CN111181231A - 无线充电发射装置及轻量化的无线充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无线充电发射装置及系统，其中，该发射装置包括：固定座，所述固定座上安装有可伸缩的支撑架；发射端壳体，所述发射端壳体安装于所述支撑架的末端；以及无线充电发射端，所述无线充电发射端封装于所述发射端壳体内。该系统包括无线充电发射装置和无线充电接收装置，其中，所述无线充电发射装置为前述无线充电发射装置，所述无线充电接收装置包括接收端壳体以及封装于所述接收端壳体内的无线充电接收端。本发明通过调节可伸缩的支撑架，便于调整无线充电发射端和无线充电接收端之间的相对位置，相对现有技术来说，操作更加灵活，更省时省力。

Description

无线充电发射装置及轻量化的无线充电系统
技术领域
本发明涉及无线充电领域，尤其涉及一种无线充电发射装置及系统。
背景技术
电池充电方法通常包括接触式充电和无线充电两种方式。其中，接触式充电采用插头与插座的金属接触来导电，无线充电是以耦合的交变磁场为媒介实现电能的传递。与接触式充电相比，无线充电可实现相对来说的远距离无线电能的转换，操作更加方便，已广泛应用于无人机、电单车、家用电器充电。
公知的，无线充电系统包括无线充电发射端和无线充电接收端，其中，无线充电发射端主要用于通过发射线圈将交流电以交变磁场形式发射出去，无线充电接收端主要用于通过接收线圈接收交变磁场并输出交流电，并将交流电整流为直流电提供给负载。通常，无线充电接收端安装于待充电的载体上，无线充电发射端固定于预定位置，为了确保充电效果，需要通过移动载体来调整无线充电发射端和无线充电接收端之间的相对位置，对于无人机、电单车、家用电器这些设备来说，不方便操作。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种无线充电发射装置及系统，以减小接收端的重量和损耗。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种无线充电发射装置，包括：
固定座，所述固定座上安装有可伸缩的支撑架；
发射端壳体，所述发射端壳体安装于所述支撑架的末端；以及
无线充电发射端，所述无线充电发射端封装于所述发射端壳体内。
在本发明一个优选实施例中，所述支撑架为菱形伸缩架。
在本发明一个优选实施例中，所述固定座包括底座以及固定于所述底座上的立柱，所述支撑架安装于所述立柱上。
在本发明一个优选实施例中，所述无线充电发射端包括：
直流电源；
与所述直流电源连接的逆变器；
与所述逆变器连接的发射端补偿电容；以及
与所述发射端补偿电容连接的发射线圈。
在本发明一个优选实施例中，所述发射端壳体上设有限位结构。
为了实现上述目的，本发明还提供一种轻量化的无线充电系统，该系统包括：无线充电发射装置和无线充电接收装置，其中，所述无线充电发射装置为前述无线充电发射装置，所述无线充电接收装置包括接收端壳体以及封装于所述接收端壳体内的无线充电接收端。
在本发明一个优选实施例中，所述无线充电接收端包括：
接收线圈，所述接收线圈的中间位置设有中间抽头端子，所述中间抽头端子与一正输出端连接；以及
半波整流器，所述半波整流器包括第一整流开关管和第二整流开关管，其中，所述第一整流开关管的输出端与所述接收线圈的一端相连，所述第二整流开关管的输出端与所述接收线圈的另一端相连，且所述第一整流开关管和第二整流开关管的输入端分别与一负输出端连接。
在本发明一个优选实施例中，所述无线充电发射端还包括：发射端控制器以及与所述发射端控制器连接的输入电压采样模块、输入电流采样模块、逆变器驱动模块、及发射端通信模块；
所述无线充电接收端还包括：接收端控制器以及与所述接收端控制器连接的输出电压采样模块、输出电流采样模块以及接收端通信模块，且所述接收端通信模块与所述发射端通信模块通信连接。
通过上述技术方案，本发明相对现有技术具有如下有益效果：
本发明通过调节可伸缩的支撑架，便于调整无线充电发射端和无线充电接收端之间的相对位置，相对现有技术来说，操作更加灵活，更省时省力。
附图说明
图1A为本发明无线充电系统在支撑架为收缩状态时的结构示意图；
图1B为本发明无线充电系统在支撑架为伸展状态时的结构示意图；
图2A为本发明无线充电电路的一个实施例的电路原理图；
图2B为常规无线充电电路的一个实施例的电路原理图；
图3为图2A的等效电路图；
图4为本发明无线充电电路的另一个实施例的电路原理图；
图5为本发明发射端控制器的工作流程图；
图6为本发明接收端控制器的工作流程图；
图7为本发明中发射线圈的结构示意图；
