CN109217497A - 一种高频、高效率的无线充电方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频、高效率的无线充电方法及装置通过检测充电功率是否达到设定值，从而自动调节无线充电发射端的发射线圈在水平面内的位置，使充电位置达到最佳点；并在接收端通过使用同步降压芯片，配合光耦驱动模块提高在高频下输出PWM波的稳定性，再通过PID反馈调节，调整PWM波的占空比大小，对电池进行电压检测，形成一个完整的反馈系统。

Description

一种高频、高效率的无线充电方法及装置

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，具体地指一种高频、高效率的无线充电方法及装置。

技术背景

随着科技技术展，生活中的电子设备日益增多如手机，电脑，游戏机，鼠标等。这些设备所有都需要依赖有线电源来提供电能维持设备的正常工作。然而有线电源有着漏电，老化，对电源造成损坏等缺点。因此，现在很多设备都采用无线充电技术给与电子设备进行充电。

现有无线充电技术在很多方面存在很多缺点。尽管充电功率在上升，但是无线充电距离仍然受到严重的限制，传输功率效率仍然比较低。工作频率不高，输入电压过高会损坏无线充电电池，因此大多数使用非同步降压，但是开关能量损耗过大。因为PWM(脉冲宽度调制)在很高的工作频率下容易失真以及不能实时监测充电电池状态，无法完成精准调控充电功率。对于较大的无线充电装置，无法准确的找到合适的充电位置。

发明内容

本发明克服了上述不足，提供了一种传输距离大、能耗小且效率高的高频、高效率的无线充电方法及装置。

为了实现上述目的，本发明所设计的高频、高效率的无线充电方法，其特殊之处在于：通过检测充电功率是否达到设定值，从而自动调节无线充电发射端的发射线圈在水平面内的位置，使充电位置达到最佳点；并在接收端通过使用同步降压芯片，配合光耦驱动模块提高在高频下输出PWM波的稳定性，再通过PID反馈调节，调整PWM波的占空比大小，对电池进行电压检测，形成一个完整的反馈系统。

进一步地，在所述发射端中设置超功率报警和显示器；

所述超功率报警用于在电压超过预设值时报警提示；

所述显示器用于显示当前输出效率，功率以及波形。

更进一步地，所述PID反馈调节包括电池过热停止充电调节。

再进一步地，所述发射端中超功率时停振一定时间。

本发明还设计了一种用于实现高频、高效率的无线充电方法的装置，其特殊之处在于：包括发射模块和接收模块；

所述发射模块包括与发射主控板连接的直流电源、驱动模块和2个步进电机，还包括与驱动模块连接的发射线圈，所述发射主控板通过检测充电功率是否达到设定值，从通过2个步进电机调节发射线圈在水平面内的位置，使充电位置达到最佳点；

所述接收模块包括一次连接的接收线圈、谐振整流模块、降压驱动模块和充电电池，还包括光耦驱动器和PID反馈调节模块，所述PID反馈调节模块包括接收主控板和电池电量测量模块，所述接收主控板通过光耦驱动器实现对减压驱动模块的调节。

进一步地，所述发射模块还包括与发射主控板连接的超功率报警器和显示器。

进一步地，所述接收模块还包括与电池和接收主控模块连接的温度检测模块。

进一步地，所述光耦驱动器为日本东芝的TOCA1300光耦隔离芯片。

进一步地，所述降压驱动模块包括PWM同步降压TPS40170芯片和与该芯片连接的由多个MOSFET串联构成的驱动电路。

进一步地，所述发射线圈和接收线圈均采用1mm纱包线。

本发明的优点在于：通过提高谐振频率，减少一二次谐波的损耗，尽可能的扩大了无线充电的范围；通过由光耦隔离芯片和同步降压芯片组成的降压模块提高了无线充电的功率，减少了开关的功率损耗，大幅度提高了功率；通过两个步进电机的联动，精准的找到效率的最大点，进行最快速充电；通过检测电压，温度，FOD异物检测模块，使得整个装置成为一个闭环系统，保证了整个装置的安全可靠。

附图说明

图1为无线充电系统方框示意图；

图2为无线充电范围主视示意图；

图3为无线充电范围俯视示意图；

图4为主要创新发明特点同步降压模块示意图；

图5为步进电机确定发射发射线圈位置简单示意图；

图6为精准的无线充电控制方法的流程图；

图7为温度检测流程图；

图8为超功率报警流程图；

图9为FOD异物检测流程图。

图中：101无线充电发射模块，102无线充电接收模块，117两个联动的步进电机，114发射线圈，53发射装置的壳，124接收线圈，55无线充电设备，S610-S693图6实施控制的各个步骤，S700-S732用以说明图7实施温度报警的各个步骤。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

