CN109245321A - 一种功率可调的无线充电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种功率可调的无线充电装置，属于无线充电领域。该无线充电装置包括信号源端、单片机主控模块、电感控制开关、电容控制开关、类型选择开关、电感网络、电容网络、A选择端、B选择端、信号发射端、状态采样单元、AD转换单元和接收端。本发明通过单片机实时处理状态采样单元采集到的信号，并实时调控电容电感网络的状态，有效解决了原有无线充电装置外部条件对功率带来的巨大影响的问题；且得到的无线充电装置对于外部条件变化具有快速实时响应，且大幅度提高了整个系统输出端的功率。
Description
技术领域
本发明属于无线充电领域，具体涉及一种功率可调的无线充电装置。
背景技术
近年来，随着科技的不断发展，各种终端设备层出不穷。传统的充电方式是不同的终端设备依赖与其相匹配的充电线进行充电，而这种有线充电方式较麻烦，无法满足现代生活需求，无线充电装置应运而生。
无线充电是指通过终端设备的无线充电线圈接收无线充电装置的无线充电线圈发射出的电磁波，利用低频电磁波的感应能量传递使终端设备获取电能，从而完成充电的过程。现有的无线充电设备，传输功率由于外界条件的改变会产生很大的影响，传输功率对于外部条件的适应能力不强。因此，研究开发一种功率可以调节的无线充电装置具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出一种由单片机控制的、功率可以自动调节的无线充电装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种功率可调的无线充电装置，包括信号源端、单片机主控模块、电感控制开关、电容控制开关、类型选择开关、电感网络、电容网络、A选择端、B选择端、信号发射端、状态采样单元、AD转换单元和接收端；所述信号源端包括一个电压源Us和一个等效电阻R0；所述信号发射端包括第一电容C1和第一电感L1；所述接收端包括第二电容C2、第二电感L2和负载电阻RL；所述单片机主控模块包括第一开关控制单元、第二开关控制单元、第三开关控制单元、信号处理单元和中心控制单元；
所述信号源端为充电装置提供交流电源信号；第一开关控制单元与电感控制开关相连，用于控制电感网络中接入装置的电感个数；第二开关控制单元与电容控制开关相连，用于控制电容网络中接入装置的电容个数；第三开关控制单元与类型选择开关相连，用于A选择端与B选择端的切换与选择；中心控制单元与第一开关控制单元、第二开关控制单元和第三开关控制单元相连，用于控制第一开关控制单元、第二开关控制单元和第三开关控制单元；
所述状态采样单元与信号发射端相连，用于采集信号发射端的电压电流信号，所述AD转换单元用于将状态采样单元采集到的电压电流信号转换成数字信号，所述信号处理单元将AD转换单元输出的数字信号进行处理，所述中心控制单元与信号处理单元相连，用于接收信号处理单元处理后的信号进而控制第一开关控制单元、第二开关控制单元和第三开关控制单元。
进一步地，所述电感网络包括n个并联的电感，一端与电感控制开关相连，另一端与信号发射端中的第一电容C1相连；所述电容网络包括m个并联的电容，一端与电容控制开关相连，另一端与信号发射端中的第一电感L1相连。
进一步地，所述电感控制开关为n个分别与电感网络中的电感相连的开关并联得到，电容控制开关为m个分别与电容网络中的电容相连的开关并联得到，类型选择开关为一个单刀双掷开关。
进一步地，上述功率可调的无线充电装置的工作方法，包括以下步骤：
步骤1、单片机主控模块中的第一开关控制单元、第二开关控制单元和第三开关控制单元分别控制电感控制开关、电容控制开关和类型选择开关，使电感控制开关中闭合一个开关，其他开关断开，即电感网络中一个电感接入装置，电容控制开关中的所有开关闭合，即所有电容并联接入装置，类型选择开关断开；此时，电感网络和电容网络为接入系统的电容和电感值最小的初始状态；
步骤2、在初始状态下，状态采样单元采集信号发射端的电压电流信号，通过AD转换为数字信号后，传输至信号处理单元，经信号处理单元后得到初始状态的功率Ps；
步骤3、单片机主控模块中的第三开关控制单元控制类型选择开关，使A选择端的开关闭合，此时，电容网络与信号源端并联，电感网络串联信号发射端后与信号源端并联，即增加负载型电容电感网络接入装置，记为第一状态；
步骤4、在第一状态下，状态采样单元采集信号发射端的电压电流信号，通过AD转换为数字信号后，传输至信号处理单元，经信号处理单元后得到第一状态的功率P1；
