CN217406253U - 煤矿定位标识卡井下无线充电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种煤矿定位标识卡井下无线充电装置，它包括无线充电座和无线充电接收模块，所述无线充电接收模块设置在定位标识卡内，所述定位标识卡通过无线充电接收模块接收无线充电座发射的电能；所述无线充电座包括谐振控制模块、发射线圈、LC谐振模块和DCDC降压模块；所述谐振控制模块与LC谐振模块相连，所述谐振控制模块用于对LC谐振模块进行频率、占空比以及死区时间控制；所述DCDC降压模块与LC谐振模块相连，所述LC谐振模块用于将DCDC降压模块输出的直流电逆变并通过发射线圈产生交变磁场。本实用新型提供一种煤矿定位标识卡井下无线充电装置，通过无线充电的方式，对识别卡进行充电，解决了人员定位识别卡频繁更换电池及井下充电不便的问题。

Description

煤矿定位标识卡井下无线充电装置

技术领域

本实用新型涉及一种煤矿定位标识卡井下无线充电装置。

背景技术

目前，煤矿井下作业人员在下井生产作业时，需要佩戴定位标识卡来进行人员定位。定位标识卡通常采用纽扣电池或者锂电池供电，在电池没电后，需要频繁拆卸更换电池，或者将定位标识卡拿到井上进行有线充电。上述充电方式，更换电池较为繁琐，将定位标识卡拿到井上进行充电则充电不够及时。

因此，急需一种简便可靠安全的定位标识卡井下充电技术，来解决上述问题。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种煤矿定位标识卡井下无线充电装置，满足井下充电安全要求，通过无线充电的方式，对识别卡进行充电，解决了人员定位识别卡频繁更换电池及井下充电不便的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：

一种煤矿定位标识卡井下无线充电装置，它包括无线充电座和无线充电接收模块，所述无线充电接收模块设置在定位标识卡内，所述定位标识卡通过无线充电接收模块接收无线充电座发射的电能；

所述无线充电座包括谐振控制模块、LC谐振模块和DCDC降压模块；

所述谐振控制模块与LC谐振模块相连，所述谐振控制模块用于对LC谐振模块进行频率、占空比以及死区时间控制；

所述DCDC降压模块与LC谐振模块相连，所述LC谐振模块用于将DCDC降压模块输出的直流电逆变并通过发射线圈产生交变磁场。

进一步，所述无线充电座还包括采样放大模块，所述采样放大模块用于将采集的LC谐振模块的电流数据进行放大。

进一步，所述无线充电座还包括空载保护模块，所述空载保护模块用于在LC谐振模块空载时，对所述LC谐振模块进行空载保护。

进一步，所述无线充电座还包括过温保护模块，所述过温保护模块用于防止充电时温度过高。

进一步，所述无线充电座还包括充电指示模块，所述充电指示模块用于展示无线充电座的通电及充电状态。

进一步，所述无线充电接收模块包括接收线圈、整流滤波模块和电池过充保护电路，所述接收线圈与整流滤波模块的输入端相连，所述整流滤波模块的输出端通过电池过充保护电路为电池充电。

采用了上述技术方案，本实用新型使用LC谐振模块和谐振控制模块，将本安直流电逆变为高频交流电，并通过发射线圈产生交变磁场，无线充电接收模块通过电磁感应将接收到的交流电能整流滤波后稳压再输出，为定位标识卡的电池进行无线充电，无需拆卸电池或拿到井上进行充电，在煤矿井下即可实现高效率无线充电。由于无线充电芯片更新迭代太快，本实用新型采用自建的纯模电平台，而没有采用传统的无线充电芯片，可以保证装置的长期使用，纯模电工作更加稳定，耐久性也更好。

