CN112260419A - 一种无线电能传输系统及启停方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线电能传输领域，涉及一种无线电能传输系统及启停方法，具体的一种无线电能传输系统包括发射端、接收端、位于发射端中的永磁磁铁、位于接收端中的磁场检测电路、耦合度检测电路、无线通信收发模块、发射端控制器和接收端控制器；当接收端控制器判断磁场检测电路和耦合度检测电路的信号都大于对应设定值的时候，开启无线电能传输。本发明采用的电路简单，对松耦合变压器收发线圈的相对位置进行双重确认，以及无线电能传输系统启停的智能控制，确保系统在可靠的工作条件下运行。

Description

一种无线电能传输系统及启停方法

技术领域

本发明属于无线电能传输领域，涉及一种无线电能传输系统及启停方法。

背景技术

无线电能传输是以电磁场为媒介实现电能的传递。主要优点是不需要插拔，使用简单方便、不会产生电火花及触电危险、无机械磨损和相应的维护问题、可以在易燃易爆的工业环境中使用、还可适应多种恶劣环境和天气。对于无线电能传输系统，需要将变压器一次、二次绕组分开，通过高频磁场的耦合传输电能。

对于无线电能传输系统中的松耦合变压器结构特殊之处在于一次侧与二次侧磁芯、绕组完全分离，绕组产生的磁通仅有一部分与另一侧绕组耦合。松耦合变压器的特点为一、二侧绕组漏感大，耦合系数低。目前常用的无线电能传输技术有：电磁感应式与电磁共振式。电磁感应是通过磁场耦合感应相联系，其传输距离较短；电磁共振式是一次和二次绕组采用相同频率的谐振补偿网络，实现中等距离传输。两种方式的松耦合变压器一、二侧线圈的距离大小，横向、纵向的偏移都会对无线电能传输的效率产生较大的影响。如果一、二侧线圈相对位置偏移较大、距离较远将导致系统传输效率的大幅度降低，使电能转化为过多热能而导致设备过热损坏。因此，为了保证无线电能传输系统的可靠、高效工作，其松耦合变压器收发线圈相对位置的检测显得非常重要，也对无线电能传输的启停控制提出了更高的要求。目前，实现无线电能传输系统多采用在接收端设备移走后发射端设备采取间歇性发送能量信号的方式来检测接收端设备是否到来，当接收端收到能量后反馈给发射端信号得以确认，这种方式导致系统的待机功耗较高，如果用在输入高电压场合导致强磁干扰现象。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在的问题和不足，提出一种无线电能传输系统，包括发射端、接收端、位于发射端中的永磁磁铁、位于接收端中的磁场检测电路、无线通信收发模块、发射端控制器和接收端控制器；发射端包括发射端电路；接收端包括接收端电路；所述的发射端控制器用于控制发射端电路的工作；发射端控制器与发射端电路连接；所述的磁场检测电路用于检测磁场强度信号，并将磁场信号转化为电信号输入到接收端控制器，磁场检测电路与接收端控制器连接；无线通信收发模块用于发射端控制器和接收端控制器之间通信。

进一步的，所述的发射端电路包括开关管T1、T2、T3、T4组成的逆变桥、电容Cs与发射线圈L1组成的串联谐振电路；逆变桥与串联谐振电路连接，发射端控制器与开关管T1、T2、T3、T4连接；所述的接收端电路包括接收线圈L2与电容Cp，接收线圈L2与电容Cp并联组成并联谐振电路，接收端电路的输出端接负载。发射线圈L1和接收线圈L2构成松耦合变压器的收发线圈。

发射端控制器通过控制由开关管T1、T2、T3、T4组成的逆变桥，将直流输入电压Vin变换成高频的方波电压输出到由发射端的Cs与L1组成的串联谐振电路，经谐振电路将交流电能转换为磁场能量输出，接收端线圈将感应到的磁场能量转化为交流电场能量。

进一步的，永磁磁铁位于发射线圈L1中；磁场检测电路包括霍尔器件，所述的霍尔器件位于接收线圈L2中；永磁磁铁与霍尔器件分别在发射线圈L1和接收线圈L2中的位置成镜像关系；永磁磁铁是耐高温的高强度永磁磁铁。

