CN202712982U - 无线充电的发送装置及无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种无线充电的发送装置及无线充电系统，发送装置包括：发射线圈，用于发射发送装置的电能；振荡及调频模块，用于发射线圈产生LC谐振，及调节LC谐振中电容值以改变LC谐振的谐振频率；发射端采样模块，采集发送装置的电压及电流；第一控制模块，根据预定调频方式控制调节振荡及调频模块中LC谐振的谐振频率，并根据采集到的发送装置的电压、电流和接收装置的电压及电流稳定最高充电效率对应的谐振频率及控制充电的能量发送过程；第一通信模块，用于发送装置与接收装置之间数据的无线通信；及电源模块。该发送装置、及充电系统能实现调节LC谐振的谐振频率，从而具有提高充电系统的充电效率的优点。

Description

无线充电的发送装置及无线充电系统

技术领域

本实用新型涉及一种无线充电领域，尤其涉及一种无线充电的发送装置及无线充电系统。

背景技术

目前，移动终端的应用范围越来越广泛，其具有强大的功能及极好的便利性，例如手机、IPAD、充电式3D眼镜，其具有丰富的娱乐性，可以看电视、上网、唱歌等等。在使用移动终端的过程中，由于电池容量的局限性，电池的电量很快就会被用完，例如目前受到用户热烈追捧的带有安卓系统的手机的电池的续航能力相对较差，需要频繁的充电，所以需要经常带上备用电池或有线充电器。很多移动终端需要随身携带有线的充电器来给电池充电，而有线充电器由于带有线而比较繁琐，更为甚者的是，不同的移动终端经常需要特定的不同型号的充电器才能充电，因此，许多用户例如出差的人经常要带上手机、电脑、剃须刀等移动终端的充电器，种类繁多的复杂的有线充电器给消费者的使用带来极大的不便。

所以，能让消费者减少电线的束缚及数量众多的充电器的繁琐的无线充电器得到了消费者的青睐，其具有较好的市场前景。无线充电器主要利用电磁感应原理，参见图1，其为现有技术中无线充电系统的原理框图，在无线充电装置中设置有发送线圈用于将电源的能量发送出去，在待充电的移动终端中设置有接收线圈，通过在发送线圈中施加变化的电流以产生变化的电磁场，则变化的电磁场耦合到接收线圈，于是接收线圈中产生了充电电流，从而实现对移动终端的无线充电。

但是，本实用新型的发明人在对现有技术进行研究及实践过程中发现：现有无线充电的发送装置的充电状态会受到无线充电的发送装置自身及其外界的影响，以致其充电效率较低。例如一个发送装置可以应用于多种形式的接收装置，当接收装置与发送装置的相对位置发生改变时，其均会使发送装置与接收装置的充电效率发生改变，发送装置发射出去的电能可能会被反射或者部分以线圈发热的形式损失掉。所以，目前无线充电系统存在较多能量浪费，其充电效率普遍较低。

可以理解的是，本部分的陈述仅仅提供与本实用新型相关的背景信息，可能构成或不构成所谓的现有技术。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对现有技术中无线充电系统的充电效率较低的缺陷，提供一种可以反馈充电状态并可调节谐振频率以提高充电效率的无线充电的发送装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种无线充电的发送装置，其主要包括：

发射线圈，用于发射发送装置的电能；

振荡及调频模块，用于发射线圈产生LC谐振、及调节LC谐振中电容值以改变LC谐振的谐振频率；

发射端采样模块，用于采集所述发送装置的电压及电流；

第一控制模块，用于根据预定调频方式控制调节所述振荡及调频模块中LC谐振的谐振频率、并根据采集到的发送装置的电压、电流、和接收装置的电压及电流稳定最高充电效率对应的谐振频率、及控制充电的能量发送过程。

