CN208874368U - 一种无线充电系统及充电参数调节装置 - Google Patents

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张鹏
李治平
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Abstract

本申请公开了无线充电系统和充电参数调节装置,所述参数调节装置包括：发射端控制模块、多个继电器、串联连接的至少1个电感器和多个电容器；所述发射端控制模块被配置为：控制所述多个继电器的接通位置以控制每个所述电感器和/或每个所述电容器是否串联接入所述无线充电系统的发射端谐振耦合模块中，从而控制所述发射端谐振耦合模块的谐振频率，使其与接收端的谐振频率相匹配。

Description

一种无线充电系统及充电参数调节装置
技术领域
本公开涉及无线供电及其控制技术，具体涉及一种具备自适应参数匹配功能，并能够自动按照蓄电池恒流、恒压、涓流阶段进行充电的无线充电系统及充电参数调节装置，以及应用无线充电系统的电单车、电动自行车、电动三轮车和电动摩托车。
背景技术
目前，电单车、电动自行车、电动三轮车和电动摩托车等小型电动交通工具主要采用有线的方式进行充电。使用有线充电器时，存在以下几种问题：1)当充电车辆较多时，大量线缆容易缠绕，带来安全隐患和不变；2)充电器插拔时，容易产生电火花，可能引发火灾等安全事故；3)充电器与电网直接相连，存在漏电触电等问题；4)充电装置无法密封，存在防雨防水等问题；5)充电时需要额外的人工操作，不便于即停即充。
无线输电技术在近几年发展迅速，基于磁共振原理的无线输电技术能够在中远距离(数十厘米到数米)下获得较高效率。然而，现有技术中并没有针对电单车、电动自行车、电动三轮车、电动摩托车等小型电动交通工具专门设计的无线输电系统,现有小型电动交通工具充电主要还是需要业主将车放在家里充电,对于楼房居住的居民,带来诸多不便。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明提供一种针对小型电动交通工具无线充电的特定需要，具有自适应参数匹配功能，并能够自动按照蓄电池恒流、恒压、涓流阶段进行充电的无线充电系统,还提供该无线充电系统中的充电参数调节装置和方法。
第一方面,本申请提供一种用于无线充电系统的参数调节装置，所述参数调节装置包括：发射端控制模块、多个继电器、串联连接的至少1个电感器和多个电容器；
所述发射端控制模块被配置为：
控制所述多个继电器的接通位置以控制每个所述电感器和/或每个所述电容器是否串联接入所述无线充电系统的发射端谐振耦合模块中，从而控制所述发射端谐振耦合模块的谐振频率。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述发射端控制模块被配置为：
控制所述多个继电器的接通位置来控制所述发射端谐振耦合模块的谐振频率在最低谐振频率和最高谐振频率之间变化；
所述最低谐振频率为：所有所述电感器串联进入所述发射端谐振耦合模块且所有所述电容器不接入所述发射端谐振耦合模块时,所述发射端谐振耦合模块的谐振频率；
所述最高谐振频率为：所有所述电容器串联进入所述发射端谐振耦合模块且所有所述电感器不接入所述发射端谐振耦合模块时,所述发射端谐振耦合模块的谐振频率；
所述最低谐振频率和最高谐振频率的平均值与所述发射端谐振耦合模块的初始频率相等；
所述初始频率为所有所述电感器和所述电容器都不接入发射端谐振耦合模块时，所述发射端谐振耦合模块的谐振频率。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述电容器的容值满足如下关系：Ct1＝Ct2/2＝Ct3/22＝……＝Ctn/2n-1；
n为所有所述电容器的总数量，Ct1、Ct2、Ct3......Ctn分别为第1个电容器、第2个电容器、第3个电容器......第n个电容器的容值。
