向逆变电路输出驱动信号。
发射端MCU7是整个无线充电系统控制的核心,为了可以具有活体检测功能,发射端 MCU7包括以下功能模块:
电容数字转换器信号接收单元:用于接收电容数字转换器的输出信号;
阈值存储单元:用于存储电容数字信号阈值和电容差阈值,该电容数字信号阈值将作为比较标准,与接收到的电容数字转换器的输出信号进行比较,比较结果进一步与电容差阈值进行比较;
驱动信号计算单元:用于根据电容数字信号阈值及接受到的电容数字转换器的输出值来计算电容差信号,并将计算得到的电容差信号与电容差阈值进行比较,根据比较结果控制是否产生驱动信号,以控制逆变电路的工作。
作为一种更优的设计,发射端MCU7进一步包括以下功能单元:
计时单元:当活体进入发射端线圈1和接收端线圈4,且电容差大于电容差阈值时起开始计时,并统计活体在发射端线圈1和接收端线圈4时之间存在的时间;
同时,为了配合计算活体存在的时间,阈值存储单元还可存储一时间阈值,驱动信号计算单元进一步将根据时间阈值及活体存在于端线圈1和接收端线圈4时之间的时间来控制驱动信号的产生,以控制逆变电路的工作。
无线电能传输系统中的振荡电路10采用传统的LC振荡电路,具体参考图2,包括并联连接的电容C2和电感L1。当发射端线圈1和接收端线圈4之间有活体13进入时,活体13 与发射端金属板2之间将产生一个等效电容C1,该等效电容C1并联耦合接入振荡电路10。
在没有活体13进入时,电容数字转换器12为振荡电路10提供一个谐振激励电流,然后产生一个有一定振荡频率的电压信号V1,电压信号V1可以表征振荡电容C2的变化(V1为振荡电路10输出的电压信号,用以表征振荡电路10的电容值变化)。当活体13进入发射端线圈1和接收端线圈4之间后,等效电容C1并联耦合进入振荡电路10,会使振荡电路10原有的谐振频率f0发生偏移,从而使电压信号V1产生变化。并且,由于等效电容C1是处于无线充电系统的高频交变磁场中的,所以电压信号V1上面是叠加了无线充电系统的工作频率f1与原有的谐振频率f0。该信号进入到电容数字转换器12后,将输出一个表征电容值的电容数字信号,进入到发射端MCU。发射端MCU根据这个值来判断是否有活体13进入到发射端线圈1和接收端线圈4之间。
如果信号经过振荡电路10直接进入电容数字转换器12,电压信号上面是叠加了无线充电系统的工作频率f1与原有的谐振频率f0,为了增加信号的稳定性,进一步在振荡电路10 与电容数字转换器12之间设置滤波电路11。具体参考图2,滤波电路11采用传统的LC滤波电路,其功能是过滤掉工作频率f1的信号,使最终到达电容数字转换器12的信号为只剩下原始谐振频率f0的电压信号V2(V2为滤波电路11滤除高频交变磁场产生的噪声后形成的电压信号,也可以比表征振荡电路10电容值的变化)。电压信号V1经过电感L2、电容C2、工模电感L3、电容C4和C5形成的滤波电路之后,将无线充电系统产生的工作频率f1的信号过滤掉。与上文所述的原理相同,电压信号V2进入到电容数字转换器12后,将输出一个表征电容值的电容数字信号,进入到发射端MCU。发射端MCU根据这个值来判断是否有活体 13进入到发射端线圈1和接收端线圈4之间。
更进一步的,为了获得磁屏蔽效果,减少电磁泄露,进一步在发射端金属板3与发射端线圈1之间设置发射端磁屏蔽材料板2,并且,为了避免漏磁,将发射端金属板3、发射端磁屏蔽材料板2和发射端线圈1三者之间顺次紧贴设置。
同样的原理,在无线电能接收端也设置接收端金属板6和接收端磁屏蔽材料板5,与无线发射端的结构相同,接收端金属板6、接收端磁屏蔽材料板5和接收端线圈4三者顺次紧贴设置。
以上,由于铝板具有更好的磁屏蔽性,因此发射端金属板3和接收端金属板6均采用铝板;发射端磁屏蔽材料板2和接收端磁屏蔽材料板4均采用具有磁屏蔽性能的材料制作。铝板和磁屏蔽材料的结合可以进一步减少电磁泄露。
基于以上的具有活体检测功能的无线电能传输系统,提供两种无线电能传输方法。
第一种无线电能传输方法,工作流程具体参考图3,包括以下步骤:
发射端MCU阈值存储单元内内设定电容阈值X0,及电容差阈值a;
启动工作后,系统上电,无线电能发射端处于待机状态,当无线电能接收端靠近无线电能发射端时,无线电能发射端被唤醒,开始工作。
系统工作过程中,电网电经发射端整流滤波电路后,使工频交流电变为直流电;发射端 MCU7控制电路产生PWM驱动信号,经过驱动电路8放大后使直流电经过逆变电路9后变换为高频交流电,用于激励发射端线圈1;接收端线圈4通过磁场耦合获取能量,并经过接收端高频整流滤波电路,输出直流电。该直流电经过DC/DC稳压电路输出,以驱动负载。
同时,工作过程中,振荡电路10的输出经滤波电路11滤波处理后传递至电容数字转换器12,发射端MCU获取电容数字转换器的输出信号X1,并与电容阈值X0进行比较,获得比较结果b=X1-X0。
