CN113489164A - 一种无需额外通讯模块的无线充电方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线充电技术领域，提供了一种无需额外通讯模块的无线充电方法，包括步骤：S1、发射端和接收端分别对各自的电路进行控制；S2、对接收端整流桥进行调制；S3、发射端通过检测由接收端整流桥调制引起的信号变化，获取到接收端发送的信号，对发射端的电路进行调控。本发明的优点在于发射端和接收端能够进行协同控制而无需使用额外的通讯模块进行无线充电，可实现恒压或者恒流输出并能够找到最佳的充电工作点。

Description

一种无需额外通讯模块的无线充电方法及系统
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种无需额外通讯模块的无线充电方法及系统。
背景技术
无线充电是指通过电磁感应等技术，在充电器和被充电设备之间传输电能，从而为被充电设备的电池进行充电的技术。由于无线充电相对于有线充电来说，具有不易漏电、全自动操作以及无人值守等优点，目前已被广泛应用在于各个领域中。
目前，在无线充电技术中，很多时候是需要将充电器与被充电设备两者进行通讯识别才能够相互匹配，进而进行充电，并且当需要调整充电速度时，都是需要通过专门的通讯模块来发送调节信号，这样会使得充电效率降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无需额外通讯模块的无线充电方法及系统，用以解决无线充电中充电器与被充电设备需要繁杂的通讯连接的问题；
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种无需额外通讯模块的无线充电方法，包括步骤：
S1、发射端和接收端分别对各自的电路进行控制；
S2、对接收端整流桥进行调制；
S3、发射端通过检测由接收端整流桥调制引起的信号变化，获取到接收端发送的信号，对发射端的电路进行调控。
进一步的，步骤S3中对发射端的电路进行调控的具体步骤为：
S31、发射端根据接收端发送的信号，调节发射端的线圈电流以找到稳定工作点；
S32、发射端在稳定工作点附近通过逐步改变工作点位置找到最佳工作点。
进一步的，步骤S31包括：
S311、接收端通过PI控制方式调整接收端整流桥的移相角；
S312、判断接收端整流桥的移相角调节是否满足充电要求；
S313、若是，则找到稳定工作点并且获取满足接收端充电要求时的发射端直流侧的阈值电流。
进一步的，当接收端整流桥的移相角最大也无法满足接收端控制要求时，满足接收端控制要求的步骤为：
A1、接收端控制器控制接收端整流桥按预设方式导通；
A2、通过接收端整流桥导通方式的改变控制接收端线圈短路，向发射端发送短路信号，使得发射端直流侧输入电流降低；
A3、发射端控制器检测到发射端直流侧输入电流降低后，发射端控制器根据短路信号逐渐增加发射端中逆变器的移相角，至接收端不再出现短路，并返回步骤S311。
进一步的，步骤S32包括：
S321、接收端实时监测充电电流或充电电压，在未检测到短路信号时，调节接收端整流桥的移相角以满足充电要求；
S322、发射端实时监测直流侧输入电流，并通过发射端控制器控制发射端中逆变器的移相角以获得最佳工作点。
进一步的，步骤S321包括：
S3211、接收端实时监测充电电流或充电电压；
S3212、在未检测到短路信号时，接收端通过PI控制器调整接收端整流桥的移相角以满足充电要求。
进一步的，步骤S322包括：
S3221、检测发射端直流侧输入电流；
S3222、判断输入电流是否大于阈值电流；
S3223、若是，发射端控制器控制发射端逆变器的移相角以第一预设步长增加，并返回步骤S3221；若否，发射端控制器以第二预设步长扰动逆变桥移相角，使输入电流向减小的方向改变，从而获得最佳工作点。
本发明还提供了一种无需额外通讯模块的无线充电系统，包括发射端和接收端；
所述发射端包括直流电源、发射端控制器、发射端逆变器和发射端线圈，发射端控制器控制发射端逆变器将直流电源的电能通过发射端线圈传输给接收端；
所述接收端包括接收端控制器、接收端线圈、接收端整流桥、接收端滤波电容和电池负载，接收端控制器控制接收端整流桥使得接收端线圈获得的电能通过滤波电容后传输到电池负载；
接收端整流桥包括两个桥臂，其中一个桥臂与接收端控制器之间串联有一比较器及采样电阻，所述比较器及采样电阻用于确定电流过零点。
本发明与现有技术相比，至少包含以下有益效果：
