CN205015397U - 一种无线充电的频率监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无线充电的频率监测装置，包括：采样信号获取模块，外接无线充电电源模块和无线充电天线，用于获取所述无线充电电源模块采样电压和采样电流的数字信号，并提供给所述信号处理模块；信号处理模块，与所述采样信号获取模块相连，用于基于所述数字信号，处理得到无线充电天线谐振频率的参数值，并提供给所述频率调控模块；频率调控模块，与所述信号处理模块相连，且外接无线充电天线，用于基于所述谐振频率的参数值，调整所述无线充电天线的输出信号频率。本实用新型提出的无线充电频率检测装置能自适应调整无线充电的输出信号频率，实现对不同车辆不同环境中无线充电的最佳匹配，大大提高无线充电的传输效率，减小充电时间消耗。

Description

一种无线充电的频率监测装置

技术领域

本实用新型实施例涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种无线充电的频率监测装置。

背景技术

随着工业化进程的日益推进，电动车已广泛应用在人们的生活中，电动汽车也逐步面向市场。与传统的燃油交通设备不同，电动交通设备普遍采用蓄电池方式供电，能很大程度减少排放量，对环境的影响很小，因此电动交通设备基于其无污染性和易扩展等优点得到了迅猛的发展。

由于电动交通设备的动力主要靠蓄电池供应，而传统的供电设备多为有线充电，存在很多不利的地方，如，过多导线的存在使充电过程具备一定的危险性，以及户外有线电桩对环境具有一定侵害等。针对这些弊端相关技术人员提出了一种新的充电技术，即无线充电，无线充电的理论依据是电磁感应原理，利用现代电力电子能量变换技术、磁场耦合技术，实现能量从静止设备向可移动设备的传输。现有的无线充电装置如图1所示，包括充电电源模块10和无线充电天线11，其充电过程与无线充电天线11发射的谐振频率密切相关。

不同电动设备的物理尺寸和底盘高度存在较大差异，在对不同电动设备进行充电时，因现有无线充电装置的输出信号频率是保持不变的，从而影响电动设备无线充电的传输效率，延长了电动设备的充电时间。

实用新型内容

本实用新型提供一种无线充电的频率监测装置，实现对不同车辆不同环境中无线充电的最佳匹配，从而提高无线充电的传输效率，减少充电时间消耗。

本实用新型实施例提供了一种无线充电的频率监测装置，集成在电路板上，与无线充电电源模块及无线充电天线相连，包括：

采样信号获取模块，外接所述无线充电电源模块和无线充电天线，用于从所述无线充电电源模块获取采样电压和采样电流的数字信号，并提供给所述信号处理模块；

信号处理模块，与所述采样信号获取模块相连，用于基于所述数字信号，处理得到无线充电天线谐振频率的参数值，并提供给所述频率调控模块；

频率调控模块，与所述信号处理模块相连，且外接无线充电天线，用于基于所述谐振频率的参数值，调整所述无线充电天线的输出信号频率。

进一步的，所述采样信号获取模块包括：电压电流采样单元，用于获取第一采样电压和第一采样电流；采样电压电流放大单元，与所述电压电流采样单元连接，用于放大所述第一采样电压和第一采样电流，形成第二采样电压和第二采样电流；滤波单元，与所述采样电压电流放大单元连接，内置滤波电路，用于过滤所述第二采样电压及第二采样电流中其他频率的干扰信号；信号转换单元，与所述滤波单元连接，且外接信号处理模块，用于将所述第二采样电压和第二采样电流的模拟信号转化为数字信号。

进一步的，所述电压电流采样单元包括：第一电阻、第二电阻、和第三电阻，其中：所述第一电阻与第二电阻串联连接于无线充电电源的输出端口，用于获取所述第一采样电压，所述第一采样电压为无线充电电源的输出电压；所述第三电阻直接连接于闭合回路，与所述第一电阻及所述第二电阻形成的串联电路并联，用于获取所述第一采样电流，所述第一采样电流为所述闭合回路的电流,所述闭合回路为无线充电电源输出端口与无线充电天线端口导线连接形成的回路。

进一步的，所述采样电压电流放大单元包括：比例放大电路，与所述第二电阻的两端相连，用于放大所述第一采样电压获取第二采样电压；差动放大电路，与所述第三电阻的两端相连，用于放大所述第一采样电流获取第二采样电流。

