CN217692813U - 无线电能传输系统、穿戴式设备的无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种无线电能传输系统、穿戴式设备的无线充电系统，涉及电能传输技术领域，包括：发射端模组和接收端模组，所述发送端模组包括依次电连接的直流电压输入模块、E类逆变器模块、第一滤波模块、电容动态补偿模块和发射线圈模块，所述电容动态补偿模块用于对所述发射线圈模块实现电容补偿；所述接收端模组包括相互电连接的接收线圈模块、整流滤波模块和负载，所述接收线圈模块与所述发射线圈模块电耦合连接。本申请能够实现远距离、高效率能量传输。

Description

无线电能传输系统、穿戴式设备的无线充电系统

技术领域

本申请涉及电能传输技术领域，特别涉及一种无线电能传输系统、穿戴式设备的无线充电系统。

背景技术

无线电能传输技术又称为无线电力传输、非接触电能传输，是指通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量(如电磁场能、激光、微波及机械波等)，隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能，实现无线电能传输的传输方式。该技术可以实现电源与负载之间的电气隔离，从而避免电弧的产生，并有防水、便捷等优势，所以得到快速发展。目前比较完善并能够实现商用的是磁场耦合式无线电能传输技术，即通过电磁感应原理将磁场从发射线圈耦合至接收线圈。但目前无线电能传输技术均具有传输距离短的缺点。

实用新型内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种无线电能传输系统、穿戴式设备的无线充电系统，能够实现远距离、高效率能量传输。

第一方面，本申请提供了一种无线电能传输系统，包括：

发射端模组，所述发送端模组包括依次电连接的直流电压输入模块、E类逆变器模块、第一滤波模块、电容动态补偿模块和发射线圈模块，所述电容动态补偿模块用于对所述发射线圈模块实现电容补偿；

接收端模组，所述接收端模组包括相互电连接的接收线圈模块、整流滤波模块和负载，所述接收线圈模块与所述发射线圈模块电耦合连接。

根据本申请第一方面实施例的无线电能传输系统，至少具有如下有益效果：在进行无线电能传输前，可根据负载需求调节直流电压输入模块的直流电压大小，直流电信号经过E类逆变器模块将直流电信号转换为高频准正弦波，该高频准正弦波通常高于1MHz并常为6.78MHz和13.56MHz，其中，工作在13.56MHz的NFC技术的无线电能传输系统可以实现厘米级的耦合距离和自由度。随后高频准正弦波经过第一滤波模块过滤掉其中的高频噪音，随后被送入电容动态补偿模块中，根据具体实际负载和耦合情况选择电容补偿量，以补偿至发射线圈模块，并通过发射线圈模块将电能以转换为磁场能量，随后通过接收端的接收线圈模块接收该磁场能量后转换为高频交流电能，高频交流电能经过整流滤波模块转换为直流电供应给负载，本申请通过E类逆变器模块转换的高频准正弦波与第一滤波模块、电容动态补偿模块及高频NFC通信技术结合，能够实现在高频、宽负载范围及耦合变化情况下的远距离、高效率能量传输。

根据本申请第一方面的一些实施例，所述E类逆变器模块包括第一电感、第一开关、第一电容、第二电感和第二电容，所述第一电感的一端与所述直流电压输入模块的正极端电连接，另一端分别与所述第一开关的一端、所述第一电容的一端、所述第二电容的一端电连接，所述第一开关的另一端、所述第一电容的另一端均与所述直流电压输入模块的负极端电连接，所述第二电容的另一端与所述第二电感的一端连接。

根据本申请第一方面的一些实施例，所述第二电感为所述E类逆变器模块和所述第一滤波模块的共用元件，所述第一滤波模块还包括第三电容，所述第二电感的另一端分别与所述电容动态补偿模块、所述第三电容的一端电连接，所述第三电容的另一端与所述直流电压输入模块的负极端电连接。

根据本申请第一方面的一些实施例，所述电容动态补偿模块包括第一补偿支路和第二补偿支路，所述第一补偿支路包括第一开关组件和第四电容，所述第二补偿支路包括第二开关组件和第五电容，所述第一开关组件的一端和所述第二开关组件的一端均与所述第一滤波模块电连接，所述第一开关组件的另一端与所述第四电容的一端电连接，所述第二开关组件的另一端与所述第五电容的一端电连接，所述第四电容的另一端和所述第五电容的另一端均与所述发射线圈模块连接。