附图说明

图1为本实用新型的煤矿定位标识卡井下无线充电装置的原理框图；

图2为本实用新型的LC谐振模块的电路原理图；

图3为本实用新型的谐振控制模块的电路原理图；

图4为本实用新型的DCDC降压模块的电路原理图；

图5为本实用新型的空载保护模块的电路原理图；

图6为本实用新型的采样放大模块的电路原理图；

图7为本实用新型的充电指示模块的电路原理图；

图8为本实用新型的过温保护模块的电路原理图；

图9为本实用新型的无线充电接收模块的电路原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，本实施例提供一种煤矿定位标识卡井下无线充电装置，它包括无线充电座和无线充电接收模块，无线充电座由井下本安电源提供5V本安电源，无线充电接收模块设置在定位标识卡内，定位标识卡通过无线充电接收模块接收无线充电座发射的电能。

无线充电座包括谐振控制模块、LC谐振模块、DCDC降压模块、采样放大模块、空载保护模块、过温保护模块和充电指示模块；

谐振控制模块与LC谐振模块相连，谐振控制模块用于对LC谐振模块进行频率、占空比以及死区时间控制；

DCDC降压模块与LC谐振模块相连，LC谐振模块用于将DCDC降压模块输出的直流电逆变并通过发射线圈L1产生交变磁场；

采样放大模块用于将采集的LC谐振模块的电流数据进行放大，为后续电路工作提供在空载以及充电各个阶段的采样数据；

空载保护模块用于在LC谐振模块空载时，对LC谐振模块进行空载保护；

过温保护模块用于防止充电时温度过高；

充电指示模块用于展示无线充电座的通电及充电状态。

如图2所示，本实施例的无线充电方案采用电磁感应式，发射线圈L1和接收线圈L101反复进行磁场线切割从而传递电能，需要将直流电逆变为交流电通过发射线圈L1 进行发射。本实施例采用DCDC降压模块将本安电源的5V直流电源降压至2.8V直流电压V+，然后LC谐振模块将直流电压V+逆变并通过发射线圈产生交变磁场，无线充电接收模块通过电磁感应接收到交流电再进行整流滤波后，得到直流电为电池充电。

发射线圈L1属于LC谐振模块的一部分，LC谐振模块采用四个功率MOS管的H 桥，可将直流电压V+逆变为交流电。其工作原理为：当Q1、Q4导通时，Q2、Q3截止，电流由Q1→LC→Q4；当Q2、Q3导通时，Q1、Q4截止，电流由Q2→LC→Q3。如此往复，可将直流电逆变为交流电。MOS管选用AO3401(P管)和AO3400(N管)。

如图3所示，本实施例的谐振控制模块中，频率发生器U1使用TLC555，可通过电阻R1、R2和电容C2控制输出的频率。频率的计算公式如下：

充电时间：T1＝0.7(R1+R2)C2；

放电时间：T2＝0.7*R2*C2；

振荡周期：T＝T1+T2；

振荡频率：f＝1/T；

因此有频率：f＝1/0.7(R1+2*R2)C2；

占空比：D＝(R1+R2)/(R1+2*R2)；

其中，无线充电所需频率超过100KHz，传统的NE555无法达到高频的输出，需要使用更高规格的TLC555，TLC555最高工作频率可达2MHz。

其中，R1≥1K。

理想占空比为50％，频率发生器U1无法同时调整频率和占空比，以输出频率为优先，需要再额外调整输出的占空比。占空比可以使用RC延时电路(二极管D1、电阻R3、电容C5)来缩短高电平的时间，从低电平变为高电平时，由于RC充电，使电位呈缓慢上升趋势，再通过施密特触发器U2来转换高电平和低电平两个稳定状态，电位未达到阈值电压时输出低电平，电位达到阈值电压后触发输出高电平。

