CN212627329U - 一种无线充电系统的发射端、接收端及无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种无线充电系统的发射端、接收端及系统，所述发射端无线连接所述充电系统的一接收端，包括：一整流滤波电路，电性连接电网系统；一逆变电路，电性连接所述整流滤波电路；一发射线圈，电性连接所述逆变电路，并电磁耦接所述接收端的接收线圈；一充电控制电路，电性连接所述整流滤波电路、逆变电路；一无线通信接收模块，电性连接所述充电控制电路发射端MCU，并无线连接所述接收端。本申请采用上述方案提高了充电效率的同时大幅度降低了系统的体积和成本。

Description

一种无线充电系统的发射端、接收端及无线充电系统

技术领域

本发明属于无线充电领域，尤其涉及一种无线充电系统的发射端、接收端及无线充电系统。

背景技术

目前，随着技术的不断成熟，移动机器人已经广泛地应用在各行各业中，用以代替原来人所有进行的工作。但是，当移动机器人设备的充电问题，一直是一个影响其效能的关键制约。以制造业广泛使用的AGV等移动机器人为例，如果采用传统的插电式充电方式，需要需要有人定期维护，降低了机器人系统的自动化程度。

对于移动机器人的自主充电，传统的方式采用电极接触的方式，这种方式存在电火花、漏电、电极氧化等等诸多的缺点。为此，采用无线充电技术实现机器人的在线自主充电是一个理想的选择。无线充电技术具有非接触、不用插拔、没有电火花、安全便利等优点。

无线电能传输系统是接收端和发射端分离式结构，为实现负载侧的恒压输出或恒流输出闭环控制，接收端采样的充电电压信号或充电电流信号，通过无线通信模块，传给发射端的MCU，发射端的MCU通过调整驱动信号来控制整个充电过程。目前的机器人无线充电系统一般需要在接收侧增加一级DC/DC电路，才能实现对电池的充电管理。但是，这种方法降低了整个系统的效率，增大了接收侧设备的体积。另外，目前的无线电能传输系统一般采用频率调节输出增益的方式，这种方式的优点是调节范围比较宽，控制方法简单，可以获得较快的动态响应速度，但是其缺点是越靠近谐振点的区域，调节的增益变化比较陡，很小的频率变化，就会造成较大的输出电流的波动。若采用单一占空比控制，也存在调节范围比较窄，输出响应速度也比较慢的问题。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提出一种新型无线充电系统的发射端、接收端及无线充电系统，解决了阻抗匹配影响系统效率的问题，提高了无线充电系统的高效，同时也大幅度降低了系统的体积和成本。

为达到上述目的,第一方面，本申请公开了一种无线充电系统的发射端，无线连接所述充电系统的一接收端，所述发射端包括：一整流滤波电路，电性连接电网系统；一逆变电路，电性连接所述整流滤波电路；一发射线圈，电性连接所述逆变电路，并电磁耦接所述接收端的接收线圈；一充电控制电路，电性连接所述整流滤波电路、逆变电路；一无线通信接收模块，电性连接所述充电控制电路，并无线连接所述接收端；发射端将电网接入的交流电经所述整流滤波并经逆变电路产生一高频交流电激励发射线圈产生交变电磁场。

进一步地，所述充电控制电路包括：一驱动电路，电性连接所述逆变电路；及一发射端MCU，电性连接所述驱动电路。

进一步地，所述发射端还包括一发射端辅助供电模块，电性连接所述驱动电路、发射端MCU及无线通信接收模块。

第二方面，本申请提供了一种无线充电系统的接收端，无线连接如上所述的无线充电系统的发射端，所述接收端包括：一接收线圈，电磁耦接所述发射端的发射线圈；一高频变压器，电性连接所述接收线圈；一整流电路，电性连接所述高频变压器；一滤波电路，电性连接整流电路；一采样电路，电性连接所述滤波电路；一接收端MCU，电性连接所述采样电路；一无线通信发射模块，电性连接所述接收端MCU并无线连接所述发射端；其中，所述滤波电路和采样电路还连接一负载，所述接收线圈通过磁场耦合谐振作用从所述发射线圈产生的交变电磁场中拾取能量，并经整流、滤波等转换成直流电供给负载；所述采样电路采样所述滤波电路输出的电气信号，所述接收端MCU接收所述采样信号后通过所述无线通信发射模块输出至所述发射端。

进一步地，所述滤波电路采用由电容C1、电感L2、电容C2组成的π型滤波电路，其中，所述电容C1和电容C2的一端并联连接在所述电感L2的两端，所述电容C1和电容C2另一端接地。

进一步地，所述高频变压器采用带中心抽头绕组或不带中心抽头绕组。

进一步地，所述整流电路采用由二极管D1、二极管D2组成的全波整流电路，所述二极管D1、二极管D2的正极分别连接高频变压器次级侧的两端，负极连接后接入所述滤波电路。

进一步地，所述整流电路采用由二极管D1、二极管D2、二极管D3及二极管D4组成的全桥整流电路，所述二极管D4与二极管D1、二极管D2与二极管D3两两串接后并接形成“桥式”结构。