进一步的，所述比例放大电路包括第一运算放大器、第四电阻、第五电阻、和第六电阻，其中：所述第一运算放大器的同相输入端通过所述第四电阻连接所述第二电阻的电流输入端；所述第一运算放大器的反相输入端通过所述第五电阻连接所述第二电阻的电流输出端，同时所述第一运算放大器的反相输入端还通过所述第六电阻连接所述第一运算放大器的输出端；所述第一运算放大器的反相输入端通过所述第五电阻与所述第二电阻的电流输出端连接之后接地。

进一步的，所述差动放大电路包括第二运算放大器、第七电阻、第八电阻、第九电阻、和第十电阻，其中：所述第二运算放大器的同相输入端通过所述第七电阻连接所述第三电阻的电流输入端，同时所述第二运算放大器的同相输入端还与所述第八电阻的电流输入端连接；所述第八电阻的电流输出端接地；所述第二运算放大器的反相输入端通过所述第九电阻连接所述第三电阻的电流输出端，同时所述第二运算放大器的反相输入端还通过所述第十电阻连接所述第二运算放大器的输出端。

进一步的，所述滤波单元包括：第一滤波电路，与所述第一运算放大器的输出端相连，用于过滤所述第二采样电压中其他频率的干扰信号；第二滤波电路，与所述第二运算放大器的输出端相连，用于过滤所述第二采样电流中其他频率的干扰信号。

进一步的，所述信号转换单元包括：第一A/D转换器，与所述第一滤波电路的输出端相连，用于将所述第二采样电压的模拟信号转化为数字信号；第二A/D转换器，与所述第二滤波电路的输出端相连，用于将所述第二采样电流的模拟信号转化为数字信号。

进一步的，所述无线充电天线谐振频率的参数值为第二采样电压和第二采样电流的矢量阻抗。

本实用新型实施例提供的一种无线充电频率监测的装置，通过对无线充电天线输出信号频率的自适应调节，解决了不同物理尺寸的电动设备在无线充电时不能自适应调节谐振频率而使充电时间延长的问题，实现了对电动设备进行高效快捷无线充电的效果。

附图说明

图1是现有无线充电装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例一中一种无线充电的频率监测装置的结构示意图；

图3是本实用新型实施例二中采样信号获取模块的结构示意图；

图4是本实用新型实施例三中无线充电的频率监测装置的示例电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

实施例一

图2为本实用新型实施例一提供的一种无线充电的频率监测装置的结构示意图，该无线充电的频率监测装置与现有无线充电装置连接使用，自适应调节无线充电装置充电时无线充电装置的输出信号频率。如图2所示，该无线充电的频率监测装置连接在现有无线充电装置的无线充电电源模块20和无线充电天线24之间，包括采样信号获取模块21、信号处理模块22、和频率调控模块23，其中：

采样信号获取模块21外接无线充电电源模块20和无线充电天线24，用于从无线充电电源模块20获取采样电压和采样电流的数字信号，并提供给信号处理模块22。

信号处理模块22与采样信号获取模块21相连，用于基于数字信号，处理得到无线充电天线24谐振频率的参数值，并提供给频率调控模块23；

频率调控模块23与信号处理模块22相连，且外接无线充电天线24，用于基于谐振频率的参数值，调整无线充电天线24的输出信号频率。

具体的，在采样信号获取模块21中，获取采样信号的过程可以为：首先，对无线充电电源模块20的输出电压进行采样，同时对无线充电模块20与无线充电天线24形成的闭合回路进行电流采样，优选的，本实用新型实施例采用方式简便的电阻采样；之后，对采样的电压和电流经放大器进行放大和滤波，以此保证采样信号的不失真；经放大、滤波后的采样电压和采样电流为模拟信号，还需要经过A/D转换器将其转换为相应的数字信号；最后将转换得到的数字信号传递给信号处理模块22。

信号处理模块22主要对采样电压和采样电流的数字信号进行处理，可以首先通过信号处理得到采样电压和采样电流相应的幅值和相角，信号处理方法具体可以包括Hilbert变换、积分、滤波等；然后，基于采样电压和采样电流的幅值和相角，进一步对采样电压的幅值和相角和采样电流的幅值和相角对应地做除法，最终得到对应的矢量阻抗。该矢量阻抗值是无线充电天线谐振频率的直接参数值，信号处理模块22将相应矢量阻抗值传递给频率调控模块23。

频率调控模块23首先基于信号处理模块22中的矢量阻抗得出与此对应的谐振频率，其中，矢量阻抗值与无线充电天线的谐振频率成正比例关系；然后基于谐振频率调整当前无线充电天线24的输出信号频率。

