CN108075550A - 一种用电设备智能充电接入系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用电设备智能充电接入系统及其控制方法，该系统包括：智能插座、高频电源、高频电能发射端、高频电能接收端、车载充电机和服务器。智能插座用于测量交流输入侧的电参数，并上传至服务器，对系统进行一级保护；高频电源用于将工频电转换成高频电至发射端，并监测电流和红外传感器信息，对系统进行二级保护；发射端用于产生高频电磁波传送至接收端；接收端用于接收高频电磁波，并将高频能量输送至车载充电机；车载充电机用于将高频能量转换为电池充电电压；服务器用于对用电设备进行充电调度、状态监控以及对异常状态的应答。本发明在智能插座和高频电源形成了两级保护机制，为系统的智能、自动安全运行提供了保障。
Description
技术领域
本发明涉及智能用电技术领域，特别涉及一种移动式用电设备的智能充电接入系统及其控制方法。
背景技术
电能的应用给人类带来了巨大的发展，传统的输电方式是通过金属导线实现点对点的直接传输，输电线已经分布在人们生活的各个角落。虽然这种固有的导线传输方式在现代社会占据了不可替代的作用，但是这一方式也存在诸如接触火花、滑动磨损、碳积累及带电导体裸露等问题，这些问题限制了导线输电在一些特殊领域的应用：(1)在化工、矿井等易燃易爆场合，有线方式极易因金属触点的摩擦而引起火花，引发安全事故；(2)在无人自动搬运车领域，智能搬运车无论是换电池、地面刷板接触或充电杆伸缩式，均需要人力、物力直接接触；(3)在智能电网领域，无人值守的变电站、高压输电线路的巡检机器人装置的有线充电，在户外条件下则易导致短路的故障。
目前，智能插座技术和无线电能传输技术的理论研究趋于完善，其相关应用领域也在不断拓宽，不少行业已经出现了成熟的产品，作为潜在的发展领域，将智能插座技术、无线电能传输技术与物联网的有机结合的应用潜力巨大。
发明内容
发明目的：为了克服用电设备现有充电、换电技术中存在的不足，本发明目的在于提供一种用电设备智能充电接入系统及其控制方法，通过系统内部各结构间分工合作，相互协调，实现用电设备智能充电，解决供电导线占用大量内部空间的问题，有效节约用电设备传统供电方式中蓄电池更换的时间。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用电设备智能充电接入系统，包括智能插座、高频电源、高频电能发射端、高频电能接收端、车载充电机和服务器；所述智能插座接入工频供电系统，用于对交流输入侧的电参数进行测量并将测量结果通过无线方式传送给服务器，根据接收的服务器的指令控制电路的通断；所述高频电源接入所述智能插座，用于将工频电源转换成高频电流传送至所述高频电能发射端，以及用于对主功率回路电流参数进行检测并将检测结果通过无线方式传送给服务器，根据接收的服务器的指令控制电源工作状态；所述高频电源还与设于高频电能发射端的红外传感器相连，用于根据红外传感器的信号控制电源工作状态；所述高频电能发射端用于将高频电能通过线圈结构产生的高频电磁波传送至所述高频电能接收端；所述高频电能接收端接收高频电磁波能量并输送至所述车载充电机；所述车载充电机用于将高频能量转换成供电池充电的直流稳定电压；所述服务器用于根据接收到的数据信息进行判断，根据判断结果向所述智能插座或高频电源发送控制指令。
作为优选，所述车载充电机，还用于监控充电电压、电流及功率，并将测量结果通过无线方式传送给服务器；以及在检测到电池电量不足时，将信息上传至服务器；服务器在接收到电池电量不足的信息时，进行充电调度，发送充电位置信息至车载充电机。
