CN207504648U - 一种基于磁谐振的多方向无线充电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于磁谐振的多方向无线充电装置，包括发射模块和接收模块；所述发射模块包括检测控制模块、电源整流电路、发射端半波整流电路、全桥逆变电路、以及二维谐振发射线圈，所述电源整流电路、发射端半波整流电路、全桥逆变电路、二维谐振发射线圈顺序连接；所述接收模块包括谐振接收线圈、接收端半波整流电路、以及稳压电路，所述谐振接收线圈、接收端半波整流电路、以及稳压电路顺序连接，所述稳压电路设有用于输出直流电到负载充电的负载接口；所述二维谐振发射线圈通过电磁谐振的方式与谐振接收线圈实现电能信号传输。本实用新型采用能实现多方向传输电能的2D型线圈，实现电能沿多个方向传输。

Description

一种基于磁谐振的多方向无线充电装置

技术领域

本实用新型涉及无线充电的技术领域，特别涉及一种基于磁谐振的多方向无线充电装置。

背景技术

近几年，无线电能传输技术取得了迅速的发展，将来有着广阔的应用前景。

目前己经组成无线充电联盟(Wireless Power Consortium)，将制定统一的国际无线充电标准，对无线充电市场化起很大的促进作用。未来几年内，无线充电有望广泛应用于笔记本，手机等数码产品。电磁耦合谐振谐振无线电能传输有着不可替代的位置，在工业、家用、交通、医疗领域都有无限的应用前景。

到目前为止，无线电能传输技术可以分为三种:第一种是辐射式无线电能传输，利用电磁波相关原理，电能通过天线以电磁波的形式向外辐射，接收天线接收到电磁波，经过外围电路处理变成可用的电能。第二种是感应式无线电能传输(IPT)，利用电磁感应原理，这种非接触式无线电能传输技术目前己经比较成熟，在很多数码产品上都有应用。通过两个感应线圈把电能传输过去，但是传输距离很短，几乎是贴在一起。第三种是电磁耦合谐振无线电能传输(MCR-WPT，利用电磁耦合谐振原理。

磁谐振式耦合无线电能传输技术进一步推动了无线电能传输技术的发展，与磁感应式无线电能传输相比，磁谐振式耦合无线电能传输技术能以高效率实现中等距离无线电能传输，与辐射式无线电能传输相比，更具有更高的电磁安全性，对人体辐射小。磁谐振式耦合无线电能传输技术的诞生对人类科技发展具有重要的意义。

综上所述，磁谐振耦合无线电能传输技术将会是未来无线充电的主流，但是相对于普通的磁耦合谐振无线电能传输技术中还存在几个重要问题。第一，固有谐振频率的变化简称失谐，是影响电能无线传输效率的主要因素之一，失谐状态下会导致无线传输效率极为低下。第二，现在用于磁耦合谐振无线电能传输的线圈只能往单一方向传输电能，或者使用多个发射线圈组成发射线圈阵列才能实现多方向电能传输，这不仅加大了系统的尺寸，而且多个发射线圈之间交叉耦合导致系统传输效率下降，给多个发射线圈同时供电也增大系统的设计难度。第三,充电系统的功能过于单一,充电装置与使用者无通讯连接。

因此设计一种新的基于磁谐振的多方向无线充电装置来解决所述情况。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于磁谐振的多方向无线充电装置，可以实现多方向(四个基本方向，前后左右)传输电能。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型的一种基于磁谐振的多方向无线充电装置，包括发射模块和接收模块；所述发射模块包括检测控制模块、电源整流电路、发射端半波整流电路、全桥逆变电路、以及二维谐振发射线圈，所述电源整流电路、发射端半波整流电路、全桥逆变电路、二维谐振发射线圈顺序连接，所述检测控制模块分别与全桥逆变电路和二维谐振发射线圈连接；所述检测控制模块包括PIC控制模块、WIFI模块、电流采样比较电路、锁相环电路、过流保护电路、以及驱动电路；所述PIC控制模块与过流保护电路、WIFI模块和锁相环电路连接，所述锁相环电路还与电流采样比较电路和驱动电路连接；所述接收模块包括谐振接收线圈、接收端半波整流电路、以及稳压电路，所述谐振接收线圈、接收端半波整流电路、以及稳压电路顺序连接，所述稳压电路设有用于输出直流电到负载充电的负载接口；所述二维谐振发射线圈通过电磁谐振的方式与谐振接收线圈实现电能信号传输。

