CN209267280U - 一种电能发射端及无线充电装置 - Google Patents

Abstract

本申请属于无线充电技术领域，特别是涉及一种电能发射端及无线充电装置。现有的虽然在线圈和移动发射端位置等方面有一些改进，但都需要设计复杂的软硬件和通信系统来实现发射端的控制。申请提供了一种电能发射端，包括依次连接的微处理单元、功率放大单元和亥姆霍兹线圈单元，所述微处理单元与检测电路单元相连接；所述检测电路单元包括第一检测电路和第二检测电路，所述亥姆霍兹线圈单元包括第一发射谐振线圈和第二发射谐振线圈，所述第一发射谐振线圈与所述第一检测电路相连接，所述第一检测电路与所述微处理单元相连接，所述第二发射谐振线圈与所述第二检测电路相连接，所述第二检测电路与所述微处理单元相连接。结构简单，操作方便。

Description

一种电能发射端及无线充电装置

技术领域

本申请属于无线充电技术领域，特别是涉及一种电能发射端及无线充电装置。

背景技术

目前无线充电技术包括电磁感应式、电场耦合式、无线电波式、磁共振式四种类型。第一类电磁感应式无线充电系统可以看作是分离式变压器，交变电压输入发射端线圈，产生一个交变磁场，在接收端线圈中感应出电流，从而实现能量的传输。电磁感应技术是当前最成熟、最普遍的无线充电技术，其传输效率最高可达80％左右，但传输距离短，通常小于1cm。此外，设备灵活度低，接收线圈要摆放在发射线圈的正上方。第二类电场耦合式无线充电系统利用垂直方向耦合的两组非对称偶极子而产生的感应电场来将发射端的电能转移到接收端。其优点是传输效率最高可达70％左右，但传输距离短，通常只在毫米范围工作。第三类无线电波式无线充电系统利用电磁波作为能量的传递信号，通过发射天线和接收天线来实现能量传递。其优点是能量传输距离远，最远可到数米。但能量传输效率低，最高只达30％左右，而且对人体有辐射伤害。第四类磁耦合共振式无线充电系统利用共振时能量会实现高效传输这一原理，发射端与接收端的谐振电路频率相同达到共振状态，实现能量从发射端传递到接收端。其优点是能量传输效率最高可达60％左右，能量传输距离可达数十厘米，使用灵活度。接收端可任意角度放置，即使中间有障碍物也可实现隔空充电。

磁耦合共振无线充电技术在无人机上的应用必须考虑到无人机着陆精度差这一问题，为了保证高效的能量传输，无线充电系统要对发射线圈和接收线圈的错位具有高容差。虽然在线圈和移动发射端位置等方面有一些改进，但都需要设计复杂的软硬件和通信系统来实现发射端的控制。

实用新型内容

1.要解决的技术问题

基于磁耦合共振无线充电技术在无人机上的应用必须考虑到无人机着陆精度差这一问题，为了保证高效的能量传输，无线充电系统要对发射线圈和接收线圈的错位具有高容差。虽然在线圈和移动发射端位置等方面有一些改进，但都需要设计复杂的软硬件和通信系统来实现发射端的控制的问题，本申请提供了一种电能发射端及无线充电装置。

2.技术方案

为了达到上述的目的，本申请提供了一种电能发射端，包括依次连接的微处理单元、功率放大单元和亥姆霍兹线圈单元，所述微处理单元与检测电路单元相连接；

所述检测电路单元包括第一检测电路和第二检测电路，所述亥姆霍兹线圈单元包括第一发射谐振线圈和第二发射谐振线圈，所述第一发射谐振线圈与所述第一检测电路相连接，所述第一检测电路与所述微处理单元相连接，所述第二发射谐振线圈与所述第二检测电路相连接，所述第二检测电路与所述微处理单元相连接。

