技术领域
[0001] 本实用新型涉及充电技术领域，尤其涉及一种基于磁耦合谐振的无线充电电路及无线充电系统。
背景技术
[0002] 服务
机器人，是指遥控设备或设定程序运行的及其装置，它可在无人控制的条件下自行工作，完成简单的服务或指引作业。近年来，随着
人工智能产业的飞速发展和相关技术的快速突破，智能机器人产业开始蓬勃发展，并且在民用维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等领域体现了极高的应用价值，其前景不可限量。
[0003] 然而，服务机器人在节约人
力成本的同时，其续航问题也成为制约服务机器人持续工作能力的关键问题。为了解决服务机器人的续航问题，通常采用
电池再充电的方式对服务机器人内的锂电池进行充电。
[0004] 然而，服务机器人在有线充电过程中“对位难”的问题，传统的无线充电方式又存在高能耗、低效率等问题。实用新型内容
[0005] 本实用新型的目的在于提供一种基于磁耦合谐振的无线充电电路及无线充电系统，旨在解决上述的至少一个技术问题。
[0006] 为了解决上述技术问题，本
申请提供了一种基于磁耦合谐振的无线充电电路，所述无线充电电路与交流电源和反馈
信号源连接，所述无线充电电路包括：
[0007] 与所述交流电源连接，用于将所述交流电源提供的交流信号转换为对应的第一直流
电压信号的整流模
块；
[0008] 与所述反馈信号源连接，用于接收所述反馈信号源提供的反馈信号，并基于该反馈信号源生成对应的
控制信号的控
制模块；
[0009] 与所述
控制模块连接，用于接收所述控制信号，并基于所述控制信号输出对应的驱动信号的驱动模块；以及
[0010] 与所述整流模块和所述驱动模块连接，用于接收驱动信号和所述第一直流电压信号，并基于所述驱动信号将所述第一直流电压信号转换为交流
电信号，以对预设距离内的用电设备进行无线充电的转换模块。
[0011] 可选的，所述控制模块包括：
[0012] 与所述反馈信号源连接，用于接收所述反馈信号源提供的反馈信号，并将所述反馈信号限制在预设电压范围内的
限幅单元；
[0013] 与所述限幅单元连接，用于接收所述反馈信号，并将所述反馈信号的交流
正弦波转换为与其
频率相同的交流方波的过零检测单元。
[0014] 本申请还提供了一种基于磁耦合谐振的无线充电系统，包括：
[0015] 机器人，所述机器人内设有接收模块和电源存储模块；
[0016] 交流电源端口；
[0017] 反馈信号源端口；以及
[0018] 如上述任一项所述的无线充电电路，所述无线充电电路分别与所述交流电源端口及所述反馈信号源端口连接；
[0019] 所述接收模块在位于所述无线充电电路的预设距离内时，其内部电感线圈与所述转换模块内的电感线圈互感，以将所述转换模块提供的交流电信号转换为对应的第二直流电压信号，所述第二直流电压信号用于对电源存储模块进行充电。
[0020] 在本申请提供的一种基于磁耦合谐振的无线充电电路及无线充电系统中，通过整流模块将所述交流电源提供的交流信号转换为对应的第一直流电压信号，驱动模块基于控制模块提供的控制信号输出对应的驱动信号，然后通过转换模块基于所述驱动信号将所述第一直流电压信号转换为交流电信号，以对预设距离内的用电设备进行充电，解决了服务机器人在有线充电过程中“对位难”、传统的无线充电方式存在高能耗、低效率等问题。
附图说明
[0021] 图1为本实用新型一
实施例提供的无线充电电路的电路结构示意图；
[0022] 图2为本实用新型一实施例提供的控制模块的电路结构示意图；
[0023] 图3为本实用新型一实施例提供的驱动模块的电路结构示意图；
[0024] 图4为本实用新型一实施例提供的转换模块的电路结构示意图；
[0025] 图5为本实用新型一实施例提供的整流模块的电路结构示意图；
[0026] 图6为本实用新型一实施例提供的无线充电系统的结构示意图；
[0027] 图7为本实用新型一实施例提供的接收模块的结构示意图。
具体实施方式
[0028] 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0029] 在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