根据本申请第一方面的一些实施例，所述电容动态补偿模块还包括至少一个第三补偿支路，所述第三补偿支路的两端分别与所述第一滤波模块、所述发射线圈模块电连接。

根据本申请第一方面的一些实施例，所述发射线圈模块包括第三电感和第六电容，所述第三电感和所述第六电容的一端均与所述第一滤波模块电连接，所述第三电感和所述第六电容的另一端均与所述直流电压输入模块的负极端电连接。

根据本申请第一方面的一些实施例，所述接收线圈模块包括第四电感和第七电容，所述第四电感和所述第七电容的两端分别与所述整流滤波模块的两个输入端电连接。

根据本申请第一方面的一些实施例，所述接收线圈模块还包括第八电容，所述第八电容的一端与所述第四电感、所述第七电容电连接，所述第八电容的另一端与所述整流滤波模块的一个输入端电连接。

根据本申请第一方面的一些实施例，还包括第八电容，所述第九电容的一端与所述整流滤波模块的一个输出端、所述负载的一端电连接，所述第九电容的另一端与所述整流滤波模块的另一个输出端、所述负载的另一端电连接。

第二方面，本申请还提供了一种穿戴式设备的无线充电系统，包括：

如第一方面任意一项实施例所述的无线电能传输系统；

第一驱动及通讯模块，所述第一驱动及通讯模块分别与所述E类逆变器模块、所述发射线圈模块电连接；

第一主控芯片，所述第一主控芯片分别与所述第一驱动及通讯模块、所述直流电压输入模块、所述电容动态补偿模块电连接；

第二通讯模块，所述第二通讯模块分别与所述接收线圈模块、所述整流滤波模块电连接；

第二主控芯片，所述第二主控芯片分别与所述第二通讯模块、所述负载电连接。

根据本申请第二方面实施例的穿戴式设备的无线充电系统，至少具有如下有益效果：发射端模组即无线充电器接入电源供电后后，无线充电系统启动自检；自检通过后，第一主控芯片给直流电压输入模块设定一个初始电压，并开通电容动态补偿模块设置一个初始补偿电容；第一主控芯片给第一驱动及通讯模块发送命令，使该模块间隔输出一固定频率PWM波驱动第一开关，系统进入待机状态；穿戴设备放置到充电器上后，即接收端模组连接负载后，第二主控芯片收集设备ID、电池电压等信息并存储于第二通讯模块内；第一驱动及通讯模块检测通过带内通信检测到设备的存在，然后读取位于第二通讯模块内的设备信息并发送给第一主控芯片；第一主控芯片根据信息完成系统配置，开始能量传输；第一主控芯片根据输出电压需求等信息选择合适的直流电压输入模块电压和电容动态补偿模块的电容补偿，进行功率调节；第二主控芯片不断更新输出电压及电池电量等信息并存储于第二通讯模块中；第一驱动及通讯模块间隔性读取接收端输出电压等相关信息并发送给第一主控芯片；复步骤上述充电检测步骤，直至充电结束或发生设备故障等情况，此时第一主控芯片根据收到的信息做出判断，再次进入待机状态。通过该无线充电系统，能够实现在高频、宽负载范围及耦合变化情况下的远距离、高效率能量传输。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请的附加方面和优点结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请第一方面的一些实施例的无线电能传输系统的结构框图；

图2为本申请第一方面的一些实施例的无线电能传输系统的电路示意图；

图3为本申请第二方面的一些实施例的穿戴式设备的无线充电系统的电路示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本申请的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本申请中的具体含义。

无线电能传输技术又称为无线电力传输、非接触电能传输，是指通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量(如电磁场能、激光、微波及机械波等)，隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能，实现无线电能传输的传输方式。该技术可以实现电源与负载之间的电气隔离，从而避免电弧的产生，并有防水、便捷等优势，所以得到快速发展。目前比较完善并能够实现商用的是磁场耦合式无线电能传输技术，即通过电磁感应原理将磁场从发射线圈耦合至接收线圈。

Class-E型架构是一种结构简单的适用于高频领域的单开关变换器，近年来开始被应用于磁场耦合式无线电能传输场景中。

NFC是一种新兴的近场通信技术，使用了NFC技术的设备可以在彼此靠近的情况下进行数据交换，并利用移动终端实现移动支付、电子票务、门禁、移动身份识别、防伪等应用。因为运行在13.56MHz的高频工、科、医频率段下，该技术具有可以达到10cm的感应距离和灵活度，所以逐渐被运用到无线电能传输领域。