RC延时的计算如下：

延时时间＝-R*C*ln[(E-V)/E]；

其中，电阻R3和电容C5是串联，电阻R3的单位为欧姆，电容C5的单位为F， E为串联电阻R3和电容C5之间的电压，V为电容间要达到的电压。

施密特触发器U2采用HEF4093，是与非门数字电路斯密特触发器，斯密特触发器又称斯密特与非门。与非门的任意一个输入端是低电平，则其它的输入端无论怎样变化，输出永远是高电平；当全部输入端都处于高电平时，输出端才呈现低电平。施密特触发器U2输入有阈值电压，如电源电压为5V时，输入高电平时的阈值电压最大值为3.5V，保证高电平时输入值大于3.5V，才能被识为高电平。低电平时要小于0.4V，才为低电平。

死区时间的产生主要在于栅极G在收到信号到MOS管发生通断动作的过程中有响应的延迟，而且一般来讲PMOS管的响应速度要慢于NMOS管。在如此高频的工作频率下，长时间运转肯定会存在三个或四个MOS管同时导通的情况，造成短路，甚至损坏MOS管，因此对于H桥的控制中设置死区时间是非常有必要的。死区时间的调整同样采用RC延时电路，计算方式同上。可以通过AO3400和AO3401的规格书中查找 MOS管导通和关断的响应时间，死区时间的设定必须大于MOS管导通和关断的响应时间，本实施中死区时间约为1.28us。

如图6所示，本实施例的采样放大模块中，电流的采集通过采样电阻R14进行采样，通过采集采样电阻R14两端的电压差来判断电能发射模块所产生的电流。在使用过程中，由于采样电阻R14的阻值很小，所采集到的电压也很小，预测最大电压约为0.3V，为了更加精确的进行控制，需要将电压进行放大。

通过一个同相输入比例运算放大器U6，信号电压Isen通过电阻R15加到运放U6 的3脚，U6的3脚为同相输入端，U6的1脚输出电压Isen’通过电阻R17和R16反馈到运放U6的2脚，U6的2脚为反相输入端，构成电压串联负反馈放大电路。其电压比例放大的公式为：

Au＝Uo/Ui＝1+R17/R16；

上式中，放大倍数约为10倍。

如图5所示，本实施例的空载保护模块用于在电能发射模块空载时，对电能发射模块进行空载保护，空载时电能发射模块的电路相当于短路，所以必须要有空载保护，而又要考虑到有接收线圈L101时从空载状态自动恢复到充电状态。因为空载时，电能发射模块的LC串联阻抗为0，所以此时采样电阻R14采集到的电压最大。在此可以运用比较器和单稳态触发器，可以实现在空载时能够做到输出保护。

首先通过电阻R18和R19进行分压，得到一个固定电压U0，再将采集放大后的电压U与之比较，经过运放U6比较后，若采样电压U大于U0，则输出低电平；反之则输出高电平，以此来判定输出是否为空载。

若要实现从空载中恢复充电状态，可以使用定时器U7建立一个单稳态触发器。该单稳态触发器电路是负脉冲触发，每来一个负脉冲(低电平)信号，则电路输出固定时间宽度的脉冲高电平，经过固定时间宽度之后，输出又会恢复为低电平，直到下一个低电平输入时再次触发固定时间宽度的高电平输出，如此循环。然后只需以此通过控制频率信号的输出即可做到保护功能。

固定时间宽度计算：T＝1.1*R20*C20，时间约为3.3s，

将过程进行整理：当运放U6判定为空载时，输出低电平，定时器U7触发输出时长为3.3s的高电平，并切断电能发射模块控制信号3.3秒，进行空载保护。3.3s后定时器U7恢复低电平，电能发射模块控制信号恢复，再次进行检测是否在空载状态，如此循环。

如图8所示，本实施例的过温保护模块用于防止充电时温度过高，如果充电过程中，无线充电座温度超过60度，过温保护模块进行保护，停止充电，保护后温度下降到55 度后，恢复充电。