[0030] 电池再充电目前主要分为有线充电和无线充电两种形式。其中有线充电形式是控制服务机器人与充电接头连接进而实现充电，该步骤需要“精准对位”，就目前技术而言有赖于服务机器人搭载
传感器的精确控制，就目前技术而言该方法有一定的失误率。而本申请中的无线充电方式只需要服务机器人运行到充电区域即可，对准确度要求不高。
[0031] 在本申请的一实施例提供的基于磁耦合谐振的无线充电电路及无线充电系统中，通过
串联-串联谐振拓扑控制，实现恒流-恒压法高效快速充电。该充电系统所采用无线充电方式，与有线充电方式相比，对机器人停靠对位的
精度要求不高，不需要解决“精准对位”问题，进一步的，本实施例中通过对无线充电方式的优化，让该系统
稳定性更好，充
电能耗更低，速度更快，实现服务机器人电能耗尽后自行快速充电、尽快上线的目的。
[0032] 图1为本申请的一个实施例提供的一种基于磁耦合谐振的无线充电电路的模块结构示意图，所述无线充电电路与交流电源11和反馈信号源12连接，所述无线充电电路包括：与所述交流电源11连接，用于将所述交流电源11提供的交流信号转换为对应的第一直流电压信号的整流模块21；与所述反馈信号源12连接，用于接收所述反馈信号源12提供的反馈信号，并基于该反馈信号源12生成对应的控制信号的控制模块22；与所述控制模块22连接，用于接收所述控制信号，并基于所述控制信号输出对应的驱动信号的驱动模块23；以及与所述整流模块21和所述驱动模块23连接，用于接收驱动信号和所述第一直流电压信号，并基于所述驱动信号将所述第一直流电压信号转换为交流电信号，以对预设距离内的用电设备进行充电的转换模块24。
[0033] 在本实施例中，整流模块21、控制模块22、驱动模块23以及转换模块24均设置于充电平台内，通过整流模块21将所述交流电源11提供的交流信号转换为对应的第一直流电压信号，驱动模块23基于控制模块22提供的控制信号输出对应的驱动信号，然后通过转换模块24基于所述驱动信号将所述第一直流电压信号转换为交流电信号，以对预设距离内的用电设备进行充电，解决了服务机器人在有线充电过程中“对位难”、传统的无线充电方式存在高能耗、低效率等问题。
[0034] 在一个实施例中，转换模块24基于所述驱动信号将所述第一直流电压信号转换为定频交流电信号。
[0035] 在一个实施例中，转换模块24生成的定频交流信号通过发射线圈与对应的谐振电容形成一LC
谐振电路，用电设备中接收模块中的接
收线圈与对应的谐振电容形成另一LC谐振电路，两个LC谐振电路中的发射线圈和接收线圈之间存在
磁场耦合共振，从而产生高频交变磁场，进而在接收线圈产生感应
电流，实现了
能量的无线传输。
[0036] 在一个实施例中，该用电设备可以为服务机器人。
[0037] 在一个实施例中，反馈信号源12用于对转换模块24进行检测，基于检测结果向控制模块22提供反馈信号，例如，通过对转换模块24内的电感线圈的电流进行检测，判断该电流是否在工作电流范围内，基于判断结果发送相应的反馈信号，控制模块22基于反馈信号输出对应的控制信号。
[0038] 例如，若转换模块24内的电感线圈的电流在工作范围内，则反馈信号正常，控制模块22输出的控制信号不发生改变，若转换模块24内的电感线圈的电流偏低，即小于工作电流范围的下限值，则输出对应的反馈信号，控制模块22基于该反馈信号输出提升电感线圈的控制信号，驱动模块23基于该控制信号驱动转换模块24输出电流更高的交流信号，进一步的，反馈信号源12还可以用于对转换模块24输出的电感线圈的电压检测，并判断工作电压是否在工作电压范围内，若转换模块24内的电感线圈的电压偏高，即该电压大于工作电压范围的上限值，则输出对应的反馈信号，控制模块22基于该反馈信号输出用于降低电感线圈电压的控制信号，驱动模块23基于该控制信号驱动转换模块24降低电感线圈上的工作电压。
[0039] 在一个实施例中，参见图2所示，所述控制模块22包括：与所述反馈信号源12连接，用于接收所述反馈信号源12提供的反馈信号，并将所述反馈信号限制在预设电压范围内的限幅单元221；与所述限幅单元221连接，用于接收所述反馈信号，并将所述反馈信号的交流正弦波转换为与其频率相同的交流方波的过零检测单元222。