基于磁场耦合原理的无线电能传输系统为了提高传输距离和传输功率，在限定的结构空间和输入电压下通常需要增加系统工作频率。然而常用的全桥/半桥/单管逆变器以及串联/并联/LCL等补偿方式不适用于高频工作环境，造成效率的降低及EMI的增加。另外由于逆变开关用晶体管势垒电容、扩散电容以及电路中分布电容的影响，晶体管由饱和到截止或由截止到饱和，都需要一定的转换时间。工作频率较高时会使开关效率降低，甚至使器件损坏。

采用常规Class-E型逆变器虽然可以使系统工作在准谐振的软开关状态，但开关两端峰值电压和流过开关的峰值电流都很大并受有限的负载工作范围限值。无线电能传输系统接收端负载经常在空载与满载之间切换，并且互感也随耦合状态的变化而改变。因此发射端的负载变化范围会超出Class-E型逆变器的工作区间而造成系统失谐停止工作，并烧坏开关或其他器件。

采用了工作在13.56MHz的NFC技术的无线电能传输系统虽然可以实现厘米级的耦合距离和自由度。然而由于受芯片能力及EMI等限制，所以现有的系统只能实现最高1W的输出功率。

第一方面，参照图1，本申请提供了一种无线电能传输系统，包括：发射端模组100和接收端模组200，发送端模组包括依次电连接的直流电压输入模块110、E类逆变器模块120、第一滤波模块130、电容动态补偿模块140和发射线圈模块150，电容动态补偿模块140用于对所述发射线圈模块150实现电容补偿；接收端模组200包括相互电连接的接收线圈模块210、整流滤波模块220和负载230，接收线圈模块210与发射线圈模块150电耦合连接。在进行无线电能传输前，可根据负载230需求调节直流电压输入模块110的直流电压大小，直流电信号经过E类逆变器模块120将直流电信号转换为高频准正弦波，该高频准正弦波通常高于1MHz并常为6.78MHz和13.56MHz，其中，工作在13.56MHz的NFC技术的无线电能传输系统可以实现厘米级的耦合距离和自由度。随后高频准正弦波经过第一滤波模块130过滤掉其中的高频噪音，随后被送入电容动态补偿模块140中，根据具体实际负载230和耦合情况选择电容补偿量，以补偿至发射线圈模块150，并通过发射线圈模块150将电能以转换为磁场能量，随后通过接收端的接收线圈模块210接收该磁场能量后转换为高频交流电能，高频交流电能经过整流滤波模块220转换为直流电供应给负载230，本申请通过E类逆变器模块120转换为高频准正弦波与第一滤波模块130、电容动态补偿模块140及高频NFC通信技术，能够实现在高频、宽负载230范围及耦合变化情况下的远距离、高效率能量传输。

需要说明的是，其中，直流电压输入模块110为图2中标识为Vin的电压源部分，负载230为图2标识为Rload的部分。

参照图2，可以理解的是，E类逆变器模块120包括第一电感L1、第一开关S1、第一电容C1、第二电感L2和第二电容C2，第一电感L1的一端与直流电压输入模块110的正极端电连接，另一端分别与第一开关S1的一端、第一电容C1的一端、第二电容C2的一端电连接，第一开关S1的另一端、第一电容C1的另一端均与直流电压输入模块110的负极端电连接，第二电容C2的另一端与第二电感L2的一端连接。具体地，第一电感L1为直流电感，将电压源转换为恒定的电流源；第一开关S1为MOSFET或GaN开关，将直流电转换为高频交流电，在本实施例中，第一开关S1为N沟道MOSFET，其源极与电压源的负极端连接，漏极与电压源的正极端连接；第一电容C1为并联电容及第一开关S1中的输出电容的和，第一开关S1在关断时起到续流的作用；第二电容C2为谐振电容，第二电感L2为谐振电感，第二电容C2与第二电感L2一起将高频交流电转换为准正弦波。

继续参照图2，可以理解的是，第二电感L2为E类逆变器模块120和所述第一滤波模块130的共用元件，第一滤波模块130还包括第三电容C3，第二电感L2的另一端分别与电容动态补偿模块140、第三电容C3的一端电连接，第三电容C3的另一端与直流电压输入模块110的负极端电连接。具体地，第二电感L2为滤波电感，第三电容C3为滤波电容，第二电感L2与第三电容C3起组成低通滤波器，滤除高频干扰。

