CN107769345A - 一种电动游艇无线充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动游艇无线充电装置，该装置主要由发射电路、接收电路、STM32发射电路本地控制模块和电压、电流、温湿度多信息反馈系统、云端监控软件构成。该装置为游艇进行无线充电，由直流电源或经整流的交流电源调压供电，通过改进的双E类功放电路将其逆变成高频交流电压，由耦合发射线圈发出高频电磁波；负载端再通过耦合接收线圈接收电磁能，使用快速整流电路，将高频电压整流成直流电压，再通过稳压电路进行直流输出，为游艇储能装置进行充电。本发明采用谐振式无线输电技术原理，和物联网技术结合，以STM32平台为本地控制模块，实现一种安全高效、智能、具有高度实用性的电动游艇无线充电方法。

Description

一种电动游艇无线充电装置

技术领域

本发明属于充电自动化控制领域，尤其涉及一种电动游艇无线充电装置。

背景技术

物联网技术的定义是：通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术。目前已经有多家物联网厂商兴起(如机智云、OneNet等)，这些厂商往往提供其物联网接入的详细开发文档，有效降低物联网开发的入门门槛。大多数物联网厂商也提供支付入口，为接入设备收费提供可能。

STM32系列单片机是基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核开发的，是一个优秀硬件开发平台，其简单的开发方式使得开发者更关注创意与实现，更快的完成项目开发，节约了学习的成本，缩短了开发的周期。任何人都可以基于其提供的手册重新设计，有效降低硬件开发成本。STM32能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达、步进电机和其他的装置来反馈、影响环境。

谐振式无线输电，是指不经过电缆将电能从发电装置传送到接收端的技术。无线输电技术有多种形式，其中谐振耦合式无线输电技术具有非辐射性、高效率等优点。所谓谐振耦合式就是利用接收线圈的电感和并联的电容形成共振回路，在接收端也组成同样共振频率的接收回路，利用谐振形成的强磁耦合来实现高效率的无线电能传输。该技术的出现引起了国内外学术界与工业界的巨大兴趣，被公认为目前最具发展前景的一种无线能量传输技术方案。但是目前研究多是理论研究，缺乏可应用推广的实物成果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种电动游艇无线充电装置，采用谐振式无线输电技术原理，以STM32平台为本地控制模块，实现一种安全高效、智能、具有高度实用性的电动游艇无线充电方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种电动游艇无线充电装置，包括发射电路、接收电路、STM32发射电路本地控制模块，发射电路包括双E类功放电路，其中第一个支路：继电器Vgs1连接由MOSFET元件S1、S2与瓷片电容C1并联组成的电路，第二个支路：继电器Vgs2连接由MOEFET元件S3、S4和瓷片电容C2并联组成的电路，双E类功放电路连接发射线圈LT，发射线圈与谐振电容组CT相连组成耦合发射线圈，耦合发射线圈连接由电感L3和电容C3串联的电路，L3经电感L1连接电源DC端；接收电路中四个谐振电容C1、C2、C3、C4与L_R组成耦合接收电路，把电磁波转换为交流电，通过变压器将交流电输送到整流电路，其整流电路采用四个二极管组成，整流电路将交流电整流成直流电；STM32发射电路本地控制模块采用STM32控制板作为中心控制管理器，STM32控制板接收发射电路的温度信号、湿度信号、电压信号、电流信号，发射线圈的电压信号、电流信号，STM32控制板与发射线圈的控制端口相连、与发射电路的控制端口相连。发射电路采用改进的双E类功放电路，最大有效传输距离为25厘米以上，开关管采用适应高频率电压电流、低寄生输出电容特性的MOSFET，电路结构简单，有助于降低充电设备成本；通过继电器实现电路的通断，降低使用运营成本。接收电路使用4个快恢复二极管进行全桥整流，提高整流效率。

按上述技术方案，接收端设置大功率稳压电路，其中包括的电感L1、L2和电容C1、C2起到稳压滤波的作用，给负载电池Z_L稳定充电，电路通过改变方波信号的占空比来控制开关管Q1，实现双向DC-DC变换，二极管D1在电路中起引导电流方向的作用。末端采用大功率稳压电路，提供稳定的直流电压输出，同时进行电压电流检测，当用户超出无线输电距离时，通过STM32本地云控制模块接入的机智云、OneNet等物联网厂商提供的推送，对用户进行提示。

