CN111371192B - 一种机器人无线充电功率匹配及开路保护的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人无线充电功率匹配及开路保护的方法及系统，包括：充电开始前，能量发射端接收能量接收端测量的空载输出电压信号，当所述空载输出电压达到设定值后开始充电，且在充电过程中一直稳定其电压，实现能量发射端与能量发射端的耦合系数自适应。本发明有益效果：通过调节空载输出电压Voc实现耦合系数自适应，有助于稳定系统的品质因数Q值，获得较高的传输效率和传输功率；保证在满足输出功率的前提下提供最小的发射电流。

Description

一种机器人无线充电功率匹配及开路保护的方法及系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种机器人无线充电功率匹配及开路保护的方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

目前主流机器人电池大多以24V-48V锂电池居多，其充电电流在10A-30A之间。由于机器人电池电压低、充电电流大、等效负载小、接收端体积及重量要求严格等特性，市场上为机器人配套的无线充电器多采用串-串结构以降低接收线圈的电流量，通过调节发射端频率从而使发射端等效负载变化以控制发射电流以达到功率调节的目的。接收端辅助电源从接收线圈上引出一路电源来进行稳压。

发明人发现，这种方案有结构简单，控制方便等优点，然而也存在许多致命的缺陷。例如：系统无功损耗大导致效率低下；接收线圈电流与充电电流相等，导致线圈线径过大，增加了重量且在限制的空间无法提高互感量；当负荷突然断载的情况下，接收端输出电压会达到空载电压，一般为90V-110V，而辅助电源允许的最高输入电压一般不超过70V，这样会导致辅助电源损坏的严重后果。

目前许多研究都在致力于避免此种情况的发生，但都没有一个比较完善的方案；现有技术采用控制开关管投入电阻的办法，这种方式需要电阻功率大体积大，且会导致系统Q值变大形成正反馈，并不符合实际应用情况；充电调节是靠调节发射端的频率，调节周期>100ms，导致充电纹波系数过大且不能及时响应负载的突变。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种机器人无线充电功率匹配及开路保护的方法及系统，在发射端采用LCC结构，接收端采用S结构，能够通过调节空载输出电压Voc实现耦合系数自适应，保证在满足输出功率的前提下提供最小的发射电流。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种机器人无线充电功率匹配及开路保护的方法，包括：

充电开始前，能量发射端接收能量接收端测量的空载输出电压信号，当所述空载输出电压达到设定值后开始充电，且在充电过程中一直稳定其电压，实现能量发射端与能量发射端的耦合系数自适应。

本发明实施方式通过调节空载输出电压Voc实现耦合系数自适应，有助于稳定系统的品质因数Q值，获得较高的传输效率和传输功率；保证在满足输出功率的前提下提供最小的发射电流。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种机器人无线充电功率匹配及开路保护的系统，包括能量发射端和能量接收端，所述能量接收端包括：

由L1和C1组成的接收线圈，所述接收线圈依次连接相位检测模块、移相控制互补输出模块、整流器以及稳压电容后，连接至充电负载。

还包括：能量接收端控制器，所述能量接收端的控制器采集空载输出电压Voc并反馈至能量发射端；能量接收端的控制器采集当前电池电压及充电电流来控制移相角度以实现电池恒压恒流充电。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过调节空载输出电压Voc实现耦合系数自适应，有助于稳定系统的品质因数Q值，获得较高的传输效率和传输功率；保证在满足输出功率的前提下提供最小的发射电流。

(2)本发明采用能量接收端功率调节以实现快速的动态响应及电池卸载保护，降低纹波系数，降低接收线圈电流，节省线圈成本。相比传统BUCK电路节省了体积较大的滤波电感。

(3)本发明能量接收端控制系统采用双电源供电设计，保证电源具有较宽的输入范围且一直在线，不会出现由于系统突变模式引起电源烧毁；同时保证电路动作的可靠性，开机阶段主要靠电池提供电源，正常工作阶段电池和Voc双电源供电，电池突然开路时由Voc供电。

(4)本发明的充电控制策略采用能量发射端和能量接收端同时调节的方式，利用调节发射端的移相触发角度或者输入电原电压来稳定Voc，实现能量发射端与能量接收端的耦合系数自适应；通过调节接收端的交流移相电路来实现电池的恒压恒流充电功能。

附图说明

图1为现有技术中能量发射端和能量接收端的结构示意图；

图2为本发明实施例中能量接收端结构示意图；

图3为本发明实施例中移相控制互补输出模块工作波形图；

图4为本发明实施例中能量接收端控制系统结构示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

现有技术中，无线电能传输系统的基本结构如图1所示，发射端将供电电源的能量通过高频逆变和发射补偿电路转换为发射线圈需要的高频交变电磁场，接收端的接收线圈接收到能量，再通过接收补偿和整流器转换为负载需要的能量并输出给负载。