需要说明的是，第二电感L2同时作为谐振电感和滤波电感，起到将高频交流电转换为准正弦波的作用和滤波作用。

继续参照图2，可以理解的是，电容动态补偿模块140包括第一补偿支路和第二补偿支路，第一补偿支路包括第一开关组件St1和第四电容C4，第二补偿支路包括第二开关组件St2和第五电容C5，第一开关组件St1的一端和第二开关组件St2的一端均与第一滤波模块130电连接，第一开关组件St1的另一端与第四电容C4的一端电连接，第二开关组件St2的另一端与第五电容C5的一端电连接，第四电容C4的另一端和第五电容C5的另一端均与发射线圈模块150连接。其中，第一开关组件St1和第二开关组件St2分别由两个背靠背的MOSFET组成的并联选择开关，即两个MOSFET的源极相连接，也可以根据情况并联更多开关及补偿电容，根据发射线圈模块150与接收线圈模块210不同的耦合情况进行切换，从而提高输出能力；第四电容C4和第五电容C5为补偿电容，从而补偿发射线圈模块150的感抗，从而提高输出能力。

可以理解的是，电容动态补偿模块140还包括至少一个第三补偿支路，第三补偿支路的两端分别与第一滤波模块130、发射线圈模块150电连接。还设置至少一个第三补偿支路，能够更灵活和更大范围去选择补偿电容，从而补偿发射线圈模块150的感抗，从而提高输出能力。

继续参照图2，可以理解的是，发射线圈模块150包括第三电感L3和第六电容C6，第三电感L3和第六电容C6的一端均与第一滤波模块130电连接，第三电感L3和第六电容C6的另一端均与直流电压输入模块110的负极端电连接。其中，第三电感L3和第六电容C6分别为发射线圈自感和寄生电容。

继续参照图2，可以理解的是，接收线圈模块210包括第四电感L4和第七电容C7，第四电感L4和第七电容C7的两端分别与整流滤波模块220的两个输入端电连接。其中，第四电感L4和第七电容C7分别为接收线圈自感和寄生电容。

继续参照图2，可以理解的是，接收线圈模块210还包括第八电容C8，第八电容C8的一端与第四电感L4、第七电容C7电连接，第八电容C8的另一端与整流滤波模块220的一个输入端电连接。其中，第八电容C8为串联补偿电容，补偿接收线圈模组的感抗，具体为补充第四电感L4的感抗，从而提高输出能力。

需要说明的是，整流滤波模块220由四个二极管D1，D2，D3和D4组成，其包括两个输入端和两个输出端，能够将交流电转换为脉动直流电。

继续参照图2，可以理解的是，本申请提供的无线电能传输系统还包括第九电容C9，第九电容C9的一端与整流滤波模块220的一个输出端、负载230的一端电连接，第九电容C9的另一端与整流滤波模块220的另一个输出端、负载230的另一端电连接。其中，第九电容C9为输出滤波电容，能够将脉动直流电转换为直流电，从而将电能传输至负载230。

下面以一个具体实施例对本申请的无线电能传输系统进一步说明：

参照图2，系统输入为可根据负载230需求调节幅值的直流电压Vin，然后经过由L1、S1、C1、C2、L2共同组成的E类逆变器模块120转换为高频准正弦波；该正弦波流过经部分L2和C3组成的LC第一滤波模块130后过滤掉高频噪音后被送入电容动态补偿模块140，根据实际负载230和耦合情况选择开通对应的电容，以补偿L3、C6组成的发射线圈以及互感M；发射线圈模块150将电能以转换为磁场能量，经L4和C7组成的接收线圈模块210接收后再转换为高频交流电能；该能量通过电容C8补偿后，再经过由D1-D4和C9组成的整流滤波网络转换为直流电供给负载230Rload。

第二方面，参照图3，本申请还提供了一种穿戴式设备的无线充电系统，包括：如第一方面任意一项实施例的无线电能传输系统；第一驱动及通讯模块310、第一主控芯片320、第二通讯模块410和第二主控芯片420，第一驱动及通讯模块310分别与E类逆变器模块120、发射线圈模块150电连接；，第一主控芯片320分别与第一驱动及通讯模块310、直流电压输入模块110、电容动态补偿模块140电连接；第二通讯模块410分别与接收线圈模块210、整流滤波模块220电连接；第二主控芯片420分别与第二通讯模块410、负载230电连接。