该比较结果b与电容差阈值a进行比较,若b>a,则判断有活体13进入到发射线圈1与接收线圈4之间,驱动信号控制单元将停止对无线电能发射端发出驱动控制信号,无线电能发射端停止工作;否则,判断发射线圈1与接收线圈4之间没有活体13,无线电能发射端和无线电能接收端进行正常的电能信号和通信信号的传输。其中,具体通过发射端MCU7停止向驱动电路发送PWM驱动信号的方式,无线电能发射端停止工作。
在第一种无线电能传输方法的基础上,提供第二种无线电能传输方法,工作流程具体参考图4,与第一种无线电能传输方法不同的是,该方法进一步包括以下步骤:
初始化及正常无线电能传输的过程与第一种方法相同,此处不再赘述;
但,当计算单元获取的比较结果b与电容差阈值a进行比较,且b>a时,进一步判断活体13在发射线圈1与接收线圈4之间存在的时间;
发射端MCU内设定时间阈值T0;在b>a的情况下,计时单元开始工作,发射端MCU7启动计时,计b>a持续时间为T1;若T1>T0,则判断活体进入到发射线圈与接收线圈之间时间足够长,控制无线电能发射端停止工作。
由于活体存在较大的灵活性,其很可能在进入到发射线圈1与接收线圈4之间后的段时间内离开,并且,短时间位于高频磁场内也不会对活体本身产生较大的伤害。若只要判断有活体进入后就停止无线电能发射端的工作,将有可能会造成无线电能发射端频繁的执行启动、停止的工作,影响其工作效率和器件的使用寿命。采用第二种无线电能传输方法将可以很好的解决这一问题。
作为一些辅助设计,无线电能发射端还包括用于采集逆变电路输入电流的输入电流采样电路、用于采集逆变电路输入电压的输入电压采样电路,二者的采样信号均传递至发射端 MCU,作为发射端MCU输出控制信号的参考。无线电能接收端还包括用于采集接收端高频整流滤波电路输出电压的整流电压采样电路,以及用于采集DC/DC稳压电路输出电流和电压的输出电流电压采样电路,二者的采样信号均传递至接收端MCU。当接收端驱动的负载变化、器件参数漂移、温升变化时都会影响整个系统工作的稳定性。为了实现无线电能传输系统的稳定运行,在无线接收端和无线发射端增加无线射频通信模块,将接收端的状态信息返回给发射端,实现整个系统的闭环控制。在这个过程中,接收端MCU会采样输出侧的整流电压信号,并经过与之相连射频通信电路模块发送到发射端设备的无线通信模块。发射端MCU 会根据与之相连的射频无线通信模块返回的输出侧整流电压值,调节PWM频率、占空比或相位来稳定输出整流电压。以上不涉及本设计创新点,此处不再赘述。
Claims (9)
1.具有活体检测功能的无线充电系统,无线电能传输系统包括连接电网的无线电能发射端和可与无线电能发射端进行电能和信号传输的无线电能接收端,所述无线电能发射端包括发射端线圈、发射端MCU及与发射端线圈相连的逆变电路,发射端MCU经驱动电路与逆变电路相接;所述无线电能接收端包括与发射端线圈间隔设置的接收端线圈;其特征在于:
进一步包括与发射端线圈贴近或紧贴设置的发射端金属板,发射端金属板顺次连接有振荡电路及电容数字转换器;
所述发射端MCU与电容数字转换器相接,获取电容数字转换器的数字信号。
2.如权利要求1所述的具有活体检测功能的无线充电系统,其特征在于:进一步包括设置在发射端金属板与发射端线圈之间的发射端磁屏蔽材料板,发射端金属板、发射端磁屏蔽材料板和发射端线圈三者之间顺次紧贴设置。
3.如权利要求1所述的具有活体检测功能的无线充电系统,其特征在于:振荡电路与电容数字转换器之间设置有滤波电路。
4.如权利要求1所述的具有活体检测功能的无线充电系统,其特征在于:无线电能接收端进一步包括与接收端线圈贴近或紧贴设置的接收端金属板。
5.如权利要求4所述的具有活体检测功能的无线充电系统,其特征在于:无线电能接收端进一步包括设置在接收端金属板与发射端线圈之间的接收端磁屏蔽材料板;接收端金属板、接收端磁屏蔽材料板和接收端线圈三者顺次紧贴设置。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的具有活体检测功能的无线充电系统,其特征在于:所述发射端金属板和接收端金属板采用铝板。
7.无线电能传输方法,采用权利要求1至5中任意一项所述的无线电能传输系统,其特征在于:包括以下步骤:
发射端MCU内设定电容阈值X0,及电容差阈值a;
发射端MCU获取电容数字转换器的输出信号X1,并与电容阈值X0进行比较,获得比较结果b=X1-X0;
若b>a,则判断有活体进入到发射线圈与接收线圈之间,控制无线电能发射端停止工作。
8.如权利要求7所述的无线电能传输方法,其特征在于:进一步包括以下步骤,发射端MCU内设定时间阈值T0;在b>a的情况下,发射端MCU启动计时,计b>a持续时间为T1;若T1>T0,则控制无线电能发射端停止工作。
9.如权利要求7或8所述的无线电能传输方法,其特征在于:发射端MCU停止向驱动电路发送驱动信号,无线电能发射端停止工作。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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