CN112583131A - 非接触式充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式充电系统。该非接触式充电系统包括无线功率发射装置和电力接收装置，利用发射端和接收端线圈匝比实现降压，该非接触式充电系统中的发射端逆变电路采用定频控制，补偿电路采用S/SP的电容补偿方式，利用增益交点处电压增益平坦区的特性使其工作在电压增益平坦区，发射端与接收端之间不通信，从而解决了无线通信受外界干扰信号失真影响数据传输的弊端。本发明采用的非接触式充电系统接收端整流滤波电路输出的电压与发射端整流滤波电路输出的电压之间的比值恒定，因此保证了接收端整流滤波电路输出的电压稳定，不随负载变化，充电效率高。

Description

非接触式充电系统

技术领域

本发明涉及一种非接触式充电系统，具体涉及一种以非接触方式进行装置之间的电力传输的非接触式充电系统。

背景技术

随着无绳工具的使用的便利性，可充电电池供电的便携式工具应用越来越广泛。已知的可充电电池主要通过具有有线接口的充电器进行充电，而采用可充电电池由于其续航能力有限，需要频繁对其进行更换或及时充电。在很多地区，因为环境或者使用场景限制不具备电源接口，不能及时对可充电电池进行充电，因此不能保证在特殊环境以及长时间的工作需要。近年来众所周知有非接触式供电装置，采用非接触充电使得能够省略用于将充电器和便携式装置电连接的连接端子。现有的非接触供电装置与可充电电池之间采用无线通信的方式进行数据通信，借此传输电池充电状态以及控制指令等信息，然而由于周边电子元器件的正常使用常常成为干扰源，使得无线通信容易受到干扰，造成信号失真，影响数据传递，最终影响充电效率。

另一方面，由于非接触式充电系统中的供电端与接收端无物理连接，若不采用对位结构，很难保证发射线圈和接受线圈的位置固定，因此充电过程中，由于线圈之间气隙等参数变化的影响，不能保证系统输出的稳定和可靠。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种即使在变化的负载条件下仍保证接收端输出电压稳定，可靠易控的非接触式充电系统。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种非接触式充电系统，包括：电源，无线功率发射装置，用于发射电磁能量，所述无线功率发射装置包括发射端整流滤波电路，发射端逆变电路，发射端补偿电路以及发射线圈；电力接收装置，用来无线地接收来自无线功率发射装置发射的电磁能量；所述电力接收装置包括接收线圈、接收端补偿电路、接收端整流滤波电路以及DC /DC转换器；控制单元，对DC/DC转换器进行控制，用于为可充电电池提供所需的电压或电流的输出；充电单元，用于对可充电电池进行充电；其中，所述非接触式充电系统中接收端整流滤波电路输出的电压与发射端整流滤波电路输出的电压之间的比值恒定。

进一步地，所述发射端逆变电路的输入端正向并联在发射端整流滤波电路的正负两端，所述发射端逆变电路采用定频控制。

进一步地，所述发射端补偿电路中的第一补偿电容与发射线圈串联后并联在发射端逆变电路的输出端。

进一步地，所述接收端的接收线圈与接收端补偿电路中第二补偿电容串联后再与第三补偿电容并联;所述接收端整流滤波电路的输入端也并联连接在第三补偿电容的两端。

进一步地，基于输出电压增益曲线所述发射线圈、接收线圈工作在电压增益曲线中的电压增益平坦区。

进一步地，所述无线功率发射装置包括无线充电器。

进一步地，所述无线充电发射装置中的发射端整流滤波电路集成在一个适配器中，用于将电源提供的交流电转变为直流电；所述发射端逆变电路，发射端补偿电路以及发射线圈集成在一个无线充电器中，无线充电器用于从适配器接收直流电源并向电力接收装置传输电能。

进一步地，所述电力接收装置以及可充电电池集成在电动工具的通用电池包中。

进一步地，所述适配器直接向不具备无线充电配置的电动工具电池包进行充电。

进一步地，所述适配器输出与所述通用电池包的额定电压相匹配的充电电压。

本发明的有益之处在于：非接触式充电系统中的接收端整流滤波电路输出的电压与发射端整流滤波电路输出的电压之间的比值恒定，保证了接收端整流滤波电路输出的电压稳定，不随负载变化，充电效率高。