第二方面本申请还提供一种无线充电系统，包括发射端和接收端；所述发射端包括将电网的工频交流电转换为直流电的AC-DC模块I、将AC-DC模块I输出的直流电降压并转换成幅值可调电压的DC-DC模块、将DC-DC模块的输出直流电压转换为方波电源的高频逆变模块和上述任意一种的发射端控制模块和发射端谐振耦合模块；所述发射端谐振耦合模块连接在所述高频逆变模块的输出端；所述发射端控制模块与DC-DC模块和高频逆变模块信号连接；所述接收端包括与发射端谐振耦合模块相对耦合的接收端谐振耦合模块、将接收端谐振耦合模块的高频电能转换为直流电能的AC-DC模块II、将AC-DC模块II的输出电能进行控制以给电池组充电的充电管理模块、与充电管理模块信号连接的接收端控制模块；所述发射端还包括与所述发射端谐振耦合模块串联连接作为所述高频逆变模块的输出负载的参数调节模块，所述参数调节模块包括上述任意一种参数调节装置中的所述的电容器、电感器和继电器。
根据本申请实施例提供的技术方案，
所述接收端还包括与接收端控制模块信号连接的红外发射模块；
所述发射端包括与发射端控制模块信号连接的红外接收模块；
所述红外接收模块配置用于:与红外发射模块配合使用，接收充电管理模块的充电信息，所述充电信息包括充电电压和充电电流，以及充电管理模块中的PWM占空比信息；
所述发射端控制模块配置用于:根据充电信息调节高频逆变模块的发射功率至与电池组的充电功率相匹配。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述DC-DC模块包括发射端 BUCK电路；所述发射端控制模块发送PWM信号至所述发射端BUCK 电路中开关管的门极。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述发射端控制模块包括用于采集DC-DC模块的输出电压和输出电流的AD采样单元。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述接收端谐振耦合模块安装在电单车、电动自行车、电动三轮车或电动摩托车的底盘下方；所述发射端谐振耦合模块铺设在充电站地面。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述接收端谐振耦合模块的上方和发射端谐振耦合模块的下方铺设有磁条。
第三方面本申请还提供应用上述无线充电系统的电单车、电动自行车、电动三轮车、电动摩托车。
本申请的无线充电系统中,采用参数调节模块在充电的初始阶段, 对发射端和接收端的充电参数进行匹配和调节,考虑到无线充电系统应用在电单车、电动自行车、电动三轮车、电动摩托车时的实际工作环境，谐振线圈和谐振电容的参数值可能受到户外温度、湿度、老化、制造公差、周围的杂散金属物体等影响，并导致发射端谐振耦合电路的谐振频率与接收端的谐振频率不一致，进而降低系统的传输效率和传输功率，本发明无线充电系统中的的参数调节模块及充电参数调节方法，能够在较短的时间(数秒至十几秒)内，迅速完成无线充电系统的参数匹配，保证充电过程的高效率。
本发明利用红外通信技术实现无线充电平台与待充电车辆的一对一通信，基于该通信技术，本发明能够实时调节系统的发射功率，使其恰好满足接收端的功率需求而又不造成功率浪费。
本发明中接收端的充电管理算法，使得充电过程能够自动按照蓄电池的恒流、恒压、涓流的阶段进行充电。
本申请的无线充电系统及充电参数调节装置和方法不仅可以应用于电单车,还可应用于电动自行车、电动三轮车、电动摩托车。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本申请实施例一中的原理框图；
图2为本申请实施例一中的参数调节模块的电路图；
图3为本申请实施例一中DC-DC模块的电路图；
图4为本申请实施例一的发射端控制模块功率调节算法图；
图5为本申请中充电管理模块的电路图；
图6为本申请中接收端控制模块对充电管理模块的功率调节算法图；
图7为本申请中电池组的充电曲线图；