作为优选，所述智能插座包括单片机处理模块、无线通信模块、电参数测量模块、供电模块、时钟模块和继电器模块；所述电参数测量模块用于测量工频电交流输入侧的电能信息并将结果传递至所述单片机处理模块；所述单片机处理模块用于对采集的电能信息进行模数转换，并通过所述无线通信模块传输给所述服务器，以及接收来自服务器的切断充电指令，向所述继电器模块发送切断充电的指令；所述供电模块用于将工频电转换为直流电，为所述智能插座供电。
作为优选，所述高频电源包括整流模块、滤波模块、逆变模块、控制保护通信模块和隔离变压器；所述整流模块用于工频电的整流；所述滤波模块用于整流后的电压滤波；所述逆变模块由半桥逆变电路组成，用于将直流电变换为高频交流电；所述隔离变压器用于将高频交流电输入与输出侧进行隔离；所述控制保护通信模块，用于控制半桥电路的驱动信号，以及检测主功率回路中的电流参数，并将检测结果通过无线方式传送给服务器，在接收到服务器的停止工作的指令后切断电路。
作为优选，所述高频电能发射端包括矩形环线圈、谐振电容和红外传感器；所述矩形环线圈是在非金属材料表面雕刻沟槽，通过铜管或利兹线绕制而成；所述谐振电容由高频谐振电容组成；所述红外传感器用于监测所述高频电能接收端是否位于设定的检测范围内。
作为优选，所述高频电能接收端包括矩形环线圈和谐振电容；所述矩形环线圈是在非金属材料表面雕刻沟槽，通过铜管或利兹线绕制而成；所述谐振电容由高频谐振电容组成。
作为优选，所述车载充电机包括整流模块、滤波模块、斩波稳压模块、充电状态监测模块、车载控制器模块和无线通信模块组成；所述整流模块用于高频电的整流；所述滤波模块用于整流后的电压滤波；所述斩波稳压模块用于对滤波后的电压进行稳压和调压；所述充电状态监测模块用于实时监测用电设备充电电流、电压参数，并传至车载控制器模块；所述车载控制器模块用于接收用电设备充电电流、电压参数，并通过所述无线通信模块上传至服务器。
所述用电设备智能充电接入系统的控制方法，其特征在于：包括智能插座控制和高频电源控制步骤；
所述智能插座控制步骤包括：对接入智能插座的工频交流电的电压和电流参数进行测量，并判断电参数数据是否在正常范围内，若处于正常范围内，则将该数据上传至服务器，若数据不在正常范围内，存在异常，则将数据异常上传服务器，并等待接收服务器的应答操作指令；若服务器指示智能插座切断电路，则切断电路；否则继续进行电参数测量，对系统工作状态进行实时监测；
所述高频电源控制步骤包括：通过红外传感器对高频电能接收端进行检测，判断用电设备是否接入系统；若未检测到接收端，则切断电路，若检测到接收端，则启动工作，通过给发射端输入高频电磁能量，并对主功率回路的电流参数进行测量，并判断是否有异常；若电流参数测量存在异常，则将异常信息发送给服务器，等待接收服务器的指令；若服务器的指令是切断电路，则切断电路，否则继续进行接收端检测及电流参数测量与上报。
作为优选，所述智能插座控制步骤中，在测量电参数之前还包括与服务器进行通信测试，若通信失败，则一直进行通信测试并点亮通信异常指示灯；若通信成功，则对接入智能插座的工频交流电的电压和电流参数进行测量；若不能测量到工频交流电的电参数信息，则将异常上传至服务器。
作为优选，所述高频电源控制步骤中，在通过红外传感器进行检测之前还包括与服务器进行通信测试，若通信失败，则一直进行通信测试并点亮通信异常指示灯；若通信成功，则通过红外传感器对接收端进行检测。
有益效果：本发明所述的一种用电设备智能充电接入系统，通过红外传感器检测接收端装置是否接入，实现了对充电区域的设备和生物体的安全保障，系统中智能插座和高频电源的电参数测量保护形成了两级保护机制，为系统的智能、自动安全运行提供了保障，整个系统的发明，可以避免因线缆直接接触与换电池的方式给外在人员带来的手动插拔、不定时查看充电状态的繁琐，改善自动化、智能化水平低的问题，从家庭、工业、供电等用电领域加强电能应用的智能化，提高用电设备的自动化水平，加强用电设备与智能电网的互动，实现智能电网从单纯的电力传输网络向智能能源信息一体化基础设施拓展。