步骤5、比较Ps和P1的大小，若P1＞Ps，则继续保持A选择端开关闭合；若P1≤Ps，则单片机主控模块中的第三开关控制单元控制类型选择开关，使A选择端开关断开，B选择端开关闭合，此时，电容网络与信号发射端并联，电感网络串联信号源端后与信号发射端并联，即减小负载型电容电感网络接入装置，记为第二状态；
步骤6、单片机主控模块中的第一开关控制单元和第二开关控制单元分别控制电感控制开关和电容控制开关，每隔1s闭合一个电感控制开关，每隔2s断开一个电容控制开关，以调控接入的电容和电感个数；同时，状态采样单元每隔1s采集一次信号发射端的电压电流信号，通过AD转换为数字信号后，传输至信号处理单元，经信号处理单元后得到功率P2；
步骤7、若P2一直增大，即当前时刻的功率P2(t)＞上一秒的功率P2(t-1)，则继续步骤6调控接入的电容和电感个数的过程；若P2开始减小，即当前时刻的功率P2(t)＜上一秒的功率P2(t-1)，此时单片机主控模块中的第一开关控制单元和第二开关控制单元分别控制电感控制开关和电容控制开关，使电容和电感的接入个数返回上一秒的状态，即P2(t-1)的接入状态，即可使系统达到功率最大的状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的一种功率可调的无线充电装置，通过单片机实时处理状态采样单元采集到的信号，并实时调控电容电感网络的状态，有效解决了原有无线充电装置外部条件对功率带来的巨大影响的问题。本发明无线充电装置对于外部条件变化具有快速实时响应，且大幅度提高了整个系统输出端的功率。
附图说明
图1为本发明提供的一种功率可调的无线充电装置的结构示意图；
图2为本发明提供的一种功率可调的无线充电装置的详细电路图；
图3为现有无线充电装置的等效模型图；
图4为图3对应的无线充电装置的等效电路图；
图5为本发明无线充电装置中减小负载型电容电感网络(a)和增加负载型电容电感网络(b)的等效电路图；
图6为减小负载型电容电感网络和增加负载型电容电感网络中功率与负载之间的关系。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
一种功率可调的无线充电装置，如图1和2可知，包括信号源端、单片机主控模块、电感控制开关、电容控制开关、类型选择开关、电感网络、电容网络、A选择端、B选择端、信号发射端、状态采样单元、AD转换单元和接收端；所述信号源端包括一个电压源Us和一个等效电阻R0；所述信号发射端包括第一电容C1和第一电感L1；所述接收端包括第二电容C2、第二电感L2和负载电阻RL；所述单片机主控模块包括第一开关控制单元、第二开关控制单元、第三开关控制单元、信号处理单元和中心控制单元；
所述信号源端为充电装置提供交流电源信号；第一开关控制单元与电感控制开关相连，用于控制电感网络中接入装置的电感个数；第二开关控制单元与电容控制开关相连，用于控制电容网络中接入装置的电容个数；第三开关控制单元与类型选择开关相连，用于A选择端与B选择端的切换与选择；中心控制单元与第一开关控制单元、第二开关控制单元和第三开关控制单元相连，用于控制第一开关控制单元、第二开关控制单元和第三开关控制单元；
所述状态采样单元与信号发射端相连，用于采集信号发射端的电压电流信号，所述AD转换单元用于将状态采样单元采集到的电压电流信号转换成数字信号，所述信号处理单元将AD转换单元输出的数字信号进行处理，所述中心控制单元与信号处理单元相连，用于接收信号处理单元处理后的信号进而控制第一开关控制单元、第二开关控制单元和第三开关控制单元。
本发明提供的一种功率可调的无线充电装置，通过单片机实时处理状态采样单元采集到的信号，并实时调控电容电感网络的状态，提高了整个装置的功率。具体原理为：
如图3所示，为现有无线充电装置的等效模型图；
其中，
可得：
由于谐振，进一步得到
等效为如图4所示的等效电路后，
本发明无线充电装置在图4所示的等效电路中加入电容X1、电感X2，即可得到图5所示的减小负载型电容电感网络(a)和增加负载型电容电感网络(b)的等效电路图。
图5(a)减小负载型电容电感网络中加入电容X1、电感X2可以减小负载Z：
图5(b)增加负载型电容电感网络加入电容X1、电感X2可以增加负载Z：
经计算可得出减小负载型电容电感网络和增加负载型电容电感网络中功率与负载之间的关系，如图6所示。
基于图6所示的规律，本发明功率可调的无线充电装置的工作方法，包括以下步骤：
步骤1、单片机主控模块中的第一开关控制单元、第二开关控制单元和第三开关控制单元分别控制电感控制开关、电容控制开关和类型选择开关，使电感控制开关中闭合一个开关，其他开关断开，即电感网络中一个电感接入装置，电容控制开关中的所有开关闭合，即所有电容并联接入装置，类型选择开关断开；此时，电感网络和电容网络为接入系统的电容和电感值最小的初始状态；