[0040] 在本实施例中，限幅单元221将所述反馈信号限制在预设电压范围内，例如，在一个实施例中，反馈信号源12提供了一个高电压、低电流、频率与转换模块24中的线圈谐振频率相同的交流信号，通过限幅单元221将该交流信号限制在5V左右，然后通过过零检测单元222将所述反馈信号的交流正弦波转换为与其频率相同的交流方波。
[0041] 进一步的，控制模块22内设置多个限幅单元221，例如，在两个限幅单元221内设置一信号衰减单元，通过将交流信号进行信号衰减后再次进行限幅处理，提升交流信号的限幅效果，避免对后端电路造成损坏。
[0042] 在一个实施例中，可以通过一耦合电容和
电阻串联的方式形成一信号衰减单元。
[0043] 在一个实施例中，控制模块22作为无线充电系统的核心，可以基于一系列逻辑
控制器实现对无线充电系统的自动控制。
[0044] 在一个实施例中，参见图2所示，所述限幅单元221包括：第一
二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3以及第四二极管D4；所述第一二极管D1的
阳极与所述第三二极管D3的阳极共接于所述反馈信号源12，所述第一二极管D1的
阴极与所述第二二极管D2的阳极连接，所述第三二极管D3的阴极与所述第四二极管D4的阴极连接，所述第二二极管D2的阳极与所述第四二极管D4的阳极共接于地。
[0045] 在本实施例中，通过第三二极管D3和第四二极管D4进行反向串联，可以将输入的高电压、低电流、频率与线圈谐振频率相同的交流信号限制在预设电压范围内。
[0046] 在一个实施例中，第二二极管D2和第三二极管D3均为稳压二极管。
[0047] 在一个实施例中，参见图2所示，所述过零检测单元222包括：第一电容C1、第一电阻R1、第五二极管D5、第六二极管D6、
施密特触发器芯片U22以及第一工作电源端220；所述第一电容C1的第一端与所述限幅单元221连接，所述第一电容C1的第二端与所述第一电阻R1连接，所述第一电阻R1的第二端、所述第五二极管D5的阳极、所述第六二极管D6的阳极以及所述施密特触发器芯片U22的输入端共接，所述第五二极管D5的阴极以及所述施密特触发器芯片U22的电源端共接于所述第一工作电源端220，所述第六二极管D6的阳极与所述施密特触发器的接地端共接于地。
[0048] 在本实施例中，第一电容C1和第一电阻R1串联形成一信号衰减单元，以对输入的交流信号进行衰减，第五二极管D5和第六二极管D6形成一限幅单元221对交流信号进行进一步的限幅，然后通过施密特触发器将交流正弦波转换为频率相同的交流方波。
[0049] 在一个实施例中，施密特触发器芯片U22的型号为74HC14。
[0050] 在一个实施例中，参见图3所示，所述驱动模块23包括：电流放大芯片U1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一
开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第七二极管D7、第八二极管D8、第二工作电源端301、第三工作电源端302以及栅极驱动
变压器GDT；所述电流放大芯片U1的第一输入端与所述控制模块22连接，所述电流放大芯片U1的第一使能信号端、所述电流放大芯片U1的第二使能信号端、所述电流放大芯片U1的电源端以及第二电容C2共接于第二工作电源端301，所述第二电容C2的第二端接地，所述电流放大芯片U1的第二输入端与所述电流放大芯片U1的接地端连接，所述电流放大芯片U1的第一输出端、所述第三电容C3的第一端以及所述第二开关管Q2的控制端连接，所述第三电容C3的第二端、所述第七二极管D7的阳极、所述第二电阻R2的第一端共接于所述第一开关管Q1的控制端，所述第七二极管D7的阴极、所述第二电阻R2的第二端以及所述第四电容C4的第一端共接于所述第三工作电源端302，所述第四电容C4的第二端接地，所述第二开关管Q2的电流输出端接地，所述第一开关管Q1的电流输出端、第二开关管Q2的电流输入端、所述第七电容C7的第一端、所述第八电容C8的第一端、所述第四电阻R4的第一端以及所述第五电阻R5的第一端共接，所述第七电容C7的第二端、所述第八电容C8的第二端、所述第四电阻R4的第二端以及所述第五电阻R5