附图说明
图1是智能充电接入系统总体结构示意图。
图2是智能插座结构示意图。
图3是高频电源结构示意图。
图4是高频电能发射端线圈结构示意图。
图5是高频电能接收端线圈结构示意图。
图6是车载充电机结构示意图。
图7是智能充电接入系统电路总体结构示意图。
图8是智能插座工作流程图。
图9是高频电源工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的说明。
如图1所示为一种用电设备智能充电接入系统，包括：智能插座1、高频电源2、高频电能发射端3、高频电能接收端4、车载充电机5和服务器6；下面就各个部分组成加以详细说明。
智能插座1用于记录用电设备智能充电时的电压、电流及功率参数，并通过无线通信方式将信息传送至服务器；高频电源2用于将工频电源通过整流-逆变转换成高频电流(频率范围：50～100kHz)传送至高频电能发射端3，并检测主功率回路电流参数，通过无线通信方式上传至服务器；高频电能发射端3用于将高频电能通过线圈结构产生的高频电磁波(频率范围：50～100kHz)传送至高频电能接收端4；高频电能接收端4用于接收高频电能发射端3传递过来的高频电磁波携带的高频能量，并将高频能量输送至车载充电机5；车载充电机5用于对接收到的高频能量进行整流、滤波、斩波稳压，转换成可以直接为电池充电的直流稳定电压，并监控充电电压、电流及功率，通过无线通信方式上传至服务器；服务器6用于对用电设备进行充电调度、状态监控，接收智能插座1、高频电源2、车载充电机6上传的数据信息，对数据信息进行判断，发送应答指令给智能插座1、高频电源2、车载充电机6，为系统安全运行提供保护。
如图2所示，智能插座1由MCU单片机处理模块101、WiFi通信模块102、电参数测量模块103、供电模块104、时钟模块105、继电器模块106组成。
智能插座1在MCU单片机处理模块101的协调控制下，通过压互、流互对电能信息进行变换，进行信号调理、采样、A/D转换操作，将电能信息经过电参数测量模块103传递至MCU单片机处理模块101；MCU单片机处理模块101对采集到的接入智能插座的工频交流电的电量信息进行模数转换以及对数据的准确性进行初步的分析计算与辨别，然后利用WiFi通信模块102实现与服务器6的信息传输；供电模块104用于将工频电转换为智能插座控制系统需要的直流电；继电器模块106在常态下处于闭合状态，服务器6判断出系统异常向MCU单片机处理模块101发送切断充电指令，继电器模块106接收经MCU单片机处理模块101传递的来自服务器6的切断充电指令，对充电主功率回路进行切断，保护后端用电设备。
如图3所示，高频电源2由整流模块201、滤波模块202、逆变模块203、控制保护通信模块204、隔离变压器205组成。
整流模块201由四个二极管全桥整流组成，用于对工频电的整流；滤波模块202由一个电解电容组成，用于对整流后的电压滤波；逆变模块203由半桥逆变电路组成，用于将直流电变换为高频交流电；隔离变压器205用于将高频交流电输入与输出侧进行隔离；控制保护通信模块204由电流保护、WiFi通信、MCU单片机组成；电流保护用于检测主功率回路(如高频电源中的隔离变压器输出端回路)中的电流参数；MCU单片机用于控制半桥电路的驱动信号，并接收电流参数，与内部阈值对比，保护高频电源的安全性；WiFi通信模块用于将MCU单片机判断出的信息上传至服务器，并接收服务器的指令。