发射端一般包括供电电源，高频逆变器，发射补偿电路和发射线圈；接收端一般包含接收线圈，接受补偿电路，整流器和负载。能量一般以电磁场的形式在空气、水等媒介中实现由发射线圈到接收线圈的传播。

能量发射端和能量接收端都有控制系统，分别通过辅助电源为控制系统供电。

基于此，在一个或多个实施方式中，公开了一种机器人无线充电功率匹配及开路保护的方法，包括：

充电开始前，能量发射端接收能量接收端测量的空载输出电压信号，能量发射端通过调节发射线圈电流来稳定接收端空载输出电压，即限制接收端的输出电压不超过限定的阈值；当空载输出电压达到设定值后开始充电，且在充电过程中一直稳定其电压，实现能量发射端与能量发射端的耦合系数自适应。

具体地，

Pmax＝(Voc^2)/RL，

Voc＝j*ω*M*Ip，

其中，Pmax为系统最大输出功率；Voc为空载输出电压；RL为接收线圈后的等效阻抗；j为虚数单位；ω为角频率；M为发射线圈和接收线圈的互感；Ip为发射线圈电流。

本实施例中，采用磁耦合式无线电能传输系统的LCC-S结构，该结构在能量发射端采用LCC结构，能量接收端采用S结构；能量接收侧，即S结构发生串联谐振时，由上述公式可知，串联谐振输出特性相当于电压源，其最大输出功率与空载电压有关，因此在等效负载一定的情况下，只要满足空载输出电压就能满足输出功率的需求。

能量发射端采用LCC结构，通过移相触发或者调节输入电源电压来调节发射线圈的电流；

充电前，能量接收端先测量空载输出电压并通过433无限数传模块反馈给能量发射端，能量发射端通过调节发射线圈电流来稳定能量接收端空载输出电压Voc，当Voc达到设定值后开始充电，且在充电过程中一直稳定其电压。

需要说明的是，本实施例中，耦合系数指发射线圈和接收线圈的耦合系数；等效电阻RL为接收线圈后，包括整流器、变换电路、负载在内的所有部分的等效电阻。耦合系数自适应有助于稳定系统的品质因数Q值，获得较高的传输效率和传输功率。

无线充电系统中，发射线圈和接收线圈的相对位置对能量的传输有着重要影响，理想情况是发射线圈和接收线圈正对，且垂直距离适当(一般为5cm到20cm之间)。以发射线圈和接收线圈的几何中心为准，水平方向的偏移即为水平偏移，竖直方向的偏移即为垂直偏移。

传统充电器为满足最小耦合系数往往会固定一个较大的发射电流，出现大马拉小车的现象。本实施例方案可以解决由于水平偏移和垂直偏移导致的耦合系数发生变化的问题；能够通过调节空载输出电压Voc实现发射线圈和接收线圈的耦合系数自适应，保证在满足输出功率的前提下提供最小的发射电流。

在另外一些实施方式中，利用交流移相调节的方式替代BUCK电路对充电电压电流进行接收端调节，参见图2；通过移相角度来控制Voc电压和输出电池充电电压正常工作时的比值为4:1-2:1之间，因此线圈电流仅仅是负载输出电流的1/4-1/2倍。间接的控制等效电阻RL以调节功率输出。

具体地，能量自接收线圈，途径交流移相控制环节和整流器，流至负载，整个环节功率近似恒定，由P＝UI可知，当空载输出电压Voc是给负载充电电压的2～4倍时，接收线圈的电流则为给负载输出电流的1/2～1/4。

对空载输出电压Voc的调节由移相控制完成。

这样能够提高系统响应速度，将调节周期由发射端调节的100ms变为逐波调节，降低输出电压电流的纹波系数。降低了接收端线圈的等效电流，提高等效输出电阻RL的值，实现系统品质因数Q＝ω*L2/RL的自动适应功能。

其中，ω为角频率，L2为接收线圈电感值，RL为接收线圈后的等效阻抗。

在另外一些实施方式中，能量接收端控制系统采用高低压双供电设计，采用宽输入电压范围12-120V的DC-DC模块H6203来提供12V电压。这种设计能保证在能量发射端启动之前，即开机阶段，通过电池来给控制电路供电，能量发射端启动成功后，即正常工作时，转为双电源供电，在电池突然保护跳开时由于能量发射端电流和耦合系数不会发生突变，空载输出电压Voc也不会突变，此时芯片供电仍然不会超过电源芯片允许的最大值，输出电压由于突然卸载而升高，主控芯片控制交流移相电路来切断电源供给以限制输出电压。

同时，能量接收端控制系统通过空载输出电压Voc采集及无线通讯方式控制能量发射端线圈电压来稳定Voc电压以保证提供足够功率，通过电池电压Vbat采集及充电电流采集来控制交流调节电路的移相角度来实现电池恒压恒流充电，同时实现电池开路保护。

实施例二

在一个或多个实施方式中，公开了一种机器人无线充电功率匹配及开路保护的系统，包括能量发射端和能量接收端，其中，参照图2，能量接收端包括：差分放大器、谐振补偿电容C1、接收线圈L1、整流桥B1、Vbat端滤波电容E1以及蓄电池BT1；三极管Q1、三极管Q2、二极管D1，D2为移相调压部分主电路.

