CN111162611B - 基于电场耦合的无线电能传输装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于电场耦合的无线电能传输装置、控制方法及无人船充电系统。无线电能传输装置包括相互独立设置的电能发射部和电能接收部，电能发射部包括第一子支路和第二子支路，第一子支路的一端为电能输入正极端，另一端设置第一极板，第二子支路的一端为电能输入负极端，另一端设置第一导电端子，电能接收部包括第三子支路和第四子支路，第三子支路的一端为电能输出正极端，另一端设置第二极板，第四子支路的一端为电能输出负极端，另一端设置第二导电端子。电源的正负极不必同时裸露，从而无短路以及产生电火花的问题，需要的元器件少，系统结构简单，无需谐振补偿电路，从而解决了因谐振补偿电路导致的失谐问题。

Description

基于电场耦合的无线电能传输装置及控制方法

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种基于电场耦合的无线电能传输装置、控制方法及无人船充电系统。

背景技术

无线电能传输技术具有安全、易于实现充电过程自动化等优势，在无人值守的系统中发挥着重要的作用。电场耦合式无线电能传输的耦合装置具有重量轻、成本低、易于制作等优势，已成为实现无线电能传输的一种重要方式。

传统添加补偿电路的电场耦合式无线电能传输方法系统需求器件多，存在错位引起的失谐问题，而且需要额外添加功率控制电路控制系统的输出功率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结构简单、稳定性高的基于电场耦合的无线电能传输装置、控制方法及无人船充电系统。

为达到上述目的，第一方面，本发明采用以下技术方案：

一种基于电场耦合的无线电能传输装置，包括相互独立设置的电能发射部和电能接收部，所述电能发射部包括第一子支路和第二子支路，所述第一子支路的一端为电能输入正极端，另一端设置第一极板，所述第二子支路的一端为电能输入负极端，另一端设置第一导电端子，所述电能接收部包括第三子支路和第四子支路，所述第三子支路的一端为电能输出正极端，另一端设置第二极板，所述第四子支路的一端为电能输出负极端，另一端设置第二导电端子；

所述无线电能传输装置具有电能传输状态，在所述电能传输状态，所述电能发射部的所述第一极板和所述电能接收部的所述第二极板相对设置以形成耦合电容，使得所述第一子支路和所述第三子支路形成能量流传输支路，所述电能发射部的所述第一导电端子与所述第二导电端子相接触，使得所述第二子支路和所述第四子支路形成能量流返回支路。

优选地，所述电能发射部的所述第一极板和所述电能接收部的所述第二极板表面均覆盖绝缘层。

优选地，所述电能发射部还包括第一承载部，所述第一极板和所述第一导电端子设置于所述第一承载部，

所述第一导电端子在所述第一承载部上的位置可调；和/或，

所述第一极板在所述第一承载部上的位置可调。

优选地，所述电能发射部还包括第一驱动部件，用于驱动所述第一导电端子运动；和/或，

所述电能发射部还包括第二驱动部件，用于驱动所述第一极板运动。

优选地，所述电能发射部还包括控制器，所述控制器与所述第一驱动部件和/或所述第二驱动部件通讯连接。

优选地，所述电能接收部还包括第二承载部，所述第一承载部上设置有第一配合结构，所述第二承载部上设置有第二配合结构，所述第一配合结构与所述第二配合结构相配合使得所述无线电能传输装置处于所述电能传输状态。

优选地，在所述电能传输状态，所述无线电能传输装置形成Sepic直流变换器、Cuk型直流变换器或Zeta型直流变换器。

优选地，所述电能发射部还包括开关支路，所述开关支路上设置有电控开关，所述开关支路的一端与所述第一子支路相连，另一端与所述第二子支路相连。

为达到上述目的，第二方面，本发明还采用以下技术方案：

一种如上所述的基于电场耦合的无线电能传输装置的控制方法，在所述电能传输状态，

响应于调节输出功率的控制指令，确定占空比；

根据确定的所述占空比对所述电控开关进行调节。

为达到上述目的，第三方面，本发明还采用以下技术方案：

一种无人船充电系统，包括充电基站和如上所述的基于电场耦合的无线电能传输装置，其中，所述电能发射部设置于所述充电基站，所述电能接收部设置于无人船。

本发明提供的基于电场耦合的无线电能传输装置包括相互独立设置的两部分，其中一部分连接供电端，另一部分连接充电端，两部分之间一方面通过两极板形成耦合电容，另一方面通过两导电端子的接触形成返流支路，这样，电源的正负极可以不必同时裸露，从而无短路以及产生电火花的问题，另外，需要的元器件少，系统结构简单，无需谐振补偿电路，从而解决了因谐振补偿电路导致的失谐问题。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出本发明具体实施方式提供的基于电场耦合的无线电能传输装置的电能发射部的电路图；