可选地，所述第一发射谐振线圈为LC谐振线圈，所述第二发射谐振线圈为LC谐振线圈。

可选地，所述LC谐振线圈采用利兹线绕制而成。

本申请提供一种无线充电装置，包括所述的电能发射端；

还包括电能接收端，所述电能接收端包括依次连接的接收谐振线圈、整流滤波单元、稳压单元和第二微处理单元，所述稳压单元与第三检测电路相连接，所述第二微处理单元与所述第三检测电路相连接，所述稳压单元与待充电电池相连接；

所述接收谐振线圈设置于所述第一发射谐振线圈与所述第二发射谐振线圈之间。

可选地，所述第一发射谐振线圈与所述第二发射谐振线圈水平放置，所述第一发射谐振线圈设置于第一充电板上，所述第二发射谐振线圈设置于第二充电板上。

可选地，所述第一发射谐振线圈的半径与所述第二发射谐振线圈的半径相等，所述半径与所述第一发射谐振线圈和所述第二发射谐振线圈之间间距相等。

可选地，所述接收谐振线圈为LC谐振线圈。

可选地，还包括无线通信端，所述无线通信端包括蓝牙单元，所述蓝牙单元用于获取电能接收端运行情况的信息，调整电能发射端传送的能量信号。

可选地，所述第一发射谐振线圈与所述第二发射谐振线圈之间磁场的均匀性δ由以下公式表示：

其中，B_max为磁场的最大值，B_min为磁场的最小值，B_avg为磁场的平均值。

可选地，所述电能接收端设置于无人机上。

3.有益效果

与现有技术相比，本申请提供的一种电能发射端及无线充电装置的有益效果在于：

本申请提供的电能发射端通过设置第一发射谐振线圈和第二发射谐振线圈，能够在充电区域内产生均匀的磁场。提高电能接收端的接收谐振线圈位置灵活性。使得到无线充电装置的电能发射端充电时，不需要对发射谐振线圈进行位置移动或阵列调整就能完成高效稳定的充电。此无线充电装置保证了负载的充电效率不随着陆位置的不同而显著变化，在充电过程中无需人工干预，从而实现完全自主充电操作。本申请涉及的无线充电装置结构简单，操作方便。

附图说明

图1是本申请的电能发射端结构示意图；

图2是本申请的无线充电装置原理示意图；

图3是本申请的无线充电装置结构示意图；

图4是本申请的无线充电装置中线圈位置示意图；

图5是本申请的单个发射谐振线圈磁场分布示意图；

图6是本申请的两个发射谐振线圈磁场分布示意图；

图7是本申请的无人机无线充电装置结构示意图；

图中：1-微处理单元、2-功率放大单元、3-第一检测电路、4-第二检测电路、5-第一发射谐振线圈、6-第二发射谐振线圈、7-接收谐振线圈、8-整流滤波单元、9-稳压单元、10-第二微处理单元、11-第三检测电路、12-待充电电池、13-第一充电板、14-第二充电板。

具体实施方式

在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。

国际无线充电标准联盟AirFuel成立后，标准的统一加速了磁耦合共振无线充电技术的广泛普及。由于充电效率及充电距离的要求，无人机主要应用此技术进行无线充电，磁耦合共振无线充电技术在无人机中的应用已成为当前无线充电领域的一个研究热点。

基于磁耦合共振原理的多发射线圈充电板对无人机进行充电。地面充电基站中的主电路由线圈阵列组成，以减轻由于不完美着陆导致的接收与发射线圈之间可能的未对准所产生的耦合系数的负面影响。建立了一个自动电池充电站，无人机可以自动降落，为电池充电，然后继续飞行任务。

基于耦合磁共振原理的高功率和高效率无线功率传输系统，以自动为小型无人机的电池充电。无人机配备有接收圆形线圈，其具有用于控制电池充电过程的电子系统，而发射圆形线圈被放置在地面基站上并连接到电力馈送系统。为了改善发射和接收线圈之间始终可能存在的不对准的容差，初级线圈放置在电动定位系统上，实现了完美的对准。此专利解决了无人机着陆系统的低精度导致的充电效率大幅降低的问题，但是装置结构复杂,不易实现，达到的稳定度不高。

