CN112332485B - 一种无线充电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种无线充电系统及方法，所述系统包括发射端和接收端。发射端包括BUCK模块、逆变模块、发射线圈、主控模块；接收端包括接收线圈、整流模块、负载模块和检测模块。主控模块控制BUCK模块调节输入电压，控制逆变模块的开关调节输出电压和传输效率。检测模块检测实时输出电压经过无线通信反馈给发射端主控模块。所述方法为：充电前，主控模块控制BUCK模块调节不同输入电压，检测不同的输出电压，计算线圈耦合系数，根据系统参数计算出最佳输入电压，调节输入电压至最佳。充电过程中，主控模块通过控制逆变模块的开关实现对输出电压的调节，解决了无线充电技术中耦合系数获取不便的难题，确保了无线充电系统的输出电压和充电效率。

Description

一种无线充电系统及方法
技术领域
本发明属于无线电能传输领域，尤其涉及一种无线充电系统及方法。
背景技术
随着现代化社会电气程度不断加深，电能已经成为人类社会中最为重要的能源之一，但传统的有线电能传输存在电线老化，磨损，尖端放电，使用不便等问题，这些问题的出现会对电器造成伤害，威胁人们的生命安全，无线电能传输技术使用起来更便捷灵活，安全可靠，所以具有很大的应用价值。
无线电能传输系统的传输效率受到负载电阻和线圈耦合系数变化的影响，当两线圈发生偏移时，系统的最大传输效率点会发生改变。在电能传输过程中，负载电阻会发生改变，造成输出电压改变和传输效率的下降。
目前保持稳压输出和最大传输效率跟踪的方法有在接收端增加DC-DC电路实现阻抗匹配，增加相控电路等方案，但是这些方案都需要在无线电能传输系统中增加额外的电路，增加了电路的复杂性。为此需要提供一种电路结构简单的无线充电系统，以及一种高效率和稳压输出的无线充电方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线充电系统及无线充电方法，旨在解决现有无线充电系统中线圈耦合系数获取的问题和负载电阻改变时，输出电压发生改变和传输效率下降的问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：提供了一种无线充电系统及方法。
所述一种无线充电系统，包括发射端和接收端；
所述发射端包括：BUCK模块(降压式变换电路)、逆变模块、发射线圈和主控模块；
所述接收端包括：接收线圈、整流模块、负载模块和检测模块；
所述BUCK模块(降压式变换电路)与所述逆变模块电性连接；所述逆变模块与所述发射线圈电性连接；所述发射线圈与所述接收线圈耦合形成耦合线圈；所述耦合线圈与所述整流模块电性连接，所述整流模块与所述负载模块电性连接；所述主控模块与所述BUCK模块(降压式变换电路)和所述逆变模块电性连接；所述检测模块与所述负载模块电性连接。
进一步地，所述BUCK模块(降压式变换电路)，用于调节直流输入电压；
所述逆变模块，用于将直流电逆变成高频交流电；
所述发射线圈，用于将发射端高频交流电传输到接收端；
所述主控模块，用于控制发射端BUCK模块(降压式变换电路)和发射端逆变模块；
所述接收线圈，用于接收发射端高频交流电；
所述整流模块，用于将高频交流电整流成直流电；
所述负载模块，用于接收稳定直流电能；
所述检测模块，用于检测实时输出电压。
本发明还提供了一种无线充电方法，所述方法包括以下步骤：
S1、无线充电前，主控模块通过控制BUCK电路驱动信号占空比调节不同的输入电压，获取不同的输出电压，并计算两线圈之间的耦合系数；
S2、无线充电前，人为设定系统的预设输出电压，再根据系统参数和所述耦合系数计算出最佳输入电压；
S3、无线充电的过程中，在发射端以最佳输入电压进行充电，随着充电时间增加，负载模块电阻改变造成输出电压改变，主控模块调节逆变器开关信号的占空比使实际输出电压符合预设输出电压，从而实现稳定的电压输出和高效率的电能传输。
本发明的提供的技术方案带来的有益效果是：本发明无线充电系统通过对发射端BUCK电路的多次控制改变输入电压，获取不同的输出电压，实现线圈之间的耦合系数计算，通过控制逆变电路开关信号的占空比实现不同负载电阻情况下的稳压输出和高效率电能传输，解决了动态环境下无线充电技术的恒压输出的问题和充电效率降低的问题。
附图说明