图8为本发明中接收线圈的结构示意图。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的无线充电发射装置1如图1A和1B所示，包括固定座11，固定座11上安装有一对可伸缩的支撑架12，一发射端壳体安装于一对支撑架12的末端，发射端壳体13内封装有无线充电发射端。其中，固定座11包括底座111以及固定于底座上的立柱112，支撑架12安装于立柱112上，且支撑架12优选为菱形伸缩架。然而，本发明对固定座11和支撑架12的形式不作任何限定，可采用任何能实现本发明目的的固定座11和支撑架12结构，此外，在本实施例中虽然示出了一对支撑架12，但在实际应用中，也可以是一个支撑架12或多个支撑架12，可根据具体需要而定。
通过设置可伸缩的支撑架12，便于调节无线充电发射端和无线充电接收端之间的相对位置，相对现有技术来说，操作更加灵活，更省时省力。
再次参阅图1A和1B，本发明还提供一种轻量化的无线充电系统，该系统包括：前述无线充电发射装置1和一无线充电接收装置2，其中，无线充电接收装置2包括接收端壳体以及封装于接收端壳体内的无线充电接收端，以通过该无线充电接收端与前述无线充电发射端构成完整的充电电路。在本实施例中，无线充电接收装置安装于待充电的无人机3上，然而本发明并不局限于应用于无人机充电，也可以应用于电单车、家用电器等载体充电。
如图2A所示，本发明的无线充电发射端包括直流电源Vin、输入滤波电容C3、逆变器H1、发射端补偿电容C1以及发射线圈W1，且发射线圈与接收线圈耦合连接。在图2的实施例中，输入滤波电容C3与直流电源Vin并联，逆变器H1为全桥逆变器，由四个逆变开关管M1-M4构成，逆变器H1的两个输入端分别与直流电源Vin的正负极连接，逆变器H1的一输出端与发射端补偿电容C1的一端连接，逆变器H1的另一输出端与发射线圈W1的一端连接，发射线圈W1的另一端与发射端补偿电容C1的另一端连接。
再次参阅图2A，本发明的无线充电接收端包括接收线圈和半波整流器H2，其中，接收线圈的中间位置设有中间抽头端子，且该中间抽头端子与一正输出端连接；半波整流器H2包括第一整流开关管D1和第二整流开关管D2，其中第一整流开关管D1的输出端与接收线圈的一端相连，第二整流开关管D2的输出端与接收线圈的另一端相连，且第一整流开关管D1和第二整流开关管D2的输入端分别与一负输出端连接。优选地，第一整流开关管D1和第二整流开关管均采用整流二极管实现。此外，无线充电接收端还包括连接在正输出端与负输出端之间的输出滤波电容C4。
本发明的接收线圈是由一个普通线圈通过添加中间抽头端子而分成两部分，即W2和W3。中间抽头端子作为正极输出到正输出端。负输出端经两个整流开关管分别接到接收线圈的两端。两个整流开关管D1、D2在各自回路中形成半波整流。当电流由发射线圈的同名端流入，接收线圈电流由同名端流出，此时只有W3和D2导通；当电流由发射线圈的同名端流出，则接收线圈只有W2和D1导通。在一个完整的周期中，W2和W3各导通一半时间，可将其等效为一个W2(或W3)导通整个周期。
可见，本发明利用设有中间抽头端子的接收线圈以及由两个整流开关管构成的半波整流器，代替了如图2B所示的常规无线充电接收端中的常接收线圈以及由四个整流开关管构成的全波整流器，从而减少了接收端电路的元器件数量，并且在同样输出电流的情况下，本发明只有一个二极管产生损耗，而传统无线充电接收端有两个二极管同时产生损耗，从而相对现有技术减小了电路损耗。减小电路损耗一方面可以提高无线充电的充电效率，另一方面可以减轻对无线充电接收端的散热压力，从而可减轻用于对接收端散热的散热器重量。当本发明的无线充电接收端应用于无人机等对载重限制较高的载体时，是特别有利的。
本发明无线充电电路的工作原理如下：由于逆变器H1连接的是直流电源Vin，因此1用于将直流电逆变为交流电。发射端补偿电容C1对逆变器H1输出的交流电进行补偿后输出给发射线圈，发射线圈用于将交流电以交变磁场形式发射出去。接收端的接收线圈用于接收发射线圈发射的交变磁场并输出交流电，当电流由发射线圈的同名端流入，接收线圈电流由同名端流出，此时只有W3和D2导通为负载供电；当电流由发射线圈的同名端流出，则接收线圈只有W2和D1导通为负载供电。在一个完整的周期中，W2和W3各导通一半时间，可将其等效为一个W2(或W3)导通整个周期。当等效为一个W2导通整个周期时，图2A的简化电路模型如图3所示，可得：
Figure BDA0002385429430000051
Figure BDA0002385429430000052
其中，ω是角频率，L1、L2分别是线圈W1和W2的自感，M12是线圈W1和W2的互感，RL是等效负载电阻，
Figure BDA0002385429430000053
是输入电压的相量，
Figure BDA0002385429430000054
是发射线圈电流和接收线圈电流的相量。
由式(1)和式(2)，可以计算得到电路的输入阻抗为：
Figure BDA0002385429430000055
为使输入电压与输入电流同相，Zin的虚部要等于零，也就是：
Figure BDA0002385429430000056
由此，可解得所需要的C1值。