谐振电路(英语：Resonant circuit)，泛指在交流RLC电路中，电压或电流为最大值时，称之为谐振。即电感与电容各自的电抗互相抵消，电源所提供的功率都落在电阻上。谐振电路常应用在无线电与无线通信。

LC谐振，在含有电容和电感的电路中，如果电容和电感并联，可能出现在某个很小的时间段内:电容的电压逐渐升高，而电流却逐渐减少；与此同时电感的电流却逐渐增加，电感的电压却逐渐降低。

亥姆霍兹线圈，是指如果有一对相同的载流圆线圈彼此平行且共轴，通以同方向电流，当线圈间距等于线圈半径时，两个载流线圈的总磁场在轴的中点附近的较大范围内是均匀的。

参见图1～7，本申请提供一种电能发射端，包括依次连接的微处理单元1、功率放大单元2和亥姆霍兹线圈单元，所述微处理单元1与检测电路单元相连接；

所述检测电路单元包括第一检测电路3和第二检测电路4，所述亥姆霍兹线圈单元包括第一发射谐振线圈5和第二发射谐振线圈6，所述第一发射谐振线圈5与所述第一检测电路3相连接，所述第一检测电路3与所述微处理单元1相连接，所述第二发射谐振线圈6与所述第二检测电路4相连接，所述第二检测电路4与所述微处理单元1相连接。

这里的第一发射谐振线圈5和第二发射谐振线圈6结构相同，第一和第二只是为了进行区分，将第一发射谐振线圈5和第二发射谐振线圈6简称为发射线圈，发射线圈作为传递能量最重要的部件之一，其特性直接影响到整个无线充电装置的性能。对发射线圈的结构进行优化设计，使得发射线圈产生的磁场尽可能均匀分布，使系统的能量传输效率不随电能发射端和电能接收端相对位置的不同而变化。

可选地，所述第一发射谐振线圈5为LC谐振线圈，所述第二发射谐振线圈6为LC谐振线圈。

可选地，所述LC谐振线圈采用利兹线绕制而成。

本申请还提供一种无线充电装置，其特征在于：包括所述的电能发射端；

还包括电能接收端，所述电能接收端包括依次连接的接收谐振线圈7、整流滤波单元8、稳压单元9和第二微处理单元10，所述稳压单元9与第三检测电路11相连接，所述第二微处理单元10与所述第三检测电路11相连接，所述稳压单元9与待充电电池12相连接；

所述接收谐振线圈7设置于所述第一发射谐振线圈5与所述第二发射谐振线圈6之间。

本申请中的第一检测电路3、第二检测电路4和第三检测电路11结构均相同，数字只是为了进行清楚区分，同理微处理单元1和第二微处理单元10的结构也相同。

可选地，所述第一发射谐振线圈5与所述第二发射谐振线圈6水平放置，所述第一发射谐振线圈5设置于第一充电板13上，所述第二发射谐振线圈6设置于第二充电板14上。

可选地，所述第一发射谐振线圈5的半径与所述第二发射谐振线圈6的半径相等，所述半径与所述第一发射谐振线圈5和所述第二发射谐振线圈6之间间距相等。

可选地，所述接收谐振线圈7为LC谐振线圈。

可选地，还包括无线通信端，所述无线通信端包括蓝牙单元，所述蓝牙单元用于获取电能接收端运行情况的信息，调整电能发射端传送的能量信号。

可选地，所述第一发射谐振线圈5与所述第二发射谐振线圈6之间磁场的均匀性δ由以下公式表示：

其中，B_max为磁场的最大值，B_min为磁场的最小值，B_avg为磁场的平均值。

单发射线圈和双发射线圈的磁场分布情况如图5和图6所示。采用双发射线圈结构的无线充电系统的磁场均匀性有很大幅度的提升，使得处于均匀磁场中的接收谐振线圈7无需与发射谐振线圈中心对准也能进行高效稳定的充电。