第三方面，本申请提供了一种无线充电系统，包括如上所述的发射端和接收端。

进一步地，所述整流滤波电路也可以包括功率因数校正电路(PFC电路)，所述功率因数校正电路主要是为满足各国电网对用电设备的功率因数的要求，或为满足各国电网不同的工频交流母线电压而设计的功能电路。

进一步地，所述发射线圈和接收线圈也可以包括与发射线圈或接收线圈及与其相连接的补偿网络。补偿网络一般由一个或多个电容或电感组成的LC网络，用于调节系统的谐振频率。常用的补偿网络包括：SS、SP、LCC-S、LCC-LCC等。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：

本申请的无线充电系统采用分离结构，发射端与接收端无线通信连接并通过磁场耦合传递电能，实现非接触式充电，安全又便利；

本申请的无线充电系统的接收端设置采样电路并由接收端MCU反馈采样信号至发射端MCU，可直接由发射端MCU实现对待充电负载的恒流或恒压控制，保证无线充电过程的稳定性，且无需在接收端设置DC/DC电路，简化电路结构，减小接收端及待充电负载体积，大大节约成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的接收端原理示意图；

图3为本实用新型另一实施例的接收端原理示意图。

其中：

1、发射端；11、整流滤波电路；12、逆变电路；13、发射线圈；14、充电控制电路；141、驱动电路；142、发射端MCU；15、发射端辅助供电模块；16、无线通信接收模块；2、接收端；21、接收线圈；22、高频变压器；23、整流电路；24、滤波电路；25、接收端MCU；26、采样电路；27、无线通信发射模块；28、接收端辅助供电模块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。

图1为本发明无线充电系统实施例的结构示意框图；采用SS拓扑为例，即系统发射端和接收端都采用串联补偿，参考图1，本实施例系统进一步包括：包括无线连接的发射端1和接收端2，其中，发射端1包括整流滤波电路11、逆变电路12、发射线圈13，充电控制电路14、发射端辅助供电模块15及无线通信接收模块16，其中，整流滤波电路11、逆变电路12、发射线圈13及充电控制电路14依次串接，充电控制电路14电性连接的无线通信接收模块16，充电控制电路14进一步包括：电性连接的驱动电路141和发射端MCU142，驱动电路141电性连接逆变电路12，发射端MCU142连接无线通信接收模块16，整流滤波电路11电性连接电网系统。值得注意的是，电网系统接入的交流电经整流滤波电路11后输出直流电通过一发射端辅助供电模块15为驱动电路141、发射端MCU142及无线通信接收模块16供电。

接收端2包括：接收线圈21、高频变压器22、整流电路23、滤波电路24、采样电路26、接收端MCU25、接收端辅助供电模块28及无线通信发射模块27，其中，接收线圈21电磁耦接发射端1的发射线圈13，接收线圈21、高频变压器22、整流电路23、滤波电路24依序串联连接，滤波电路24还连接负载和采样电路26，采样电路26电性连接滤波电路24、接收端MCU25及负载，接收端辅助供电模块28电性连接滤波电路24、采样电路26和接收端MCU25，为采样电路26及接收端MCU25供电；无线通信发射模块27电性连接接收端MCU25并无线连接发射端1的无线通信接收模块16，其中，本实施例的负载为机器人电池，但本实用新型并不仅限于为机器人电池充电，也可用于无人机、电动汽车等充电。

上述无线充电系统工作时采用上述无线充电控制方法进行充电，其中，电网接入的交流电经整流滤波电路11整流滤波后输出直流电至逆变电路12，发射端MCU142通过无线通信接收模块16接收采样电路26采样的充电信号处理后经驱动电路141输出驱动控制信号给逆变电路12，驱动电路141驱动逆变电路12中的开关器件，如MOSFET、IGBT等，逆变电路12根据驱动控制信号将接收到的直流电转换成高频交流电激励发射线圈13产生交变电磁场。

相应的，接收端2的接收线圈21利用磁场耦合谐振作用从发射线圈13产生的交变电磁场中拾取能量，并经高频变压器22升压或降压后，再经整流电路23和滤波电路24转换成直流电供给负载，接收端辅助供电模块28自滤波电路24取电为接收端MCU25、采样电路26和无线通信发射模块27供电，采样电路26采集滤波电路24输出的充电信号，由接收端MCU25接收充电信号后通过无线通信发射模块27输出至发射端1的无线通信接收模块16，发射端MCU142通过无线通信接收模块16接收接收端2输出的充电信号，根据运算输出频率调节控制信号和占空比或移相调节控制信号给逆变电路12，从而调整输出电能。当逆变电路12的输出电能不能满足输出功率要求时，输出占空比或移相调节信号控制调节逆变电路12的输出电能增益，值得注意的是：占空比或移相调节控制对应的调节增益变化比较平缓，不会造成较大的输出功率的波动。