步骤2、在初始状态下，状态采样单元采集信号发射端的电压电流信号，通过AD转换为数字信号后，传输至信号处理单元，经信号处理单元后得到初始状态的功率Ps；
步骤3、单片机主控模块中的第三开关控制单元控制类型选择开关，使A选择端的开关闭合，此时，电容网络与信号源端并联，电感网络串联信号发射端后与信号源端并联，即增加负载型电容电感网络接入装置，记为第一状态；
步骤4、在第一状态下，状态采样单元采集信号发射端的电压电流信号，通过AD转换为数字信号后，传输至信号处理单元，经信号处理单元后得到第一状态的功率P1；
步骤5、比较Ps和P1的大小，若P1＞Ps，则继续保持A选择端开关闭合；若P1≤Ps，则单片机主控模块中的第三开关控制单元控制类型选择开关，使A选择端开关断开，B选择端开关闭合，此时，电容网络与信号发射端并联，电感网络串联信号源端后与信号发射端并联，即减小负载型电容电感网络接入装置，记为第二状态；
步骤6、单片机主控模块中的第一开关控制单元和第二开关控制单元分别控制电感控制开关和电容控制开关，每隔1s闭合一个电感控制开关，每隔2s断开一个电容控制开关，以调控接入的电容和电感个数；同时，状态采样单元每隔1s采集一次信号发射端的电压电流信号，通过AD转换为数字信号后，传输至信号处理单元，经信号处理单元后得到功率P2；
步骤7、若P2一直增大，即当前时刻的功率P2(t)＞上一秒的功率P2(t-1)，则继续步骤6调控接入的电容和电感个数的过程；若P2开始减小，即当前时刻的功率P2(t)＜上一秒的功率P2(t-1)，此时单片机主控模块中的第一开关控制单元和第二开关控制单元分别控制电感控制开关和电容控制开关，使电容和电感的接入个数返回上一秒的状态，即P2(t-1)的接入状态，即可使系统达到功率最大的状态。
实施例
这里所述的实例是为了帮助技术人员理解本发明的原理，本领域的技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明的其它各种变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
本实施例中，信号源端采用15V，500KHZ的信号输入；单片机主控采用AT89C51单片机；电感控制开关和电容控制开关为ADG732模拟开关芯片，32路模拟开关；电感网络包括10个0.1uH，10个10uH，12个3mH电感；电容网络包括10个0.22uF，10个470uF，12个1000uF电容；类型选择开关为ADG619模拟开关芯片，单路二选一模拟开关；信号发射端由1cm聚酯漆包线作电感线圈绕制而成，将信号发射出去与接收端产生电磁感应；状态采样单元采用CS5463电压电流采样芯片，采集电压电流模拟信号；AD转换采用AD7656芯片，使模拟信号转换成数字信号传输至信号处理单元。
Claims (4)
1.一种功率可调的无线充电装置，其特征在于，包括信号源端、单片机主控模块、电感控制开关、电容控制开关、类型选择开关、电感网络、电容网络、A选择端、B选择端、信号发射端、状态采样单元、AD转换单元和接收端；所述信号源端包括电压源和等效电阻；所述信号发射端包括第一电容和第一电感；所述接收端包括第二电容、第二电感和负载电阻；所述单片机主控模块包括第一开关控制单元、第二开关控制单元、第三开关控制单元、信号处理单元和中心控制单元；
所述信号源端为充电装置提供交流电源信号；第一开关控制单元与电感控制开关相连，用于控制电感网络中接入装置的电感个数；第二开关控制单元与电容控制开关相连，用于控制电容网络中接入装置的电容个数；第三开关控制单元与类型选择开关相连，用于A选择端与B选择端的切换；中心控制单元用于控制第一开关控制单元、第二开关控制单元和第三开关控制单元；
所述状态采样单元与信号发射端相连，用于采集信号发射端的电压电流信号，所述AD转换单元用于将状态采样单元采集到的电压电流信号转换成数字信号，所述信号处理单元将AD转换单元输出的数字信号进行处理，所述中心控制单元与信号处理单元相连，用于接收信号处理单元处理后的信号进而控制第一开关控制单元、第二开关控制单元和第三开关控制单元。
2.根据权利要求1所述的功率可调的无线充电装置，其特征在于，所述电感网络包括n个并联的电感，一端与电感控制开关相连，另一端与信号发射端中的第一电容相连；所述电容网络包括m个并联的电容，一端与电容控制开关相连，另一端与信号发射端中的第一电感相连。
3.根据权利要求1所述的功率可调的无线充电装置，其特征在于，所述电感控制开关为n个开关并联得到，电容控制开关为m个开关并联得到，类型选择开关为一个单刀双掷开关。