图1是本发明具体实施例无线充电系统的电路结构；
图2是本发明具体实施例无线充电系统的逆变器开关控制信号波形图；
图3是本发明具体实施例无线充电方法实施流程框图；
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：
参考图1，本发明的实施例提供了一种无线充电系统，包括发射端和接收端；
其中发射端包括：BUCK电路(降压式变换电路)、逆变模块、主控模块、耦合线圈部分；
BUCK电路(降压式变换电路)：用于调节无线充电系统的直流输入电压，调节不同的输入电压，获取不同的输出电压，计算耦合系数。将输入电压调节到最佳输入电压。
逆变模块：用于将输入直流电逆变成高频交流电，进行无线电能传输；逆变器开关控制信号控制逆变电路的工作状态，实现输出电压的调节和高传输效率。
主控模块：用于控制BUCK电路(降压式变换电路)，主控模块为ARM芯片，主控模块控制BUCK电路(降压式变换电路)的控制信号占空比D1调节发射端输入电压，主控模块控制逆变器的开关控制信号占空比D2调节逆变电路的工作状态。请参考图2，逆变器开关控制信号为SLF，逆变器驱动信号为SHF，当逆变器开关控制信号SLF为高电平时，逆变器驱动信号正常输出，逆变电路工作输出高频交流电进行无线电能传输。当逆变器开关控制信号SLF为低电平时，逆变器驱动信号输出低电平，逆变电路暂停工作。该控制方案调节输出电压，提高传输效率。
耦合线圈部分：用于无线电能传输，发射线圈和接收线圈都串联一个补偿电容，增加线圈传输的效率和有功功率。
接收端包括：整流模块、负载模块、检测模块、检测模块；
整流模块：用于将接收到的发射端交流电进行整流为直流电，为了得到平稳的直流电，本无线充电装置实施例中的整流电流通过并联滤波电容作为低通滤波器。
所述负载模块：用于接收电能，通常为电池。
所述检测模块：用于测量所述接收端输出电压，检测模块通过电阻分压到3.3V以下，再通过ARM芯片进行检测。
此外，还有无线通信模块：用于发射端主控模块和接收端检测模块之间的通信，使用蓝牙通讯芯片。
请参考图3，图3是本发明实施例提供的无线充电系统的充电方法的流程图，所述无线充电方法步骤包括：
S1：无线充电前，主控模块通过控制BUCK电路驱动信号占空比调节不同的输入电压，获取不同的输出电压，并计算两线圈之间的耦合系数，根据以下算式计算无线电能传输系统两线圈之间的耦合系数：
Figure GDA0003823783150000051
上式中Rr-in表示接收端整流器输入电阻，d1表示输入端BUCK电路占空比，US表示原边交变电压，ZS表示次级阻抗，UL则代表系统的输出电压，L1和L2分别是发射线圈和接收线圈的电感，R1和R2分别为发射端和接收端的电阻值，ω表示发射端交流电角频率。
根据调节输入电压US获取不同的UL，计算出多个k，选取最接近的k值为系统的耦合系数。
S2：无线充电前，人为给定系统的预设输出电压，再根据系统参数和耦合系数计算出最佳输入电压；
根据以下算式计算恒定输出电压时的最佳输入电压：
Figure GDA0003823783150000061
Figure GDA0003823783150000062
Figure GDA0003823783150000063
Figure GDA0003823783150000064
其中US_OPT为最佳输入电压，M12为两线圈的互感，UD1代表接收端整流器二极管的压降，UL1为预设的输出电压。
S3：无线充电的过程中，在发射端以最佳输入电压进行充电，随着充电时间增加，负载模块电阻改变造成输出电压改变，主控模块调节逆变器开关信号的占空比使实际输出电压符合预设输出电压，从而实现稳定的电压输出和高效率的电能传输：
在充电过程中，负载模块电阻发生改变，输出电压经过电阻分压到3.3V以下，被接收端的检测模块采集，通过无线通信模块，经过蓝牙传输到发射端的主控模块。
主控模块接收到实时的输出电压，与预设输出电压进行比较，当出现误差后，主控模块调节逆变器开关控制信号占空比，改变输出电压。
接收端的检测模块持续检测实时输出电压，当输出电压不符合预设输出电压时，主控模块进行不断调节，当输出电压符合预设输出电压时，主控模块不再调节逆变器开关控制信号占空比，无线充电系统达到稳压输出和高效率传输，直到输出电压再次与预设输出电压发生偏离。
