CN204809885U - 一种非接触电能传输装置 - Google Patents

一种非接触电能传输装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种非接触电能传输装置，整流滤波电路接收所述接收线圈输出的高频交流电，经全桥整流、滤波处理后获得直流电压信号，当检测到整流滤波后的直流电压超过预定值时，利用开关保护电路、阻抗匹配电路和接收线圈形成一个电流回路，以使得接收线圈的能量被转移，直至电流电压下降到不超过预定电压值。其中，开关保护电路连接在阻抗匹配网络和地之间，在电能传输装置正常工作时，所述开关保护电路不工作，当过压情况发生时，所述开关保护电路进行开关动作以降低直流电压的值。

Description

一种非接触电能传输装置
技术领域
本实用新型涉及无线充电领域，更具体的说，涉及一种非接触电能传输装置。
背景技术
非接触电能传输技术(也叫无线电能传输技术)由于安全方便等优点广泛应用于电子充电领域中，实现无线电能传输的方式主要有磁感应式和磁共振式两种方式，通常常用的为磁共振式，磁共振式无线电能传输装置主要包括发射部分和接收部分，两者通过电磁共振原理实现能量传输。
一般来说，发射部分包括有逆变器、阻抗匹配电路和发射线圈，接收部分包括有接收线圈、阻抗匹配电路、整流电路(以全桥整流为例)和直流电压转换电路(DC-DC变换器)，如图1所示的非接触电能传输装置，图1中发射部分仅示出发射线圈，发射线圈LS接收交变电流产生频率为ω0的交变磁场，接收线圈Ld感应出频率为ω0的交变电压Vsin(ω0)，之后，交变电压Vsin经过全桥整流电路整流和滤波电容C补偿以获得直流电压Vrect。
在此过程中，当接收线圈Ld和发射线圈LS耦合好的情况下，接收线圈感生出的交变电压幅值较高；在耦合差的情况下，接收线圈感生出的交变电压幅值较低。因此，为了在接收端能够感应出最大幅值的直流电压Vrect，补偿电容C和接收端线圈的电感L共振频率设置为在频率ω0上。
但是，在电能传输过程中，由于发射线圈和接收线圈的耦合会发生变化，例如耦合突然增强或者发射线圈中的磁场能量突然增大，这将导致全桥整流电路后的直流电压Vrect超过预设值，过大的电压会损坏后级的DC-DC变换器，甚至是负载侧的电子设备。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提出了一种非接触电能传输装置，当检测到整流滤波后的直流电压超过预设电压值时，利用开关保护电路、阻抗匹配网路的其中一部分以及接收线圈形成一个回路，使得接收线圈的能量不流向后级的整流桥电路，直至直流电压恢复至不超过预设电压值。
依据本实用新型的一种非接触电能传输装置，包括隔离的发射部分和接收部分，所述发射部分包括有发射能量的发射线圈，所述接收部分包括有接收能量的接收线圈、依次与所述接收线圈连接的阻抗匹配网络、整流滤波电路和电压转换电路，所述接收部分还包括开关保护电路和过压控制电路，
所述阻抗匹配网络包括第一阻抗电路和第二阻抗电路，所述第一阻抗电路和第二阻抗电路串联连接在所述接收线圈的第一端和整流滤波电路之间；
所述整流滤波电路接收所述接收线圈输出的高频交流电，以获得直流电压信号；
所述开关保护电路包括第一开关和第二开关，所述第一开关的第一极性端连接至所述第一阻抗电路和第二阻抗电路的公共连接点，第二极性端连接至地端，所述第二开关的第一极性端连接至所述接收线圈的第二端和整流滤波电路的公共连接点，第二极性端连接至地端；
所述过压控制电路接收所述直流电压信号和参考电压信号，产生开关控制信号控制所述第一开关和第二开关的开关状态，以使得所述直流电压信号不超过预设电压值。
优选的，所述整流滤波电路包括全桥整流电路和滤波电容，所述全桥整流电路接收所述接收线圈的高频交流电，以转换为正弦半波电压信号，所述滤波电容接收所述正弦半波电压信号，以获得直流电压信号。
进一步的，所述全桥整流电路包括串联连接的第一二极管、第二二极管和串联连接的第三二极管、第四二极管，两对串联连接的二级管再并联连接，所述第一二极管和第三二极管的公共连接端输出所述正弦半波电压信号；所述第二二极管和第四二极管的公共连接端连接地端；