第一通信模块，用于发送装置与接收装置之间数据的无线通信；

电源模块，用于给所述发送装置提供所需的驱动电源。

在上述无线充电的发送装置中，所述第一控制模块包括：

转换运算模块，用于将采集到的发送装置及接收装置的数据进行模数转换、并根据模数转换后数据计算充电效率、及比较出所有的充电效率中的最高充电效率；

存储模块，用于存储上述充电效率及该充电效率对应的电容值；

第一单片机，用于根据预定调频方式控制上述振荡及调频模块中的谐振频率并使振荡及调频模块稳定输出最高充电效率对应的电容值、及控制充电的能量发送过程。

在上述无线充电的发送装置中，所述振荡及调频模块包括： 

可调电容模块，用于提供可调节的电容并与所述发射线圈产生LC谐振；

逆变模块，用于对上述电源模块输出的直流电转换为供可调电容模块与发射线圈进行谐振的交流电；

第二控制模块，用于根据所述第一控制模块输出的控制信号调节所述可调电容模块的电容及控制逆变模块的逆变。

在上述无线充电的发送装置中，所述可调电容模块为多个电容组成的电容矩阵。

在上述无线充电的发送装置中，所述第二控制模块包括：

开关矩阵，用于对应的控制上述电容矩阵中电容是否被接入电路；

脉宽调制模块，用于根据第一控制模块输出的控制信号提供逆变模块所需的脉冲信号以驱动逆变模块；

第二单片机，根据第一控制模块输出的控制信号控制脉宽调制电路的工作、及控制开关矩阵中每个开关的通断。

为了更好的解决所述技术问题，本实用新型还提供了一种无线充电系统，包括发送装置及接收装置，所述接收装置包括：

接收线圈，用于与发送装置中发射线圈进行电磁感应耦合；

整流及通信模块，用于将接收线圈接收到的交流电整流为直流电后给充电负载充电、及与发送装置进行无线通信；

接收端采样模块，用于采集所述接收装置的电压及电流；

所述发送装置为上述中的发送装置。

本实用新型提供的无线充电的发送装置，其通过第一控制模块控制振荡及调频模块中的电容值以改变LC谐振频率，并通过发射端采样模块动态采集发送装置的电压电流，且根据无线传输来的接收装置的电压电流得出充电效率，然后通过第一控制模块得出在预定的谐振频率范围内的最高充电效率、及其最优电容值，从而将振荡及调频模块稳定工作在该最高充电效率状态下，进而能大大提高无线充电系统的充电效率。  

附图说明

图1是现有技术提供的无线充电系统的原理框图；

图2是本实用新型提供的无线充电系统的发送装置的原理框图；

图3是本实用新型实施例提供的无线充电系统的原理框图；

图4是本实用新型一优选实施例提供的无线充电系统的发送装置的结构框图；

图5是本实用新型一优选实施例提供的无线充电系统的接收装置的结构框图；

图6是本实用新型一优选实施例提供的无线充电系统的第一控制模块及其外围的结构框图；

图7是本实用新型实施例提供的无线充电系统中振荡及调频模块的原理框图；

图8是本实用新型实施例提供的无线充电系统中振荡及调频模块的结构示意图；

图9是本实用新型提供的无线充电系统的充电控制方法的流程图。  

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供的无线充电的发送装置主要通过第一控制模块结合对振荡及调频模块的控制来改变LC谐振频率以使发送装置发射的能量能更好的被利用起来，进而提高了充电效率。

参见图2至图8所示，本实用新型提供的无线充电的发送装置包括：用于发射发送装置的电能的发射线圈6、用于调节LC谐振的谐振频率并使发射线圈6产生LC谐振的振荡及调频模块5、用于采集发送装置的电压及电流的发射端采样模块2、用于发送装置与接收装置之间数据的无线通信的第一通信模块4、用于提供发送装置中各模块所需的驱动电源的电源模块1，还包括对整个发送装置进行控制的第一控制模块3。第一控制模块3连接于发射端采样模块2与振荡及调频模块5之间，其用于根据预定调频方式控制调节振荡及调频模块5中LC谐振的谐振频率、并根据发射端采样模块2采集到的发送装置及接收装置的电压电流来稳定振荡及调频模块5的谐振状态，使振荡及调频模块5改变LC谐振频率至最佳状态，从LC谐振出的电能可以最有效的通过发射线圈6发射给接收装置。具体而言，第一控制模块3按照预定的调频方式改变LC谐振的谐振频率，并采集发送装置及接收装置的工作状态信息，第一控制模块3根据采集到的发送装置的信息得出发送装置的输出功率，根据采集到的接收装置的信息得出接收装置的输入功率、进而得出充电效率，其中，最高充电效率对应的谐振频率即最优谐振频率，第一控制模块3向振荡及调频模块5发出控制信息，以使振荡及调频模块5中的谐振频率调节至与上述最优谐振频率相同。从而使振荡及调频模块5稳定在该最优谐振频率即可使发送装置发射的电能最有效的被接收装置接收到，从而使无线充电系统保持于最高的充电效率状态。

