CN107171419A - 基于蓝牙控制的无线电能传输装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于蓝牙控制的无线电能传输装置，整流模块将市电变为直流电送入高频逆变模块；高频逆变模块中蓝牙模块从接收端收到信号经过判断后，输出控制信号到驱动模块控制逆变模块工作，逆变模块输出高频交流电，通过发射电感线圈与电容谐振的方式发射出去；电磁接收模块接收能量，经过整流滤波模块变为直流电输出到辅助电源模块，辅助电源模块将电压转换为负载和芯片所需电压；采样模块采样辅助电源模块输入端电压与电流，并经过处理通过接收端蓝牙模块发射出去。采用E类逆变电路，具有电路简单易于控制、成本低等优点；另外，加入蓝牙控制后，能够降低空载损耗，实现过压过流以及近距离保护，提高了传输效率，解决了多负载电压匹配等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线电能传输技术，特别涉及一种基于蓝牙控制的无线电能传输装置。
背景技术
随着信息化技术的推进，各种便携式、穿戴式电子设备的越发普及，传统的有线供电方式存在的各种缺点越来越明显。比如电源接口需要承受频繁的拔插，电源线与触点的损耗直接会对可靠性与安全性造成影响；便携式设备体积越来越小，对美观的要求越来越高，甚至没有多余的地方提供充电接口；随着便携式电子设备的数目越来越多，各种充电器和充电线给人们的生活带来极大的困惑。
无线电能传输技术即为解决上述问题而生，它是把电能不通过接触介质的方式传送给用电设备。自伟大的科学家Nikola Tesla制作出第一台无线输电装置以来，经过一百多年的积累，无线电能传输技术实现的方式有多种多样，它们的传输原理各不相同，传输距离、传输功率级别方面也有较大区别。从传输距离上可以分为近场短距离、近场中距离、远场远距离的无线电能传输。
从原理上看，实现无线电能传输的技术有基于激光、微波以及电场耦合方式，但目前以感应耦合与磁耦合谐振式两种技术最为成熟。相比于其他方式，磁耦合谐振式无线电能传输技术以其对人体较为安全、传输距离适中、对位置变化不敏感、使用灵活等优点，在植入式医疗、电动汽车、便携式移动设备等领域引起了广泛关注和研究。
磁耦合谐振式无线电能传输使用的近场磁耦合的方式工作，在线圈周围会有较大的磁场强度，能够实现中长距离高效率的电能传输。E类放大器由于拓扑结构简单、易于实现软开关、频率高、效率高等特点被广泛应用于现代射频系统。虽然其输出的频率与相位可以跟随驱动信号，但与输出电压电流幅度和驱动信号的电压电流幅度无关，而且该电路的半导体器件工作在开关模式，从而输出类型上一般视为逆变器，所以也称为E类逆变器。
E类逆变器已在高频谐振式WPT装置中广泛应用。然而，在磁耦合谐振式WPT的应用中，E类逆变器极易受到负载、磁耦合线圈系数等参数的影响而存在损坏开关管及发热严重的问题。故基于E类逆变器的谐振式WPT装置加入蓝牙控制系统，有利于提高装置的效率，同时降低空载损耗，以及实现过压过流、近距离保护等功能。
发明内容
本发明是针对磁耦合谐振式中使用E类逆变器产生的问题，提出了一种基于蓝牙控制的无线电能传输装置，降低空载损耗，以及实现近距离保护、轻载的打嗝模式和过压过流保护，以增加整个装置的可靠性与稳定性。
本发明的技术方案为：一种基于蓝牙控制的无线电能传输装置，包括发射端和接收端，发射端包括整流模块、高频逆变模块及发射模块，整流模块将接入的市电变为所需要的直流电送入高频逆变模块；高频逆变模块包含蓝牙模块、驱动模块、逆变模块；蓝牙模块从接收端收到信号经过判断后，输出控制信号到驱动模块，驱动模块控制逆变模块工作，将直流电通过逆变为高频交流电，通过发射模块的电感线圈与电容谐振的方式将交流电以电磁方式发射出去；
接收端包括电磁接收模块、整流滤波模块、辅助电源模块、采样模块及接收端蓝牙模块，电磁接收模块依据谐振式磁场耦合原理接收能量，经过整流滤波模块将接收的高频交流电变为直流电，并通过并联电容进行滤波；滤波后直流电压接辅助电源模块，辅助电源模块将电压转换为负载和芯片所需电压；采样模块采样辅助电源模块输入端电压与电流，将检测到的电压电流信号经过处理通过接收端蓝牙模块发射出去，发射端蓝牙模块接收信号。
所述高频逆变模块使用E类逆变器进行高频逆变，发射与接收模块通过L、C串联谐振的方式进行电能传输。。
所述辅助电源模块包括芯片供电模块和DC-DC斩波模块，芯片供电模块将整流滤波后的直流电压通过MAX6765TTSD2芯片将直流电转为3.3V芯片电压；DC-DC斩波模块采用一款ZVS Buck-Boost 变换器，与不同的负载电压相匹配。
本发明的有益效果在于：本发明基于蓝牙控制的无线电能传输装置，采用E类逆变电路，具有电路简单易于控制、成本低等优点；另外，加入蓝牙控制后，能够降低空载损耗，实现过压过流以及近距离保护，提高了传输效率，解决了多负载电压匹配等问题。
附图说明
图1为本发明基于蓝牙控制的无线电能传输装置结构框图；
图2为本发明发射端主电路图；
图3为本发明接收端的芯片供电模块电路图；