可选地，所述电能接收端设置于无人机上。

图4是无线充电装置中的双发射线圈和单接收线圈。电能发射端包含两个相同的圆形线圈，两个线圈水平放置构成一个亥姆霍兹线圈单元。每一个圆形发射线圈由利兹线绕制而成，发射线圈半径为r，两个发射线圈之间的间距为2d。放置在两个发射线圈之间任意位置的圆形接收谐振线圈7同样由利兹线绕制而成，接收谐振线圈7半径与具体的无人机的宽度大致相等。两个发射线圈中通入同向相等的交变电流I，当发射线圈间距和发射线圈半径之间满足关系d＝r时，两个发射线圈产生的交变磁场叠加形成一个较为均匀的磁场。

电能发射端：磁耦合共振传输模式中的发射线圈和电容构成的初级谐振器的频率为6.78MHz，接入电源后功率放大器输出一个6.78MHz的正弦信号，分别通入两个发射线圈。因为发射端LC谐振线圈和接收端LC谐振线圈具有相同的谐振频率，会在交变的磁场中达到共振状态。电能发射端增加了相应的检测电路，用来检测发射线圈电流然后传送给微处理单元1，判断电能发射端是否正常工作。

电能接收端：安装在无人机上的电能接收端LC谐振线圈会将感应到的磁场转换成交流信号经整流滤波单元8和电压变换后输出稳定的直流电压，为无人机的电池充电。第三检测电路11检测稳压单元9输出的电压值并将该信号传送给第二微处理单元10，便于及时了解当前能量传输功率的大小并及时发送误差信息给电能发射端。

无线通信端：建立基于蓝牙技术的无线通信端来不断获取无人机上的电能接收端运行情况的信息，以便及时调整电能发射端传送的能量信号。蓝牙的通信过程分为四个阶段：1)感知阶段：电能发射端蓝牙感知是否有需要供电的无人机靠近；2)识别配置阶段：当有无人机靠近时，电能发射端根据接收到的数据包，识别接收端的身份，建立满足接收端无人机供电要求的发射端电能传输条件；3)功率传输阶段：电能发射端根据要求进行功率传输，并且实时把电能接收端的输出电压、能量传输功率等参数反馈回电能发射端，实现无线充电装置的实时控制。

以无人机无线充电示例

图7为一个无人机无线充电装置的示意图。该装置包含两个水平放置的发射线圈，发射线圈的半径设置为无人机宽度的3倍，以保证以现有无人机的着陆精度，能够大概率地降落到充电板上。两个发射线圈分别嵌入到两块充电板上，间距等于发射线圈本身的半径。无人机降落到充电板上的任意一个位置后，开启电能发射端的馈电信号，两个同向相同的电流I通入到发射线圈中。电能接收端的充电状态，如充电效率、充电完成、充电异常等信息通过蓝牙反馈回电能发射端，以保证充电装置的正常允许以及充电完成后电能发射端的及时关闭。

结合无人机的具体供电需求，对电能发射端和电能接收端进行设置，确保能量传输的高效化和稳定化。

近年来无人机在军事和商业领域得到了大规模应用，但其电池续航时间短成为制约无人机进一步发展的瓶颈问题。作为目前无线能量传输领域的主流技术之一，磁耦合共振无线充电技术具有能量传输效率高和传输距离长等优点，是解决无人机供电难题的有效途径。本申请针对现有的无人机无线充电系统中存在的能量传输稳定性高、接收端位置灵活性低等问题，基于磁耦合共振无线能量传输原理，设计一种新型的无线充电装置，以达到提升系统充电性能，满足实际应用场景的目的。