作为优选的技术方案，所述二维谐振发射线圈由两个谐振频率相同的谐振线圈相互正交而成；所述二维谐振发射线圈连接有90度移相电路，所述90度移相电路为由LF356N放大器组成的相移电路。

作为优选的技术方案，所述PIC控制模块采用PIC16F876单片机。

作为优选的技术方案，所述WIFI模块采用USR-WIFI232-T低功耗的WIFI模块。

作为优选的技术方案，所述锁相环电路采用CD4046芯片。

作为优选的技术方案，所述过流保护电路采用ACS1霍尔传感器芯片。

作为优选的技术方案，所述驱动电路采用两个IR2103的驱动芯片驱动全桥逆变电路的两个桥臂。

作为优选的技术方案，所述稳压电路采用LM7805稳压集成芯片。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本实用新型选用一种能实现多方向传输电能的2D型线圈，相对于现有技术使用多发射线圈组成的线圈阵列，只需要一个2D线圈充当发射线圈就可以实现电能沿多个方向(4个基本方向,前后左右)传输。

(2)本实用新型使用发射功率源工作频率同步跟踪发射电路固有频率的锁相环频率跟踪方法，避免系统失谐从而避免系统传输功率的急剧下降。

(3)本实用新型发射端能够和接收端(使用者)进行无线WIFI通讯，能够控制充电装置的启动，接收端(使用者)可得到充电装置工作过程中的异常情况信息，并发出警告。

附图说明

图1为本实用新型实例系统整体结构框图；

图2为本实用新型实例系统检测控制模块结构框图；

图3为本实用新型实例发射模块的二维谐振线圈的示意图；

图4为本实用新型实例发射模块逆变电路与驱动电路原理图；

图5为本实用新型实例开关管ECD关断缓冲电路原理图；

图6为本实用新型实例过流保护电路原理图；

图7为本实用新型实例电流采样电路原理图；

图8为本实用新型实例WIFI通讯模块原理图；

图9为本实用新型实例控制模块PLC单片机控制芯片原理图；

图10为本实用新型实例锁相环电路原理图；

图11为本实用新型实例90度移相电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，所述一种基于磁谐振的多方向无线充电装置,包括发射模块和接收模块；所述发射模块包括检测控制模块、电源整流电路、发射端半波整流电路、全桥逆变电路、以及二维谐振发射线圈，所述电源整流电路、发射端半波整流电路、全桥逆变电路、二维谐振发射线圈顺序连接，所述检测控制模块分别与全桥逆变电路和二维谐振发射线圈连接；所述接收模块包括谐振接收线圈、接收端半波整流电路、以及稳压电路，所述谐振接收线圈、接收端半波整流电路、以及稳压电路顺序连接，所述稳压电路设有用于输出直流电到负载充电的负载接口；所述二维谐振发射线圈通过电磁谐振的方式与谐振接收线圈实现电能信号传输。发射端接入电网后，电网交流电流经过发射端半波整流为直流电流后，通过检测控制模块向全桥逆变电路发出逆变信号，从而使直流电流逆变为高频的交流电流并与二维谐振发射线圈产生谐振向接收端无线传输电能。接收模块接收到功率后通过接收端半波整流成为直流电，并通过稳压电路进行稳压后，向负载充电。

如图2所示，所述检测控制模块包括PIC控制模块、WIFI模块、电流采样比较电路、锁相环电路、过流保护电路、以及驱动电路；电流采样比较电路与锁相环电路相连，电流采样比较电路的结果传送到锁相环，使锁相环电路向驱动电路产生与固有频率相同的频率PWM信号，形成频率的跟踪。而PIC控制模块与锁相环电路、过流保护电路、WIFI模块相连接,过流保护信号在电流异常情况下发送信号到PIC控制模块,通过PIC控制模块向锁相环发送信号并产生停止驱动信号,停止无线充电工作。WIFI模块和PIC控制模块相互交流传输信息，充电过程谐振频率信息，电流信息可通过PIC控制模块向WIFI模块传输并无线传输到接收端(使用者)处，或者接收端(使用者)通过向WIFI模块发送信号，WIFI模块将信号发送到控制模块并且控制无线充电装置的启动。

如图3所示，所述二维谐振发射线圈由两个谐振频率相同的谐振线圈相互正交而成，两个谐振线圈没有相连，并且两个正交线圈需要通入频率相同而相位不同的电流在两个谐振线圈周围产生旋转磁场，从而可以在线圈四周(四个基本方向，前后左右)处无线传输电能。