如图4所示，高频电能发射端由矩形环线圈301、谐振电容302、红外传感器303组成；矩形环线圈301是在非金属材料表面雕刻沟槽，通过铜管或利兹线绕制而成；谐振电容302由高频谐振电容组成；红外传感器303用于监测接收端是否接入智能充电系统。
如图5所示，高频电能接收端由矩形环线圈401、谐振电容402组成；矩形环线圈401是在非金属材料表面雕刻沟槽，通过铜管或利兹线绕制而成；谐振电容402由高频谐振电容组成。
优选的，高频电能发射端3和高频电能接收端4根据AGV、巡检机器人等用电设备功率、距离的需求，设计线圈的尺寸、匝数、传感器的数量、并选取金属导线的线径、接插件芯数等参数。
如图6所示，车载充电机由整流模块501、滤波模块502、斩波稳压模块503、充电状态监测模块504、车载控制器模块505、WiFi通信模块506组成；整流模块501由四个高频整流二极管全桥连接组成，用于对高频电的整流；滤波模块502由一个电感和一个电解电容组成，用于对整流后的电压滤波；斩波稳压模块503用于对滤波后的电压进行稳压、调压；充电状态监测模块504用于实时监测用电设备充电电流、电压参数，并传至车载控制器模块；车载控制器模块505用于接收用电设备充电电流、电压参数，并通过WiFi通信模块上传至服务器；WiFi通信模块506用于实现车载端的充电电流、电压信息与服务器的通信。
如图7所示的一种用电设备智能充电接入系统，其控制方法主要包括智能插座控制和高频电源控制两大步骤。
其中智能插座控制步骤中的核心流程包括：对接入智能插座的工频交流电的电压和电流参数进行测量，并判断电参数数据是否在正常范围内，若处于正常范围内，则将该数据上传至服务器，若数据不在正常范围内，存在异常，则将数据异常上传服务器，并等待接收服务器的应答操作指令；若服务器指示智能插座切断电路，则切断电路，形成系统的第一级故障保护；否则继续进行电参数测量，对系统工作状态进行实时监测；
高频电源控制步骤的核心流程包括：通过红外传感器对高频电能接收端进行检测，判断用电设备是否接入系统；若未检测到接收端，则切断电路，若检测到接收端，则启动工作，通过给发射端输入高频电磁能量，并对主功率回路的电流参数进行测量，并判断是否有异常；若电流参数测量存在异常，则将异常信息发送给服务器，等待接收服务器的指令；若服务器的指令是切断电路，则切断电路，形成系统的第二级故障保护，否则继续进行接收端检测及电流参数测量与上报。
智能插座1中的电参数测量和WiFi通信模块以及高频电源2中的控制保护通信模块对用电设备智能充电接入系统形成了两级故障保护。通过上述两个模块与服务器6的实时对接，该系统实现了二级电路状态的检测，起到了二级保护的功能，提高了用电设备智能充电接入系统的安全性。同时，通过红外传感器303的检测，实现了对基于接收端装置接入的用电设备的智能检测以及智能充电的自动开关。
如图8所示，智能插座1与服务器6的工作流程为：智能插座1首先接入工频供电系统，通过内部整流滤波为MCU单片机单元101、时钟单元105和WiFi通信单元102供电，单片机完成初始化设置；其次与服务器6进行通信测试，若通信失败，则一直进行通信并点亮异常指示灯；若通信成功，则进行电参数数据测量，采集插座的电压、电流数据，计算功率；若测量未完成，则判断是否存在异常，如果存在异常，则将异常上传至服务器6，并等待接收服务器6的操作指令；若测量完成，则判断电压电流是否在正常范围内，若处于正常范围内，则将数据上报服务器6，若数据不在正常范围内，存在异常，则将异常上报服务器6，并等待接收服务器6的操作指令；若服务器6指示切断电路，则MCU单片机101向继电器106发送切断命令，切断电路；若服务器6指示无需动作(如在调试阶段)，则继续进行电参数数据测量，实时对系统工作状态进行监测。