图8为发射端与接收端的谐振频率存在偏差时驱动频率与发射端谐振电流的关系曲线；
110.AC-DC模块I；120.DC-DC模块；130.高频逆变模块；150.发射端控制模块；140.发射端谐振耦合模块；210.接收端谐振耦合模块；220.AC-DC模块II；230.充电管理模块；240.接收端控制模块；170.参数调节模块；160.红外接收模块；250.红外发射模块；260.电池组。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请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相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
请参考图1为本申请第一种实施例一种无线充电系统的原理框图和图2本申请第一种实施例的电路图所示，包括发射电路和接收端，所述发射端包括将电网的工频交流电转换为直流的AC-DC模块I 110、将AC-DC模块I 110输出的直流电降压并转换为幅值可调电压的 DC-DC模块120、将DC-DC模块120的输出直流电压转换为方波电源的高频逆变模块130、与DC-DC模块120和高频逆变模块130信号连接的发射端控制模块150、连接在高频逆变模块130输出端的发射端谐振耦合模块140；所述接收端包括与发射端谐振耦合模块140相对耦合的接收端谐振耦合模块210、将接收端谐振耦合模块210的高频电能转换为直流电能的AC-DC模块II 220、将AC-DC模块II 220的输出电能进行控制以给电池组260充电的充电管理模块230、与充电管理模块230信号连接的接收端控制模块240，所述发射端还包括与发射端谐振耦合模块140串联作为高频逆变模块130负载的参数调节模块170，所述参数调节模块170包括多个继电器、串联连接的至少1 个电感器和多个电容器；
在本实施例中，如图2所示，参数调节模块170的电路中，电感器的数量为1个，其感值为Lt，在其他实施例中，电感器的数量也可以是2个或多个；电容器的数量为n个，所述电容器的容值满足如下关系：Ct1＝Ct2/2＝Ct3/22＝……＝Ctn/2n-1；
n为所有所述电容器的总数量，Ct1、Ct2、Ct3......Ctn分别为第1个电容器、第2个电容器、第3个电容器......第n个电容器的容值。
控制所述多个继电器的接通位置以控制每个所述电感器和/或每个所述电容器是否串联接入所述无线充电系统的发射端谐振耦合模块中，从而控制所述发射端谐振耦合模块的谐振频率。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述发射端控制模块被配置为：
控制所述多个继电器的接通位置来控制所述发射端谐振耦合模块的谐振频率在最低谐振频率和最高谐振频率之间变化；
所述最低谐振频率为：所有所述电感器串联进入所述发射端谐振耦合模块且所有所述电容器不接入所述发射端谐振耦合模块时,所述发射端谐振耦合模块的谐振频率；
所述最高谐振频率为：所有所述电容器串联进入所述发射端谐振耦合模块且所有所述电感器不接入所述发射端谐振耦合模块时,所述发射端谐振耦合模块的谐振频率；
所述最低谐振频率和最高谐振频率的平均值与所述发射端谐振耦合模块的初始频率相等；
所述初始频率为所有所述电感器和所述电容器都不接入发射端谐振耦合模块时，所述发射端谐振耦合模块的谐振频率。
假设第1个串入谐振电路后，发射端谐振耦合模块的谐振频率增加量为Δf，则第2个电容、第3个电容……第n个电容单独串入后，发射端谐振耦合模块的谐振频率增加量依次近似等于2(2-1)*Δf，……， 2(n-1)*Δf。所有电容器的组合则能够使发射端谐振耦合模块的谐振频率以Δf的步长增加，总增加范围为(2n-1)*Δf。给所述电感器选用合适的电感值，使得电感器串入发射端的电路中时，发射端谐振耦合模块的谐振频率下降量为(2n-1)*Δf。则最低谐振频率为初始频率
