CN205960806U - 一种供电距离可智能调节的无线供电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于无线供电技术领域，尤其涉及一种供电距离可智能调节的无线供电系统。本系统包括发射端、多个接收端，发射端内的第一控制IC分别与供电单元、第一通信单元、电容切换及发射单元相连，每个接收端的第二控制IC分别与第二通信单元、电容切换及接收单元相连，第二控制IC与电容切换及接收单元通过整流滤波单元连接，第二控制IC和整流滤波单元通过电流电压检测单元连接，第一通信单元与第二通信单元无线通信。第一控制IC控制发射端的供电频率与发射端的谐振频率同步，第二控制IC通过第二通信单元获得来自发射端的数据，调整接收端的谐振频率与发射端的谐振频率一致。本实用新型实现多个接收端位于发射端的供电范围时的智能供电。

Description

一种供电距离可智能调节的无线供电系统

技术领域

本实用新型属于无线供电技术领域，尤其涉及一种供电距离可智能调节的无线供电系统。

背景技术

现在的无线供电技术，大部分都是基于点对点的无线供电系统。比如手机充电器，电动车无线充电桩等，这些用电设备在进行无线供电时，发射端和接收端之间的距离特别的近，基本都在200mm以内。而对于远距离供电，目前均已解决距离问题，无线供电可以达到1米的空间范围，这样就能给多部产品进行供电提供了可能性。但是在多个用电设备同时处于一个发射端的范围内进行无线充电时，多个用电设备的接收端与一个发射端之间的距离是不确定的。

当多个接收端放在发射端的供电范围之内时，发射端会自动检测到接收端，两者通信之后，进行计算，然后调整发射频率及功率，达到效率最大化。无线供电的发射端发射频率与发射端和接收端之间的距离是有关系的，即在同样的功率下，高频率比低频率的无线输电距离更远。比如现在有2部手机，第一部手机距离发射线圈200mm的距离，第二部手机距离同一个发射线圈有500mm的距离，那么如果想使第二部手机获得与第一部手机同样多的电量，就需要发射端提高频率才可以达到。这时第一部手机可能会收到更多的电量，但是其自身所带负载的原因，实际上第一部手机的电量是不会增加的。如何调整发射端，既满足收发之间效率的最大化，又能兼顾所有的接收端都能得到较高的电能，是目前需要解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供的一种供电距离可智能调节的无线供电系统，能够在多个接收端位于同一发射端的供电范围内，实现每个接收端与发射端之间的通信，达到自动调节供电频率，实现长距离高效率输电的系统。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种供电距离可智能调节的无线供电系统，其特殊之处在于：包括发射端，位于同一发射端供电范围内的多个接收端，所述发射端内的第一控制IC分别与供电单元、第一通信单元、电容切换及发射单元相连，每个接收端的第二控制IC分别与第二通信单元、电容切换及接收单元相连，在第二控制IC与电容切换及接收单元之间连接有整流滤波单元，在第二控制IC和整流滤波单元之间连接有电流电压检测单元，第一通信单元与第二通信单元之间通过无线通信方式连接，发射端还设置有与第一控制IC相连的发射端显示单元，接收端还设置有与第二控制IC相连的接收端显示单元，与整流滤波单元相连的用电负载。

进一步地，电容切换及发射单元采用第一ULN2003芯片，第一ULN2003芯片每个脉冲信号输入端分别被第一单片机的I/O控制，与每个脉冲信号输入端对应的脉冲信号输出端均连接有电容，所有的电容均与第一ULN2003芯片内的第一LC振荡电路相连，第一LC振荡电路还连接有MOS管，第一单片机的IN0与MOS管相连。

进一步地，电容切换及接收单元采用第二ULN2003芯片，第二ULN2003芯片每个脉冲信号输入端分别被第二单片机的I/O控制，与每个脉冲信号输入端对应的脉冲信号输出端均连接有电容，所有的电容均与第二ULN2003芯片内的第二LC振荡电路相连，第一LC振荡电路与第二LC振荡电路之间通过电磁波进行通信。