本实用新型实施例一中的无线充电的频率监测装置适用于对电动设备的无线充电频率的自适应调整。电动设备具体包括电动自行车、电动汽车等通过将蓄电池的电能转化为动能的交通设备，由于电动设备的物理尺寸和底盘高度有所不同，进行无线充电时，基于本实用新型实施例一中无线充电的频率监测装置能够实时调整无线充电天线输出信号的频率，实现对不同车辆不同环境中无线充电的最佳匹配，从而提高无线充电的传输效率，达到高效快捷充电的效果。

实施例二

图3是本实用新型实施例二中采样信号获取模块的结构示意图，本实用新型实施例以上述实施例一为基础，进一步的，如图3所示，无线充电频率监测装置的采样信号获取模块包括：电压电流采样单元310、采样电压电流放大单元311、滤波单元312、以及信号转换单元313，其中：

电压电流采样单元310，用于获取第一采样电压和第一采样电流。

具体的，将无线充电电源模块输出端口与无线充电天线的端口以导线相连，形成闭合回路，通过电阻采样法得到第一采样电压和第一采样电流，第一采样电压为无线充电电源模块的输出电压，第一采样电流为无线充电电源模块与无线充电天线所形成闭合回路的电流。

采样电压电流放大单元311，与电压电流采样单元310连接，用于放大第一采样电压和第一采样电流，形成第二采样电压和第二采样电流。

具体的，采样电压电流放大单元311包括两个放大电路，分别为比例放大电路3110和差动放大电路3111，比例放大电路3110用于放大第一采样电压，差动放大电路3111用于放大第一采样电流。

滤波单元312，与采样电压电流单元311连接，内置滤波电路，用于过滤第二采样电压和第二采样电流中其他频率的干扰信号。

具体的，滤波单元312包括两个滤波电路，分别为第一滤波电路3120和第二滤波电路3121，第一滤波电路3120对应比例放大电路3110，用于过滤第二采样电压中其他频率的干扰信号，第二滤波电路3121对应差动放大电路3111，用于过滤第二采样电流中其他频率的干扰信号。所述其他频率的干扰信号，可以指除在闭合电路中对电压和电流进行采样时产生的直流电压脉动信号之外的其他交流脉动信号。

信号转换单元313，与滤波单元312连接，且外接信号处理模块，用于将第二采样电压和第二采样电流的模拟信号转化为数字信号。

具体的，信号转换单元313包括两个A/D转换器，分别为第一A/D转换器3130和第二A/D转换器3131，第一A/D转换器3130对应第一滤波电路3120，用于将第二采样电压的模拟信号转化为数字信号，第二A/D转换电路3131对应第二滤波电路3121，用于将第二采样电流的模拟信号转化为数字信号。

本实用新型实施例二在实施例一的基础上给出了采样信号获取模块的具体实施单元。电压电流采样单元采用了简单方便的电阻采样，同时经过采样电压电流放大单元以及滤波单元的处理，保证了采样电压及采样电流信号的不失真，比直接采用霍尔传感器检测电流电压相位所得到的信号频率更准确，保证了频率监测的精准度。

实施例三

图4是本实用新型实施例三中无线充电的频率监测装置的示例电路结构图，以上述实施例一和实施例二为基础，进一步的，给出无线充电的频率监测装置的优选示例，同时给出采样信号获取模块的优选电路结构。如图4所示，无线充电的频率监测装置与无线充电电源模块40及无线充电天线44相连，包括采样信号获取模块41、信号处理模块42、以及频率调控模块43。

具体的，无线充电电源模块40具有输出端口，该输出端口与无线充电天线44的端口经导线连接形成闭合回路，采样信号获取模块41连接于此闭合回路且与信号处理模块42连接。

进一步的，采样信号获取模块41的示例电路结构具体包括：电压电流采样单元410的采样电路、采样电压电流放大单元411的放大电路、滤波单元412的滤波电路、以及信号转换单元413的A/D转换器。

电压电流采样单元410，具体包括：第一电阻R01、第二电阻R02、以及第三电阻R03。其中，第一电阻R01与第二电阻R02串联连接于无线充电电源模块40的输出端口，用于获取第一采样电压，第一采样电压为无线充电电源模块的输出电压，第三电阻R03直接连接于闭合电路，与第一电阻R01及第二电阻R02形成的串联电路并联，用于获取第一采样电流，第一采样电流为闭合回路的电流,闭合回路为无线充电电源模块40输出端口与无线充电天线端口44导线连接形成的回路。