图2为本发明无线充电系统接收端的第一实施例原理示意图，参考图2，电感L1串接一电容C3与高频变压器22初级侧形成环路，整流电路23采用由二极管D1、二极管D2组成的全波整流电路，二极管D1、二极管D2的正极分别连接高频变压器22次级侧的两端，负极连接后接入滤波电路24，滤波电路24采用由电容C1、电感L2、电容C2组成的π型滤波电路，其中，电容C1和电容C2另一端接地,高频变压器22采用带中心抽头绕组，其中心抽头接入电容C1和C2的连接端，变压器匝比为N:M:M，其中N:M为初级侧与次级侧的电压变比，此时的整流二极管上的耐压为2倍的输出电压；滤波电路24，电性连接整流电路23和负载。在本实施例中，高频变压器22利用降压原理，即初级侧与次级侧的电压比等于初级侧与次级侧的匝比。将接收端耦合的交流高压降压，之后经过一级整流电路和滤波电路得到额定的输出电压，实现无线电能传输级与负载输出级的阻抗变换。变压器的初级的阻抗与无线电能传输系统的阻抗匹配，实现无线电能传输的高效率；变压器的次级的阻抗为负载要求的输出阻抗，满足设备的实际需求。采用本实施例方案整流电路只用两个整流二极管，所用到的器件数量较少，体积较小。利用变压器器的降压原理，实现系统阻抗匹配，并且去掉了一级降压电路，拓扑更简单，效率更高。

由于本实施例的无线充电系统发射端与接收端采用分离结构，发射端1与接收端2无线通信连接并通过磁场耦合传递电能，实现非接触式充电，安全又便利；再者，接收端2设有采样电路25并可反馈采样信号至发射端MCU15，发射端MCU15控制实现对负载的恒流或恒压控制，保证无线充电过程的稳定性，无需在接收端2设置DC/DC电路，简化电路结构，减小接收端2的体积，大大节约成本。

具体实施例二：

图3为本实用新型接收端的另一实施例电路原理示意图。以下仅描述与实施例一不同之处，相同之处不再赘述，如图3所示，本实施例与具体实施例一相比，不同之处在于：

整流电路23为全桥整流电路，包括二极管D1、二极管D2、二极管D3及二极管D4，二极管D4与二极管D1、二极管D2与二极管D3两两串接后并接形成“桥式”结构。相应的，高频变压器22采用不带中心抽头绕组，变压器匝比为N:M，其中N:M为初级侧与次级侧的电压变比。本实施例的全桥整流电路需要四个整流二极管，所用到的器件数量较多，但器件所需要的耐压值比较低，从而进一步降低成本。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种无线充电系统的发射端，无线连接所述充电系统的一接收端，其特征在于，所述发射端包括：

一整流滤波电路，电性连接电网系统；

一逆变电路，电性连接所述整流滤波电路；

一发射线圈，电性连接所述逆变电路，并电磁耦接所述接收端的接收线圈；

一充电控制电路，电性连接所述整流滤波电路、逆变电路；

一无线通信接收模块，电性连接所述充电控制电路，并无线连接所述接收端。

2.如权利要求1所述的无线充电系统的发射端，其特征在于，所述充电控制电路进一步包括：

一驱动电路，电性连接所述逆变电路；

一发射端MCU，电性连接所述驱动电路。

3.如权利要求2所述的无线充电系统的发射端，其特征在于，所述发射端还包括一发射端辅助供电模块，电性连接所述驱动电路、发射端MCU及无线通信接收模块。

4.一种无线充电系统的接收端，无线连接所述权利要求1-3中任一项所述的无线充电系统的发射端，其特征在于，所述接收端包括：一接收线圈，电磁耦接所述发射端的发射线圈；

一高频变压器，电性连接所述接收线圈；

一整流电路，电性连接所述高频变压器；

一滤波电路，电性连接整流电路；

一采样电路，电性连接所述滤波电路；

一接收端MCU，电性连接所述采样电路；

一无线通信发射模块，电性连接所述接收端MCU，并无线连接所述发射端；

其中，所述滤波电路和采样电路还连接一负载。

5.如权利要求4所述的无线充电系统的接收端，其特征在于，所述滤波电路采用由电容C1、电感L2、电容C2组成的π型滤波电路，其中，所述电容C1和电容C2的一端并联连接在所述电感L2两端，所述电容C1和电容C2另一端接地。

6.如权利要求5所述无线充电系统的接收端，其特征在于，所述高频变压器采用带抽头绕组或不带中心抽头绕组。

7.如权利要求6所述的无线充电系统的接收端，其特征在于，所述整流电路采用全波整流电路或全桥整流电路。

8.如权利要求7所述的无线充电系统的接收端，其特征在于，所述整流电路采用由二极管D1、二极管D2组成的全波整流电路，所述二极管D1、二极管D2的正极分别连接高频变压器次级侧的两端，负极连接后接入所述滤波电路。

9.如权利要求7所述的无线充电系统的接收端，其特征在于，所述整流电路采用由二极管D1、二极管D2、二极管D3及二极管D4组成的全桥整流电路，所述二极管D4与二极管D1、二极管D2与二极管D3两两串接后并接形成“桥式”结构。

10.一种无线充电系统，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的无线充电系统的发射端和权利要求4-9任一项所述的无线充电系统的接收端。

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