图1为根据本发明的无线充电系统的方框示意图。如图1所示，该无线充电系统包括发射模块101和接收模块，发射模块包括24V直流电源111，发射主控板112，驱动模块113，发射线圈114，显示器115，超功率报警器116，两个步进电机117；接收模块102包括接收主控板121，主控板与现有技术相同，由MCU以及外围基本电路组成，能够处理数模信号，发射PWM波信号，以及各种时钟信号等；光耦驱动器122，降压驱动模块123，谐振整流模块124，接收线圈125，温度检测模块126，电池测量模块127，充电电池128。

24V直流电源111为发射主控板112中的各个模块供电，发射主控板112将产生640kHz的高频PWM波，经过驱动模块113和发射线圈114共同作用下，逆变产生640kHz的高频交流信号。

接收线圈125与NPO高频电容组成谐振电路，在磁耦合的作用下，形成高频交流信号。通过谐振整流模块124，将高压高频的交流信号转换为高电压的直流信号，因为通过谐振整流模块的肖特基二极管SS14进行二倍压直流整流，一般电压在60到100V左右。该电压通过TPS40170同步降压模块123，再由接收主控板121发出高频的PWM波；过高的工作频率会导致PWM波严重失真，无法实现同步降压功能以及反馈调节，为保证PWM波在高频率下不失真，采用东芝最新TOCA1300芯片组成光耦驱动器122。再通过步进电机117移动发射线圈114找到合适位置，得到一个精准而稳定的24W(12V/2A)输出功率冲入充电电池128。

图2为该无线充电装置的主视图，图中，发射线圈114位于接收线圈125的正上方，通过以上描述的结构可以尽可能的提高发射器的谐振频率。因此，发射器的发射线圈114与接收器的接收线圈125最大垂直传输距离可达到20cm。

图3为该无线充电装置的俯视图，由于磁场是垂直分布的，因此水平方向的一二次谐波耗散得十分快。因此，若发射器的发射线圈114与接收器的接收线圈125在同一水平面上将只有5cm的传输距离，但也比目前正常的无线充电装置要远很多。

图4为该无线充电装置的最重要的同步降压模块123。该模块实现同步降压的主要是两个MOSFET串联。降压芯片内部已经集成驱动电路，因此该芯片会输出两个互补的PWM波即HO和LO。分别接入两个MOS管的门极，交替让MOS管进行导通。当HO为高电平时，高电压使得Q1导通，SW，HB，Q1形成一条回路，此时VCC，PGND，Q2回路断开。当LO为高电平时，高电压使得Q2导通，VCC，PGND，Q2形成一条回路，SW，HB，Q1回路断开，这样就实现了PWM波的同步降压。LF大电感的主要作用是在输出电压的时候提高功率因素，减少无功损耗，进一步提高了输出的有功功率，从而提高效率。SK二极管的主要作用是PWM波存在死区时间，因此需要减小死区达到对PWM波的精准控制。

图5为该无线充电发射器的内部两个联动的步进电机117来确定接收器位置的示意图。当发射线圈114和无线充电设备55被置于无线充电装置的壳53上时，两个步进电机会让发射线圈114在平面内从左至右，从上至下移动。再通过主控板112检测出电流电压大小的乘积，来确定该发射线圈114的最大效率位置。若负载功率骤然减小甚至消失，发射线圈114将再次运动，寻找最大效率位置。

为使本领域或者普通技术人员能够更好了解本发明，图6为该无线充电装置的控制流程图。

如图6步骤S610，S620，S630所示，无线充电发射装置101接通直流电源111之后，各个模块开始正常工作，主控板112发出640kHz的高频PWM波，产生一个高频的交流磁场。如步骤S640、S650所示，接收器的主控板121通过乘法器将检测的电流电压检测到接收的感应电压和电流。并以较小的电压开始充电。

为了自动找到当前的最大效率点，如步骤S660，S672所示，通过主控板112的FTM口改变其占空比来移动两个联动的步进电机117，使得发射线圈114在最大效率点处。

步骤S671、S681、S683所示，接收主控板121通过调整PWM波的占空比来预设定电压；若电池电量检测模块127检测符合接收的预设定电压，保持当前电压进行充电。若负载不能够完全接受此电压，则降低充电电压级别，直至适合该电池电压。