本发明通过发射端检测通过检测由接收端整流电路调制引起的信号变化，获取到接收端发送的信号，对发射端的电路进行调控，使得发射端和接收端能够进行协同控制而无需使用额外的通讯模块进行无线充电，可实现恒压或者恒流输出并能够找到最佳的充电工作点。
附图说明
图1是本发明实施例一中无线充电方法的总体流程图；
图2是本发明实施例一中步骤S3的流程图；
图3是本发明实施例一中步骤S31的流程图；
图4是本发明实施例一中满足接收端控制要求的步骤流程图；
图5是本发明实施例一中步骤S32的流程图；
图6是本发明实施例一中步骤S321的流程图；
图7是本发明实施例一中步骤S322的流程图；
图8是本发明实施例二中无线充线系统所依托的电路拓扑图；
图9是图8的电路拓扑的简化电路模型图；
图10是本发明实施例二中无线充电系统的原理示意图；
图11是本发明实施例二中接收端整流桥的结构示意图；
图12是本发明实施例二中接收端整流桥输入电压电流及开关管驱动波形示意图。
具体实施方式
需要说明，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
如图1所示，本发明一种无需额外通讯模块的无线充电方法，包括步骤：
S1、发射端和接收端分别对各自的电路进行控制；
S2、对接收端整流桥进行调制；
S3、发射端通过检测由接收端整流桥调制引起的信号变化，获取到接收端发送的信号，对发射端的电路进行调控。
如图2所示，步骤S3中对发射端的电路进行调控的具体步骤为：
S31、发射端根据接收端发送的信号，调节发射端的线圈电流以找到稳定工作点；
S32、发射端在稳定工作点附近通过逐步改变工作点位置找到最佳工作点。
如图3所示，步骤S31包括：
S311、接收端通过PI控制方式调整接收端整流桥的移相角；
S312、判断接收端整流桥的移相角调节是否满足充电要求；
S313、若是，则找到稳定工作点并且获取满足接收端充电要求时的发射端直流侧的阈值电流。
进一步的，如图4所示，当接收端整流桥的移相角最大也无法满足接收端控制要求时，满足接收端控制要求的步骤为：
A1、接收端控制器控制接收端整流桥按预设方式导通；
A2、通过接收端整流桥导通方式的改变控制接收端线圈短路，向发射端发送短路信号，使得发射端直流侧输入电流降低；
A3、发射端控制器检测到发射端直流侧输入电流降低后，发射端控制器根据短路信号逐渐增加发射端中逆变器的移相角，至接收端不再出现短路，并返回步骤S311。
如图5所示，步骤S32包括：
S321、接收端实时监测充电电流或充电电压，在未检测到短路信号时，调节接收端整流桥的移相角以满足充电要求；
S322、发射端实时监测直流侧输入电流，并通过发射端控制器控制发射端中逆变器的移相角以获得最佳工作点。
如图6所示，步骤S321包括：
S3211、接收端实时监测充电电流或充电电压；
S3212、在未检测到短路信号时，接收端通过PI控制方式调整接收端整流桥的移相角以满足充电要求。
如图7所示，步骤S322包括：
S3221、检测发射端直流侧输入电流；
S3222、判断输入电流是否大于阈值电流；
S3223、若是，发射端控制器控制发射端逆变器的移相角以第一预设步长增加，并返回步骤S3221；若否，发射端控制器以第二预设步长扰动逆变桥移相角，使输入电流向减小的方向改变，从而获得最佳工作点。
本发明通过发射端检测通过检测由接收端整流电路调制引起的信号变化，获取到接收端发送的信号，对发射端的电路进行调控，使得发射端和接收端能够进行协同控制而无需使用额外的通讯模块进行无线充电，可实现恒压或者恒流输出并能够找到最佳的充电工作点。
实施例二
本发明一种无需额外通讯模块的无线充电系统，其所依托的电路拓扑如图8所示。
具体的，其简化后的电路模型如图9所示，根据图9所示的简化后的电路模型，其基本电路方程为：
(R1+jX1)I1+jωM12I2＝V1 (1)
jωM12I1+(R2+RL+jX2)I2＝0 (2)
其中Ri,i＝1 or 2是电路中的寄生电阻，一般包括线圈的电阻与电容器的等效串联电阻；Xi＝ωLi-1/(ωCi),i＝1 or 2是谐振子i的电抗；I1和I2分别是发射端与接收端环路的电流相量；V1是输入电压的相量；M12是两线圈的互感；RL是等效的负载电阻；ω＝2πf是角频率(f是电源的频率)。
根据无线电能传输的理论，Xi＝0(也就是完全补偿)可以得到最高的电能传输效率和最小的输入视在功率(即输入电压与输入电流同相)。
此时，系统的效率为
Figure BDA0003072582480000071
将系统效率对RL求导，得到系统的等效最优负载电阻