f初-(2n-1)*Δf，最高谐振频率为初始频率f初+(2n-1)*Δf；所有所述电感器和电容器的组合使得发射端的谐振频率，也即发射端谐振耦合模块的谐振频率能够以初始频率为中心，在-(2n-1)Δf到(2n-1)Δf 的变化范围内，以Δf的步长调节发射端谐振耦合模块的固有频率。
在本实施例中，所述接收端还包括与接收端控制模块信号连接的红外发射模块250；所述发射端包括与发射端控制模块信号连接的红外接收模块160；
本发明将固有频率调谐模块放置在发射端，这一方面是考虑到接收端可能存在供电不足的情况，电能较为宝贵，另一方面也是考虑到接收端的电单车、电动自行车、电动三轮车、电动摩托车的安装空间有限，放置在发射端更便于安装。
所述红外接收模块配置用于:与红外发射模块配合使用，接收充电管理模块的充电信息，所述充电信息包括充电电压和充电电流；还包括 BUCK电路的PWM占空比信息。
所述发射端控制模块配置用于:根据充电信息调节高频逆变模块的发射功率至与电池组的充电功率相匹配。
在本实施例中:
AC-DC模块I,本模块构建一个直流电压源，将来自电网的工频交流电转换为直流电能，为后续的发射端电路供电。本模块构建具有较大功率容量的直流电源，其输出电压为110V，输出电流可达30A，通过电源总线，可以同时为一个充电棚中的多台无线充电设备供电；考虑到一台无线充电系统的发射功率不超过300W，因此一台直流电源即可为10套无线充电系统提供充足的电能。
DC-DC模块，本模块使用BUCK电路(电路结构如附图3所示)，将AC-DC模块I产生的直流电进行降压处理，从而产生一个幅值可调的直流电压源，该幅值可调的直流电压源给发射端高频逆变模块供电，通过调节其输出的直流电压的幅值，能够调节高频逆变模块的输出功率。该可调直流电压源的输出电压的控制，是通过调节附图3中开关管S1的占空比实现的。采用增量型PI算法调节S1的占空比，能够保证高频逆变模块5输出功率的稳定。
发射端控制模块：使用Stm32系列芯片构建，该型发射端控制模块发射端控制模块功能强大:发射端控制模块发射端控制模块中定时器的输入捕获功能，能够对接收到的红外信号进行解调,从而获知接收端的充电信息，包括接收端的充电电压、充电电流、以及接收端 BUCK电路的PWM占空比,进而计算得到发射端的发射功率的调节目标值；发射端控制模块发射端控制模块中AD转换通道能够对DC-DC 模块的输出电压和输出电流进行AD采样；发射端控制模块发射端控制模块根据接收端的充电信息和发射端的发射功率目标值生成一个电压幅度调节信号(PWM信号)，调节DC-DC模块的输出电压，使得发射端的发射功率恰好满足接收端的功率需求而又不造成功率浪费；发射端的控制目标是通过调节DC-DC模块中开关器件S1的占空比，调节发射端的发射功率，使得1、发射功率不超过限定值300W；2、接收端AC-DC模块9的输出电压与接收端充电管理模块输出的充电电压具有接近的幅值(稍高于充电电压)，或者让接收端充电管理模块的开关管的控制信号具有接近但稍低于100％的占空比。
发射端的发射功率，也即无线充电系统中充电功率调节方法，包括以下步骤：
s1.获取DC-DC模块的输出电压以及发射端耦合谐振模块的谐振电流，计算实时发射功率P实，发射功率P实为DC-DC模块的输出电压以及发射端耦合谐振模块的谐振电流的乘积；
s2.通过红外接收模块获取AC-DC模块II的输出电压U输、充电管理模块的充电信息，所述充电信息包括充电电压U充、充电电流；在本实施例中，还包括充电管理模块电路中的BUCK电路中的占空比信息；
s3.结合发射功率限定值P限、输出电压U输和充电信息计算目标参考功率Ptrans；在本实施例中发射功率限定值P限为300W；Ptrans的计算公式为：
Ptrans＝K·P实·U充 2/U输 2
其中K为设定的响应速度调节参数,在本实施例中K为1,在其他实施例中K也可以设定为其他数值。
当U输大于U充时，Ptrans降低；当U输小于U充时，Ptrans增大。调节结果应使U输略大于U充。
s4.以目标参考功率Ptrans和实时发射功率P实为输入采用增量型PI 算法计算控制量信息S；如图4所示，