附图说明

图1为本发明第一种实施方式的非接触式充电系统的电路原理框图；

图2为本发明非接触式充电系统中S/SP补偿网络输入阻抗的相频特性曲线；

图3为本发明第一种实施方式的用于对电动工具的电池包进行无线充电的充电器；

图4为本发明第二种实施方式的带有适配器的非接触式充电系统的电路原理框图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。

请参阅图1至图3，图1为本发明第一种实施方式的非接触式充电系统100的电路原理框图，图中标示120代表无线功率发射装置，标识130代表电力接收装置，这里的电源110一般是指AC电源，与AC电源连接后，AC电源经无线功率发射装置中的发射端整流滤波电路121转化为直流电源为电路中的其他模块供电。应当理解，无线充电技术通常在本领域中是已知的，目前广泛采用的是磁场耦合式无线充电技术，具体包括电磁感应方式和磁共振方式。电磁感应方式通过将AC电流施加与用于无线电力传输的发射线圈来改变磁场，并通过由于磁场的变化而从相邻的接收线圈产生的感应电流对可充电电池进行充电。在磁共振方式中，发射线圈以特定频率辐射磁场，如果具有与发射线圈的频率相同的频率的接收线圈接近发射线圈，则发射线圈通过由于共振而产生的能量隧道接收电力以对可充电电池提供电力，本发明并未限定采用无线充电的具体方式，也就是说，可以采用任意一种无线充电方式对无线电源接入单元进行无线供电。

优先的实施例中，描述了通过发射线圈和接收线圈之间的高频磁场耦合来传递能量的充电方式。无线功率发射装置120包括发射端整流滤波电路121，发射端逆变电路122，发射端补偿电路123以及发射线圈124，电力接收装置130包括接收线圈131、接收端补偿电路132、接收端整流滤波电路133以及DC /DC转换器134。发射端整流滤波电路121将电源提供的交流电转换为直流电，发射端逆变电路122接收上述直流电转并将其换为高频交流电，该高频交流电流经发射端补偿电路123经谐振补偿后注入到发射线圈134，形成高频交变磁场，接收端的接收线圈131经过磁场耦合感应出同频率的交变电压，在通过接收端补偿电路132和接收端整流滤波电路133后转换为直流电。

现有的无线充电系统中通常还包括通信电路模块，用来与电力接收装置以及无线功率发射装置之间进行数据通信，通信数据可以是可充电电池无线充电状态及控制指令，也可以是可充电电池的其他电气特性参数。但是由于采用无线通讯的方式容易受到外界磁场辐射的干扰，造成信号失真，影响数据传输。本发明取消了上述无线通讯模块，通过电容补偿的方式，利用S/SP补偿网络的工作特性，使得包括发射线圈124、接收线圈131在内的非接触变压装置工作在电压增益平坦区，即与负载变化无关，与线圈之间的气隙影响也较小。另一方面，提高了电压增益和功率传输能力，同时减小环流损耗，提高变换效率。采用上述补偿网络，使得输入阻抗接近阻性保证高效率的同时还能适应接收端负载的变化和发射端与接收端气隙的变化，即使取消发射端与接收端之间的无线通信，也能保证良好的控制特性，下面将详细介绍本实施例中非接触式充电系统的电容补偿方式。

参阅图1，本实施例中发射端整流滤波电路121采用的是桥式整流滤波电路，发射端逆变电路122采用的是桥式逆变电路，可以理解的是，发射端整流滤波电路也可以采用倍流整流电路、全波整流电路、倍压整流滤波电路等其他形式的整流滤波电路，发射端逆变电路122也可以采用不对称半桥逆变电路、推挽逆变电路等其他电压型逆变电路。发射端整流电路与发射端逆变电路组成电压源型逆变电路；发射端补偿电路123、接收端补偿电路132构成发射端串联、接收端串并联补偿电路，其与发射线圈124、接收线圈131一起形成谐振网络，接收端的整流滤波电路133将谐振网络输出的电流信号转换为平滑的直流信号输出。具体而言，发射端逆变电路122的输入端正向并联在发射端整流滤波电路121的正负两端；发射端补偿电路123中的第一补偿电容C1与发射线圈124串联后并联在发射端逆变电路122的输出端；接收端的接收线圈131与接收端补偿电路132中第二补偿电容C2串联后再与第三补偿电容C3并联；接收端整流滤波电路133的输入端也并联连接在第三补偿电容C3的两端。采用本发明揭示的谐振网络，使发射端第一补偿电容C1补偿发射线圈124漏感，接收端第二补偿电容C2补偿接收线圈131漏感、接收端第三补偿电容C3补偿线圈之间的激磁电感，因此有利于提高系统的变换效率。