如图9所示，高频电源2与服务器6的工作流程为：首先，高频电源2通过外接三孔插头接入智能插座1，进而通过内部整流滤波为控制保护通信模块204供电，控制保护通信模块204完成初始化设置；其次与服务器6进行通信测试，若通信失败，则一直进行通信并点亮异常指示灯；若通信成功，则通过红外传感器303对高频电能接收端4进行检测，判断用电设备是否接入系统；若红外检测未识别到用电设备，则切断电源，继续进行红外检测；若红外检测识别用电设备已接入系统，则高频电源中的控制保护通信模块开始驱动主功率回路工作，开启高频电源2工作，为高频电能接收端4输入能量；再者，在高频电源2开始工作后，启动电流检测，对主功率回路的电流进行测量，计算电流有效值，并与电路中设置的阈值进行对比，判断是否有异常，若存在异常，则将异常信息发送给服务器6，等待接收服务器6的指令；若服务器6的指令是切断电路，则立即停止控制保护通信模块的驱动输出，切断电源停止工作，若服务器6的指令继续正常运行，则继续回到红外检测；若电流检测不存在异常，则同样回到红外检测，实现工作流程的循环；高频电源2通电与否由智能插座1进行控制，一旦断电，则完全停止工作。
本发明实施例提供的一种用电设备智能充电接入系统，可以避免因线缆直接接触的充电接入方式给外在人员带来的手动插拔、不定时查看充电状态的繁琐，改善自动化、智能化水平低的问题，从家庭、工业、供电等用电领域加强电能应用的智能化，提高用电设备的自动化水平，加强用电设备与智能电网的互动，实现智能电网从单纯的电力传输网络向智能能源信息一体化基础设施拓展。
需要说明的是，上述实施例只是用于示例和说明目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和修改，这些变形和修改均属于本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由的权利要求书及其等效范围所界定。
Claims (10)
1.一种用电设备智能充电接入系统，其特征在于：包括智能插座、高频电源、高频电能发射端、高频电能接收端、车载充电机和服务器；所述智能插座接入工频供电系统，用于对交流输入侧的电参数进行测量并将测量结果通过无线方式传送给服务器，根据接收的服务器的指令控制电路的通断；所述高频电源接入所述智能插座，用于将工频电源转换成高频电流传送至所述高频电能发射端，以及用于对主功率回路电流参数进行检测并将检测结果通过无线方式传送给服务器，根据接收的服务器的指令控制电源工作状态；所述高频电源还与设于高频电能发射端的红外传感器相连，用于根据红外传感器的信号控制电源工作状态；所述高频电能发射端用于将高频电能通过线圈结构产生的高频电磁波传送至所述高频电能接收端；所述高频电能接收端接收高频电磁波能量并输送至所述车载充电机；所述车载充电机用于将高频能量转换成供电池充电的直流稳定电压；所述服务器用于根据接收到的数据信息进行判断，根据判断结果向所述智能插座或高频电源发送控制指令。
2.根据权利要求1所述的用电设备智能充电接入系统，其特征在于：所述车载充电机，还用于监控充电电压、电流及功率，并将测量结果通过无线方式传送给服务器；以及在检测到电池电量不足时，将信息上传至服务器；服务器在接收到电池电量不足的信息时，进行充电调度，发送充电位置信息至车载充电机。
3.根据权利要求1所述的用电设备智能充电接入系统，其特征在于：所述智能插座包括单片机处理模块、无线通信模块、电参数测量模块、供电模块、时钟模块和继电器模块；所述电参数测量模块用于测量工频电交流输入侧的电能信息并将结果传递至所述单片机处理模块；所述单片机处理模块用于对采集的电能信息进行模数转换，并通过所述无线通信模块传输给所述服务器，以及接收来自服务器的切断充电指令，向所述继电器模块发送切断充电的指令；所述供电模块用于将工频电转换为直流电，为所述智能插座供电。
4.根据权利要求1所述的用电设备智能充电接入系统，其特征在于：所述高频电源包括整流模块、滤波模块、逆变模块、控制保护通信模块和隔离变压器；
所述整流模块用于工频电的整流；所述滤波模块用于整流后的电压滤波；所述逆变模块由半桥逆变电路组成，用于将直流电变换为高频交流电；所述隔离变压器用于将高频交流电输入与输出侧进行隔离；所述控制保护通信模块，用于控制半桥电路的驱动信号，以及检测主功率回路中的电流参数，并将检测结果通过无线方式传送给服务器，在接收到服务器的停止工作的指令后切断电路。
5.根据权利要求1所述的用电设备智能充电接入系统，其特征在于：所述高频电能发射端包括矩形环线圈、谐振电容和红外传感器；所述矩形环线圈是在非金属材料表面雕刻沟槽，通过铜管或利兹线绕制而成；所述谐振电容由高频谐振电容组成；所述红外传感器用于监测所述高频电能接收端是否位于设定的检测范围内。
6.根据权利要求1所述的用电设备智能充电接入系统，其特征在于：所述高频电能接收端包括矩形环线圈和谐振电容；所述矩形环线圈是在非金属材料表面雕刻沟槽，通过铜管或利兹线绕制而成；所述谐振电容由高频谐振电容组成。
7.根据权利要求1所述的用电设备智能充电接入系统，其特征在于：所述车载充电机包括整流模块、滤波模块、斩波稳压模块、充电状态监测模块、车载控制器模块和无线通信模块组成；所述整流模块用于高频电的整流；所述滤波模块用于整流后的电压滤波；所述斩波稳压模块用于对滤波后的电压进行稳压和调压；所述充电状态监测模块用于实时监测用电设备充电电流、电压参数，并上传至车载控制器模块；所述车载控制器模块用于接收用电设备充电电流、电压参数，并通过所述无线通信模块上传至服务器。
8.根据权利要求1-7任一项所述的用电设备智能充电接入系统的控制方法，其特征在于：包括智能插座控制和高频电源控制步骤；
所述智能插座控制步骤包括：对接入智能插座的工频交流电的电压和电流参数进行测量，并判断电参数数据是否在正常范围内，若处于正常范围内，则将该数据上传至服务器，若数据不在正常范围内，存在异常，则将数据异常上传服务器，并等待接收服务器的应答操作指令；若服务器指示智能插座切断电路，则切断电路；否则继续进行电参数测量，对系统工作状态进行实时监测；
所述高频电源控制步骤包括：通过红外传感器对高频电能接收端进行检测，判断用电设备是否接入系统；若未检测到接收端，则切断电路，若检测到接收端，则启动工作，通过给发射端输入高频电磁能量，并对主功率回路的电流参数进行测量，并判断是否有异常；若电流参数测量存在异常，则将异常信息发送给服务器，等待接收服务器的指令；若服务器的指令是切断电路，则切断电路，否则继续进行接收端检测及电流参数测量与上报。
9.根据权利要求8所述的用电设备智能充电接入系统的控制方法，其特征在于：所述智能插座控制步骤中，在测量电参数之前还包括与服务器进行通信测试，若通信失败，则一直进行通信测试并点亮通信异常指示灯；若通信成功，则对接入智能插座的工频交流电的电压和电流参数进行测量；若不能测量到工频交流电的电参数信息，则将异常上传至服务器。
10.根据权利要求8所述的用电设备智能充电接入系统的控制方法，其特征在于：所述高频电源控制步骤中，在通过红外传感器进行检测之前还包括与服务器进行通信测试，若通信失败，则一直进行通信测试并点亮通信异常指示灯；若通信成功，则通过红外传感器对接收端进行检测。
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