s5.以控制量信息S控制DC-DC模块的输出电压使得发射端的发射功率达到参考功率Ptrans。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述控制量信息S为DC-DC 模块中开关管的占空比信息。
在调节DC-DC模块2中开关器件的占空比时，使用20kHz的PWM信号进行控制，一旦给定目标参考功率Ptrans，使用附图4所示的增量型PI算法能够在数个ms内将发射端高频逆变模块的输出功率调节至目标功率Ptrans。然而，Ptrans的值，除要满足条件不超过300W 的要求外，还需要根据接收端的充电信息进行决定，使接收端的工作状态能够满足条件。接收端的充电信息需要通过红外通信才能传输至发射端，红外通信一次传输四个字节，完成一帧数据的传输约数十毫秒，因此，为满足条件，Ptrans需要每隔数十毫秒进行一次更新。在数十次迭代更新之后(数秒的时间)，Ptrans也能够达到稳定。
发射端控制模块发射端控制模块中定时器的PWM功能能够控制 DC-DC模块的输出电压；普通IO口能够控制数字信号合成器件(DDS) 合成所需频率所需占空比的方波信号，用来控制发射端高频逆变模块的方波电压源输出，也能够控制参数调节模块中继电器的开关和切换。
高频逆变模块：本模块根据发射端控制模块产生的频率信号，将 DC-DC模块输出的直流电压转换为所需频率和所需占空比的高频交流方波电源。逆变器采用传统的H桥全桥拓扑，驱动器采用IR2110 系列自举电路进行构建，MOSFET则应具有200V以上耐压、10A以上电流、较小的导通内阻(数十毫欧)及较快的开关速度。本发明采用的MOSFET为BSB056N10NN3，但本发明不限于某一特定类型 MOSFET。
发射端谐振耦合模块：本模块由线圈与高耐压、低内阻的电容器串联构成，组成一个LC串联谐振电路；本模块与参数调节模块串联连接，一同作为发射端高频逆变模块的输出负载；本模块中的线圈与接收端谐振耦合模块中的线圈构成一对耦合线圈，通过磁场传递电能。
接收端谐振耦合模块和发射端谐振耦合模块：这两个模块由线圈与高耐压、低内阻的电容器串联构成，组成一个LC串联谐振电路；发射端谐振耦合模块中的线圈与发射端谐振耦合模块中的线圈构成一对耦合线圈，通过磁场传递电能；接收端谐振耦合模块的输出作为接收端AC-DC模块II的输入，为接收端负载提供电能。接收端谐振耦合模块主要包括以下几个特征：a)接收线圈安装在电单车、电动自行车、电动三轮车或电动摩托车的底盘下方，发射线圈铺设在地面上，最大传输距离为15cm；b)受安装尺寸限制，接收线圈采用平面螺旋布局，使用30cm*10cm和20cm*10cm的两个线圈串联连接，以电单车为例，两个线圈分别布置在电单车底部钢梁的两侧；发射线圈也采用平面螺旋布局，尺寸为30cm*30cm方形结构；c)发射线圈与接收线圈均采用利兹线绕制，以降低线圈内阻，提升系统效率；d)在发射线圈的底部，与接收线圈的顶部铺设PC44材质的磁条，以提升磁场聚合度，增加发射线圈与接收线圈之间的互感；e)谐振电路的谐振频率在 100kHz-500kHz之间，根据实际需求来调节谐振电容的容值，从而改变发射端和接收端的谐振频率，从而能够兼顾传输效率与电磁辐射的要求。
AC-DC模块II：本模块将接收端谐振耦合模块接收到的高频电能通过整流和稳压滤波处理，转换为直流电能,在本实施例中,AC-DC模块II采用全桥整流与滤波电容构建，其中，本发明采用的整流器件为 MBRF20200CT型号的二极管，具有200V反向耐压和20A的连续正向电流，能够满足电单车在200W充电功率下的性能要求。但本发明并不限于这一种单一的器件类型。