请参阅图2，进一步分析发射端串联，接收端串并联电容补偿方式（以下称S/SP）的电压增益平坦特性。图2为选用不同负载条件下的S/SP补偿网络输入阻抗的相频特性曲线。对于本系统，不论负载如何变化，S/SP谐振网络始终存在多个输入阻抗角过零点，这里ωr作为S/SP补偿网络的一个零输入阻抗角的角频率点。图中可以看出，同一负载对应的输出电压增益曲线，其中频率最低的输入阻抗角为零的频率点对应为增益曲线的左侧峰值点；而ωr右侧的输入阻抗角为零的频率点对应为增益曲线的右侧峰值点；ωr处的电压增益与负载无关，且由于ωr不是增益曲线的峰值点，因而增益曲线在ωr附近相对平缓。为了提高非接触式充电系统的传输效率，本实施例的发射端逆变电路122采用定频控制，即将工作频率固定在谐振频率处，不但简化了系统的控制复杂度，也提高了系统的可靠性。由于采用定频控制，接收端的输出电压有S/SP拓扑自身的增益特性来决定，且经过分析验证已知S/SP补偿的输出电压对补偿参数的变化也不敏感。利用增益交点处电压增益平坦区的特性，选取发射端逆变电路122合适的开关频率，即定频工作于谐振角频率ωr处的S/SP变换器能够实现平坦可靠的输出，具体的，工作在略低于ωr的角频率输出电压的波动会更小。利用上述电压增益恒定区的工作特性，特别是利用增益交点处电压增益平坦区的特性使非接触式充电系统中包括发射线圈和接收线圈在内的非接触变压装置工作在电压增益平坦区，实现负载电压，即本实施例中为接收端整流滤波电路输出的电压与发射端整流滤波电路输出的电压之间的比值恒定。采用上述电容补偿方式具有易于控制，输出与负载几乎无关，实现高效率充电的优点。由于接收端整流滤波电路输出电压不跟随负载变化，接收端不需要反馈数据信息到发射端，即不需要设置通信模块也能够实现输出电压稳定可控。

接收端整流滤波电路133接收补偿网络的输出电压，其与可充电电池之间电气连接有控制单元140，所述控制单元140包括控制器和电压/电流检测单元（图未示），基于电压/电流检测单元检测的可充电电池信息，控制器通过PWM调制的方式对DC/DC转换器134进行控制。DC/DC转换器134用于为可充电电池提供所需的电压或电流的输出，对可充电电池进行恒流或恒压充电。具体的，充电单元150可以采用恒流-恒压充电方式对可充电电池进行充电，当电池电压大于允许预充电压的时候，控制电压输出使电池包进入恒流充电模式；当电池电压大于预设值时，控制电压输出使电池包进入恒压充电模式。充电单元150采用继电器作为充电开关，允许或阻止充电电流流向可充电电池，可以理解的是，也可以采用MOSFET管进行控制。充电单元150中的控制器151被配置为利用相应的电路、模块或组件执行充电控制程序，比如确定可充电电池是否充满，PWM给定等。充电单元150还包括一个电池检测单元152，用于检测可充电电池的信息，并将检测到的可充电电池信息发送给控制器151，电池的信息包括可充电电池电流、可充电电池电压、可充电电池温度以及可充电电池是否存在等。本发明的非接触充电装置可以为具有不同额定电压、额定容量的可充电电池进行充电，比如36v、56v等额定电压的可充电电池。