进一步地，所述供电单元采用将AC转换为DC的开关电源，第一控制IC采用STM32单片机，第一控制IC内的电源采用LM2596。

进一步地，第一通信单元和第二通信单元的无线通信可采用蓝牙、射频、Zigbee、433M无线中的任一种。

进一步地，第一控制IC内还设置有为第一控制IC提供电能的电源、对发射端进行整体控制的第一单片机，第一单片机与第一通信单元采用串口通信。

进一步地，每个第二控制IC内设置有对发射端进行整体控制的第二单片机，第二单片机与第二通信单元采用串口通信。

本实用新型与现有技术相比，其有益之处在于：采用本实用新型提供的无线供电系统，可以方便的接入多个接收端，在无线供电系统中自动识别每个接收端，自动调整接收端和发射端之间的感应频率。并且接收端和发射端之间的通信是采用的zigbee，可以把其他的通信信息也附加在里边，即zigbee既包含无线供电的调整信息，也包涵负载的控制信息。发射端会依据接收端的数量、距离，达到最优化的发射参数。这样发射端既满足了不同接收端的需求，也不会浪费发射功率。

附图说明

图1是本实用新型的原理框图；

图2是本实用新型的电容切换及发射单元的电路连接图；

图3是本实用新型的电容切换及接收单元的电路连接图。

具体实施方式

参照附图1-3，给出本实用新型的具体实施方式，用来对本实用新型做进一步说明。

实施例1：

本实施例中的系统包括发射端，位于同一发射端的供电范围内的多个接收端，所述发射端内的第一控制IC分别与供电单元、第一通信单元、电容切换及发射单元相连，每个接收端的第二控制IC分别与第二通信单元、电容切换及接收单元相连，在第二控制IC与电容切换及接收单元之间连接有整流滤波单元，在第二控制IC和整流滤波单元之间连接有电流电压检测单元，第一通信单元与第二通信单元之间通过无线通信方式连接。第一通信单元和第二通信单元的无线通信可采用蓝牙、射频、Zigbee、433M无线中的任一种。在本实施例中第一通信单元、第二通信单元分别为第一zigbee通信单元、第一zigbee通信单元。

第一控制IC内设置有为第一控制IC提供电能的电源、对发射端进行整体控制的第一单片机，本实施例中，发射端的供电单元采用成品AC220V转DC36V的开关电源。第一控制IC的电源采用LM2596从DC36V降压得到5V。第一控制IC采用stm32单片机进行总体控制。第一Zigbee通信单元采用市售常规的zigbee模块，第一单片机与第一zigbee通信单元采用串口通信。

电容切换及发射单元中使用的主要芯片为ULN2003，记为第一ULN2003。此芯片为高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN复合晶体管组成，主要用于驱动大电流器件，比如电机，灯泡等负载。此处每一路串联进一个电容，当第一ULN2003控制导通时，接入的电容与电感并联，用于改变LC震荡的谐振频率。电容切换及发射单元的展开图如图2所示。

第一ULN2003芯片的引脚1至引脚7均为脉冲信号输入端，引脚10-引脚16均为脉冲信号输出端，引脚1至引脚7分别被第一单片机的I/O控制，与每个脉冲信号输入端对应的脉冲信号输出端均连接有电容，所有的电容均与第一ULN2003芯片内的第一LC振荡电路相连，L1和C1形成第一LC振荡电路，第一LC振荡电路还连接有MOS管，第一单片机的IN0与MOS管相连。

每个第二控制IC内设置有对发射端进行整体控制的第二单片机，第二单片机与第二zigbee通信单元采用串口通信。

接收端中的电容切换及接收单元与发射端类似，也采用ULN2003芯片，在本实施例中记为第二ULN2003芯片，只不过减少了一个控制频率的mos管。电容切换及接收单元的展开图如图3所示。第二ULN2003芯片的引脚1至引脚7均为脉冲信号输入端，引脚10-引脚16均为脉冲信号输出端，引脚1至引脚7分别被第二单片机的I/O控制，与每个脉冲信号输入端对应的脉冲信号输出端均连接有电容，所有的电容均与第二ULN2003芯片内的第二LC振荡电路相连，L2和C2形成第二LC振荡电路，第一LC振荡电路与第二LC振荡电路之间通过电磁波进行通信。

整流滤波单元是将接收到的交流电转变为直流电，供后边的电路使用。用电负载就是需要供电的负载，可以是一个电机，一个灯泡，一个手机等所有的小功率产品。在接收端的第二控制IC等具有等同功能的单元模块与发射端的无异。

在本实施例提供的系统在工作过程中主要有两个特色，其一是发射端及接收端可以自动的，随意的调节发射及接收频率；其二是多个接收端接入系统时不会产生冲突，以下对本系统的工作原理进行说明。

关于发射及接收频率的调节是通过发射端/接收端单片机的I/O控制相应ULN2003芯片的不同引脚导通，接入电容，从而改变谐振频率来实现的，以部分引脚为例进行说明。

比如，发射端的第一单片机控制第一ULN2003芯片的1引脚为高电平，则第一ULN2003芯片的16引脚导通接地，从而将电容C3与L1及C1并联。此时，第一LC振荡电路的LC谐振频率由L1及C3和C1的并联值决定。如果此时第一单片机控制第一ULN2003芯片的2引脚也为高电平，则第一ULN2003芯片的15引脚导通接地，从而将电容C4也接入整个LC振荡中。那么发射端的LC谐振频率就由L1、C1、C3、C4共同决定的。从整个流程看只要改变第一ULN2003芯片的输入端控制引脚的数量及分配，就可以改变发射端总体的谐振频率。因为第一ULN2003芯片有7个引脚，所以总共可以改变2*7次方＝128个谐振频率点。

发射端在改变并联电容的时候，第一单片机还会通过IN0控制电容切换及发射单元内mos管的导通，进而控制第一LC谐振电路中LC谐振的供电频率，使mos管的供电频率与LC谐振频率同步，达到发射的最高效率。

接收端改变频率也是依照同样的道理，只不过在电容切换及接收单元中没有控制供电频率的mos管，因为接收端只需要将第二LC谐振电路中的LC谐振频率与发射端LC谐振频率调整至一致即可接收电能，不需要控制供电频率。

当发射端调整完谐振频率和供电频率后，第一控制IC会通过串口将频率数据发送给第一zigbee通信单元，频率数据经过第一zigbee通信单元和第二zigbee通信单元之间的传输进入第二控制IC，达到发射端和接收端数据传递的目的。接收端的数据同理也是通过第一zigbee通信单元和第二zigbee通信单元进行反向无线传输。以上是发射端及接收端互相通信，进而自动调整谐振频率，达到效率最大化的频率追踪流程。

在本实施例中频率是智能调节，不固定的。因此，当新的接收端接入系统时，新的接收端与发射端之间频率的调整，采用的是间歇寻找机制。

发射端在正常的工作时间，会在发射完各个设备的谐振频率之后，用100ms的时间变回基本频率。这个时间是依照接收端的个数而确定的，比如现在有2个接收端，则第一个发射300ms，第二个发射300ms，之后跟一个100ms的基本频率发射。如果有5个接收端，则每个接收端均发射300ms，之后跟一个100ms的基本频率发射。本实施例中所讲的基本频率是将发射端所有的I/O口均置0。这时，第一ULN2003芯片的所有输出端均截止，所有与输出端相连的电容均与地隔离，线圈L1只与电容C1并联。此时第一单片机控制IN0的供电频率，使其与发射端内LC的谐振频率相同，这就是系统的基本频率。

接收端也是类似的原理，因为接收端内部没有电能，所以第二单片机不工作，进而第二ULN2003芯片既没有电，也没有控制信号，则接收端内与第二ULN2003芯片输出端相连的电容均不会接入接收端的LC谐振，此时的LC谐振频率只与L2及C2有关。

当新的接收端放入发射端的磁场中时，因为发射端和接收端的LC谐振点相同，所以接收端会感应出电能，经过整流滤波电路，给单片机供电。单片机得电之后，通过第二zigbee通信单元将电流数据传递给发射端进行通信。发射端和接收端通信成功后，会进行下一步的功率及距离计算，调整频率，实现收发之间的效率最大化。

新的接收端与发射端的沟通均是采用基本频率及zigbee模块来通信的。基本频率除了有通信的功能，还有检测距离的作用。

检测原理如下：在基本频率的状态下，发射端以最大的发射功率进行电能传输，此时，接收端的接收电流电压是与接收端至发射端的距离成比例的。根据接收端的接收电流，利用提前预制的数据及比例关系，就可以反向计算出与发射端的距离。

当无线电能被电容切换及接收单元接收到之后，进入整流滤波单元变成直流电。而电流电压检测单元与整流滤波单元连接，检测出此时新的接收端的电压电流值，将电压电流值发送给第二控制IC。第二控制IC经过对电压电流值数据的计算，得出距离数据，然后将距离数据通过第二zigbee通信单元返回给发射端。

发射端在接收到距离数据后调整频率的过程具体为：发射端得到此接收端的距离数据后，就会在发射端的内存空间中记录此新的接收端的编号及无线供电谐振频率，然后将目前的供电时间分出一个时间段给此新的接收端。