所述第二阻抗电路连接至所述第一二极管和第二二极管的公共连接点。
进一步的，所述阻抗匹配网络还包括第三阻抗电路，所述第三阻抗电路串联连接在所述接收线圈的第二端和整流滤波电路之间；
并且，所述第二开关的第一极性端连接至所述接收线圈的第二端和第三阻抗电路的公共连接点。
优选的，所述第三阻抗电路连接至所述第三二极管和第四二极管的公共连接点。
进一步的，所述过压控制电路具体包括采样电路和滞环比较器，
所述采样电路采样所述直流电压信号，以获得采样电压信号；
所述滞环比较器接收所述采样电压信号和表征所述预设电压值的参考电压信号，输出所述开关控制信号，
当所述采样电压信号大于所述滞环比较器的上限电压值时，所述开关控制信号为有效状态以控制所述第一开关和第二开关同时导通；当所述采样电压信号小于所述滞环比较器的下限电压值时，所述开关控制信号为无效状态以控制所述第一开关和第二开关同时关断。
优选的，所述第一阻抗电路和第二阻抗电路分别为第一电容和第二电容，
在所述非接触电能传输装置正常工作过程中所述第一电容和第二电容串联后的等效电容与所述接收线圈的等效电感谐振，且谐振频率与系统工作频率一致。
优选的，所述第一阻抗电路、第二阻抗电路和第三阻抗电路分别为第一电容、第二电容和第三电容，
在所述非接触电能传输装置正常工作过程中所述第一电容、第二电容和第三电容串联后的等效电容与所述接收线圈的等效电感谐振，且谐振频率与系统工作频率一致。
进一步的，所述电压转换电路接收所述整流滤波电路传输的直流电压信号，通过直流电压转换后输出合适的电压大小供给电子设备。
优选的，所述第一开关和第二开关均为场效应晶体管。
通过上述的非接触电能传输装置，整流滤波电路接收所述接收线圈输出的高频交流电，经全桥整流、滤波处理后获得直流电压信号，所述直流电压信号经后级直流电压转换后供给电子设备。当检测到整流滤波后的直流电压超过预设电压值时，利用开关保护电路、第一阻抗电路和接收线圈形成一个电流回路，以使得接收线圈的能量不流向整流桥，直至电流电压恢复至不超过预定值。其中，开关保护电路连接在阻抗匹配网络和地之间，在电能传输装置正常工作时，所述开关保护电路不工作，当过压情况发生时，所述开关保护电路进行开关动作以降低直流电压的值。本实用新型的技术方案很好的解决了全桥整流情况下电压过压的问题，控制方案简单，效果好。
附图说明
图1所示的非接触电能传输装置的基本电路框图；
图2所示为依据本实用新型的非接触电能传输装置的第一实施例的电路框图；
图3所示为依据本实用新型的非接触电能传输装置的第二实施例的电路框图；
图4所示为图3所示实施例的具体实施方式电路图；
图5所示为图4所示电路的工作波形图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的几个优选实施例进行详细描述，但本实用新型并不仅仅限于这些实施例。本实用新型涵盖任何在本实用新型的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本实用新型有彻底的了解，在以下本实用新型优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本实用新型。
参考图2所示为依据本实用新型的非接触电能传输装置的第一实施例的电路框图，如图2所示,所述非接触电能传输装置包括隔离的发射部分和接收部分，所述发射部分包括有逆变器(未示出)、阻抗匹配网络(未示出)和发射能量的发射线圈LS，所述接收部分包括有接收能量的接收线圈Ld、依次与所述接收线圈连接的阻抗匹配网络、整流滤波电路和直流转换电路201，所述整流滤波电路接收所述接收线圈输出的高频交流电，以获得直流电压信号Vrect，直流转换电路201接收所述直流电压信号Vrect，经电压转换后输出合适的电压大小供给电子设备。