图2示出本发明具体实施方式提供的基于电场耦合的无线电能传输装置的电能接收部的电路图；

图3示出本发明具体实施方式提供的基于电场耦合的无线电能传输装置在电能传输状态的示意图。

图中：

1、电能发射部；11、第一子支路；111、电能输入正极端；112、第一极板；12、第二子支路；121、电能输入负极端；122、第一导电端子；13、开关支路；131、电控开关；2、电能接收部；21、第三子支路；211、电能输出正极端；212、第二极板；22、第四子支路；221、电能输出负极端；222、第二导电端子。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

针对传统添加补偿电路的电场耦合式无线电能传输方法系统存在的需求器件多，错位引起失谐的问题，本申请提供了一种基于电场耦合的无线电能传输装置，如图1至图3所示，其包括相互独立设置的电能发射部1和电能接收部2，相互独立的含义指的是两部分之间可以完全分离，可以分别设置在不同的两个设备上。

其中，电能发射部1包括第一子支路11和第二子支路12，所述第一子支路11的一端为电能输入正极端111，另一端设置第一极板112，所述第二子支路12的一端为电能输入负极端121，另一端设置第一导电端子122，电能输入正极端111和电能输入负极端121分别连接供电端例如直流电源的正负极，所述电能接收部2包括第三子支路21和第四子支路22，所述第三子支路21的一端为电能输出正极端211，另一端设置第二极板212，所述第四子支路22的一端为电能输出负极端221，另一端设置第二导电端子222，电能输出正极端211和电能输出负极端221分别连接充电端例如无人船等待充电设备的正负极。所述第一极板112和第二极板212表面覆盖绝缘材料。

所述无线电能传输装置具有电能传输状态，在所述电能传输状态，所述电能发射部1的所述第一极板112和所述电能接收部2的所述第二极板212相对设置以形成耦合电容，使得所述第一子支路11和所述第三子支路21形成能量流传输支路，所述电能发射部1的所述第一导电端子122与电能接收部2的所述第二导电端子222相接触，使得所述第二子支路12和所述第四子支路22形成能量流返回支路，如此，供电端和充电端通过无线电能传输装置构成充电回路，完成供电端向充电端的电能传输。

本发明提供的基于电场耦合的无线电能传输装置包括相互独立设置的两部分，其中一部分连接供电端，另一部分连接充电端，两部分之间一方面通过两极板形成耦合电容，另一方面通过两导电端子的接触形成返流支路，这样，电源的正负极可以不必同时裸露，从而无短路以及产生电火花的问题，另外，需要的元器件少，系统结构简单，无需谐振补偿电路，从而解决了因谐振补偿电路导致的失谐问题。

在一个具体的应用场景中，电能发射部1设置于充电座，电能接收部2设置于手机，当需要对手机充电时，将手机上的第二极板212靠近充电座上的第一极板112以形成耦合电容，手机上的第二导电端子222与充电座上的第一导电端子122接触，从而形成充电回路，以对手机进行充电。

在另一个应用场景中，电能发射部1设置于充电桩，电能接收部2设置于电动汽车，当需要充电时，将电动汽车驶近充电桩，使得电动汽车上的第二极板212靠近充电桩上的第一极板112以形成耦合电容，电动汽车上的第二导电端子222与充电桩上的第一导电端子122接触，从而形成充电回路，以对电动汽车进行充电。

在第三应用场景中，电能发射部1设置于水面及岸边充电基站，电能接收部2设置于无人船。其中，第一导电端子122和第二导电端子222设置在水面以上的空气中，第一极板112和第二极板212设置在水面以下的海水中。当需要充电时，无人船驶近充电基站，使得无人船的第二极板212靠近充电基站上的第一极板112以形成耦合电容，无人船上的第二导电端子222与充电基站上的第一导电端子122接触，从而形成充电回路，以对无人船进行充电。