接收端充电管理模块：本模块采用BUCK降压电路(如附图5所示)，并利用PI控制算法，通过控制BUCK电路开关的PWM占空比，对接收端AC-DC模块II输出的直流电能进行控制，使其能够按照蓄电池恒流、恒压、涓流的阶段进行充电。本模块的电路拓扑如附图5所示，采用BUCK电路，所述充电管理模块从输入端到输出端依次包括由继电器选择性连接的纯电阻电路和充电控制电路，所述充电控制电路中设有接收端BUCK电路；所述接收端控制模块输出PWM信号至接收端BUCK电路中开关管的门极。对接收端AC-DC模块II输出的直流电能进行控制，使其输出电压和输出电流不超出限定值。控制算法采用双回路增量型PI算法，算法框图如附图6所示。
接收端的控制目标是：控制充电电压和充电电流不超过限定值。举例说明，对于48V/20Ah的铅蓄电池，其充电曲线如附图7所示。在恒流阶段，蓄电池的等效负载较小，充电电流较大，此时接收端发射端控制模块发射端控制模块主要对电流环进行控制，保证充电电流不超过3A，随着电池电量的增加，充电电压将逐渐升高到59V；在恒压阶段，接收端发射端控制模块发射端控制模块主要对电压环进行控制，保证充电电压不超过59V，随着电池电量的增加，充电电流将逐渐减小；当充电电流降至550mA以下时，将进入浮充阶段，在浮充阶段，将充电电压控制在55V，以脉冲方式继续充电。
红外接收模块及红外发射模块：红外发射模块中的红外发射器使用红外LED灯构建，由接收控制模块中发射端控制模块发射端控制模块芯片输出的38.4k载波驱动，采用NEC编码协议进行编码与解码；红外接收器使用HS0038构建。采用红外技术，则可以进行一对一通信，能够有效避免无线充电器与待充电车辆无法匹配的情况。
接收端控制模块：使用Stm32系列芯片构建，该型发射端控制模块发射端控制模块功能强大，发射端控制模块发射端控制模块中定时器的PWM功能能够控制充电管理模块的输出电压，也能够合成38.4K 的载波，控制红外通信模块发射信号；接收端控制模块中的AD转换通道能够获知接收端AC-DC模块II的输出电压，以及接收端充电管理模块的输出电压和输出电流，然后根据PI控制算法，产生所需的PWM 波形，对充电电压及充电电流进行控制；通过与红外接收模块连接，将接收端的充电信息反馈给发射端，便于发射端进行功率调节；特别地，发射端功率调节的目标是，让接收端AC-DC模块II的输出电压与接收端充电管理模块输出的充电电压具有接近的幅值(稍高于充电电压)，或者让接收端充电管理模块10的开关管的控制信号具有接近但稍低于100％的占空比。
使用本申请的上述系统的工作流程包括三个阶段：参数匹配阶段、充电阶段、充电结束判别。
三个阶段的工作方式如下：
首先，电单车、电动自行车、电动三轮车或电动摩托车使用人员将车辆停放至指定区域，车辆底盘与充电区域对齐；停放稳定且人员下车之后，使用人员触发发射端的启动按钮，触发发射端进入工作状态；发射端进入工作状态后，首先进行参数匹配；在进行参数匹配时，接收端装置尚处于休眠省电状态，附图5中继电器开关S2默认状态连接在A档，接收端AC-DC模块II的输出连接的负载是具有恒定阻值的 15Ω/20W的电阻RL1；
按照如下步骤对谐振参数进行匹配：
控制继电器的接通位置使所有电感器和电容器均不接入发射端的电路中，使得发射端谐振耦合模块的谐振频率为初始频率f初，第一次扫频，记录发射端谐振耦合模块的谐振电流峰值为第一峰值为I1peak-1A；
控制各个继电器的接通位置，使得发射端谐振耦合模块的谐振频率在初始频率的基础上增加1个设定频率步长Δf，即为f初+Δf；在本实施例中，Δf为500Hz,第二次扫频，记录发射端谐振耦合模块的谐振电流峰值为第二峰值I1peak-1B；
计算谐振电流差值ΔI1peak-1＝I1peak-1A-I1peak-1B；
由附图8可见，发射端和接收端的谐振频率偏差Δfnat越大时，发射端的谐振电流——频率曲线的峰值越大。因此，发射端的电流——频率曲线的峰值与双边谐振频率的偏差是一对一关系。通过扫频获得第一峰值I1peak-1A的信息后，即可通过查表的方式得知双边固有频率的偏差范围。通过两次扫频获得第一峰值ΔI1peak-1信息后，即可判断是发射端谐振频率是需要增加还是需要减小或者保持不变。
第一峰值I1peak-1A与谐振频率偏差的数据表例如可以如下表1所示,