具体的，在本实施方式中，所述整流滤波电路包括全桥整流电路和滤波电容C，所述全桥整流电路接收所述接收线圈的高频交流电，以转换为正弦半波电压信号，所述滤波电容接收所述正弦半波电压信号，以获得直流电压信号，具体的，如图2中所示，所述全桥整流电路包括串联连接的第一二极管D1、第二二极管D2和串联连接的第三二极管D3、第四二极管D4，两对串联连接的二级管再并联连接；所述第一二极管D1和第三二极管D3的公共连接端输出所述正弦半波电压信号；所述第二二极管D2和第四二极管D4的公共连接端连接地端。
进一步的，如图2所示，阻抗匹配网络包括第一阻抗电路和第二阻抗电路，所述第一阻抗电路Z1和第二阻抗电路Z2串联连接在所述接收线圈的第一端和整流滤波电路之间。这里，记所述接收线圈上端为第一端，下端为第二端，但不限于此，也可以是第一端为下端，第二端为上端。本实用新型中所述的第一端或第二端不作为对接收线圈输出端的限定。这里，所述第一阻抗电路和第二阻抗电路的等效电容和所述接收线圈的等效电感谐振，且谐振频率与系统工作频率一致。
进一步的，所述开关保护电路包括第一开关S1和第二开关S2，在图2中所示，所述第一开关S1的第一极性端连接至第一阻抗电路Z1和第二阻抗电路Z2的公共连接点，第二极性端接地；所述第二开关S2的第一极性端连接至所述接收线圈的第二端和整流滤波电路的公共连接点，第二极性端接地。图2中，所述第一开关S1和第二开关S2以场效应晶体管为例，由于第一开关和第二开关的第二极性端(即是源极)接地，与后级的电压转换电路和电子设备为共地，源极电压稳定，易于驱动。容易理解，所述第一开关S1和第二开关S2不限于上述的场效应晶体管，还可以为现有技术中合适的开关管，如单刀双掷开关等。
继续参考图2，第一开关S1和第二开关S2由过压控制电路202控制其开关动作，过压控制电路202接收所述直流电压信号Vrect1和参考电压信号Vref1，产生开关控制信号Vcon控制第一开关S1和第二开关S2的开关状态，以使得所述直流电压信号不超过预设电压值。
从图2中的电路可以看出，在上述非接触电能传输装置正常工作过程中，第一开关和第二开关保持关断，阻抗匹配网络的等效电容和接收线圈的电感以系统工作频率谐振，从而以最大效率进行无线能量传输；而当所述非接触电能传输装置发生异常时，直流电压信号升高，本实用新型通过过压控制电路来控制第一开关和第二开关的开关动作，使得接收线圈的能量通过由接收线圈、第一阻抗电路和开关保护电路的回路转移掉，使得直流电压下降，恢复至预设电压值以下。
参考图3所示为依据本实用新型的非接触电能传输装置的第一实施例的电路框图，本实施例中的整流滤波电路、电压转换电路、开关保护电路和过压控制电路均与图2中所示实施例相同，所不同的是，在本实施例中，所述阻抗匹配网络还进一步包括第三阻抗电路Z3，所述第三阻抗电Z3路串联连接在所述接收线圈的第二端和整流滤波电路之间；并且，所述第二开关的第一极性端连接至所述接收线圈的第二端和第三阻抗电路的公共连接点。
跟图2所示的实施例相比，本实施例的采用三个阻抗匹配电路可使得第一开关S1耐压性相对减小，降低了开关成本。
参考图4所示为图3中所示实施例的具体实施方式电路图，本实施方式具体接收了阻抗匹配电路和过压控制电路的具体实现方式，如图4所示，所述第一阻抗电路、第二阻抗电路和第三阻抗电路分别为第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3。第一开关S1的第一极性端连接至第一电容C1和第二电容C2的公共连接点，所述第二开关S2的第一极性端连接至所述接收线圈的第二端和所述第三电容C3的公共连接点。相应的，所述第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3的容值设置为合适的值，以使得在工作中，无线传输的能效最高，例如为：在所述非接触电能传输装置正常工作过程中所述第一电容、第二电容和第三电容串联后的等效电容与所述接收线圈的等效电感谐振，且谐振频率与系统工作频率一致。
本实施例中，所述接收线圈的第一端和整流滤波电路之间串联连接的第一阻抗电路和第二阻抗电路，所述接收线圈的第二端和整流滤波电路之间串联连接第三阻抗电路，容易理解，阻抗电路的实施方式还有其他多种不同组合，例如，所述接收线圈的第一端和第二端与整流滤波电路之间均串联两个或两个以上的阻抗电路，只要最终满足阻抗匹配网络的等效电容和所述接收线圈的等效电感谐振，且谐振频率与系统工作频率一致即可。