在具体实施中，参照图7，振荡及调频模块5可以包括：可调电容模块20、逆变模块22及第二控制模块21。可调电容模块20的电容可以调节，当电容调节到所需的电容值时，电容与发射线圈6构成的LC谐振频率即可使发送装置工作于最优谐振频率，从而LC谐振后的能量能被发射线圈6更有效的发射出去。逆变模块22，用于对上述电源模块1输出的直流电转换为供可调电容模块20与发射线圈6进行谐振的交流电。第二控制模块21受控于第一控制模块3的指令来调节可调电容模块20的电容值和逆变模块22的逆变过程。

优选地，可调电容模块20为多个电容组成的电容矩阵；第二控制模块包括：开关矩阵、脉宽调制模块及第二单片机。开关矩阵中的开关与上述电容矩阵中的电容一一对应，以便控制电容矩阵中的每个电容是否被接入电路，即其通过控制哪些电容被接入电路来决定可调电容模块20最终的电容值；脉宽调制模块用于提供逆变模块22所需的脉冲信号以驱动逆变模块22。第二单片机根据第一控制模块3输出的控制信号控制脉宽调制模块的工作、及控制开关矩阵中哪些开关闭合或断开，其主要通过程序控制实现。脉宽调制模块及逆变模块22为本领域技术人员所熟知的技术，在此不再赘述。

第一控制模块3包括转换运算模块、存储模块及第一单片机。其中，转换运算模块将发送装置及接收装置采集到的数据进行模数转换，并根据上述采集到的数据计算出发送装置的输出功率、接收装置的输入功率、充电系统的充电效率（即输入功率与输出功率的比值）、及比较计算出充电效率中的最高充电效率。存储模块至少记录计算出的充电效率及该充电效率对应的LC谐振中的电容值。第一单片机，其调节改变振荡及调频模块5中LC谐振的谐振频率、当获取到最高充电效率对应的电容值时，控制使振荡及调频模块5稳定输出该电容值，以稳定谐振频率。同时，第一单片机还控制整个充电的能量发送过程。例如，控制提供各模块所需的驱动电源，及控制能量发送的启停。其可控制电源模块1中电源的转换及逆变模块22的电源转换。优选地，第一单片机还可连接LCD显示模块及上位机以更好的监视控制充电过程。

值得说明的是，由于逆变模块22输出的交流电直接用于使发射线圈6与可调电容模块20中电容发生LC谐振，所以，只有当谐振频率最接近逆变模块22输出的频率（即发射线圈6的发射频率或称充电频率）时，才能保证相同状态的发送装置及接受装置的情况下充电效率的最大化。例如，在具体实施中，无线充电标准规定充电频率必须为110-205KHZ，所以，本实用新型一边调频（即调整谐振频率）一边采集该谐振频率下的充电效率，本实用新型使振荡及调频模块5中谐振频率在110-205KHZ的范围内进行改变，找出谐振频率在什么时候能保证充电效率最高。优选地，改变振荡及调频模块5中谐振频率时，先以110KHZ的谐振频率为基准，使振荡及调频模块5中谐振频率为110KHZ，并记录该状态下充电效率。然后，将谐振频率在110KHZ的基础上以1%至1.5%的范围递增至205KHZ。更优选地，其以1%的速度递增至205KHZ，以更快速及准确的找出最优谐振频率(即最高充电效率下的谐振频率)。

本实用新型还提供了一种无线充电系统，参见图3，其包括上述发送装置，还包括接收装置，所述接收装置包括：接收线圈9，用于与发送装置中发射线圈6进行电磁感应耦合；整流及通信模块8，用于将接收线圈9接收到的交流电整流为直流电后给充电负载7充电、及与发送装置进行无线通信；接收端采样模块10，用于采集所述接收装置的电压及电流。值得说明的是，接收端采样模块10可以安装于接收线圈9处，也可以安装于充电负载7处，同理，上述发射端采样模块2可以安装于发射线圈6处，也可以安装于电源模块1处。由于电源模块1输出的电源需要经过一系列的处理会存在部分损耗，接收线圈9接收到的电能也会受到一些损耗影响后才提供给充电负载7充电，所以将发射端采样模块2及接收端采样模块10分别安装于电源模块1处及充电负载7处能更好的得出充电系统的充电效率。上述电源模块1给各个模块供电，例如给第一单片机、第二单片机、及发射端采样模块2提供其所需的直流驱动电压，各模块所需的驱动电压不同，电源模块1包括对例如220V的市电或其它电源进行转换的转换模块，其为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。