其中，差分放大器模块用来采集空载输出电压Voc电压，将电压进行整流、分压及滤波等处理后给CPU进行采集。相位检测模块是将正弦波转化成方波供CPU采集控制。移相控制互补输出模块检测到相位的脉冲信号后，延时一定的时间触发相应的开关管Q1或Q2，同时关闭与其互补的开关管Q2或Q1。

通过差分放大器来采集空载输出电压Voc，通过相位检测器来获取与空载输出电压Voc同步的方波信号，获取方波信号之后CPU进行采集，作为Voc相位的同步信号。CPU对相位同步信号移相一定角度后控制开关管Q的驱动端Vg。此电路相当于降压电路，移相角度越大，降压幅度也就越大。

移相控制互补输出用于实现降压操作，通过移相角度来控制电压的下降幅度。

开关管Q1、二极管D1和开关管Q2、二极管D2这四个元器件相当于一个交流开关，开关管Q1与Q2为互补导通的开关管，二极管D1，D2为续流二极管，具体工作见图3所示的波形图，其中，Vg1、Vg1分别是开关管Q1、Q2的驱动信号。

利用CPU来根据实际功率需求控制移相角度，通过移相控制单元来输出两路互补的驱动信号。

电池充电的三个环节：恒流充电，恒压充电以及涓流充电，三个环节取决于电池的储能状况。所以需要能量接收端控制系统采集当前的电池电压和充电电流，移相控制环节才能针对输出电压或电流做出相应调节。

能量接收端控制系统结构如图4所示，能量接收端控制系统采用ARM单片机作为主控制器，通过空载输出电压Voc和电池电压Vbat双路供电，保证系统永不失电。同时通过空载输出电压Voc采集及无线通讯方式控制发射端线圈电压来稳定空载输出电压Voc以保证提供足够功率；通过电池电压Vbat采集及充电电流采集来控制交流调节电路的移相角度来实现电池恒压恒流充电，同时实现电池开路保护。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种机器人无线充电功率匹配及开路保护的方法，其特征在于，包括：

充电开始前，能量发射端接收能量接收端测量的空载输出电压信号，当所述空载输出电压达到设定值后开始充电，且在充电过程中一直稳定其电压，实现能量发射端与能量接收端的耦合系数自适应；

采用磁耦合式无线电能传输系统的LCC-S结构，该结构在能量发射端采用LCC结构，能量接收端采用S结构；能量发射端通过移相触发或者调节输入电源电压的方式调节发射线圈的电流，限制接收端的输出电压不超过设定的阈值；

能量接收端的控制系统通过空载输出电压Voc和电池电压双路供电；能量接收端的控制系统采集空载输出电压Voc并反馈至能量发射端；能量接收端的控制系统采集当前电池电压及充电电流来控制移相角度以实现电池恒压恒流充电。

2.如权利要求1所述的一种机器人无线充电功率匹配及开路保护的方法，其特征在于，能量接收端利用交流移相调节的方式，对能量接收端输出给负载的电压和电流进行接收端调节。

3.如权利要求1所述的一种机器人无线充电功率匹配及开路保护的方法，其特征在于，通过移相角度来控制Voc电压和输出电池充电电压正常工作时的比值为4:1-2:1之间。

4.如权利要求1所述的一种机器人无线充电功率匹配及开路保护的方法，其特征在于，能量接收端的控制系统在开机阶段通过电池电压提供电源，在正常工作阶段通过空载输出电压Voc和电池电压双电源供电，在电池电压突然开路时，通过空载输出电压Voc供电。

5.如权利要求1-4任一所述的一种机器人无线充电功率匹配及开路保护的 方法的系统，包括能量发射端和能量接收端，其特征在于，所述能量接收端包括：

由L1和C1组成的接收线圈，所述接收线圈依次连接相位检测模块、移相控制互补输出模块、整流器以及稳压电容后，连接至充电负载；

还包括：能量接收端控制器，所述能量接收端的控制器采集空载输出电压Voc并反馈至能量发射端；能量接收端的控制器采集当前电池电压及充电电流来控制移相角度以实现电池恒压恒流充电。

6.如权利要求5所述的一种机器人无线充电功率匹配及开路保护的 方法的系统，其特征在于，所述能量接收端的控制器在开机阶段通过电池电压提供电源，在正常工作阶段通过空载输出电压Voc和电池电压双电源供电，在电池电压突然开路时，通过空载输出电压Voc供电。

Images