所述各电阻元件结合无线充电电源模块40和无线充电天线44经导线形成的闭合回路组成采样电路，通过电阻法实现电压及电流的采样。需要注意的是，无线充电电源模块40的输出端口同第一电阻R01和第二电阻R02串联组成的电路在电压采样过程中，会对无线充电电源模块40和无线充电天线44经导线形成的闭合回路产生分流，影响采样电流的准确性，为了不影响电流采样以及避免电压采样时信号输出的能量消耗，将第一电阻R01设置成一个极大电阻以此减少分流，优选的，本实施例采用比第二电阻R02的阻值大500倍的电阻作为第一电阻R01。

同理，在电流采样过程中，闭合回路中的第三电阻R03也会对无线充电电源模块40的输出电压产生分压，影响采样电压的准确性，为了不影响电压采样以及避免电流采样时信号输出的能量消耗，将第三电阻R03设置为成一个极小电阻以此减少分压，优选的，本实施例采用阻值比第二电阻R02的阻值小500倍的电阻作为第三电阻R01。

采样电压电流放大单元411，具体包括：比例放大电路和差动放大电路，其中，比例放大电路，与第二电阻R02的两端相连，用于放大第一采样电压获取第二采样电压；差动放大电路，与第三电阻R03的两端相连，用于放大第一采样电流获取第二采样电流。

比例放大电路，具体包括：第一运算放大器4110、第四电阻R11、第五电阻R12、第六电阻R13。第一运算放大器4110的同相输入端通过第四电阻R11连接第二电阻R02的电流输入端，第一运算放大器4110的反相输入端通过第五电阻R12连接第二电阻R02的电流输出端，同时第一运算放大器4110的反相输入端还通过第六电阻R13连接第一运算放大器4110的输出端，且第一运算放大器4110的反相输入端通过第五电阻R12与第六电阻R02的电流输出端连接后接地。

差动放大电路，具体包括：第二运算放大器4111、第七电阻R14、第八电阻R15、第九电阻R16、第十电阻R17。第二运算放大器4111的同相输入端通过第七电阻R14连接第三电阻R03的电流输入端，同时第二运算放大器4111的同相输入端还与第八电阻R15的电流输入端连接，第八电阻R15的电流输出端接地，第二运算放大器4111的反相输入端通过第九电阻R16连接第三电阻R03的电流输出端，同时第二运算放大器4111的反相输入端还通过第十电阻R17连接第二运算放大器4111的输出端。

滤波单元412，具体包括：第一滤波电路，与第一运算放大器4110的输出端相连，用于过滤第二采样电压中其他频率的干扰信号；第二滤波电路，第二运算放大器4111的输出端相连，用于过滤第二采样电流中其他频率的干扰信号。

具体的，第一滤波电路，包括：第一电容C21、第十一电阻R21。在第一滤波电路中，第一电容C21连接第一运算放大器4110的输出端，并通过第十一电阻R21接地；第二滤波电路，包括：第二电容C22、第十二电阻R22。在第二滤波电路中，第二电容C22连接第二运算放大器4111的输出端，并通过第十二电阻R22接地。

信号转换单元413，具体包括：第一A/D转换器4130和第二A/D转换器4131，其中，第一A/D转换器4130，与第一滤波电路的输出端相连，用于将第二采样电压的模拟信号转换为数字信号；第二A/D转换器4131，与第二滤波电路的输出端相连，用于将第二采样电流的模拟信号转换为数字信号。

具体的，第一A/D转换器4130和第二A/D转换器4131均可采用8位分辨率、12位分辨率、14位分辨率、以及18位分辨率等分辨率不同的的数模转换芯片，优选的，本实施例中的数模转换芯片为12位分辨率。

进一步的，信号处理模块42中包括数字信号处理单元420。具体的，在数字信号处理单元420中，第二采样电压和第二采样电流经过A/D转换器的模数转换后，从而得到采样点有限的离散时间信号，然后从中截取一个周期基于Hilbert变换、积分、滤波等一系列信号处理计算第二采样电压和第二采样电流各次谐波的幅值和相角，之后在数字信号处理单元420中，还需进一步对第二采样电压的幅值和相角和第二采样电流的幅值和相角对应地做除法，最终得到对应的矢量阻抗并将所求矢量阻抗传递给频率调控模块43；同时数字信号处理单元420中所使用的芯片优选为DSP芯片或FPGA芯片。

进一步的，频率调控模块43中包括谐振频率调控单元430，具体的，在谐振频率调控单元430中，基于数字信号处理单元420处理得到的矢量阻抗值，所述无线充电天线谐振频率的参数值为第二采样电压和第二采样电流的矢量阻抗。根据矢量阻抗与谐振频率的正比例关系，实现谐振频率的调控，最终实现无线充电的输出信号的频率。