图4为本发明接收端采样模块电路图；
图5为本发明接收端蓝牙模块电路图；
图6为本发明蓝牙控制程序的流程图。
具体实施方式
如图1所示基于蓝牙控制的无线电能传输装置结构框图，包括发射端和接收端。发射端包括整流模块、高频逆变模块及发射线圈，整流模块将接入的市电变为所需要的直流电如48V送入高频逆变模块；高频逆变模块包含蓝牙模块、驱动模块、逆变模块；发射端蓝牙模块从接收端收到信号经过判断后，输出控制到驱动模块，驱动模块控制逆变模块工作，将直流电通过逆变为高频交流电，并通过L、C串联谐振发射产生能量，通过发射线圈以电磁方式发射出去。接收端包括电磁接收模块、整流滤波模块、辅助电源模块、采样模块及接收端蓝牙模块，电磁接收模块依据谐振式磁场耦合原理接收能量，经过整流滤波模块将接收的高频交流电变为直流电，并通过并联电容的方式进行滤波；滤波后直流电压一部分接辅助电源模块来给接收端电路芯片提供3.3V的直流电以及给负载供电；另一部分进入采样模块，通过低阻值精密电阻采样电压与电流，将检测到的电压电流信号经过处理通过接收端蓝牙模块发射出去。DC-DC斩波模块，采用一款ZVS Buck-Boost 变换器，具有恒压输出、过流和短路保护等功能的芯片，可以与不同的负载电压相匹配；芯片供电模块将在下文说明。
图2为发射端主电路图，主要由蓝牙接收端电路与开关管驱动电路组成。当蓝牙模块P1收到发射端P5发出的代码，作出判断后输出相应信号到晶体管Q2，并将代码发送给蓝牙模块P5；如果Q2导通，则将高速驱动芯片P3的使能端拉到低电平，从而使高速驱动芯片闭锁停止工作。S1 为常开温控开关，紧靠开关管安装在同一块散热片上，当温控开关采样的温度达到110度时，温控开关闭合，将高速驱动芯片P3的使能端拉到低电平，从而使高速驱动芯片闭锁停止工作。直到温度回落到85度，温控开关打开，高速驱动芯片重新工作。
图3为接收端的芯片供电模块，它给接收端的一些芯片提供所需要的3.3V直流电如蓝牙模块。将整流过后的直流电压外接通过MAX6765TTSD2 芯片可以将宽范围的直流电转为3.3V的直流电，加入电容进行进一步滤波，使得输出的直流电质量更高。
如图4所示，该电路通过低阻值精密电阻采样电流与电压，实现比较简单；另外由于采样电流时信号微弱，必须要经过放大器放大滤波后再输出到蓝牙芯片的 A/D 转换口和滞环比较器的输入端。
图5为发射端蓝牙模块的电路图， P4 与 P7 是滞回比较器，分别与电压和电流采样电路连接，P5为蓝牙主机模块，将采样值与程序设定值相比较判断电路处于过压、过流及轻载状态，最后发送代码给蓝牙从机模块P1。
如图6所示，蓝牙控制系统的步骤如下：
1) 发射端上电初始化后，使用蓝牙从机角色（发射端蓝牙模块），并自动进入近距离保护工作模式，在这个过程中判断是否能接收到正常的反馈信号，若能，则进入正常状态；反之则停止工作；
2) 接收端蓝牙仅需微弱的电磁感应能量即可正常工作并完成初始化，默认使用蓝牙主机角色（接收端蓝牙模块），将检测到的电流信号经过处理后反馈给从机；
3) 发射端根据接收到的反馈信号，判断是否进入正常工作模式：开关管驱动电路会一直工作，不会停止，除非出现过流、过压、轻载等情况；
4) 进入正常工作模式后，发射端若接收到过压、过流信号，则启动过压、过流事件，例如使装置停止工作、发出警报、延时重启等。发射端若接收到轻载信号，则发射端进入打嗝模式，从而降低损耗。
Claims (3)
1.一种基于蓝牙控制的无线电能传输装置，其特征在于，包括发射端和接收端，发射端包括整流模块、高频逆变模块及发射模块，整流模块将接入的市电变为所需要的直流电送入高频逆变模块；高频逆变模块包含蓝牙模块、驱动模块、逆变模块；蓝牙模块从接收端收到信号经过判断后，输出控制信号到驱动模块，驱动模块控制逆变模块工作，将直流电通过逆变为高频交流电，通过发射模块的电感线圈与电容谐振的方式将交流电以电磁方式发射出去；
接收端包括电磁接收模块、整流滤波模块、辅助电源模块、采样模块及接收端蓝牙模块，电磁接收模块依据谐振式磁场耦合原理接收能量，经过整流滤波模块将接收的高频交流电变为直流电，并通过并联电容进行滤波；滤波后直流电压接辅助电源模块，辅助电源模块将电压转换为负载和芯片所需电压；采样模块采样辅助电源模块输入端电压与电流，将检测到的电压电流信号经过处理通过接收端蓝牙模块发射出去，发射端蓝牙模块接收信号。
2.根据权利要求1所述基于蓝牙控制的无线电能传输装置，其特征在于，所述高频逆变模块使用E类逆变器进行高频逆变，发射与接收模块通过L、C串联谐振的方式进行电能传输。
3.根据权利要求1所述基于蓝牙控制的无线电能传输装置，其特征在于，所述辅助电源模块包括芯片供电模块和DC-DC斩波模块，芯片供电模块将整流滤波后的直流电压通过MAX6765TTSD2芯片将直流电转为3.3V芯片电压；DC-DC斩波模块采用一款ZVS Buck-Boost变换器，与不同的负载电压相匹配。
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