本发明的有益效果是：本发明针对无线充电系统在线圈偏移和负载电阻改变时，出现传输效率下降，输出电压改变的问题，提出了一种无线充电系统及无线充电方法，简化了无线充电装置结构，提高了无线充电系统在线圈发生偏移时的传输效率，在宽负载范围内实现稳压输出和高效率充电。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无线充电系统，包括发射端和接收端，其特征在于，所述发射端包括：BUCK模块、逆变模块、发射线圈和主控模块；所述接收端包括：接收线圈、整流模块、负载模块和检测模块；
所述BUCK模块与逆变模块电性连接；所述逆变模块与发射线圈电性连接；所述发射线圈与接收线圈耦合形成耦合线圈；所述耦合线圈与整流模块电性连接，所述整流模块与负载模块电性连接；所述主控模块与BUCK模块和逆变模块电性连接；所述检测模块与负载模块电性连接；
所述的无线充电系统的无线充电方法，具体步骤为：
S1、无线充电前，主控模块通过控制BUCK模块的驱动信号占空比调节不同的输入电压，获取不同的输出电压，并计算两线圈之间的耦合系数；
根据以下算式计算无线电能传输系统两线圈之间的耦合系数：
Figure FDA0003823783140000011
上式中Rr-in表示接收端整流器输入电阻，d1表示输入端BUCK电路占空比，US表示原边交变电压，ZS表示次级阻抗，UL则代表系统的输出电压，L1和L2分别是发射线圈和接收线圈的电感，R1和R2分别为发射端和接收端的电阻值，ω表示发射端交流电角频率；
根据调节输入电压US获取不同的UL，计算出多个k，选取最接近的k值为系统的耦合系数；
S2、无线充电前，人为确定系统的预设输出电压，再根据系统参数和所述耦合系数计算出最佳输入电压；
S3、无线充电的过程中，在发射端以最佳输入电压进行充电，随着充电时间增加，负载模块电阻改变造成输出电压改变，主控模块调节逆变器的开关信号占空比使实际输出电压符合预设输出电压。
2.如权利要求1所述的一种无线充电系统，其特征在于，所述BUCK模块，用于调节直流输入电压；
所述逆变模块，用于将直流电逆变成高频交流电；
所述发射线圈，用于将发射端高频交流电传输到接收端；
所述主控模块，用于控制发射端BUCK模块和发射端逆变模块；
所述接收线圈，用于接收发射端高频交流电；
所述整流模块，用于将高频交流电整流成直流电；
所述负载模块，用于接收稳定直流电能；
所述检测模块，用于检测实时输出电压。
3.如权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，所述发射端和接收端之间还设置通信模块，用于发射端的主控模块与接收端的检测模块进行无线通信。
4.如权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，所述逆变模块为全桥逆变电路；
所述主控模块控制所述逆变模块输出交流电的频率，所述主控模块控制逆变模块的开关动作。
5.如权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，所述检测模块采用电阻分压的方式，将输出电压分压到3.3V以内再进行ADC采集。
6.如权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于：所述接收端的整流模块采用不控整流。
7.如权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于：所述主控模块同时控制所述BUCK模块和所述逆变模块；
主控模块控制BUCK电路驱动信号占空比调节不同的输入电压；无线充电过程中，主控模块控制逆变电路开关控制信号的占空比调节输出电压，获取稳定的输出电压和高传输效率。
8.如权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于：所述负载模块为电池。
9.如权利要求1所述的一种无线充电系统，其特征在于，步骤S3具体为：
接收端的检测模块实时检测实际输出电压并与预设输出电压进行比较，将比较结果反馈至发射端的主控模块，当实际输出电压偏离预设输出电压时，主控模块调节逆变器的开关控制信号占空比，改变实际输出电压，直至实际输出电压符合预设输出电压。
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