进一步的，无线充电天线44接收经无线充电的频率监测装置调整后的输出信号频率，并通过电磁感应与电动设备上配置的接收天线建立连接，发送输出信号给电动设备上的接收天线。最终实现无线充电装置的充电输出信号频率的自适应调整。

本实施例提供的无线充电的频率监测装置，在已有无线充电装置的基础上，实现了无线输出信号频率的自适应调控，解决了不同电动设备因的物理尺寸、底盘高度不同带来的无线充电传输效率低的问题，大大提高了无线充电装置的充电传输效率，减少了充电时间，使电动设备能够高效快捷进行无线充电。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种无线充电的频率监测装置，集成在电路板上，与无线充电电源模块及无线充电天线相连，其特征在于，包括采样信号获取模块、信号处理模块、频率调控模块，其中：

所述采样信号获取模块，外接所述无线充电电源模块和无线充电天线，用于从所述无线充电电源模块获取采样电压和采样电流的数字信号，并提供给所述信号处理模块；

所述信号处理模块，与所述采样信号获取模块相连，用于基于所述数字信号，处理得到无线充电天线谐振频率的参数值，并提供给所述频率调控模块；

所述频率调控模块，与所述信号处理模块相连，且外接无线充电天线，用于基于所述谐振频率的参数值，调整所述无线充电天线的输出信号频率。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述采样信号获取模块包括：

电压电流采样单元，用于获取第一采样电压和第一采样电流；

采样电压电流放大单元，与所述电压电流采样单元连接，用于放大所述第一采样电压和第一采样电流，形成第二采样电压和第二采样电流；

滤波单元，与所述采样电压电流放大单元连接，内置滤波电路，用于过滤所述第二采样电压及第二采样电流中其他频率的干扰信号；

信号转换单元，与所述滤波单元连接，且外接信号处理模块，用于将所述第二采样电压和第二采样电流的模拟信号转化为数字信号。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电压电流采样单元包括：

第一电阻、第二电阻、和第三电阻，其中：

所述第一电阻与第二电阻串联连接于无线充电电源的输出端口，用于获取所述第一采样电压，所述第一采样电压为无线充电电源的输出电压；

所述第三电阻直接连接于闭合回路，与所述第一电阻及所述第二电阻形成的串联电路并联，用于获取所述第一采样电流，所述第一采样电流为所述闭合回路的电流,所述闭合回路为无线充电电源输出端口与无线充电天线端口导线连接形成的回路。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述采样电压电流放大单元包括：

比例放大电路，与所述第二电阻的两端相连，用于放大所述第一采样电压获取第二采样电压；

差动放大电路，与所述第三电阻的两端相连，用于放大所述第一采样电流获取第二采样电流。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述比例放大电路包括第一运算放大器、第四电阻、第五电阻、和第六电阻，其中：

所述第一运算放大器的同相输入端通过所述第四电阻连接所述第二电阻的电流输入端；

所述第一运算放大器的反相输入端通过所述第五电阻连接所述第二电阻的电流输出端，同时所述第一运算放大器的反相输入端还通过所述第六电阻连接所述第一运算放大器的输出端；

所述第一运算放大器的反相输入端通过所述第五电阻与所述第二电阻的电流输出端连接之后接地。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述差动放大电路包括第二运算放大器、第七电阻、第八电阻、第九电阻、和第十电阻，其中：

所述第二运算放大器的同相输入端通过所述第七电阻连接所述第三电阻的电流输入端，同时所述第二运算放大器的同相输入端还与所述第八电阻的电流输入端连接；所述第八电阻的电流输出端接地；

所述第二运算放大器的反相输入端通过所述第九电阻连接所述第三电阻的电流输出端，同时所述第二运算放大器的反相输入端还通过所述第十电阻连接所述第二运算放大器的输出端。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述滤波单元包括：

第一滤波电路，与所述第一运算放大器的输出端相连，用于过滤所述第二采样电压中其他频率的干扰信号；

第二滤波电路，与所述第二运算放大器的输出端相连，用于过滤所述第二采样电流中其他频率的干扰信号。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述信号转换单元包括：

第一A/D转换器，与所述第一滤波电路的输出端相连，用于将所述第二采样电压的模拟信号转化为数字信号；

第二A/D转换器，与所述第二滤波电路的输出端相连，用于将所述第二采样电流的模拟信号转化为数字信号。

9.根据权利要求8所述的装置，所述无线充电天线谐振频率的参数值为第二采样电压和第二采样电流的矢量阻抗。