这里，当第一阻抗电路和第二阻抗电路的电容数量发生变化时，第一开关和第二开关的极性端连接位置也相应变化，例如，当所述接收线圈的第一端和第二端与整流滤波电路之间均串联两个电容时，则所述第一开关和所述第二开关均连接至各自两个电容的公共连接点。本领域技术人员可知，在本实用新型技术的指导下，阻抗匹配网络和开关保护电路有多种组合方式和相应的连接方式，在本实用新型的思想范围内的改进和替换，都在本实用新型的保护范围之内。
本实施例的阻抗电路以电容为例，本领域技术人员可知，阻抗电路还可以为电感、电容、电阻等元器件单独或相互组合构成，只要符合上述的谐振要求即可。
参考图4，本实施方式中的过压控制电路202具体包括采样电路和滞环比较器，采样电路由分压电阻R1和电阻R2构成，滞环比较器由电阻R3、电阻R4和比较器CMP构成，分压电阻R1和电阻R2采样所述直流电压信号Vrect，以获得采样电压信号Vrect1；所述滞环比较器的正向输入端接收所述采样电压信号Vrect1，反向输入端接收表征所述预设电压值的参考电压信号Vref1，输出所述开关控制信号Vcon，所述开关控制信号控制第一开关S1和第二开关S2同时导通或关断。
下面参考图5所示的波形图阐述本实用新型过压保护的工作过程：在t1时刻，外界条件发生变化，导致直流电压信号发生异常，不断上升，在t2时刻，当检测到所述采样电压信号Vrect1大于所述滞环比较器的上限电压值时，表征直流电压信号超过预设值，这时，所述比较器CMP输出的开关控制信号为有效状态(例如以高电平示为有效状态，低电平示为无效状态)，第一开关S1和第二开关S2同时导通，接收线圈Ld、第一电容C1、第一开关S1和第二开关S2形成一个电流回路，这时，由于第一电容C1和接收线圈的等效电感不能发生谐振，接收线圈的传输的能量会大大减小，电流回路中的电流不会很大，且接收线圈输出的能量不会传输至整流滤波电路，直流电压信号Vrect开始下降，当下降至t3时刻，所述采样电压信号Vrect1小于所述滞环比较器的下限电压值时，所述开关控制信号变为无效状态控制所述第一开关S1和第二开关S2同时关断。接收线圈的能量再次传输至整流滤波电路，如果异常情况还存在，则直流电压信号Vrect继续上升，直至到达滞环比较器的上限电压值时，第一开关S1和第二开关S2被导通，使直流电压信号Vrect下降，如此反复，直至到t4时刻，电路异常情况解除，直流电压信号Vrect下降至不超过预设电压值。
从上述过程可以看出，当所述非接触电能传输装置发生异常时，会导致输出电压升高，造成对电压转换电路或电子设备的损害，因此，本实用新型为防止对后级电路的损害，通过检测整流滤波电路的输出电压信号对来输出电压进行过压保护控制。本实用新型的具有过压保护功能的无线电能传输装置，通过全桥整流电路可以获得更好更稳定的直流电压信号，而将过压保护开关连接在阻抗匹配网络和地端之间，一方面可以保证当开关导通时不会对整流桥中的二极管造成损害，另一方面可以使得接收线圈的能量通过开关保护电路组成的回路释放掉。
这里，为了保证第一开关和第二开关的安全性，第一电容、第二电容和第三电容的容值要选择合适的比例，一方面使得在所述非接触电能传输装置正常工作过程中接收部分的谐振频率与系统工作频率一致，另一方面使得在第一开关和第二开关导通时，通过第一开关和第二开关的电流不致过大或是在第一开关和第二开关断开时，第一开关和第二开关的两端电压不致过大，以免造成对开关管的损坏。需要指出的是，上述实施例中的过压控制电路是通过比较器构成的模拟电路实现，本领域技术人员可知，在本实用新型思想的指导下，过压控制电路还可以通过数字控制的方法实现，例如接收采样电压信号Vrect1进行数字转换，之后，将转换后的数字电压信号分别与第一参考电压信号和第二参考电压信号进行比较以获得所述开关控制信号。在本实用新型的思想范围内的替换和修改都在本实用新型的保护范围之内。
本实用新型的非接触电能传输装置，很好的解决了全桥整流情况下电压过压的问题，控制方案简单，效果好。