优选地，无线充电系统还提供了对充电过程进行保护的装置。例如：充电系统还包括设置于发送装置和/或接收装置上的温度采集模块、及用于过温时停止充电的第一开关。温度采集模块可以为温度传感器等常用元件。第一开关为常闭状态，第一控制器将采集到的温度与单片机内预定的安全温度进行比较，当采集到的温度超过预定安全温度时，第一控制模块3输出控制信号将第一开关断开，以使振荡及调频模块5与发射线圈6断开。无线充电系统还可包括设置于整流及通信模块8与接收线圈9之间的第二开关，原理同上所述，当采集到的接收装置的电压或电流超过预定安全值时（即过充），第一控制模块3输出控制信号将第二开关断开。第一开关及第二开关起到停止充电以进行充电保护即可，可以理解的是，其安装位置不局限于上述技术方案。优选地，第一控制模块3与第一开关、第二开关、发射端采样模块2、及接收端采样模块10之间均设置有用于安全隔离的电气隔离模块，以保护充电过程。上述第一开关、第二开关、及电气隔离模块为本领域常用的元件或装置，其为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。 

本实用新型还提供了无线充电系统的充电控制方法，其主要依次包括以下步骤：

S1、启动充电过程；

S2、调频及采样：在预定的谐振频率范围内，按照预定调频方式控制LC谐振中电容值以调节振荡及调频模块5中LC谐振的谐振频率、并采集该电容值下发送装置的电压、电流、和接收装置的电压及电流；

目前，在预定的谐振频率范围内，主要指按照无线充电标准中充电频率为110KHZ至205KHZ为一个调频及采样周期，即调节谐振频率使其以一定的比例改变谐振频率直至110KHZ至205KHZ的频率范围均被调节输出过。

S3、获取最优电容值：根据上述采集到的数据获取最高充电效率及最高充电效率对应的最优电容值；

S4、稳定LC谐振频率：控制使振荡及调频模块5稳定输出上述最优电容值，以稳定LC谐振频率。

参见图9所示实施例来说明本实用新型提供的充电控制方法。在该实施例中，预定调频方式可以通过在110KHZ-205KHZ的区间内，以110KHZ的谐振频率为基准，并以1%至1.5%的范围递增谐振频率。其具体充电控制过程如下：首先 ，通过改变振荡及调频模块5中LC谐振的电容值，使其谐振频率为110KHZ时开始充电（该110KHZ即为基准频率，其由设置在第一控制模块3中的程序设置）；然后，采集此时发送装置的电压、电流、和接收装置的电压及电流，并控制调节振荡及调频模块5中电容值，使LC谐振的频率为115KHZ并记录该频率下发送装置的电压、电流、和接收装置的电压及电流，接着再次调节谐振频率为120KHZ、125KHZ，按照该递增速度改变谐振频率并记录当时的充电状态，直至谐振频率调节为205KHZ为一个调频及采样周期；紧接着，根据采集到的电压电流得出最高充电效率及最高充电效率对应的最优电容值，最后固定输出该最高充电效率下的电容值，从而将充电系统稳定在最高充电效率的工作状态下。

由于发射线圈6的电感值会随环境发生变化，例如将接收装置置于较远距离时，接收线圈9与发射线圈6直接的耦合会使L值发生微调。所以，优选地，调频是通过调节来电容矩阵来改变LC谐振中电容值，进而改变LC谐振的谐振频率，以更精确的调节到最优充电状态。

在具体实施中，步骤S2还可包括采集发送装置和/或接收装置的温度，且在步骤S3中判断是否过温，如果过温，则停止充电。例如，当第一控制器获取到的温度超过预定温度时，其发出指令断开第一开关。优选地，步骤S3还可包括根据上述采集的数据判断是否过充，如果过充，则停止充电。例如，当采集到的接收装置的电压或电流超过预定安全值时，第一控制模块3输出指令使第二开关断开以停止充电。

再次结合图2至图8所示的实施例，对本实用新型提供的发送装置及充电系统的工作原理详细说明如下：

如图4所示，发射端采样模块包括：电流监测电路，其由电流检测电阻R1和差分放大电路组成；电压监测电路，主要由分压电阻R2，R3组成分压网络；差分放大电路的输出端A1通过电气隔离模块连接到第一单片机的AD输入端A1端口，电压监测电路采集的电压通过电气隔离模块连接到第一单片机的AD输入端A2。这样，可以防止分压网络和控制网络相互干扰，以便得到稳定的电压电流值，根据该电压电流值可得出发送装置的输出功率。同理，接收端通过电流监测电阻R4及放大器检测接收端的电流，差分放大电路的输出端A3通过电气隔离模块连接到第一单片机的AD输入端A3端口；分压电阻R5，R6组成分压网络，分压后的电压通过电气隔离模块连接到第一单片机的AD输入端A4，根据检测到的接收端的电压电流得出接收端的输入功率。根据输入功率及输出功率的变化，可以监测到无线充电网络的充电变化过程。