的第二端共接于所述栅极驱动变压器GDT，所述电流放大芯片U1的第二输出端与所述第五电容C5的第一端共接于所述第四开关管Q4的控制端，所述第四开关管Q4的电流输出端接地，所述第五电容C5的第二端、所述第八二极管D8的阳极、所述第三电阻R3的第一端共接于所述第三开关管Q3的控制端，所述第八二极管D8的阴极、所述第三电阻R3的第二端、所述第三开关管Q3的电流输入端以及所述第六电容C6的第一端共接于所述第三工作电源端302，所述第六电容C6的第二端基地，所述第三开关管Q3的电流输出端与所述第四开关管Q4的电流输入端共接于所述栅极驱动变压器GDT。
[0051] 在本实施例中，驱动模块23作为控制模块22和转换模块24的中间环节，用于将控制模块22输出的控制信号进行放大处理，使其具有足够大的功率驱动转换模块24中的开关管工作，具体的，本实施例中的驱动模块23采用电流放大芯片U1外接图腾柱的方式进行驱动，参见图3所示。
[0052] 在本实施例中，栅极驱动变压器GDT的两输出端分别与转换模块24中的两栅极输入端一一对应连接。若所述驱动模块23中的电流放大芯片U1的输出电流与转换模块24中的栅极直接相连，则会造成全桥
短路，在本实施例中采用栅极驱动变压器GDT对电路进行隔离。
[0053] 在一个实施例中，电流放大芯片U1的型号为UCC27423。
[0054] 在一个实施例中，第一开关管Q1和第三开关管Q3为P型MOS管，第二开关管Q2和第四开关管Q4为N型MOS管。具体的，P型MOS管的源极作为第一开关管Q1和第三开关管Q3的电流输入端，P型MOS管的源极作为第一开关管Q1和第三开关管Q3的电流输出端，P型MOS管的栅极作为第一开关管Q1和第三开关管Q3的控制端。N型MOS管的源极作为第二开关管Q2和第四开关管Q4的电流输出端，N型MOS管的漏极作为第二开关管Q2和第四开关管Q4的电流输入端，N型MOS管的栅极作为第二开关管Q2和第四开关管Q4的控制端。
[0055] 在一个实施例中，参见图4所示，所述转换模块24包括：第九电容C9、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第六电阻R6以及第一电感L1；所述第九电容C9的第一端、所述第五开关管Q5的电流输入端以及所述第六开关管Q6的电流输入端共接于所述整流模块21，所述第五开关管Q5的控制端与所述第八开关管Q8的控制端共接于所述驱动模块23，所述第六开关管Q6的控制端与所述第七开关管Q7的控制端共接于所述驱动模块23，所述第五开关管Q5的电流输出端、所述第七开关管Q7的电流输入端以及所述第六电阻R6的第一端共接，所述第六电阻R6的第二端与所述第一电感L1的第一端连接，所述第一电感L1的第二端、所述第六开关管Q6的电流输出端以及所述第八开关管Q8的电流输入端共接，所述第九电容C9的第二端、所述第七开关管Q7的电流输出端以及所述第八开关管Q8的电流输出端共接于所述整流模块21。
[0056] 在本实施例中，转换模块24将整流处理后的第一直流电压信号转换为特定频率的交流电，其中，第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8可以作为两个半桥逆变电路组合而成，对
角线上的两个开关管组合成一对，电路中四个桥臂组合成两对桥臂，第五开关管Q5和第八开关管Q8为第一对，第六开关管Q6和第七开关管Q7为第二对，在驱动信号的控制下，两对桥臂交替导通，继而输出交流信号，完成直流到交流的转变。在一个实施例中，第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8均为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，绝缘栅双极型晶体管内存在寄生二极管，寄生二极管的阴极与绝缘栅双极型晶体管的电流输入端电性连接，寄生二极管的阳极与绝缘栅双极型晶体管的电流输出端连接。
[0057] 在一个实施例中，所述第五开关管Q5的控制端与所述第八开关管Q8的控制端共接于所述驱动模块23的第一输出端，所述第六开关管Q6的控制端与所述第七开关管Q7的控制端共接于所述驱动模块23的第二输出端。
[0058] 在一个实施例中，所述转换模块24为全桥逆变电路。