磁场检测电路采用霍尔器件时刻对永磁磁场强度进行检测，根据永磁在一定距离内的磁场强度来判断松耦合变压器收发线圈的距离，本发明根据永磁磁场强度智能控制无线电能传输的启动与停止。

进一步的，永磁磁铁位于发射线圈L1的中心位置，霍尔器件位于接收线圈L2的中心位置。

进一步的，所述的磁场检测电路还包括电阻R1、电容C2和仪用放大器；霍尔器件感应到磁场强度后输出电压信号经R1、C2低通滤波后输入仪用放大器的输入端，仪用放大器输出接入接收端控制器的AD口。

接收端控制器将永磁磁场强度信号AD转换后与磁场强度信号设定值进行比较，如果实际测得的磁场强度信号大于设定值则通过无线通信收发模块通知发射端控制器开始下一步工作，反之，如果信号小于磁场强度信号设定值则继续保持磁场强度信号检测。

进一步的，还包括耦合度检测电路；耦合度检测电路的输入端与接收端电路连接，耦合度检测电路的输出端与接收端控制器连接，接收端控制器接收耦合度检测电路的耦合度检测信号。所述的耦合度检测电路是利用松耦合变压器发射线圈输出一定的磁场能量，接收端线圈感应到的磁场能量转化为电场能量后进行检测。

进一步的，耦合度检测电路包括整流桥、电容C21、运放U4、电阻R25和电容C23，整流桥包括D1、D2、D3、D4快恢复二极管ES1J，接收端电路输出的交流电信号通过整流桥整流、电容C21滤波后接入由运放U4组成的差分放大电路，差分放大电路输出经过R25、C23滤波后直接接入接收端控制器的AD口。

所述的接收端控制器将耦合度信号AD转换后与耦合度设定值进行比较，如测得的耦合度信号大于耦合度设定值，则通知发射端控制器正常开启无线电能传输。反之，则不启动无线电能传输。

本发明的有益效果：本发明采用的电路简单，对松耦合变压器收发线圈的相对位置进行双重确认，以及无线电能传输系统启停的智能控制，确保系统在可靠的工作条件下运行。

附图说明

图1是本发明的系统框图。

图2是本发明的永磁磁铁与霍尔器件的安装位置图。

图3是本发明的磁场检测电路图。

图4是本发明的发线圈耦合度检测电路图。

图5是无线电能传输系统收发线圈位置检测流程图。

具体实施方式

为使本发明创造的内容更加清楚，下面结合附图，对本发明创造的具体实施方式作进一步详细描述。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明创造无关的、本领域普通技术人员已知的部件的表示和描述。

一种无线电能传输系统，具体包括发射端、接收端、位于发射端中的永磁磁铁1、位于接收端中的磁场检测电路、耦合度检测电路、无线通信收发模块、发射端控制器和接收端控制器。发射端包括发射端电路；接收端包括接收端电路。

发射端控制器与发射端电路连接，用于控制发射端电路的工作状态；

磁场检测电路与接收端控制器连接，用于磁场强度的检测，将磁场强度转化为电信号传输到接受端控制器；

接收端控制器与耦合度检测电路连接，用于接收耦合度检测电路的耦合度检测信号；

无线通信收发模块用于发射端控制器和接收端控制器之间通信。如图1所示，所述的无线通信收发模块包括第一无线通信模块和第二无线通信模块，第一无线通信模块与发射端控制器连接，第二无线通信模块与接收端控制器连接。接收端控制器通过第二无线通信模块发送信息，发射端控制器通过第一无线通信模块接收接收端控制器发来的信息。

所述的发射端电路包括开关管T1、T2、T3、T4组成的逆变桥、电容Cs与发射线圈L1组成的串联谐振电路；发射端控制器通过控制开关管T1、T2的开启从而控制发射端电路的工作状态。

所述的接收端电路包括接收线圈L2与电容Cp，接收线圈L2与电容Cp并联组成并联谐振电路。

直流输入电压Vin经由开关管T1、T2、T3、T4组成的逆变桥，变换成高频的方波电压输出到由发射端的Cs与发射线圈L1组成的串联谐振电路，经谐振电路将交流电能转换为磁场能量输出，在接收端由接收线圈L2与Cp组成的并联谐振电路将磁场能量转换为交流电能为负载R提供能量。