如图4所示，所述发射模块逆变电路与驱动电路原理图，驱动电路采用两个IR2103的驱动芯片驱动全桥逆变电路的两个桥臂，在每个MOSFET的栅极上串联一个20欧姆的电阻，并且反并联一个高速二极管，加快MOSFET的关断，为防止误导通在开关管栅源极之间加20K电阻。从而将整流后的电流逆变为高频率交流电流。

如图5所示，开关管ECD关断缓冲电路原理图，当开关管关断时，漏极电流会产生极高的漏极电压过冲，RCD关断缓冲电路可以对过压电路进行保护。

如图6所示，所述过流保护电路原理图，如果逆变电路中的同一桥臂的开关管直通将会产生极大的电流，因此由霍尔传感器芯片和放大器组成的过流保护电路能够检测过流电流，并且发信号到控制模块关闭开关管，本实施例中，所述过流保护电路采用ACS1霍尔传感器芯片。

如图7所示，所述电流采样电路原理图，电流采样电路的作用是作为实时采样原边电流，并且发送信号到控制模块从而形成驱动信号，并且实现软开关驱动全桥逆变电路。

如图8所示，所述WIFI通讯模块原理图，WIFI模块为低功耗小尺寸WIFI模组，采用异步通信的模式与PIC控制单片机通信，该模块支持STA+AP共存模式，通过TCP连接与网络中的服务器连接，通过手机等可以连接到AP接口，并且对模块进行设置，如控制充电装置工作的开关。

如图9所示，所述控制模块PLC单片机控制芯片原理图，该PLC单片机使用外置晶振时钟。在系统上电阶段，产生一段硬开关脉冲以完成系统起振，随后单片机切换到工作模式。通过异步通讯与WIFI模块进行通讯。通过I/O口与锁相环相连接。

如图10所示，所述锁相环电路原理图，由74HC02或非门与CD4046锁相环集成电路组成的锁相环控制电路，锁相环电路实现对信号频率的跟踪，将比较控制装置形成的控制信号连接在14脚，驱动信号连接在4脚，锁相环自动实现控制信号的零相位跟踪。

如图11所示，所述二维谐振发射线圈采用了90度移相电路原理，由LF356N放大器组成的相移电路，通过改变电容电阻从而确定相移角度，并向所述两个正交线圈传输频率相同相位相差90度的电流，从而产生旋转磁场，实现四周方向无线电能传输。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于磁谐振的多方向无线充电装置，其特征在于，包括发射模块和接收模块；所述发射模块包括检测控制模块、电源整流电路、发射端半波整流电路、全桥逆变电路、以及二维谐振发射线圈，所述电源整流电路、发射端半波整流电路、全桥逆变电路、二维谐振发射线圈顺序连接，所述检测控制模块分别与全桥逆变电路和二维谐振发射线圈连接；所述检测控制模块包括PIC控制模块、WIFI模块、电流采样比较电路、锁相环电路、过流保护电路、以及驱动电路；所述PIC控制模块与过流保护电路、WIFI模块和锁相环电路连接，所述锁相环电路还与电流采样比较电路和驱动电路连接；所述接收模块包括谐振接收线圈、接收端半波整流电路、以及稳压电路，所述谐振接收线圈、接收端半波整流电路、以及稳压电路顺序连接，所述稳压电路设有用于输出直流电到负载充电的负载接口；所述二维谐振发射线圈通过电磁谐振的方式与谐振接收线圈实现电能信号传输。

2.根据权利要求1所述基于磁谐振的多方向无线充电装置，其特征在于，所述二维谐振发射线圈由两个谐振频率相同的谐振线圈相互正交而成；所述二维谐振发射线圈连接有90度移相电路，所述90度移相电路为由LF356N放大器组成的相移电路。

3.根据权利要求1所述基于磁谐振的多方向无线充电装置，其特征在于，所述PIC控制模块采用PIC16F876单片机。

4.根据权利要求1所述基于磁谐振的多方向无线充电装置，其特征在于，所述WIFI模块采用USR-WIFI232-T低功耗的WIFI模块。

5.根据权利要求1所述基于磁谐振的多方向无线充电装置，其特征在于，所述锁相环电路采用CD4046芯片。

6.根据权利要求1所述基于磁谐振的多方向无线充电装置，其特征在于，所述过流保护电路采用ACS1霍尔传感器芯片。

7.根据权利要求1所述基于磁谐振的多方向无线充电装置，其特征在于，所述驱动电路采用两个IR2103的驱动芯片驱动全桥逆变电路的两个桥臂。

8.根据权利要求1所述基于磁谐振的多方向无线充电装置，其特征在于，所述稳压电路采用LM7805稳压集成芯片。