其中，第一极板112和第二极板212可以为平板形，也可以为弧面板等其他形状，其材料具体不限，例如可以为铜箔、铝箔、碳素材料等制成。

电能发射部1设置在充电座等载体上，而电能接收部2则设置在待充电设备上，通常情况下，待充电设备上的结构是固定不变的，即第二极板212、第二导电端子222在待充电设备上的位置通常是固定不变的，不同的待充电设备可能对于无线电能传输装置的参数需求是不一样的，且第二极板212和第二导电端子222的位置关系也是不一样的，为提高通用性，使得电能发射部1能够适应更多的待充电设备，则需要电能发射部1的参数以及各部分之间的相对位置可调，例如可以调节第一极板112的角度或者将第一极板112设置为弯折且弯折角度可调以改变第一极板112和第二极板212的正对面积，为方便调节，在一个优选地实施例中，电能发射部1还包括第一承载部，第一极板112和第一导电端子122设置于第一承载部，第一导电端子122设置为在第一承载部上的位置可调，或者，第一极板112设置为在第一承载部上的位置可调，或者第一导电端子122和第一极板112均设置为在第一承载部上的位置可调，如此，一方面，能够通过调节第一极板112和/或第一导电端子122的位置来改变第一极板112与第一导电端子122之间的位置关系，从而适应不同的待充电设备，即，使得第一极板112与待充电设备上的第二极板212相对设置，且第一导电端子122与待充电设备上的第二导电端子222相接触，另一方面，通过调节第一极板112和/或第一导电端子122的位置来改变电能传输状态下，第一极板112与第二极板212之间的距离和/或第一极板112与第二极板212的正对面积，以适应不同的待充电设备的充电要求，例如，第一导电端子122的调节方向与第一极板112垂直，如此，第一导电端子122在不同的位置下，电能传输状态时与第二导电端子222接触后会获得不同的第一极板112与第二极板212之间的距离，再例如，第一极板112的调节方向与第一导电端子122、第二导电端子222的相对方向垂直，如此，第一极板112在不同的位置下，电能传输状态时会获得不同的第一极板112与第二极板212的正对面积。第一承载部可以单独设置，也可以是充电座上的结构，例如为充电座的外壳，在一个具体的实施例中，外壳的侧壁上设置有孔道，第一导电端子122设置于孔道内并能够沿孔道运动，外壳的侧壁上还设置有两条导向槽，第一极板112的相对两边部分别设置可滑动地设置在两条导向槽中。通过上述设置能够使得本申请提供的无线电能传输装置通用性更高。

为了保证第一极板112和第二极板212能够完全对正以保证充电效率，优选地，电能接收部2还包括第二承载部，第一承载部上设置有第一配合结构，第二承载部上设置有第二配合结构，第一配合结构与第二配合结构相配合使得无线电能传输装置处于电能传输状态的位置。第一配合结构和第二配合结构可以为任意方便第一极板112、第二极板212、第一导电端子122、第二导电端子222定位的结构，例如，第一配合结构为凸起，第二配合结构为凹槽，凸起的与其凸起方向垂直的面的截面形状为非圆形，例如为椭圆形，从而形成防误装结构，避免第一导电端子122与第二导电端子222接触时，第一极板112与第二极板212没有对正而影响充电，当然，也可以第一配合结构为凹槽，第二配合结构为凸起。优选地，为了方便凸起插入凹槽，沿凹槽的凹陷方向，各个位置的截面形状一致，而沿凸起的凸起方向，截面面积逐渐减小，如此，方便凸起的头部插入凹槽，然后利用凹槽的槽壁对凸起的运动进行导向，使得凸起完全插入到凹槽中。第一配合结构和第二配合结构可以单独设置，为了简化结构，优选地，将第一导电端子122的横截面的截面形状设置为非圆形，在第二导电端子222上设置凹槽，当第一导电端子122插入凹槽中时，第一极板112正好与第二极板212对正，如此，既实现了第一导电端子122与第二导电端子222的接触，又实现了定位，结构简单，装配方便。

为了保证第一导电端子122、第一极板112的运动精度以及方便其位置调节，优选地，电能发射部1还包括第一驱动部件，第一驱动部件与第一导电端子122电连接，用以驱动第一导电端子122运动，还可以包括第二驱动部件，第二驱动部件与第一极板112电连接，用以驱动第一极板112运动。第一驱动部件和第二驱动部件可以为任意能够驱动第一导电端子122、第一极板112动作的装置，例如电机、气缸等。