按上述技术方案，STM32发射电路本地控制模块还接入物联网，远程获取设备状态并控制设备。

按上述技术方案，耦合发射线圈通过步进电机旋转。利用电压电流传感器，寻找提供较大功率的无线电能传输的角度，提高电能利用率。

本发明的工作原理为：此装置分为发射电路、接收电路、STM32发射电路本地云控制模块和电压、电流、温湿度多信息反馈系统、云监控软件几部分。发射电路直流电源或交流电源整流供电，通过高频改进的双E类功放电路将其逆变成高频振荡电压，通过耦合发射线圈发出高频电磁波；负载端再通过耦合接收线圈接收电磁能，耦合接收线圈同时也通过调整接入谐振电容的数量来实现与发射电路相同的频率输出，更好的接收能量，然后使用快恢复二极管全桥整流电路整流成直流电压，最后通过大功率直流稳压电路对电动游艇储能装置进行充电。使用继电器控制发射电路和耦合发射线圈的通断。使用温湿度电压电流传感器，采集相关发射电路信息，如耦合发射线圈感应电流过大，可能有金属进入耦合发射线圈磁场，要及时断电，确保使用人员的安全，或者装置使用环境湿度过大，也要及时断电，避免此装置短路；本装置的耦合发射线圈带有步进电机，可以让耦合发射线圈旋转，以提供较大功率的无线电能传输，使装置工作在较好的状态；使用STM32发射电路本地控制模块，作为本地控制管理模块；同时，通过OneNet、机智云等物联网平台，远程获取设备状态并控制设备，实现对使用者的合理收费。

本发明产生的有益效果是：1.无线充电距离较长，可达25厘米以上；免去岸上电线连接和电动游艇储能装置的问题；电路成本低，待机功耗小；本发明采用谐振式无线电能无线传输原理，利用电磁谐振原理，耦合发射线圈和耦合接收线圈，同频率工作，有效收集利用了电磁波。经过仿真，最大效率可达90％以上。接收电路采用快恢复二极管对高频电流进行全桥整流电路整流，比普通二极管或整流桥效率更高；电路没有采用任何昂贵的控制芯片，成本较低；采用自改进的双E类功放电路，有效降低待机功耗。同时相关电路含有继电器，有效控制电路的通断。

2.利用传感器和保险管等元件，保障装置工作安全可靠，也有效保护使用人员的安全；本发明中采用了多种传感器和继电器等元件保障使用者和设备的安全，比如耦合发射线圈感应电流过大时，就可能是有金属进入耦合发射线圈磁场，或者相关器件温湿度、电压、电流异常，要及时断电，确保使用人员的安全，或者使用环境温湿度过大时，继电器及时动作，关闭相关电路。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例电动游艇无线充电装置的工作原理示意图；

图2是本发明实施例电动游艇无线充电发射电路拓扑结构；

图3是本发明实施例接收电路拓扑结构；

图4是本发明实施例接收端大功率稳压电路拓扑结构；

图5是本发明实施例STM32发射电路本地控制模块工作原理图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，提供一种电动游艇无线充电装置，包括发射电路、接收电路、STM32发射电路本地控制模块，发射电路包括双E类功放电路，其中第一个支路：继电器Vgs1连接由MOSFET元件S1、S2与瓷片电容C1并联组成的电路，第二个支路：继电器Vgs2连接由MOEFET元件S3、S4和瓷片电容C2并联组成的电路，双E类功放电路连接发射线圈LT，发射线圈与谐振电容组CT相连组成耦合发射线圈，耦合发射线圈连接由电感L3和电容C3串联的电路，L3经电感L1连接电源DC端；接收电路中四个谐振电容C1、C2、C3、C4与L_R组成耦合接收电路，把电磁波转换为交流电，通过变压器将交流电输送到整流电路，其整流电路采用四个二极管组成，整流电路将交流电整流成直流电；STM32发射电路本地控制模块采用STM32控制板作为中心控制管理器，STM32控制板接收发射电路的温度信号、湿度信号、电压信号、电流信号，发射线圈的电压信号、电流信号，STM32控制板与发射线圈的控制端口相连、与发射电路的控制端口相连。

进一步地，接收端设置大功率稳压电路，其中包括的电感L1、L2和电容C1、C2起到稳压滤波的作用，给负载电池Z_L稳定充电，电路通过改变方波信号的占空比来控制开关管Q1，实现双向DC-DC变换，二极管D1在电路中起引导电流方向的作用。末端采用大功率稳压电路，提供稳定的直流电压输出，同时进行电压电流检测，当用户超出无线输电距离时，通过STM32本地云控制模块接入的机智云、OneNet等物联网厂商提供的推送，对用户进行提示。

进一步地，STM32发射电路本地控制模块还接入物联网，远程获取设备状态并控制设备。

进一步地，耦合发射线圈通过步进电机旋转。利用电压电流传感器，寻找提供较大功率的无线电能传输的角度，提高电能利用率。

本发明的较佳实施例中，电动游艇无线充电装置，如图1，由发射电路、接收电路、STM32发射电路本地控制模块和电压、电流、温湿度多信息反馈系统、云监控软件构成。该方法面向电动游艇进行无线充电，由直流电源或经整流的交流电源供电，通过改进的双E类功放电路将其逆变成高频交流电压，再由耦合发射线圈发出高频电磁波；电动游艇端使用相同谐振频率的耦合接收线圈接收能量，然后经过快速整流电路整流成直流电压，再经过大功率稳压电路将电压以一定的直流电压输出，对电动游艇的储能装置进行充电。本方法使用继电器控制发射电路和耦合发射线圈的通断。使用温湿度电压电流传感器，采集相关发射端温湿度电压电流信息。当耦合发射线圈感应电流过大或者过热时，要及时断电，确保使用人员的安全。本装置的耦合发射线圈带有步进电机，可以让耦合发射线圈旋转，以提供较大功率的无线电能传输，使装置工作在较好的状态；使用STM32发射电路本地控制模块，作为中心控制管理部分；同时，使用OneNet、机智云等物联网平台，远程获取设备状态并控制设备，为智能控制和收费提供可能。本发明不仅能够安全的无线传输电能，同时，采用相关智能技术，可以远程控制，为负载设备无线充电提供方便及其推广普及提供可能。

发射电路采用改进的双E类功放电路，其拓扑结构如图2所示。本电路将直流电逆变为高频交流电。与普通的双E类功放电路相比，不采用三极管，而采用四个MOSFET元件，提高电路效率和发射电路输出功率。同样的直流电压下，其输出功率的能力是普通的双E类功放电路的四倍。由于每个支路分别采用两个MOSFET，相比一个MOSFET，也进一步提高了电流容量。其使用的是瓷片电容，其具有较大耐压值(600-35000V)，不会轻易地被击穿，不区分正负极，有效减小了加工难度。

耦合发射线圈，如图2所示，其后附带谐振电容CT组成的谐振电容组。使用中通过传感器对发射电路的电压电流信号的采集，然后通过步进电机旋转，寻求效率最优、输出功率最大的点；耦合发射线圈频率f计算公式如下：

其中L代表线圈电感值大小；C代表接入谐振电容值大小。

耦合接收线圈，如图3，附带有由4个谐振电容组成的谐振电容组，只有耦合发射线圈发射的电磁波频率和耦合接收线圈的频率相同或相近,接收线圈才能接受较多电能。采用多个谐振电容，是为了分散谐振电容电流，进而减少其发热，提高电动游艇无线充电设备的可靠性。接收端整流电路采用快恢复二极管整流全桥电路，如图3，因为其需要整流的交流电压频率较高，普通二极管整流，反应时间过慢，往往效率较低。经过仿真和实验，效率明显好于整流桥和普通二极管整流。整流效率提高一倍以上。另外，电路中使用变压器，以减小、整流二极管承受的来自于耦合接收线圈的交流电压大小，增加电动游艇无线充电设备的可靠性。

大功率稳压电路如图4，此电路拓扑中的方波信号来自于接收端STM32控制模块。此电路可以通过改变方波信号的占空比实现双向DC-DC变换。稳定的直流电压输出，可以提高电动游艇储能装置充电的可靠性、安全性，具有一定的实用性。

STM32发射电路本地控制模块，其工作原理如图5，由电压传感器、电流传感器、温度传感器、湿度传感器、继电器、WiFi接收与发射模块、STM32电路板等部分组成。通过各个传感器监测电压电流、温湿度信息，首先保证电动游艇无线充电设备和用户人身安全，其次能够进行结算服务。其工作模式分为本地方式和远程方式，如果发生耦合发射线圈感应电流过大，或者无线充电装置工作环境的温湿度不符合要求，或者其他危害装置和使用者的情况，STM32控制板可以及时动作，关闭发射电路电路，保证装置和使用者的安全。远程模式下，用户通过手机APP应用端或其他客户端，看到经STM32控制板采集和计算后的相关信息，用户和管理者都可以在相应权限下，做出相应的控制动作，如用户和远程管理人员打开、关闭电动游艇装置；管理人员看到接入用户信息、电动游艇无线充电方法信息。

电动游艇无线充电云监控软件，此云监控软件基于B/S设计理念可以运行于安卓手机端、iOS手机端、PC端等平台，具有跨平台特性。此应用实现以下功能：用户登陆与注册、电动游艇无线充电开关、电动游艇储能装置无线充电电压电流显示、用户充电费用显示、无线充电装置运行错误紧急结束(无需用户指示，自动动作)、向远程物联网平台反馈用户信息(包括电动游艇信息、用户账号、用户无线充电时间、无线充电电压电流等信息)、接受远程物联网平台控制(如强制停止负载端设备的无线充电)。

本发明电动游艇无线充电装置，可以实现25厘米以上的有效无线电能传输；提出耦合线圈旋转装置，为无线充电的负载设备提供较大的功率输入，本发明采用谐振式无线输电技术原理，和物联网技术结合，以STM32平台为本地控制模块，实现一种安全高效、智能、具有高度实用性的电动游艇无线充电方法。此装置在保证使用者绝对安全的状态下，可以有较远的无线充电距离、较高的充电效率；结合手机、NFC等支付入口，实现合理收费；可以远程获取设备信息、远程控制调节设备，实现电动游艇无线充电。本发明采用物联网技术，可以远程获取的装置使用状态，实现对装置的远程控制，同时完成收费模式的设计，更贴近实际，有利于装置的普及推广。结合物联网技术，在实现无线充电的同时，能够获取电动游艇无线充电的实时信息，同和结合微信、支付宝等支付手段可以实现智能收费。非常有利于此方法的推广普及。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种电动游艇无线充电装置，其特征在于，包括发射电路、接收电路、STM32发射电路本地控制模块，发射电路包括双E类功放电路，其中第一个支路：继电器Vgs1连接由MOSFET元件S1、S2与瓷片电容C1并联组成的电路，第二个支路：继电器Vgs2连接由MOEFET元件S3、S4和瓷片电容C2并联组成的电路，双E类功放电路连接发射线圈LT，发射线圈与谐振电容组CT相连组成耦合发射线圈，耦合发射线圈连接由电感L3和电容C3串联的电路，L3经电感L1连接电源DC端；接收电路中四个谐振电容C1、C2、C3、C4与L_R组成耦合接收电路，把电磁波转换为交流电，通过变压器将交流电输送到整流电路，其整流电路采用四个二极管组成，整流电路将交流电整流成直流电；STM32发射电路本地控制模块采用STM32控制板作为中心控制管理器，STM32控制板接收发射电路的温度信号、湿度信号、电压信号、电流信号，发射线圈的电压信号、电流信号，STM32控制板与发射线圈的控制端口相连、与发射电路的控制端口相连。

2.根据权利要求1所述的电动游艇无线充电装置，其特征在于，接收端设置大功率稳压电路，其中包括的电感L1、L2和电容C1、C2起到稳压滤波的作用，给负载电池Z_L稳定充电，电路通过改变方波信号的占空比来控制开关管Q1，实现双向DC-DC变换，二极管D1在电路中起引导电流方向的作用。

3.根据权利要求1或2所述的电动游艇无线充电装置，其特征在于，STM32发射电路本地控制模块还接入物联网，远程获取设备状态并控制设备。

4.根据权利要求1或2所述的电动游艇无线充电装置，其特征在于，耦合发射线圈通过步进电机旋转。