其具体工作流程为：发射端模组100即无线充电器接入电源供电后后，无线充电系统启动自检；自检通过后，第一主控芯片320给直流电压输入模块110设定一个初始电压，并开通电容动态补偿模块140设置一个初始补偿电容；第一主控芯片320给第一驱动及通讯模块310发送命令，使该模块间隔输出一固定频率PWM波驱动第一开关，系统进入待机状态；穿戴设备放置到充电器上后，即接收端模组200连接负载后，第二主控芯片420收集设备ID、电池电压等信息并存储于第二通讯模块410内；第一驱动及通讯模块310检测通过带内通信检测到设备的存在，然后读取位于第二通讯模块410内的设备信息并发送给第一主控芯片320；第一主控芯片320根据信息完成系统配置，开始能量传输；第一主控芯片320根据输出电压需求等信息选择合适的直流电压输入模块110电压和电容动态补偿模块140的电容补偿，进行功率调节；第二主控芯片420不断更新输出电压及电池电量等信息并存储于第二通讯模块410中；第一驱动及通讯模块310间隔性读取接收端输出电压等相关信息并发送给第一主控芯片320；复步骤上述充电检测步骤，直至充电结束或发生设备故障等情况，此时第一主控芯片320根据收到的信息做出判断，再次进入待机状态。通过该无线充电系统，能够实现在高频、宽负载范围及耦合变化情况下的远距离、高效率能量传输。

上面结合附图对本申请实施例作了详细说明，但是本申请不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下，作出各种变化。

Claims (10)

1.一种无线电能传输系统，其特征在于，包括：

发射端模组，所述发射端模组包括依次电连接的直流电压输入模块、E类逆变器模块、第一滤波模块、电容动态补偿模块和发射线圈模块，所述电容动态补偿模块用于对所述发射线圈模块实现电容补偿；

接收端模组，所述接收端模组包括依次电连接的接收线圈模块、整流滤波模块和负载，所述接收线圈模块与所述发射线圈模块电耦合连接。

2.根据权利要求1所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述E类逆变器模块包括第一电感、第一开关、第一电容、第二电感和第二电容，所述第一电感的一端与所述直流电压输入模块的正极端电连接，所述第一电感的另一端分别与所述第一开关的一端、所述第一电容的一端、所述第二电容的一端电连接，所述第一开关的另一端、所述第一电容的另一端均与所述直流电压输入模块的负极端电连接，所述第二电容的另一端与所述第二电感的一端连接。

3.根据权利要求2所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述第二电感为所述E类逆变器模块和所述第一滤波模块的共用元件，所述第一滤波模块还包括第三电容，所述第二电感的另一端分别与所述电容动态补偿模块、所述第三电容的一端电连接，所述第三电容的另一端与所述直流电压输入模块的负极端电连接。

4.根据权利要求1所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述电容动态补偿模块包括第一补偿支路和第二补偿支路，所述第一补偿支路包括第一开关组件和第四电容，所述第二补偿支路包括第二开关组件和第五电容，所述第一开关组件的一端和所述第二开关组件的一端均与所述第一滤波模块电连接，所述第一开关组件的另一端与所述第四电容的一端电连接，所述第二开关组件的另一端与所述第五电容的一端电连接，所述第四电容的另一端和所述第五电容的另一端均与所述发射线圈模块连接。

5.根据权利要求4所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述电容动态补偿模块还包括至少一个第三补偿支路，所述第三补偿支路的两端分别与所述第一滤波模块、所述发射线圈模块电连接。

6.根据权利要求1所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述发射线圈模块包括第三电感和第六电容，所述第三电感和所述第六电容的一端均与所述第一滤波模块电连接，所述第三电感和所述第六电容的另一端均与所述直流电压输入模块的负极端电连接。

7.根据权利要求1所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述接收线圈模块包括第四电感和第七电容，所述第四电感和所述第七电容的两端分别与所述整流滤波模块的两个输入端电连接。

8.根据权利要求7所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述接收线圈模块还包括第八电容，所述第八电容的一端与所述第四电感、所述第七电容电连接，所述第八电容的另一端与所述整流滤波模块的一个输入端电连接。

9.根据权利要求1所述的无线电能传输系统，其特征在于，还包括第九电容，所述第九电容的一端与所述整流滤波模块的一个输出端、所述负载的一端电连接，所述第九电容的另一端与所述整流滤波模块的另一个输出端、所述负载的另一端电连接。

10.一种穿戴式设备的无线充电系统，其特征在于，包括：

如权利要求1至9任意一项所述的无线电能传输系统；

第一驱动及通讯模块，所述第一驱动及通讯模块分别与所述E类逆变器模块、所述发射线圈模块电连接；

第一主控芯片，所述第一主控芯片分别与所述第一驱动及通讯模块、所述直流电压输入模块、所述电容动态补偿模块电连接；

第二通讯模块，所述第二通讯模块分别与所述接收线圈模块、所述整流滤波模块电连接；

第二主控芯片，所述第二主控芯片分别与所述第二通讯模块、所述负载电连接。

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