对应本发明第一种实施方式的充电系统在电动工具上的应用，在电动工具的电池包中设置上述可充电电池，并且电池包通过可拆卸或者内置式的方式安装到电动工具上，这里的可充电电池可以采用镍镉电池、镍氢电池或者是锂电池。参阅图3，本实施例中的电池包10是能够为各种电动工具提供电力输出的通用性较高的电源，所述的电动工具可以是钻锤类、锯类或者花园工具类中的任意一种，比如自行走式割草机等，也可以是本领域技术人员所熟知的其他类型的电动工具。对应本实施方式中的电力接收装置130包括上述提到的接收线圈131，接收端补偿电路132，接收端整流滤波电路133、控制单元140、DC/DC转换器134以及充电单元150均集成在电池包10中。对应本实施方式中的无线功率发射装置120是一个无线充电器，该充电器包括上述提到的发射端整流滤波电路121，发射端逆变电路122，发射端补偿电路123以及发射线圈124，与AC电源连接后，通过电池包10与充电器120的线圈匝比实现降压，充电器120中的逆变电路采用定频控制，补偿电路采用S/SP形式，即充电器端串联，电池包端串并联电容补偿方式，充电器120与电池包10之间不通信，利用增益交点处电压增益平坦区的特性使其工作在电压增益平坦区，最终通过电池包中的充电单元对可充电电池进行充电控制。

参阅图4是本发明的第二种实施方式的的非接触式充电系统200的电路原理框图。与第一种实施方式的区别在于第二种实施方式将无线功率发射装置中的整流滤波电路模块集成在一个适配器220中，用于将电源210输出的交流电转变为直流电。具体的，适配器220还包括交流电输入接口，其可以与电源210连接，以及直流电输出接口，其用于使适配器输出直流电，从而向带有无线充电装置的无线功率发射装置230提供直流电源，最后向电力接收装置130传输电能，这里的无线功率发射装置230对应是一个无线充电器，比较第一种实施方式本实施例取消了整流滤波电路的设置。适配器220还可以直接向不具备无线充电配置的其他类型的电动工具电池包进行充电，也可以针对不同额定电压的电池包输出不同的充电电压，因此能够适用多种场合，针对不同工具的电池包提供合适的电力供给。其中，不具备无线充电配置的电动工具电池包可以是不具有电力接收装置的电池包。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种非接触式充电系统，包括：

电源；

无线功率发射装置，用于发射电磁能量，所述无线功率发射装置包括发射端整流滤波电路，发射端逆变电路，发射端补偿电路以及发射线圈；

电力接收装置，用来无线地接收来自无线功率发射装置发射的电磁能量；所述电力接收装置包括接收线圈、接收端补偿电路、接收端整流滤波电路以及DC /DC转换器；

控制单元，对DC/DC转换器进行控制，用于为可充电电池提供所需的电压或电流的输出；

充电单元，用于对可充电电池进行充电；

其特征在于，所述非接触式充电系统中接收端整流滤波电路输出的电压与发射端整流滤波电路输出的电压之间的比值恒定。

2.根据权利要求1所述的非接触式充电系统，其特征在于，所述发射端逆变电路的输入端正向并联在发射端整流滤波电路的正负两端，所述发射端逆变电路采用定频控制。

3.根据权利要求1所述的非接触式充电系统，其特征在于，所述发射端补偿电路中的第一补偿电容与发射线圈串联后并联在发射端逆变电路的输出端。

4.根据权利要求1所述的非接触式充电系统，其特征在于，所述接收线圈与接收端补偿电路中第二补偿电容串联后再与第三补偿电容并联；所述接收端整流滤波电路的输入端也并联连接在第三补偿电容的两端。

5.根据权利要求1所述的非接触式充电系统，其特征在于，基于输出电压增益曲线所述发射线圈、接收线圈工作在电压增益曲线中的电压增益平坦区。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的非接触式充电系统，其特征在于，所述无线功率发射装置包括无线充电器。

7.根据权利要求1-5中任意一项所述的非接触式充电系统，其特征在于，所述无线充电发射装置中的发射端整流滤波电路集成在一个适配器中，用于将所述电源提供的交流电转变为直流电；所述发射端逆变电路，发射端补偿电路以及发射线圈集成在一个无线充电器中，所述无线充电器用于从适配器接收直流电源并向电力接收装置传输电能。

8.根据权利要求7所述的非接触式充电系统，其特征在于，所述电力接收装置以及可充电电池集成在电动工具的通用电池包中。

9.根据权利要求7所述的非接触式充电系统，其特征在于，所述适配器用于直接向不具备无线充电配置的电动工具电池包进行充电。

10.根据权利要求7所述的非接触式充电系统，其特征在于，所述适配器输出与所述通用电池包的额定电压相匹配的充电电压。

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