[0059] 在一个实施例中，所述整流模块21为桥式整流电路，具体参见图5所示，第九二极管D9、第十二极管D10、第十一二极管D11以及第十二二极管D12形成一桥式整流电路，其具体连接方式参见图5。在本实施例中，整流模块21采用四个
整流二极管，利用交流电压的负半周期提高整流效率，用于将交流电信号转变为低压直流电信号，并为转换模块24供电以用于机器人的充电。
[0060] 其中，交流电源11的电压为Ui，RL为负载，理想状态下负载RL两端的电压URL可用式(1)表示：
[0061]
[0062] 在一个实施例中，本实施例中的桥式整流电路为型号可以为MDQ100-16的
整流器芯片。
[0063] 参见图6所示，本申请实施例还提供了一种基于磁耦合谐振的无线充电系统，包括：机器人，所述机器人内设有接收模块31和电源存储模块32；交流电源端口；反馈信号源端口；以及如上述任一项实施例所述的无线充电电路，所述无线充电电路分别与所述交流电源端口及所述反馈信号源端口连接；所述接收模块在位于所述无线充电电路的预设距离内时，其内部电感线圈与所述转换模块24内的电感线圈互感，以将所述转换模块24提供的交流信号转换为对应的第二直流电压信号，所述第二直流电压信号用于对电源存储模块进行充电。
[0064] 在本实施例中，接收模块31主要为接收电路，用于感应生成第二直流电压信号，为机器人进行充电。具体的，该接收模块31可以与机器人内的电源存储模块连接。
[0065] 在本申请实施例中，市电作为交流电源11输入整流模块21中通过桥式整流电路得到直流电压，再经过转换模块24的全桥逆变电路转换为特定频率交流电，通过发射线圈和接收线圈分别与谐振电容构成两个LC谐振电路，由于发射线圈和接收线圈之间存在磁场耦合共振，从而产生高频交变磁场，进而在接收线圈产生感应电流，实现了能量的无线传输。驱动模块23将控制模块22传来的信号进行放大，使其具有足够大的功率来驱动转换模块24进行工作，从而产生高频交流电，工作过程无需人工操作，在缩短充电时间的同时，也提高了充电效率。
[0066] 在一个实施例中，参见图7所示，所述接收模块31包括：第二电感Ls、第十电容Cs1、第十一电容Cs2、第一开关S1以及第二开关S2；所述第二电感Ls的第一端与所述第一开关S1的第一端共接于所述第十电容Cs1的第一端，所述第十电容C10的第二端、所述第一开关S1的第二端以及所述第十一电容C11的第一端共接作为所述接收模块31的第一输出端，所述第十一电容Cs2的第二端与所述第二开关S2的第一端连接，所述第二电感Ls的第二端与所述第二开关S2的第二端共接作为所述接收模块31的第二输出端。
[0067] 在本实施例中，转换模块24产生频率与线圈谐振频率相同的交流信号时，接受模块内的电感线圈与转换模块24中的电感线圈互感，进而产生一个恒压-恒流的直流电输出，给服务机器人进行无线充电。
[0068] 在本实施例中，第一电感L1作为发射线圈，第九电容C9作为谐振电容，第一电感L1与第九电容C9形成一LC谐振电路。
[0069] 在一个实施例中，反馈信号源12也可以为一电感线圈，用于与发射线圈之间形成磁场耦合共振，从而产生高频交变磁场，进而产生感应电流对控制模块22进行反馈。
[0070] 在一个实施例中，电源存储模块32可以为
锂离子电池组。
[0071] 进一步，由于本申请实施例的核心在于设计一种基于磁耦合谐振的无线充电方法，并不涉及对服务机器人的改造，即本实用新型可通用于带有无线充电功能的服务机器人进行无线充电操作，并不会受服务机器人本身所带接收电路结构限制，可广泛适用于不同厂家生产的带有无线充电功能的服务机器人。
[0072] 在本申请提供的一种基于磁耦合谐振的无线充电电路及无线充电系统中，通过整流模块将所述交流电源提供的交流信号转换为对应的第一直流电压信号，驱动模块基于控制模块提供的控制信号输出对应的驱动信号，然后通过转换模块基于所述驱动信号将所述第一直流电压信号转换为交流电信号，以对预设距离内的用电设备进行充电，解决了服务机器人在有线充电过程中“对位难”、传统的无线充电方式存在高能耗、低效率等问题。
[0073] 以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