图4示出了本发明无线充电电路的另一个实施例。与图2所示的实施例相比，本实施例在无线充电发射端增设了发射端控制器以及与发射端控制器连接的输入电压采样模块、输入电流采样模块、逆变器驱动模块、及发射端通信模块；同时，在无线充电接收端增设了接收端控制器以及与接收端控制器连接的输出电压采样模块、输出电流采样模块以及接收端通信模块。
在本实施例中，输入电压/电流采样模块用于采样无线充电发射端的输入电压/电流，逆变器驱动模块用于驱动逆变器进行逆变、发射端通信模块用于实现与接收端通信模块的通信，输出电压/电流采样模块用于采样无线充电接收端的输出电压/电流。工作时，输出电压/电流采样模块采样到无线充电接收端的输出电压/电流后，由发射端控制器经两个通信模块发送到发射端控制器，而后，发射端控制器根据输出电压/电流，采用PI算法或PID算法等调节输出的PWM，进而通过驱动器调节逆变器的移相角，实现逆变器的移相控制，从而实现整个充电电路的闭环控制，有利于恒流和恒压充电。
发射端控制器的具体工作流程如图5所示，主要包括以下步骤：设置总线时钟；对与其连接的各模块进行初始化；配置发射端通信模块为接收模式，以接收前述输出电压/电流；使能中断；初始化PI/PID参数；根据采样的输入电压/电流判断是否可进行充电；当可进行充电时，根据发射端通信模块接收到的输出电压/电流进行PI/PID控制，以生成相应PWM控制信号对逆变器的移相角进行控制，从而实现整个充电电路的闭环控制；当不可进行充电时，则屏蔽PWM控制信号，流程结束。
接收端控制器的具体工作流程如图6所示，主要包括以下步骤：设置总线时钟；对与其连接的各模块进行初始化；配置接收端通信模块为发送模式，以发送输出电压/电流；使能中断；采样输出电压/电流；根据输出电压/电流判断充电状态是否异常；若异常，则停止充电；若无异常，流程结束。
在本发明一个实施例中，发射线圈的结构如图7所示；接收线圈的结构如图8所示，其包括上下两层线圈，中间位置设有中间抽头端子。
在本发明一个实施例中，发射端壳体和/或接收端壳体上设有限位结构，以实现接收端装置2的精准定位，保证充电效果。
需要说明的是，本发明中的发射/接收端通信模块可以采用任何合适的通信协议进行通信，如SPI、UART等；本发明中的电压/电流采样模块、逆变器驱动模块均可以采用本领域常规的任何一种电压/电流采样电路、逆变器驱动电路实现，本发明对此不作任何限制。
以上详细描述了本发明的各较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种无线充电发射装置，其特征在于，包括：
固定座，所述固定座上安装有可伸缩的支撑架；
发射端壳体，所述发射端壳体安装于所述支撑架的末端；以及
无线充电发射端，所述无线充电发射端封装于所述发射端壳体内。
2.根据权利要求1所述的无线充电发射装置，其特征在于，所述支撑架为菱形伸缩架。
3.根据权利要求1所述的无线充电发射装置，其特征在于，所述固定座包括底座以及固定于所述底座上的立柱，所述支撑架安装于所述立柱上。
4.根据权利要求1所述的无线充电发射装置，其特征在于，所述无线充电发射端包括：
直流电源；
与所述直流电源连接的逆变器；
与所述逆变器连接的发射端补偿电容；以及
与所述发射端补偿电容连接的发射线圈。
5.根据权利要求1所述的无线充电发射装置，其特征在于，所述发射端壳体上设有限位结构。
6.一种轻量化的无线充电系统，该系统包括无线充电发射装置和无线充电接收装置，其特征在于，所述无线充电发射装置为前述权利要求1-5中任一项所述的无线充电发射装置，所述无线充电接收装置包括接收端壳体以及封装于所述接收端壳体内的无线充电接收端。
7.根据权利要求6所述的轻量化的无线充电系统，其特征在于，所述无线充电接收端包括：
接收线圈，所述接收线圈的中间位置设有中间抽头端子，所述中间抽头端子与一正输出端连接；以及
半波整流器，所述半波整流器包括第一整流开关管和第二整流开关管，其中，所述第一整流开关管的输出端与所述接收线圈的一端相连，所述第二整流开关管的输出端与所述接收线圈的另一端相连，且所述第一整流开关管和第二整流开关管的输入端分别与一负输出端连接。
8.根据权利要求7所述的轻量化的无线充电系统，其特征在于，所述无线充电发射端还包括：发射端控制器以及与所述发射端控制器连接的输入电压采样模块、输入电流采样模块、逆变器驱动模块、及发射端通信模块；
所述无线充电接收端还包括：接收端控制器以及与所述接收端控制器连接的输出电压采样模块、输出电流采样模块以及接收端通信模块，且所述接收端通信模块与所述发射端通信模块通信连接。
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CN111740510A (zh) * 2020-06-19 2020-10-02 青岛鲁渝能源科技有限公司 基于移相调节控制的无线充电方法及系统

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