4.一种功率可调的无线充电装置的工作方法，包括以下步骤：
步骤1、单片机主控模块中的第一开关控制单元、第二开关控制单元和第三开关控制单元分别控制电感控制开关、电容控制开关和类型选择开关，使电感控制开关中闭合一个开关，电容控制开关中的所有开关闭合，类型选择开关断开；记为初始状态；
步骤2、在初始状态下，状态采样单元采集信号发射端的电压电流信号，通过AD转换为数字信号后，传输至信号处理单元，经信号处理单元后得到初始状态的功率Ps；
步骤3、单片机主控模块中的第三开关控制单元控制类型选择开关，使A选择端的开关闭合，此时，电容网络与信号源端并联，电感网络串联信号发射端后与信号源端并联，记为第一状态；
步骤4、状态采样单元采集信号发射端的电压电流信号，通过AD转换为数字信号后，传输至信号处理单元，经信号处理单元后得到第一状态的功率P1；
步骤5、比较Ps和P1的大小，若P1＞Ps，则继续保持A选择端开关闭合；若P1≤Ps，则单片机主控模块中的第三开关控制单元控制类型选择开关，使A选择端开关断开，B选择端开关闭合，此时，电容网络与信号发射端并联，电感网络串联信号源端后与信号发射端并联，记为第二状态；
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步骤7、若P2一直增大，即当前时刻的功率P2(t)＞上一秒的功率P2(t-1)，则继续步骤6的过程；若P2开始减小，即当前时刻的功率P2(t)＜上一秒的功率P2(t-1)，此时单片机主控模块中的第一开关控制单元和第二开关控制单元分别控制电感控制开关和电容控制开关，使电容和电感的接入个数返回上一秒的状态，即可使系统达到功率最大的状态。
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Effective date of registration: 20230414 Address after: 341400 Building 16, Phase I, Lingang Electronic Information Industrial Park, Longling Town, Nankang District, Ganzhou City, Jiangxi Province Patentee after: Jiangxi chenchuang Electronic Material Co.,Ltd. Address before: 611731, No. 2006, West Avenue, Chengdu hi tech Zone (West District, Sichuan) Patentee before: University of Electronic Science and Technology of China |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230627 Address after: 341000 Industrial Park, Ganzhou economic and Technological Development Zone, Jiangxi Province Patentee after: Ganzhou Yanchuang Electronic Technology Co.,Ltd. Address before: 341400 Building 16, Phase I, Lingang Electronic Information Industrial Park, Longling Town, Nankang District, Ganzhou City, Jiangxi Province Patentee before: Jiangxi chenchuang Electronic Material Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A wireless charging device with adjustable power Granted publication date: 20211203 Pledgee: Ganzhou rural commercial bank Limited by Share Ltd. Pledgor: Ganzhou Yanchuang Electronic Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2024980002104 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |