CN206517167U - 无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种无线电能传输系统，该实用新型通过设置多级启动电路，抑制发射端工频整流滤波电路上电时的浪涌电流；通过发射端MCU对占空比的逐级打开，抑制LC谐振电路在逆变环路上产生的浪涌电流；通过控制后级BUCK稳压电路的开启时序抑制负载切换对系统启动的影响。通过本实用新型，有效的解决了上电时，发射端工频整流滤波电路、LC谐振逆变电路、负载切换等启动过程系统稳定性和可靠性。

Description

无线电能传输系统

技术领域

本实用新型属于无线电能传输领域，尤其涉及一种可分级启动的无线电能传输领域。

背景技术

无线电能传输系统是通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量(如电磁场能、激光、微波及机械波等)，隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能，实现无线电能传输。

无线电能传输系统通常由发射端工频整流滤波电路、发射端逆变电路、接收端高频整流滤波电路、接收端稳压电路4部分组成，每一部分在上电时都会产生瞬间的浪涌电流。下面针对每一部分的浪涌电流具体分析：

(1)无线电能传输系统的发射端工频整流滤波电路、接收端高频整流滤波电路通常由整流桥和滤波电容组成。在上电瞬间，由于电容器上的初始电压为零会形成很大的瞬时浪涌电流，特别是大功率开关电源，其输入采用较大电容量的滤波电容器，其浪涌电流可达100A以上。在电源接通瞬间如此大的浪涌电流幅值，往往会导致开关电源后序电路损坏、输入保险丝烧断，有时甚至可将合闸开关的触点烧坏，轻者也会使空气开关合不上闸。

(2)发射端逆变电路直接上电时，LC串联谐振(包括发射线圈、电容和接收线圈)也会产生瞬间的浪涌电流，造成逆变电路器件损坏。

(3)接收端的负载切换时(轻载到重载时)，也会造成暂时的失谐而拉低接收端整流后输出电压，造成接收端系统工作的不稳定。

上述原因均会造成开关电源无法正常使用，而在目前的现有技术中，针对上述问题均没有较好的解决方案。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种无线电能传输系统，该实用新型有效的解决了上电时，发射端工频整流滤波电路、LC谐振逆变电路上电瞬间的浪涌电流，以及负载切换时系统的稳定性。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种无线电能传输系统，包括连接于电网的无线发射端，以及可接收无线发射端电能的无线接收端，无线发射端包括可传输无线电能的发射线圈，以及可接收通讯信号的通信接收模块；无线接收端外连负载，包括可接收发射线圈中发射电能的接收线圈，以及可将接收线圈输出电能转化为通讯信号传输至通信接收模块的通信发射模块，无线发射端还包括工频整流滤波电路，工频整流滤波电路的输出端连接有逆变电路，发射线圈连接逆变电路的输出端，发射线圈内设有可感应发射线圈与接收线圈位置的传感器，传感器根据发射线圈与接收线圈距离形成感应信号，传感器连接有发射端MCU，以接收传感器形成的感应信号，并根据该感应信号判断判断无线接收端是否在工作区域内；无线发射端还包括设置在工频整流滤波电路输入端的软启动电路，软启动电路的输入端连接电网，发射端MCU电连软启动电路的控制端，以控制软启动电路的启动。

作为本实用新型的进一步优化，软启动电路包括连接于电网的功率电阻R1，并联于功率电阻R1的可控开关K1，串联于功率电阻R1和可控开关K1的可控开关K2，其中发射端MCU连接可控开关K1和可控开关K2的控制端，可控开关K1和可控开关K2均为常闭开关。

作为本实用新型的进一步优化，无线接收端的接收线圈连接有高频整流滤波电路，高频整流滤波电路的输出端连接有接收端MCU和BUCK稳压电路，接收端MCU连接通信发射模块，以将转换后的数字信号传输至通信发射模块形成通讯信号，同时接收端MCU的连接BUCK稳压电路；BUCK稳压电路外连负载。

作为本实用新型的进一步优化，接收线圈上设置有可增强传感器感应的标志物。

一种无线电能传输控制方法，使用上述无线电能传输系统，包括以下步骤：

S1：为无线电能传输系统上电；

S2：检测无线接收端是否移入无线发射端的工作区域内，如是，则执行S3；如否，则返回S1；

S3：延时第一预设时间后，发射端MCU控制可控开关K2闭合，以抑制发射端工频整流滤波电路上电时的浪涌电流；

S4：待延时第二预设时间后，发射端MCU输出PWM控制信号，并控制输出频率为增益最小值，输出占空比按照预定比例在单位时间内逐渐增大到预设占空比以抑制LC谐振逆变电路上电瞬间产生的浪涌电流，之后发射端MCU进一步控制可控开关K1闭合。

S5：接收端MCU控制BUCK稳压电路关闭，发射端MCU判断是否接收到接收端通信信号，如是，则执行S5，如否，则执行S7；

S6：发射端MCU根据通信信号判断无线接收端的电压是否大于预设电压值，如是，则执行S7；如否，则返回执行S5；

S7：接收端MCU控制BUCK启动，发射端MCU调节输出频率至预设频率值；

S8：发射端MCU控制输出频率为增益最小值对应频率，并使无线电能传输系统处于休眠状态；

S9：返回至S2步骤。

作为本实用新型的进一步优化，在S2的步骤中，具体为：传感器实时检测无线接收端是否移入工作区域内，并形成感应信号发送至发射端MCU中，发射端MCU根据该感应信号判断无线接收端是否进入无线发射端的工作区域内。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：

1、本实用新型的无线电能传输系统，通过设置分级软启动电路，并预设相对应的延时时间，通过发射端MCU的控制，有效的避免了无线电能传输系统上电过程中出现的浪涌电流。

2、本实用新型的无线电能传输系统，采用逐渐控制占空比增大的方式，使无线发射端的能量能逐渐传输至无线接收端，抑制了LC谐振电路在逆变电路中上电瞬间产生的浪涌电流。

附图说明

图1为本实用新型无线电能传输系统的框图；

图2为图1中无线发射端的示意图；

图3为本实用新型无线电能传输控制方法的流程图；

图4为增益与输出频率的关系图。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本实用新型进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参见图1，是本实用新型无线电能传输系统的框图。如图1所示，本实用新型的无线电能传输系统，包括连接于电网的无线发射端，以及可接收无线发射端电能的无线接收端，无线发射端包括可传输无线电能的发射线圈，以及可接收通讯信号的通信接收模块；无线接收端外连负载，包括可接收发射线圈中发射电能的接收线圈，以及可将接收线圈输出电能转化为通讯信号传输至通信接收模块的通信发射模块，无线发射端还包括工频整流滤波电路，工频整流滤波电路的输出端连接有逆变电路，发射线圈连接逆变电路的输出端，发射线圈内设有可感应发射线圈与接收线圈位置的传感器，传感器根据发射线圈与接收线圈距离形成感应信号，传感器连接有发射端MCU，以接收传感器形成的感应信号，并根据该感应信号判断判断无线接收端是否在工作区域内；无线发射端还包括设置在工频整流滤波电路输入端的软启动电路，发射端MCU电连软启动电路的控制端，以控制软启动电路的启动。

结合图2所示，上述软启动电路包括连接于电网的功率电阻R1，并联于功率电阻R1的可控开关K1，串联于功率电阻R1和可控开关K1的可控开关K2，其中发射端MCU连接可控开关K1和可控开关K2的控制端，可控开关K1和可控开关K2均为常闭开关。

进一步详述上述软启动过程：发射端MCU从上电到开始输出PWM控制信号之间有一段时间，在这段时间内发射端MCU的引脚状态不确定，若此时给逆变电路上电，可能造成逆变电路损坏；而因可控开关K2断开，上电后220V交流电不会经工频整流滤波电路加到逆变电路上，发射端MCU上电后延时第一预定时间后再控制可控开关K2闭合，从而起到保护逆变电路的作用；同时因可控开关K1常闭，上电后从电网发出的交流电经功率电阻R1到达后级电路，因输入电压不变，电路因串接功率电阻R1而使总电阻增大，所以电流减小，即增加功率电阻R1有效的抑制因发射端工频整流滤波电路大电容产生的浪涌电流。后级电路正常工作之后，发射端MCU控制可控开关K1闭合，使电网来的交流电流经可控开关K1，从而减小了功率电阻发热，提高了系统效率。

进一步参见图1，图1中还显示了无线接收端的连接结构，无线接收端的接收线圈连接有高频整流滤波电路，高频整流滤波电路的输出端连接有接收端MCU和BUCK稳压电路，接收端MCU连接通信发射模块，以将转换后的数字信号传输至通信发射模块形成通讯信号，同时接收端MCU的连接BUCK稳压电路；BUCK稳压电路外连负载。

上述中，作为一种优选，接收线圈上设置有可增强传感器感应的标志物。

参见图3，是本实用新型无线电能传输控制方法的流程图。如图3所示，本实用新型的无线电能传输控制方法，使用上述无线电能传输系统，包括以下步骤：

S1：为无线电能传输系统上电；

S2：检测无线接收端是否移入无线发射端的工作区域内，如是，则执行S3；如否，则返回S1；

S3：延时第一预设时间后，发射端MCU控制可控开关K2闭合，以抑制发射端工频整流滤波电路上电时的浪涌电流；

S4：待延时第二预设时间后，发射端MCU输出PWM控制信号，并控制输出频率为增益最小值，输出占空比按照预定比例在单位时间内逐渐增大到预设占空比以抑制LC谐振逆变电路上电瞬间产生的浪涌电流，之后发射端MCU 进一步控制可控开关K1闭合。

S5：接收端MCU控制BUCK稳压电路关闭，发射端MCU判断是否接收到接收端通信信号，如是，则执行S5，如否，则执行S7；

S6：发射端MCU根据通信信号判断无线接收端的电压是否大于预设电压值，如是，则执行S7；如否，则返回执行S5；

S7：接收端MCU控制BUCK启动，发射端MCU调节输出频率至预设频率值；

S8：发射端MCU控制输出频率为增益最小值对应频率，并使无线电能传输系统处于休眠状态；

S9：返回至S2步骤。

进一步对上述步骤举例说明：发射端MCU控制PWM占空比逐渐增大的过程可为：如起始占空比为10％，经过一个单位时间控制占空比变为20％，如此类推直到占空比到50％完全打开，这样可使无线发射端的能量经逆变电路逐渐传输到接收端，抑制LC谐振电路、接收端高频整流滤波电路上电瞬间产生的浪涌电流。

同时，参见图4，是增益与输出频率关系图。其中，该关系图中f1对应的值即为增值最小值，fo对应的增益即为增益最大值，在工作时，将频率控制在f0-f1之间即为正常工作范围。通过该关系图具体说明：发射端MCU上电后先将PWM调到增益最低值对应的频率f1，减小轻载时的输出增益；同时接收端MCU上电后先封锁BUCK稳压电路，并通过采样无线接收端的电压进一步判断无线接收端电压是否高于预设电压值，若在正常范围之内，接收端MCU控制BUCK稳压电路开启，发射端MCU的PWM控制频率调到f2，该f2为预设频率值。

另外，在上述S2的步骤中，具体为：传感器实时检测无线接收端是否移入工作区域内，并形成感应信号，以发送至发射端MCU中，发射端MCU根据该感应信号判断无线接收端是否进入无线发射端的工作区域内。

结合图3和图4，进一步说明本实用新型的无线电能传输控制方法：

S1：为无线电能传输系统上电；

S2：传感器实时检测无线接收端是否移入工作区域内，并形成感应信号，以发送至发射端MCU中，发射端MCU根据该感应信号判断无线接收端是否进入无线发射端的工作区域内，如是，则执行S3；如否，则返回S1；

S3：延时第一预设时间t1后，发射端MCU控制可控开关K2闭合；

S4：待延时第二预设时间后，发射端MCU输出PWM控制信号，并控制输出频率为增益最小值，输出占空比按照预定比例在单位时间内逐渐增大到预设占空比以抑制LC谐振逆变电路上电瞬间产生的浪涌电流，之后发射端MCU进一步控制可控开关K1闭合。

S5：接收端MCU控制BUCK稳压电路关闭，发射端MCU判断是否接收到接收端通信信号，如是，则执行S6，如否，则执行S8；

S6：发射端MCU根据通信信号判断无线接收端的电压是否大于预设电压值，如是，则执行S7；如否，则返回执行S5；

S7：接收端MCU控制BUCK启动，发射端MCU调节输出频率至预设频率值；

S8：发射端MCU控制输出频率为增益最小值对应频率，并使无线电能传输系统处于休眠状态；

S9：返回至S2步骤。

Claims (4)

1.一种无线电能传输系统，包括连接于电网的无线发射端，以及可接收无线发射端电能的无线接收端，无线发射端包括可传输无线电能的发射线圈，以及可接收通讯信号的通信接收模块；无线接收端外连负载，包括可接收发射线圈中发射电能的接收线圈，以及可将接收线圈输出电能转化为通讯信号传输至通信接收模块的通信发射模块，其特征在于：

无线发射端还包括工频整流滤波电路，工频整流滤波电路的输出端连接有逆变电路，发射线圈连接逆变电路的输出端，发射线圈内设有可感应发射线圈与接收线圈位置的传感器，传感器根据发射线圈与接收线圈距离形成感应信号，传感器连接有发射端MCU，以接收传感器形成的感应信号，并根据该感应信号判断判断无线接收端是否在工作区域内；

无线发射端还包括设置在工频整流滤波电路输入端的软启动电路，软启动电路的输入端连接电网，发射端MCU电连软启动电路的控制端，以控制软启动电路的启动。

2.根据权利要求1所述的无线电能传输系统，其特征在于：软启动电路包括连接于电网的功率电阻R1，并联于功率电阻R1的可控开关K1，串联于功率电阻R1和可控开关K1的可控开关K2，其中发射端MCU连接可控开关K1和可控开关K2的控制端，可控开关K1和可控开关K2均为常闭开关。

3.根据权利要求1或2所述的无线电能传输系统，其特征在于：无线接收端的接收线圈连接有高频整流滤波电路，高频整流滤波电路的输出端连接有接收端MCU和BUCK稳压电路，接收端MCU连接通信发射模块，以将转换后的数字信号传输至通信发射模块形成通讯信号，同时接收端MCU的连接BUCK稳压电路；BUCK稳压电路外连负载。

4.根据权利要求3所述的无线电能传输系统，其特征在于：接收线圈上设置有可增强传感器感应的标志物。