Figure BDA0003072582480000072
其中，M为线圈互感。
发射端逆变器与接收端整流桥均采用移相控制时
Figure BDA0003072582480000073
Figure BDA0003072582480000081
其中，U1为逆变器输入电压，Uin为直流侧输入电压，α为逆变器移相角，U2为整流桥输出电压，Uout为电池电压，β为整流桥移相角。
忽略整流桥损耗
U2I2＝UoutIout (7)
Uout,Iout为充电电压与充电电流，从而，充电电流Iout为
Figure BDA0003072582480000082
等效负载电阻
Figure BDA0003072582480000083
而由(1)，(2)及完全补偿条件
Figure BDA0003072582480000084
将(5)，(9)代入(10)，可得
Figure BDA0003072582480000085
忽略变换器损耗时的效率
Figure BDA0003072582480000086
直流侧输入电流最小值
Figure BDA0003072582480000091
从而，可通过调整接收端移相角β令系统等效负载电阻与最优负载电阻相等，即
Figure BDA0003072582480000092
可使本系统达到最佳效率，而通过改变发射端逆变器移相角α，可使接收端控制器为维持恒定电流或电压相应改变接收端移相角β,接收端移相角达到最优时，等效于Idc达到最小，因而可以通过监测发射端直流侧输入电流寻找Idc最小值从而提升系统效率。
本发明的无线充电系统包括发射端和接收端，发射端包括直流电源、发射端控制器、发射端逆变器和发射端线圈，发射端控制器控制发射端逆变器将直流电源的电能通过发射端线圈传输给接收端。
接收端包括接收端控制器、接收端线圈、接收端整流桥、接收端滤波电容和电池负载，接收端控制器控制接收端整流桥使得接收端线圈获得的电能通过滤波电容后传输到电池负载。
本系统的原理框图如图10所示，首先，接收端实时监测充电电流或充电电压，在未检测到短路信号时，通过接收端控制器控制接收端整流电路的移相角以满足充电要求；
但是，当接收端整流桥的移相角为180°依然无法满足输出电流或输出电压控制要求时，接收端控制器判定为发射端提供的功率不足，随后，接收端控制器控制整流桥开关动作，使线圈处于短路状态。
具体的，接收端控制器控制整流桥的两上管或两下管同时开通，进入线圈短路状态，接收端处于线圈短路状态的时间由系统的工作频率确定，根据不同工作周期进行相应调整，退出线圈短路状态后，接收端整流桥由移相角为180°开始调整，若仍然无法满足控制要求，则进入下一个线圈短路状态，继续向原边传递短路信号。
当系统处于正常输出状态时，发射端线圈电流为
Figure BDA0003072582480000101
当系统处于线圈短路状态时，发射端线圈电流为
Figure BDA0003072582480000102
处于线圈短路状态时发射端线圈电流小于正常输出状态时的发射线圈电流，而
Figure BDA0003072582480000103
因此，在线圈短路状态阶段，系统直流侧输入电流会出现明显下降，因此可通过监测直流侧输入电流的变化判断系统是否进入线圈短路状态。
本系统中就设置有一个阈值电流Ith，直流侧输入电流小于Ith时，判定系统进入线圈短路状态，发射端控制器相应改变逆变器的移相角α，直到满足系统的控制要求。
其中，阈值电流的选取需要满足可正常区分状态A与状态B，由(5)，(16)可得
Figure BDA0003072582480000111
状态B的直流侧输入电流最大值为
Figure BDA0003072582480000112
根据输入功率与输出功率关系
Iin_modeA_dcUin＝Pin＞Pout (20)
状态A的直流侧输入电流最小值为
Figure BDA0003072582480000113
因而，阈值电流Ith的选取应该满足
Iin_modeB_max＜Ith＜Iin_modeA_min (22)
在检测到接收端线圈靠近后，发射端进入连续模式，发射端逆变器的移相角由0°开始逐渐增加，接收端向发射端传递短路信号以反映功率状况，当一段时间内未检测到接收端发送的短路信号后，发射端逆变器的移相角不再增加，系统进入连续充电模式。
连续充电模式下，接收端通过PI控制器调整整流桥移相角控制恒流输出，发射端监测直流侧输入电流，直流侧输入电流小于阈值电流Ith时，发射端控制器控制逆变器移相角以步长α1增加，以提升输出功率。