通过具体实施例说明发射端充电调控策略如下：谐振频率从110kHz～205kHz的频率区间中进行调整，在110kHz~175kHz频率区间时，以110KHZ为基础，以1%比例递增谐振频率， 在175kHz~205kHz频率区间时，以2%比例递增谐振频率。直至一个调频及采样周期完成（即谐振频率从110KHZ递增至205KHZ为一个调频及采样周期），找出最高充电效率时的电容值，控制稳定输出该电容值，以稳定谐振频率。

综上所述，本实用新型提供的无线充电的发送装置及无线充电系统能对不同的充电状况进行调整，其实时监测并智能调整无线充电策略，使无线充电系统以该系统下的最高充电效率进行充电。其采用智能闭环反馈方式来对充电效率进行最优化，可以大大提高整个系统的充电效率，此外，其采用过温及过充保护，保证了整个充电系统的充电安全。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无线充电的发送装置，其特征在于，包括：

发射线圈，用于发射发送装置的电能；

振荡及调频模块，用于发射线圈产生LC谐振及调节LC谐振中电容值以改变LC谐振的谐振频率；

发射端采样模块，用于采集所述发送装置的电压及电流；

第一控制模块，用于根据预定调频方式控制调节所述振荡及调频模块中LC谐振的谐振频率，并根据采集到的发送装置的电压、电流和接收装置的电压及电流稳定最高充电效率对应的谐振频率及控制充电的能量发送过程；

第一通信模块，用于发送装置与接收装置之间数据的无线通信；

电源模块，用于给所述发送装置提供所需的驱动电源。

2.如权利要求1所述的无线充电的发送装置，其特征在于，所述第一控制模块包括：

转换运算模块，用于将采集到的发送装置及接收装置的数据进行模数转换、并根据模数转换后数据计算充电效率，及比较出所有的充电效率中的最高充电效率；

存储模块，用于存储上述充电效率及该充电效率对应的电容值；

第一单片机，用于根据预定调频方式控制上述振荡及调频模块中的谐振频率并使振荡及调频模块稳定输出最高充电效率对应的电容值，及控制充电的能量发送过程。

3.如权利要求1所述的无线充电的发送装置，其特征在于，所述振荡及调频模块包括： 

可调电容模块，用于提供可调节的电容并与所述发射线圈产生LC谐振；

逆变模块，用于对上述电源模块输出的直流电转换为供可调电容模块与发射线圈进行谐振的交流电；

第二控制模块，用于根据所述第一控制模块输出的控制信号调节所述可调电容模块的电容及控制逆变模块的逆变。

4.如权利要求3所述的无线充电的发送装置，其特征在于，所述可调电容模块为多个电容组成的电容矩阵。

5.如权利要求3所述的无线充电的发送装置，其特征在于，所述第二控制模块包括：

开关矩阵，用于对应的控制上述电容矩阵中电容是否被接入电路；

脉宽调制模块，用于根据第一控制模块输出的控制信号提供逆变模块所需的脉冲信号以驱动逆变模块；

第二单片机，根据第一控制模块输出的控制信号控制脉宽调制电路的工作、及控制开关矩阵中每个开关的通断。

6.一种无线充电系统，包括发送装置及接收装置，所述接收装置包括：

接收线圈，用于与发送装置中发射线圈进行电磁感应耦合；

整流及通信模块，用于将接收线圈接收到的交流电整流为直流电后给充电负载充电、及与发送装置进行无线通信；

接收端采样模块，用于采集所述接收装置的电压及电流；

其特征在于，所述发送装置为上述权利要求1-7中任一项所述的发送装置。

7.如权利要求6所述的无线充电系统，其特征在于，还包括：

设置于所述发送装置和/或接收装置上的温度采集模块；及

当采集到的温度超过预定安全温度时根据第一控制模块的控制信号将振荡及调频模块与发射线圈断开的第一开关。

8.如权利要求7所述的无线充电系统，其特征在于，所述整流及通信模块与接收线圈之间设置有第二开关，用于当采集到接收装置的电压或电流超过预定安全值时根据第一控制模块的控制信号将整流及通信模块与接收线圈断开。

9.如权利要求8所述的无线充电系统，其特征在于，所述第一控制模块与所述第一开关、第二开关、发射端采样模块及接收端采样模块之间均设置有用于安全隔离的电气隔离模块。

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