以上对依据本实用新型的优选实施例的非接触电能传输装置进行了详尽描述，本领域普通技术人员据此可以推知其他技术或者结构以及电路布局、元件等均可应用于所述实施例。
依照本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种非接触电能传输装置，包括隔离的发射部分和接收部分，所述发射部分包括有发射能量的发射线圈，所述接收部分包括有接收能量的接收线圈、依次与所述接收线圈连接的阻抗匹配网络、整流滤波电路和电压转换电路，其特征在于，所述接收部分还包括开关保护电路和过压控制电路，
所述阻抗匹配网络包括第一阻抗电路和第二阻抗电路，所述第一阻抗电路和第二阻抗电路串联连接在所述接收线圈的第一端和整流滤波电路之间；
所述整流滤波电路接收所述接收线圈输出的高频交流电，以获得直流电压信号；
所述开关保护电路包括第一开关和第二开关，所述第一开关的第一极性端连接至所述第一阻抗电路和第二阻抗电路的公共连接点，第二极性端连接至地端，所述第二开关的第一极性端连接至所述接收线圈的第二端和整流滤波电路的公共连接点，第二极性端连接至地端；
所述过压控制电路接收所述直流电压信号和参考电压信号，产生开关控制信号控制所述第一开关和第二开关的开关状态，以使得所述直流电压信号不超过预设电压值。
2.根据权利要求1所述的非接触电能传输装置，其特征在于，所述整流滤波电路包括全桥整流电路和滤波电容，所述全桥整流电路接收所述接收线圈的高频交流电，以转换为正弦半波电压信号，所述滤波电容接收所述正弦半波电压信号，以获得直流电压信号。
3.根据权利要求2所述的非接触电能传输装置，其特征在于，所述全桥整流电路包括串联连接的第一二极管、第二二极管和串联连接的第三二极管、第四二极管，两对串联连接的二级管再并联连接，所述第一二极管和第三二极管的公共连接端输出所述正弦半波电压信号；所述第二二极管和第四二极管的公共连接端连接地端；
所述第二阻抗电路连接至所述第一二极管和第二二极管的公共连接点。
4.根据权利要求3所述的非接触电能传输装置，其特征在于，所述阻抗匹配网络还包括第三阻抗电路，所述第三阻抗电路串联连接在所述接收线圈的第二端和整流滤波电路之间；
并且，所述第二开关的第一极性端连接至所述接收线圈的第二端和第三阻抗电路的公共连接点。
5.根据权利要求4所述的非接触电能传输装置，其特征在于，所述第三阻抗电路连接至所述第三二极管和第四二极管的公共连接点。
6.根据权利要求1或4所述的非接触电能传输装置，其特征在于，所述过压控制电路具体包括采样电路和滞环比较器，
所述采样电路采样所述直流电压信号，以获得采样电压信号；
所述滞环比较器接收所述采样电压信号和表征所述预设电压值的参考电压信号，输出所述开关控制信号，
当所述采样电压信号大于所述滞环比较器的上限电压值时，所述开关控制信号为有效状态以控制所述第一开关和第二开关同时导通；当所述采样电压信号小于所述滞环比较器的下限电压值时，所述开关控制信号为无效状态以控制所述第一开关和第二开关同时关断。
7.根据权利要求1所述的非接触电能传输装置，其特征在于，所述第一阻抗电路和第二阻抗电路分别为第一电容和第二电容，
在所述非接触电能传输装置正常工作过程中所述第一电容和第二电容串联后的等效电容与所述接收线圈的等效电感谐振，且谐振频率与系统工作频率一致。
8.根据权利要求4所述的非接触电能传输装置，其特征在于，所述第一阻抗电路、第二阻抗电路和第三阻抗电路分别为第一电容、第二电容和第三电容，
在所述非接触电能传输装置正常工作过程中所述第一电容、第二电容和第三电容串联后的等效电容与所述接收线圈的等效电感谐振，且谐振频率与系统工作频率一致。
9.根据权利要求1所述的非接触电能传输装置，其特征在于，所述电压转换电路接收所述整流滤波电路传输的直流电压信号，通过直流电压转换后输出合适的电压大小供给电子设备。
10.根据权利要求1所述的非接触电能传输装置，其特征在于，所述第一开关和第二开关均为场效应晶体管。
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