例如假设Ct1单独串联接入发射端的电路时，发射端谐振耦合模块的谐振频率增加量Δf等于500HZ；
当第一峰值I1peak-1A为5.3A的时候,且ΔI1peak-1为正的时候,控制参数调节模块的1个电感不串联接入发射端的电路，同时控制电容值为Ct3电容串联接入发射端的电路；使得将发射端耦合模块的谐振频率增加 2kHZ；假设Ct1单独串联接入发射端的电路时，发射端谐振耦合模块的谐振频率增加量Δf等于500HZ。
当第一峰值I1peak-1A为5.3A的时候,且ΔI1peak-1为负的时候,控制参数调节模块的1个电感串联接入发射端的电路，同时控制电容值为Ct3的电容不串联进入电路，其余所有电容器都串联进入电路，使得将发射端耦合模块的谐振频率减小2kHZ；假设Ct1单独串联接入发射端的电路时，发射端谐振耦合模块的谐振频率增加量Δf等于500HZ。
ΔI<sub>1peak-1</sub> I<sub>1peak-1A</sub> Δf<sub>nat</sub>(kHZ)
+ 5.3 2
+ 4.8 1
0 4.5 0
- 4.8 1
- 5.3 2
表1
通过两次扫频后，发射端能够按照前述匹配算法调节发射端参数，使得发射端与接收端具有一致或接近的谐振频率；为减小扫频时的功率损耗，并保障系统在可能的参数失谐状态下的安全，扫频阶段发射端采用一个较小的直流电压进行扫频。
在进行发射端扫频时，接收端AC-DC模块II将具有一定的输出电压；该输出电压经分压处理后，作为外部中断唤醒接收端装置。接收端装置进入工作状态后，将延时一段时间(十秒)，等待发射端扫频结束后，将继电器开关S2切换至B档，同时通过红外通信模块向发射端发送自身的充电信息，包括接收端AC-DC模块II的输出电压，接收端充电管理模块的充电电压、充电电流、占空比等信息；发射端只有在接收到红外通信信息时，才会进入充电阶段；在充电阶段，接收端发射端控制模块发射端控制模块采用附图6所示的控制算法控制充电电流及充电电压不超过限定值，发射端控制模块则采用附图4所示的控制算法控制发射功率不超过限定值，并调节发射功率，使得接收端 AC-DC模块II的输出电压稍高于接收端充电管理模块的充电电压；当接收端的充电电流小于550mA时，系统进入涓流模式，以脉冲的方式继续充电一段时间，然后停止充电；当接收端在数秒内一直无法检测到充电电流，或充电电流一直小于一定值时，接收端将关闭红外通信、复位继电器状态、然后进入休眠省电模式，等待下一次唤醒。
在充电阶段，发射端只有在持续接收到红外信号时才会保持充电状态。且，发射端在遇到以下几种情况时，均停止充电工作：1、当因为人员移动车辆等原因，导致车辆发生偏移，无法进行红外通信时，发射端将停止工作，保障安全，并节省能量；2、充电过程已结束，接收端因充电电流过小已停止红外通信时，发射端将停止工作；3、因为车辆停放位置有较大偏差，系统传输效率较低，接收端充电电流较小，导致接收端停止红外通信时，发射端将停止工作；4、发射端谐振电流过大，表明接收端因各种原因无法有效映射自身阻抗时，发射端将停止工作。通过对这些情况的判别，发射端能够在充电结束或意外情况发生时，迅速做出响应，停止充电状态，从而保证人员及设备安全，并节省电能。若需重新启动充电状态，则需要使用人员在排除意外状态，或消耗电池电能之后，再重新触发发射端的按钮，重新从参数匹配阶段进行启动。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于) 具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (9)

1.一种用于无线充电系统的参数调节装置，其特征在于，所述参数调节装置包括：发射端控制模块、多个继电器、串联连接的至少1个电感器和多个电容器；
所述发射端控制模块被配置为：
控制所述多个继电器的接通位置以控制每个所述电感器和/或每个所述电容器是否串联接入所述无线充电系统的发射端谐振耦合模块中，从而控制所述发射端谐振耦合模块的谐振频率，使其与接收端的谐振频率相匹配。