双发射线圈组成的电能发射端也就是充电板，针对无法精确控制无人机的着陆位置的而导致的充电效率差别大，充电稳定性低的问题，本申请提出的基于磁耦合共振式无线充电装置，能够在充电区域内产生均匀的磁场。待充电的无人机降落到充电板上开始充电后，安装在无人机上的电能接收端始终处于较为均匀的磁场之中。无论无人机着陆在充电板的何处，充电效率都不会因发射线圈与接收谐振线圈7之间相对位置的不同而有明显的变化，从而实现了高效稳定的能量传输。

本申请提供的电能发射端通过设置第一发射谐振线圈和第二发射谐振线圈，能够在充电区域内产生均匀的磁场。提高电能接收端的接收谐振线圈位置灵活性。使得到无线充电装置的电能发射端充电时，不需要对发射谐振线圈进行位置移动或阵列调整就能完成高效稳定的充电。此无线充电装置保证了负载的充电效率不随着陆位置的不同而显著变化，在充电过程中无需人工干预，从而实现完全自主充电操作。本申请涉及的无线充电装置结构简单，操作方便。

本申请不但可以用于单负载无人机的无线充电中，还能被扩展应用到多负载的无人机无线充电中，还可扩展到电动汽车，工业移动机器人等的无线充电应用中。

尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (10)

1.一种电能发射端，其特征在于：包括依次连接的微处理单元(1)、功率放大单元(2)和亥姆霍兹线圈单元，所述微处理单元(1)与检测电路单元相连接；

所述检测电路单元包括第一检测电路(3)和第二检测电路(4)，所述亥姆霍兹线圈单元包括第一发射谐振线圈(5)和第二发射谐振线圈(6)，所述第一发射谐振线圈(5)与所述第一检测电路(3)相连接，所述第一检测电路(3)与所述微处理单元(1)相连接，所述第二发射谐振线圈(6)与所述第二检测电路(4)相连接，所述第二检测电路(4)与所述微处理单元(1)相连接。

2.如权利要求1所述的电能发射端，其特征在于：所述第一发射谐振线圈(5)为LC谐振线圈，所述第二发射谐振线圈(6)为LC谐振线圈。

3.如权利要求2所述的电能发射端，其特征在于：所述LC谐振线圈采用利兹线绕制而成。

4.一种无线充电装置，其特征在于：包括权利要求1～3中任一项所述的电能发射端；

还包括电能接收端，所述电能接收端包括依次连接的接收谐振线圈(7)、整流滤波单元(8)、稳压单元(9)和第二微处理单元(10)，所述稳压单元(9)与第三检测电路(11)相连接，所述第二微处理单元(10)与所述第三检测电路(11)相连接，所述稳压单元(9)与待充电电池(12)相连接；

所述接收谐振线圈(7)设置于所述第一发射谐振线圈(5)与所述第二发射谐振线圈(6)之间。

5.如权利要求4所述的无线充电装置，其特征在于：所述第一发射谐振线圈(5)与所述第二发射谐振线圈(6)水平放置，所述第一发射谐振线圈(5)设置于第一充电板(13)上，所述第二发射谐振线圈(6)设置于第二充电板(14)上。

6.如权利要求5所述的无线充电装置，其特征在于：所述第一发射谐振线圈(5)的半径与所述第二发射谐振线圈(6)的半径相等，所述半径与所述第一发射谐振线圈(5)和所述第二发射谐振线圈(6)之间间距相等。

7.如权利要求6所述的无线充电装置，其特征在于：所述接收谐振线圈(7)为LC谐振线圈。

8.如权利要求7所述的无线充电装置，其特征在于：还包括无线通信端，所述无线通信端包括蓝牙单元，所述蓝牙单元用于获取电能接收端运行情况的信息，调整电能发射端传送的能量信号。

9.如权利要求4所述的无线充电装置，其特征在于：所述第一发射谐振线圈(5)与所述第二发射谐振线圈(6)之间磁场的均匀性δ由以下公式表示：

其中，B_max为磁场的最大值，B_min为磁场的最小值，B_avg为磁场的平均值。

10.如权利要求8所述的无线充电装置，其特征在于：所述电能接收端设置于无人机上。