举例说明：假如现在有3个接收端，分别是接收端A，接收端B，接收端C。接收端A采用XkHz的频率供电，B接收端采用YkHZ的频率供电，C接收端采用ZkHz的频率进行供电。那么发射端会在1s的供电时间内，用300ms的时间发射X频率的无线电能给A接收端供电，用300ms的时间发射Y频率的无线电能给B接收端供电，用300ms的时间发射Z频率的无线电能给C接收端供电。剩余的100ms时间用于继续发射基本频率，寻找下一个新的接收端。这样，从宏观上来看，每个接收端都会在同一发射端的供电范围内接收到适合自己的最大功率的无线电能。

采用本实施例中的无线供电系统提供的无线供电方案，可以解决多个接收端同时工作的情况下，发射功率分配不均衡的问题。使每个接收端都能得到最高效的电能。

实施例2

在本实施例中，无线供电系统的结构基本类似与实施例1，并且无线供电系统进行无线供电的方式也和实施例1相同，不同的地方是，本实施例中在发射端和接收端分别增加反应供电状况的显示单元。

在本实施例中，发射端还设置有与第一控制IC相连的发射端显示单元，接收端还设置有与第二控制IC相连的接收端显示单元，与整流滤波单元相连的用电负载。

发射端显示单元及接收端显示单元均采用市售成品LCD12864液晶显示屏，在实际的应用中，如果为了缩小体积及空间，也可以将显示单元去掉。

在本实施例中，对于接收端增加用电负载，来进一步提高整个供电系统功能的完整性，整流滤波单元是将接收到的交流电转变为直流电，供后边的电路使用。用电负载就是需要供电的负载，用电负载直接和整流滤波单元相连，用电负载可以是一个电机，一个灯泡，一个手机等所有的小功率产品。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种供电距离可智能调节的无线供电系统，其特征在于：包括发射端，位于同一发射端供电范围内的多个接收端，所述发射端内的第一控制IC分别与供电单元、第一通信单元、电容切换及发射单元相连，每个接收端的第二控制IC分别与第二通信单元、电容切换及接收单元相连，在第二控制IC与电容切换及接收单元之间连接有整流滤波单元，在第二控制IC和整流滤波单元之间连接有电流电压检测单元，第一通信单元与第二通信单元之间通过无线通信方式连接，发射端还设置有与第一控制IC相连的发射端显示单元，接收端还设置有与第二控制IC相连的接收端显示单元，与整流滤波单元相连的用电负载。

2.如权利要求1所述的一种供电距离可智能调节的无线供电系统，其特征在于：

电容切换及发射单元采用第一ULN2003芯片，第一ULN2003芯片每个脉冲信号输入端分别被第一单片机的I/O控制，与每个脉冲信号输入端对应的脉冲信号输出端均连接有电容，所有的电容均与第一ULN2003芯片内的第一LC振荡电路相连，第一LC振荡电路还连接有MOS管，第一单片机的IN0与MOS管相连。

3.如权利要求1所述的一种供电距离可智能调节的无线供电系统，其特征在于：

电容切换及接收单元采用第二ULN2003芯片，第二ULN2003芯片每个脉冲信号输入端分别被第二单片机的I/O控制，与每个脉冲信号输入端对应的脉冲信号输出端均连接有电容，所有的电容均与第二ULN2003芯片内的第二LC振荡电路相连，第一LC振荡电路与第二LC振荡电路之间通过电磁波进行通信。

4.如权利要求2或3所述的一种供电距离可智能调节的无线供电系统，其特征在于：所述供电单元采用将AC转换为DC的开关电源，第一控制IC采用STM32单片机，第一控制IC内的电源采用LM2596。

5.如权利要求4所述的一种供电距离可智能调节的无线供电系统，其特征在于：第一通信单元和第二通信单元的无线通信可采用蓝牙、射频、Zigbee、433M无线中的任一种。

6.如权利要求5所述的一种供电距离可智能调节的无线供电系统，其特征在于：第一控制IC内还设置有为第一控制IC提供电能的电源、对发射端进行整体控制的第一单片机，第一单片机与第一通信单元采用串口通信。

7.如权利要求6所述的一种供电距离可智能调节的无线供电系统，其特征在于：每个第二控制IC内设置有对发射端进行整体控制的第二单片机，第二单片机与第二通信单元采用串口通信。