如图2所示，在发射线圈L1中设置有耐高温的高强度永磁磁铁1，永磁磁铁1位于发射线圈L1的中心位置。

磁场检测电路包括霍尔器件2，所述的霍尔器件2位于接收线圈L2的中心位置；

如图3所示，所述的磁场检测电路还包括电阻R1、电容C2和仪用放大器；霍尔器件2U1(A1321,Allegro)感应到磁场强度后输出电压信号经R1、C2低通滤波后输入仪用放大器的输入端，仪用放大器由运放U2(OPA2376)、U3(OPA356)组成，由于霍尔器件2的A1321的零点为2.5V，因此采用R8、R9电阻进行分压提供零点偏置电压，R8＝R9＝10K，仪用放大器的增益由电阻R4、R5决定，增益A＝(1+2*R4/R5)，此方案中，R4＝R6＝10K、R5＝20K\R3＝R7＝R10＝R12＝2K，仪用放大器输出直接接入接收端控制器的AD口。

如图4所示，耦合度检测电路包括整流桥、电容C21和运放U4。高频整流桥由D1、D2、D3、D4快恢复二极管ES1J组成，通过电容C21滤波后直接接入由运放U4(OPA2376)组成的差分放大电路，差分电路增益A＝R24/R22，此方案中R23＝R24＝10K，R21＝R22＝200K，差分电路输出经过R25、C23滤波后直接接入接收端控制器的AD口。

当接收端线圈感应到的磁场能量转化为交流电场能量时，交流电通过耦合度检测电路的整流桥和滤波后转换为直流信号，再经过由运放U4组成的差分电路后直接接入接收端控制器的AD口。

如图5所示，本发明中的无线电能传输系统的启停方法，具体包括如下步骤：

步骤1，接收端控制器将磁场检测电路的信号AD转换后与磁场检测信号设定值进行比较；

步骤2，如果磁场检测信号大于等于磁场检测信号设定值，进入步骤4；

如果磁场检测信号小于磁场检测信号设定值，且接收端控制器中的耦合度检测标志＝1时，进入步骤3；

否则返回步骤1；

步骤3，接收端控制器通过无线收发模块通知发射端控制器，发射端控制器控制发射端停止工作，设置接收端控制器中的耦合度检测标志＝0，所述的耦合度检测标志是接收端控制器中的参数，返回步骤1；

步骤4，判断接收端控制器中的耦合度检测标志的值，所述的耦合度检测标志是接收端控制器中的参数，初始值为0；

接收端控制器中的耦合度检测标志＝0时，进入步骤5；

接收端控制器中的耦合度检测标志＝1时，说明当前发射端处于正常无线电能传输状态，返回步骤1；

步骤5，接收端控制器通过无线通信收发模块通知发射端控制器，发射端控制器发出连续小占空比PWM信号驱动逆变桥路，发射线圈输出一定的磁场能量；

步骤6，接收端线圈感应到的磁场能量并转化为电场能量后，耦合度检测电路进行松耦合变压器线圈耦合度的检测；

并开始T时间段倒计时，所述的T时间段通常为几秒钟，在本实施例中采用T时间段等于2秒。

在T时间段内，当接收端控制器接收的线圈耦合度信号大于等于耦合度信号设定值时，说明此时磁场检测和线圈耦合度检测信号都大于对应的设定值，表明发射线圈与接收线圈距离在正常的能量传输范围以内，且当前系统处于握手状态无能量传输，进入步骤7；

否则，倒计时结束后，接收端控制器通过无线通信收发模块通知发射端控制器，发射端控制器停止发出PWM驱动信号，进入步骤1；

步骤7，设置接收端控制器中的参数，耦合度检测标志＝1，接收端控制器通过无线通信收发模块通知发射端控制器，发射端控制器控制发射端开启无线电能传输，返回步骤1。

本发明的优点是采用的电路简单，对松耦合变压器收发线圈的相对位置进行磁场和线圈耦合度的双重确认，以及无线电能传输系统启停的智能控制，确保系统在可靠的条件下运行。

Claims (9)