当直流侧输入电流大于Ith时，发射端控制器以步长α2扰动逆变桥移相角，使直流侧输入电流向减小的方向改变，以提升系统效率。
进一步的，本系统在接收端整流桥用MOS管代替二极管，接收端整流桥部分的特征为：一个桥臂工作在同步整流模式，一个桥臂工作在移相模式。同时，为保证引前臂工作在同步整流模式，本系统在引前臂与接收端控制器之间串联有一比较器及采样电阻用于确定电流过零点，电流过零后，比较器向接收端控制器发中断信号，接收端控制器就能输出相应的整流桥PWM波形。
整流部分的具体工作模式如图11所示，引前臂开关S5，S6工作在同步整流模式，随电流过零开通与关断，滞后臂开关S7，S8工作在移相模式，通过接收端控制器提供的移相角调整工作状态，以达到控制要求。具体的开关管驱动波形如图12所示。
本系统通过发射端检测通过检测由接收端整流电路调制引起的信号变化，获取到接收端发送的信号，对发射端的电路进行调控，使得发射端和接收端能够进行协同控制而无需使用额外的通讯模块进行无线充电。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种无需额外通讯模块的无线充电方法，其特征在于，包括步骤：
S1、发射端和接收端分别对各自的电路进行控制；
S2、对接收端整流桥进行调制；
S3、发射端通过检测由接收端整流桥调制引起的信号变化，获取到接收端发送的信号，对发射端的电路进行调控。
2.根据权利要求1所述的一种无需额外通讯模块的无线充电方法，其特征在于，步骤S3中对发射端的电路进行调控的具体步骤为：
S31、发射端根据接收端发送的信号，调节发射端的线圈电流以找到稳定工作点；
S32、发射端在稳定工作点附近通过逐步改变工作点位置找到最佳工作点。
3.根据权利要求2所述的一种无需额外通讯模块的无线充电方法，其特征在于，步骤S31包括：
S311、接收端通过PI控制方式调整接收端整流桥的移相角；
S312、判断接收端整流桥的移相角调节是否满足充电要求；
S313、若是，则找到稳定工作点并且获取满足接收端充电要求时的发射端直流侧的阈值电流。
4.根据权利要求3所述的一种无需额外通讯模块的无线充电方法，其特征在于，当接收端整流桥的移相角最大也无法满足接收端控制要求时，满足接收端控制要求的步骤为：
A1、接收端控制器控制接收端整流桥按预设方式导通；
A2、通过接收端整流桥导通方式的改变控制接收端线圈短路，向发射端发送短路信号，使得发射端直流侧输入电流降低；
A3、发射端控制器检测到发射端直流侧输入电流降低后，发射端控制器根据短路信号逐渐增加发射端中逆变器的移相角，至接收端不再出现短路，并返回步骤S311。
5.根据权利要求2所述的一种无需额外通讯模块的无线充电方法，其特征在于，步骤S32包括：
S321、接收端实时监测充电电流或充电电压，在未检测到短路信号时，调节接收端整流桥的移相角以满足充电要求；
S322、发射端实时监测直流侧输入电流，并通过发射端控制器控制发射端中逆变器的移相角以获得最佳工作点。
6.根据权利要求5所述的一种无需额外通讯模块的无线充电方法，其特征在于，步骤S321包括：
S3211、接收端实时监测充电电流或充电电压；
S3212、在未检测到短路信号时，接收端通过PI控制方式调整接收端整流桥的移相角以满足充电要求。
7.根据权利要求5所述的一种无需额外通讯模块的无线充电方法，其特征在于，步骤S322包括：
S3221、检测发射端直流侧输入电流；
S3222、判断输入电流是否大于阈值电流；
S3223、若是，发射端控制器控制发射端逆变器的移相角以第一预设步长增加，并返回步骤S3221；若否，发射端控制器以第二预设步长扰动逆变桥移相角，使输入电流向减小的方向改变，从而获得最佳工作点。
8.一种无需额外通讯模块的无线充电系统，基于权利要求1～7任一项所述一种无需额外通讯模块的无线充电方法，其特征在于，包括发射端和接收端；
所述发射端包括直流电源、发射端控制器、发射端逆变器和发射端线圈，发射端控制器控制发射端逆变器将直流电源的电能通过发射端线圈传输给接收端；
所述接收端包括接收端控制器、接收端线圈、接收端整流桥、接收端滤波电容和电池负载，接收端控制器控制接收端整流桥使得接收端线圈获得的电能通过滤波电容后传输到电池负载；
接收端整流桥包括两个桥臂，其中一个桥臂与接收端控制器之间设置有运算放大器、比较器以及采样电阻，所述运算放大器、比较器和采样电阻用于确定电流过零点。
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