另外，设置第一驱动部件和第二驱动部件有利于实现对第一导电端子122、第一极板112动作的自动控制，具体地，电能发射部1还包括控制器，控制器与第一驱动部件、第二驱动部件通讯连接，如此，通过控制器可以控制第一驱动部件、第二驱动部件动作，以实现对第一导电端子122、第一极板112动作的自动控制。例如，可以在第一承载部上设置相应的多个按键，用户可以根据待充电设备按动相应的按键，控制器根据接收到的按键信号对第一驱动部件、第二驱动部件进行控制，使得第一导电端子122、第一极板112运动至合适的位置，以适于用户当前需要进行充电的设备。再例如，电能发射部1还包括识别装置，用于自动识别当前需要充电的设备，并将设备信息发送至控制器，控制器根据设备信息对第一驱动部件和第二驱动部件进行控制，使得第一导电端子122、第一极板112运动至与待充电设备相匹配的位置。

进一步地，电能发射部1还包括开关支路13，开关支路13上设置有电控开关131，开关支路13的一端与第一子支路11相连，另一端与第二子支路12相连，当电控开关131打开时，充电回路接通，此时耦合电容释放电能，当电控开关131关闭时，充电回路断开，此时耦合电容进行自身的充电，储存电能，如此，通过控制电控开关131的开关占空比即可对输出功率进行控制，无需设置额外的功率控制电路，使得整体电路结构更加简单，控制更加方便。

基于上述电路，本申请还提供了一种基于电场耦合的无线电能传输装置的控制方法，在电能传输状态，

响应于调节输出功率的控制指令，确定占空比；

根据确定的占空比对电控开关进行调节。

如此，通过控制电控开关131的占空比即可获得想要的输出功率，其中的控制指令可以是用户发送的，也可以是控制器根据相关信息例如待充电设备信息计算得到的。

下面给出一个具体的无线电能传输装置的实施例，如图1至图3所示，电能发射部1还包括第一电感L1，第一电感L1设置于第一子支路11上，开关支路13连接于第一电感L1与第一极板112之间，第三子支路21上设置有二极管D且二极管D允许电流由第二极板212流向电能输出正极端211，电能接收部2还包括第二电感L2和电容C1，第二电感L2一端连接于第三子支路21的第二极板212与二极管D之间，另一端连接于第四子支路22，电容C1的一端连接于第三子支路21的二极管D与电能输出正极端211之间，另一端连接于第四子支路22，且电容C1的另一端相较于第二电感L2的另一端更靠近电能输出负极端221设置。

当然，电路不局限于图1至图3所示的实施例，无线电能传输装置还可以形成Cuk型直流变换器或Zeta型直流变换器。

进一步地，本申请还提供了一种无人船充电系统，包括充电基站和如上所述的基于电场耦合的无线电能传输装置，其中，电能发射部1设置于充电基站，电能接收部2设置于无人船。例如，在一个具体的实施例中，充电基站包括充电仓，充电仓的一侧设置有供无人船驶入的入口，入口处设置有可自动开关的仓门，第一极板112设置于充电仓的仓底，第二极板212设置于无人船的船底，当无人船由入口驶入充电仓后，无人船船底的第二极板212与充电仓仓底的第一极板112正好对正，从而形成耦合电容。第二导电端子222设置于无人船的船尾，第一导电端子122设置于仓门的内侧，无人船驶入充电仓后，仓门关闭，从而使得仓门内侧的第一导电端子122与无人船船尾的第二导电端子222相接触。

进一步优选地，充电仓的部分结构位于水中，如此，无人船可以在水面直接行驶至与充电仓配合，且使得第一极板112和第二极板212之间以水例如海水作为介质，相较于空气中的电场耦合，以海水作为介质的耦合机构的等效耦合电容明显增大，因而可降低系统的工作频率，实现较大功率的能量传输。

由于对于不同的无人船，其第二极板212、第二导电端子222的位置各不相同、充电所需耦合电容的参数也各不相同，为了提高充电基站的通用性，优选地，充电基站中设置包括控制器、第一驱动部件、第二驱动部件的电能发射部1，如此，通过控制器控制第一驱动部件、第二驱动部件驱动第一导电端子122、第一极板112运动至相应位置以适于当前待充电的无人船。

进一步地，充电无人船中设置通讯装置，控制器可通过通讯装置与云服务器通讯连接，控制器可将待充电的无人船的信息通过通讯装置上传至云服务器，云服务器在其数据库中进行查找以得到相应的控制参数，云服务器将控制参数通过通讯装置传输至控制器，控制器根据控制参数对第一驱动部件和第二驱动部件进行控制以使得第一导电端子122和第一极板112运动至适配的位置。