如步骤S682、S691、S692、S693所示，一旦电池的充电状态达到100％或者设置的完全充电位，则采用涓流充电，调低PWM输出占空比。若检测到其他无线充电设备，则重复之前的步骤。若检测到无其他无线充电设备，则同步降压模块使能端口为0，停止输出PWM。重置各个模块，使步进电机117回到初始位置。

如图7步骤S700-S732所示，在无线充电设备中，大功率传输存在热能的损耗，因此需要对整个设备温度进行一定的控制，保证设备的安全。在充电期间，接收主控板121应定期(每隔1秒钟)与电池通信，确定电池内部以及接收模块温度是否正常。接收主控板121上模数转换器，可用作过电压或者过电流事件的二次检查。若检测的温度都正常，则继续进行充电。若温度偏高，则立即关闭降压模块123，停止无线充电。同时超功率报警器116发出长鸣声，信号灯亮起。

如图8所示各个步骤S800-S830，主控板112发射的相关信号通过I/O口传输给显示屏，分别显示输出功率，效率和波形。用户可以直观的从屏幕中获取相关信息。再由主控板112判断该输出功率是否超过该发射器的最大输出功率，如果超过，则让主控板112让连接超功率报警器116的I/O口为高电平，使得超功率报警器116连续发出响声，提醒用户立即断开电源。

如图9所示各个步骤S900—S940，金属异物若附着在发射线圈或接受线圈上，发射器发出的高频交流信号，会与金属异物产生共振，负载提高，发射器的发射功率可能会超过额定功率，有一定的安全隐患，同时也会对发射器产生损伤。因此，通过FOD异物检测功能，因发射器的功率突然上升，主控板112得到相应反馈，发出高频PWM波进行一定时间的停振，若仍然超过额定功率，反馈给主控板112，继续延长停振时间，使得发射功率低于额定功率。与此同时，主控板112让超功率报警器116间歇发出警报声，提醒用户清除发射线圈和接收线圈周围的金属异物。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明专利的范围，凡是利用本发明说明书及附图说明所作的等效结构，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护的范围内。

Claims (10)

1.一种高频、高效率的无线充电方法，其特征在于：通过检测充电功率是否达到设定值，从而自动调节无线充电发射端的发射线圈在水平面内的位置，使充电位置达到最佳点；并在接收端通过使用同步降压芯片，配合光耦驱动模块提高在高频下输出PWM波的稳定性，再通过PID反馈调节，调整PWM波的占空比大小，对电池进行电压检测，形成一个完整的反馈系统。

2.根据权利要求1所述的高频、高效率的无线充电方法，其特征在于：在所述发射端中设置超功率报警和显示器；

所述超功率报警用于在电压超过预设值时报警提示；

所述显示器用于显示当前输出效率，功率以及波形。

3.根据权利要求1所述的高频、高效率的无线充电方法，其特征在于：所述PID反馈调节包括电池过热停止充电调节。

4.根据权利要求1所述的高频、高效率的无线充电方法，其特征在于：所述发射端中超功率时停振一定时间。

5.一种用于实现权利要求1的高频、高效率的无线充电方法的装置，其特征在于：包括发射模块和接收模块；

所述发射模块包括与发射主控板连接的直流电源、驱动模块和2个步进电机，还包括与驱动模块连接的发射线圈，所述发射主控板通过检测充电功率是否达到设定值，从通过2个步进电机调节发射线圈在水平面内的位置，使充电位置达到最佳点；

所述接收模块包括一次连接的接收线圈、谐振整流模块、降压驱动模块和充电电池，还包括光耦驱动器和PID反馈调节模块，所述PID反馈调节模块包括接收主控板和电池电量测量模块，所述接收主控板通过光耦驱动器实现对减压驱动模块的调节。

6.根据权利要求5所述的高频、高效率的无线充电装置，其特征在于：所述发射模块还包括与发射主控板连接的超功率报警器和显示器。

7.根据权利要求5所述的高频、高效率的无线充电装置，其特征在于：所述接收模块还包括与电池和接收主控模块连接的温度检测模块。

8.根据权利要求5所述的高频、高效率的无线充电装置，其特征在于：所述光耦驱动器为日本东芝的TOCA1300光耦隔离芯片。

9.根据权利要求5所述的高频、高效率的无线充电装置，其特征在于：所述降压驱动模块包括PWM同步降压TPS40170芯片和与该芯片连接的由多个MOSFET串联构成的驱动电路。

10.根据权利要求5所述的高频、高效率的无线充电装置，其特征在于：所述发射线圈和接收线圈均采用1mm纱包线。