1.一种无线电能传输系统，其特征在于，包括发射端、接收端、位于发射端中的永磁磁铁、位于接收端中的磁场检测电路、无线通信收发模块、发射端控制器和接收端控制器；

发射端包括发射端电路；接收端包括接收端电路；

所述的发射端控制器用于控制发射端电路的工作；发射端控制器与发射端电路连接；

所述的磁场检测电路用于检测磁场强度信号，并将磁场信号转化为电信号输入到接收端控制器，磁场检测电路与接收端控制器连接；

无线通信收发模块用于发射端控制器和接收端控制器之间通信。

2.根据权利要求1所述的一种无线电能传输系统，其特征在于，所述的发射端电路包括开关管T1、T2、T3、T4组成的逆变桥、电容Cs与发射线圈L1组成的串联谐振电路；逆变桥与串联谐振电路连接，发射端控制器与开关管T1、T2、T3、T4连接；

所述的接收端电路包括接收线圈L2与电容Cp，接收线圈L2与电容Cp并联组成并联谐振电路，接收端电路的输出端接负载。

3.根据权利要求2所述的一种无线电能传输系统，其特征在于，永磁磁铁位于发射线圈L1中；

磁场检测电路包括霍尔器件，所述的霍尔器件位于接收线圈L2中；永磁磁铁与霍尔器件分别在发射线圈L1和接收线圈L2中的位置成镜像关系。

4.根据权利要求1或3所述的一种无线电能传输系统，其特征在于，永磁磁铁是耐高温的高强度永磁磁铁。

5.根据权利要求3所述的一种无线电能传输系统，其特征在于，永磁磁铁位于发射线圈L1的中心位置，霍尔器件位于接收线圈L2的中心位置。

6.根据权利要求1所述的一种无线电能传输系统，其特征在于，所述的磁场检测电路还包括电阻R1、电容C2和仪用放大器；霍尔器件感应到磁场强度后输出电压信号经R1、C2低通滤波后输入仪用放大器的输入端，仪用放大器输出接入接收端控制器的AD口。

7.根据权利要求1所述的一种无线电能传输系统，其特征在于，还包括耦合度检测电路；耦合度检测电路的输入端与接收端电路连接，耦合度检测电路的输出端与接收端控制器连接，接收端控制器接收耦合度检测电路的耦合度检测信号。

8.根据权利要求7所述的一种无线电能传输系统，其特征在于，耦合度检测电路包括整流桥、电容C21、运放U4、电阻R25和电容C23，整流桥包括D1、D2、D3、D4快恢复二极管ES1J，接收端电路输出的交流电信号通过整流桥整流、电容C21滤波后接入由运放U4组成的差分放大电路，差分放大电路输出经过R25、C23滤波后直接接入接收端控制器的AD口。

9.如权利要求8所述的一种无线电能传输系统的启停方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，接收端控制器将磁场检测电路的信号AD转换后与磁场检测信号设定值进行比较；

步骤2，如果磁场检测信号大于等于磁场检测信号设定值，进入步骤4；

如果磁场检测信号小于磁场检测信号设定值，且接收端控制器中的耦合度检测标志＝1时，进入步骤3；

否则返回步骤1；

步骤3，接收端控制器通过无线收发模块通知发射端控制器，发射端控制器控制发射端停止工作，设置接收端控制器中的耦合度检测标志＝0，所述的耦合度检测标志是接收端控制器中的参数，返回步骤1；

步骤4，判断耦合度检测标志的数值；

接收端控制器中的耦合度检测标志＝0时，进入步骤5；

接收端控制器中的耦合度检测标志＝1时，返回步骤1；

步骤5，接收端控制器通过无线通信收发模块通知发射端控制器，发射端控制器发出连续小占空比PWM信号驱动逆变桥路，发射线圈输出一定的磁场能量；

步骤6，接收端线圈感应到的磁场能量并转化为电场能量后，耦合度检测电路进行松耦合变压器线圈耦合度的检测；并开始T时间段倒计时；

在T时间段内，当接收端控制器接收的线圈耦合度信号大于等于耦合度信号设定值时，进入步骤7；

否则，倒计时结束后，接收端控制器通过无线通信收发模块通知发射端控制器，发射端控制器停止发出PWM驱动信号，进入步骤1；

步骤7，设置接收端控制器中的参数，耦合度检测标志＝1，接收端控制器通过无线通信收发模块通知发射端控制器，发射端控制器控制发射端开启无线电能传输，返回步骤1。

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