2.根据权利要求1所述的用于无线充电系统的参数调节装置，其特征在于，所述发射端控制模块被配置为：
控制所述多个继电器的接通位置来控制所述发射端谐振耦合模块的谐振频率在最低谐振频率和最高谐振频率之间变化；
所述最低谐振频率为：所有所述电感器串联进入所述发射端谐振耦合模块且所有所述电容器不接入所述发射端谐振耦合模块时,所述发射端谐振耦合模块的谐振频率；
所述最高谐振频率为：所有所述电容器串联进入所述发射端谐振耦合模块且所有所述电感器不接入所述发射端谐振耦合模块时,所述发射端谐振耦合模块的谐振频率；
所述最低谐振频率和最高谐振频率的平均值与所述发射端谐振耦合模块的初始频率相等；
所述初始频率为所有所述电感器和所述电容器都不接入发射端谐振耦合模块时，所述发射端谐振耦合模块的谐振频率。
3.根据权利要求2所述的用于无线充电系统的参数调节装置，其特征在于，
所述电容器的容值满足如下关系：Ct1＝Ct2/2＝Ct3/22＝……＝Ctn/2n-1；
n为所有所述电容器的总数量，Ct1、Ct2、Ct3......Ctn分别为第1个电容器、第2个电容器、第3个电容器......第n个电容器的容值。
4.一种无线充电系统，其特征在于，包括发射端和接收端；所述发射端包括将电网的工频交流电转换为直流电的AC-DC模块I、将AC-DC模块I输出的直流电降压并转换成幅值可调电压的DC-DC模块、将DC-DC模块的输出直流电压转换为方波电源的高频逆变模块和权利要求1至3任意一项所述的发射端控制模块和发射端谐振耦合模块；所述发射端谐振耦合模块连接在所述高频逆变模块的输出端；所述发射端控制模块与DC-DC模块和高频逆变模块信号连接；所述接收端包括与发射端谐振耦合模块相对耦合的接收端谐振耦合模块、将接收端谐振耦合模块的高频电能转换为直流电能的AC-DC模块II、将AC-DC模块II的输出电能进行控制以给电池组充电的充电管理模块、与充电管理模块信号连接的接收端控制模块；所述发射端还包括与所述发射端谐振耦合模块串联连接作为所述高频逆变模块的输出负载的参数调节模块，所述参数调节模块包括权利要求1至3任意一项所述的电容器、电感器和继电器。
5.根据权利要求4所述的无线充电系统，其特征在于，
所述接收端还包括与接收端控制模块信号连接的红外发射模块；
所述发射端包括与发射端控制模块信号连接的红外接收模块；
所述红外接收模块配置用于:与红外发射模块配合使用，接收充电管理模块的充电信息，所述充电信息包括充电电压和充电电流，以及充电管理模块中的PWM占空比信息；
所述发射端控制模块配置用于:根据充电信息调节高频逆变模块的发射功率至与电池组的充电功率相匹配。
6.根据权利要求4或5所述的无线充电系统，其特征在于，所述DC-DC模块包括发射端BUCK电路；所述发射端控制模块发送PWM信号至所述发射端BUCK电路中开关管的门极。
7.根据权利要求4或5所述的无线充电系统，其特征在于，所述发射端控制模块包括用于采集DC-DC模块的输出电压和输出电流的AD采样单元。
8.根据权利要求4或5所述的无线充电系统，其特征在于，所述接收端谐振耦合模块安装在电单车、电动自行车、电动三轮车或电动摩托车的底盘下方；所述发射端谐振耦合模块铺设在充电站地面；所述接收端谐振耦合模块的上方和发射端谐振耦合模块的下方铺设有磁条。
9.一种应用权利要求4-8任意一项所述的无线充电系统的电单车、电动自行车、电动三轮车、电动摩托车。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109067016A (zh) * 2018-10-31 2018-12-21 中天华信(天津)智能科技发展有限公司 一种无线充电系统及充电参数调节装置和方法
CN115468315A (zh) * 2022-09-08 2022-12-13 国机传感科技有限公司 一种变频电磁锅炉工作频率调控系统及方法

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