类似地，电控开关131的开关占空比也可以通过上述方式获得，即，控制器可通过通讯装置与云服务器通讯连接，控制器可将待充电的无人船的信息通过通讯装置上传至云服务器，云服务器在其数据库中进行查找以得到相应的占空比，云服务器将占空比通过通讯装置传输至控制器，控制器根据接收到的占空比对电控开关131进行控制以达到所需的充电功率。

无人船的信息可以是用户输入至控制器，例如输入控制器无人船的厂家、型号等信息，为了进一步提高自动化充电控制，优选地，电能发射部1包括识别装置，用于自动识别当前需要充电的无人船的信息，例如无人船的厂家、型号等信息，识别装置例如为摄像头，控制器可将摄像头拍摄的图片通过通讯装置上传至云服务器，通过云服务器根据图片确定无人船的厂家、型号等信息。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于电场耦合的无线电能传输装置，其特征在于，包括相互独立设置的电能发射部和电能接收部，所述电能发射部包括第一子支路和第二子支路、第一电感和开关支路，所述第一子支路的一端为电能输入正极端，另一端设置第一极板，所述第二子支路的一端为电能输入负极端，另一端设置第一导电端子，所述电能接收部包括第三子支路、第四子支路、第二电感和电容，所述第三子支路的一端为电能输出正极端，另一端设置第二极板，所述第四子支路的一端为电能输出负极端，另一端设置第二导电端子；

第一电感设置于第一子支路上，开关支路连接于第一电感与第一极板之间，第三子支路上设置有二极管且二极管允许电流由第二极板流向电能输出正极端；第二电感一端连接于第三子支路的第二极板与二极管之间，另一端连接于第四子支路，电容的一端连接于第三子支路的二极管与电能输出正极端之间，另一端连接于第四子支路，且电容的另一端相较于第二电感的另一端更靠近电能输出负极端设置；

所述无线电能传输装置具有电能传输状态，在所述电能传输状态，所述电能发射部的所述第一极板和所述电能接收部的所述第二极板相对设置以形成耦合电容，使得所述第一子支路和所述第三子支路形成能量流传输支路，所述电能发射部的所述第一导电端子与所述电能接收部的所述第二导电端子相接触，使得所述第二子支路和所述第四子支路形成能量流返回支路。

2.根据权利要求1所述的基于电场耦合的无线电能传输装置，其特征在于，所述电能发射部还包括第一承载部，所述第一极板和所述第一导电端子设置于所述第一承载部，

所述第一导电端子在所述第一承载部上的位置可调；和/或，

所述第一极板在所述第一承载部上的位置可调。

3.根据权利要求2所述的基于电场耦合的无线电能传输装置，其特征在于，所述电能发射部还包括第一驱动部件，用于驱动所述第一导电端子运动；和/或，

所述电能发射部还包括第二驱动部件，用于驱动所述第一极板运动。

4.根据权利要求3所述的基于电场耦合的无线电能传输装置，其特征在于，所述电能发射部还包括控制器，所述控制器与所述第一驱动部件和/或所述第二驱动部件通讯连接。

5.根据权利要求2所述的基于电场耦合的无线电能传输装置，其特征在于，所述电能接收部还包括第二承载部，所述第一承载部上设置有第一配合结构，所述第二承载部上设置有第二配合结构，所述第一配合结构与所述第二配合结构相配合使得所述无线电能传输装置处于所述电能传输状态。

6.根据权利要求1所述的基于电场耦合的无线电能传输装置，其特征在于，其特征在于，所述电能发射部的所述第一极板和所述电能接收部的所述第二极板表面均覆盖绝缘层。

7.根据权利要求1至6任一项所述的基于电场耦合的无线电能传输装置，其特征在于，在所述电能传输状态，所述无线电能传输装置形成Sepic型直流变换器、Cuk型直流变换器或Zeta型直流变换器。

8.根据权利要求1至6任一项所述的基于电场耦合的无线电能传输装置，其特征在于，所述开关支路上设置有电控开关。

9.一种如权利要求8所述的基于电场耦合的无线电能传输装置的控制方法，其特征在于，在所述电能传输状态，

响应于调节输出功率的控制指令，确定占空比；

根据确定的所述占空比对所述电控开关进行调节。

10.一种无人船充电系统，其特征在于，包括充电基站和如权利要求1至8任一项所述的基于电场耦合的无线电能传输装置，其中，所述电能发射部设置于所述充电基站，所述电能接收部设置于无人船。