如图7所示，指示灯使用共阳极三色指示灯，LED1为绿色，LED2为红色，LED3 为蓝色。

本实施例的充电指示模块中，在空载时，通过关断Q12使Q16基极电位拉低，Q16 导通并将LED1短路，即不充电时指示灯LED1常灭。此控制信号来自空载检测，为防止空载检测间隔3.3S的触发导致LED1闪烁，使用RC延时的特性过滤此触发信号。未触发过温保护时Q17处于导通，通过导通Q18使LED3常亮，即空载时指示灯显示为蓝色。

在触发过温保护时，通过关断Q11使Q16基极电位拉低，Q16导通并将LED1短路，即过温保护时指示灯LED1常灭。同时通过关断Q17使LED3常灭,通过导通Q14 使LED2(红色)常亮，即触发过温保护时，指示灯显示为红色。

充电时，通过关断Q18使LED3常灭。Q12处于导通，未触发过温保护Q11也处于导通，使Q16的基极处于高电平，Q16关断，LED1解除短路。LED1是充电指示灯，运用振荡电路，充电时Q10基极为高电平，振荡电路起振，LED1闪烁；充满时Q10基极为低电平，振荡电路停止起振，LED1常亮。电池充满时触发接收模块的电池过充保护，接收模块停止对电池充电，此时发射端工作功耗极低，以此为依据使用运放U9将采样的结果与一个基准电压(R21和R22分压)进行比较，判断负载是否充满，若充满输出低电平，若未充满输出高电平，即充电时电池未充满，绿灯闪烁，电池充满时绿灯常亮。

如图9所示，本实施例的无线充电接收模块包括接收线圈L101、整流滤波模块和电池过充保护电路，接收线圈L101与整流滤波模块的输入端相连，整流滤波模块的输出端通过电池过充保护电路为电池充电。

将接收线圈L101接收到的交流电经过全桥整流为直流电并进行输出，为了减少整流所产生的压降，需选用低压降的肖特基二极管D101-D108。在全桥整流后通过在输出端并联有极性电容C103进行滤波，以改善输出波形，最后再经过后级电池过充保护电路为电池充电。

以上所述的具体实施例，对本实用新型解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种煤矿定位标识卡井下无线充电装置，其特征在于：它包括无线充电座和无线充电接收模块，所述无线充电接收模块设置在定位标识卡内，所述定位标识卡通过无线充电接收模块接收无线充电座发射的电能；

所述无线充电座包括谐振控制模块、LC谐振模块和DCDC降压模块；

所述谐振控制模块与LC谐振模块相连，所述谐振控制模块用于对LC谐振模块进行频率、占空比以及死区时间控制；

所述DCDC降压模块与LC谐振模块相连，所述LC谐振模块用于将DCDC降压模块输出的直流电逆变并通过发射线圈产生交变磁场。

2.根据权利要求1所述的煤矿定位标识卡井下无线充电装置，其特征在于：所述无线充电座还包括采样放大模块，所述采样放大模块用于将采集的LC谐振模块的电流数据进行放大。

3.根据权利要求1所述的煤矿定位标识卡井下无线充电装置，其特征在于：所述无线充电座还包括空载保护模块，所述空载保护模块用于在LC谐振模块空载时，对所述LC谐振模块进行空载保护。

4.根据权利要求1所述的煤矿定位标识卡井下无线充电装置，其特征在于：所述无线充电座还包括过温保护模块，所述过温保护模块用于防止充电时温度过高。

5.根据权利要求1所述的煤矿定位标识卡井下无线充电装置，其特征在于：所述无线充电座还包括充电指示模块，所述充电指示模块用于展示无线充电座的通电及充电状态。

6.根据权利要求1所述的煤矿定位标识卡井下无线充电装置，其特征在于：所述无线充电接收模块包括接收线圈、整流滤波模块和电池过充保护电路，所述接收线圈与整流滤波模块的输入端相连，所述整流滤波模块的输出端通过电池过充保护电路为电池充电。

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