自调谐无线充电装置
阅读：506发布：2024-02-23
专利汇可以提供自调谐无线充电装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型提供一种自调谐无线充电装置，包括发射端和接收端，发射端包括 信号 源、发射谐振单元、发射控制单元和第一无线通信单元，信号源与发射谐振单元连接，发射谐振单元和第一无线通信单元均与发射控制单元连接；接收端包括接收谐振单元、整流滤波单元、 电信号 检测单元、接收控制单元和第二无线通信单元，电信号检测单元和第二无线通信单元均与接收控制单元连接，接收谐振单元连接整流滤波单元，整流滤波单元用于连接充电负载。本实用新型可以在谐振状态下进行 能量 传输，还可以实现 电路 失谐时实现自调整谐振 频率 以重新回到谐振状态，使得系统能自适应传输距离、负载阻抗的变化而保持谐振状态，从而提高能量无线传输效率等。，下面是自调谐无线充电装置专利的具体信息内容。
1.一种自调谐无线充电装置，其特征在于，包括：发射端和接收端，所述发射端包括信号源、发射谐振单元、发射控制单元和第一无线通信单元，所述信号源与所述发射谐振单元连接，所述发射谐振单元和所述第一无线通信单元均与所述发射控制单元连接；
所述接收端包括接收谐振单元、整流滤波单元、电信号检测单元、接收控制单元和第二无线通信单元，所述接收谐振单元连接所述整流滤波单元，所述电信号检测单元和所述第二无线通信单元均与所述接收控制单元连接，所述整流滤波单元用于连接充电负载；
所述发射端与所述接收端分别通过所述发射谐振单元与所述接收谐振单元进行能量传输；
所述电信号检测单元以预设时间间隔采样所述接收端的电信号；
所述接收控制单元根据所述采样的电信号计算相邻时刻的电信号变化量并判断所述电信号变化量是否超过预设阈值；若是，所述接收控制单元还通过所述第二无线通信单元将所述电信号变化量发送到所述发射端；
所述发射控制单元根据经所述第一无线通信单元接收的所述电信号变化量在预设频率范围内按照预设频率间隔对所述发射谐振单元进行扫频，并获取所述接收端重新采样得到的至少两个电信号变化量，直至相邻的两个所述重新采样的电信号变化量一个大于零且另一个小于零，停止扫频。
2.根据权利要求1所述的自调谐无线充电装置，其特征在于，所述发射谐振单元包括功率放大器和第一LC谐振回路，所述发射控制单元经过所述功率放大器连接所述第一LC谐振回路。
3.根据权利要求2所述的自调谐无线充电装置，其特征在于，所述接收谐振单元采用结构和参数均与所述第一LC谐振回路相同的第二LC谐振回路，各个LC谐振回路中的电感呈圆形螺线圈状。
4.根据权利要求2所述的自调谐无线充电装置，其特征在于，所述发射端还包括驱动器，所述驱动器位于所述功率放大器和所述发射控制单元之间。
5.根据权利要求2所述的自调谐无线充电装置，其特征在于，所述功率放大器为E类功率放大器。
6.根据权利要求1所述的自调谐无线充电装置，其特征在于，所述发射谐振单元包括罗耶振荡电路或RLC谐振回路。
7.根据权利要求6所述的自调谐无线充电装置，其特征在于，当所述发射谐振单元为所述罗耶振荡电路时，所述发射端还包括升压电路，所述升压电路位于所述罗耶振荡电路和所述发射控制单元之间。
8.根据权利要求1所述的自调谐无线充电装置，其特征在于，所述接收端还包括用于充电保护的充电管理模块，所述充电管理模块位于所述整流滤波单元与所述充电负载之间。
9.根据权利要求1所述的自调谐无线充电装置，其特征在于，所述无线通信单元为红外无线模块、WIFI模块、蓝牙模块或蜂窝网络模块，其中，所述蜂窝网络模块为2G、3G、4G或5G网络模块。
10.根据权利要求1所述的自调谐无线充电装置，其特征在于，所述发射控制单元或所述接收控制单元分别采用STM32系列、51系列、MSP430系列、SPCE061A系列、68HC16系列、MCS-96/196系列的单片机。
自调谐无线充电装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种自调谐无线充电装置。
背景技术
[0002] 在无线充电的日常使用过程中，发射线圈和接收线圈的距离很少会保持不变，当两线圈的距离或寄生参数发生变化时，系统就容易偏离谐振状态而进入失谐状态，导致其能量传输效率急剧降低，当系统完全失谐时，其传输效率几乎为零。为了解决该技术实际应用时系统受干扰易失谐振的问题，提出一种可自动调整谐振频率的无线充电装置是非常有意义的。实用新型内容
[0003] 有鉴于此，本实用新型的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种自调谐无线充电装置，可以实现谐振频率的自动调整以始终保持谐振状态，从而提高充电装置的传输功率等。
[0004] 本实用新型提供如下技术方案：
[0005] 一种自调谐无线充电装置，包括：发射端和接收端，所述发射端包括信号源、发射谐振单元、发射控制单元和第一无线通信单元，所述信号源与所述发射谐振单元连接，所述发射谐振单元和所述第一无线通信单元均与所述发射控制单元连接；
[0006] 所述接收端包括接收谐振单元、整流滤波单元、电信号检测单元、接收控制单元和第二无线通信单元，所述接收谐振单元连接所述整流滤波单元，所述电信号检测单元和所述第二无线通信单元均与所述接收控制单元连接，所述整流滤波单元用于连接充电负载；
[0007] 所述发射端与所述接收端分别通过所述发射谐振单元与所述接收谐振单元进行能量传输；
[0008] 所述电信号检测单元以预设时间间隔采样所述接收端的电信号；
[0009] 所述接收控制单元根据所述采样的电信号计算相邻时刻的电信号变化量并判断所述电信号变化量是否超过预设阈值；若是，所述接收控制单元还通过所述第二无线通信单元将所述电信号变化量发送到所述发射端；
[0010] 所述发射控制单元根据经所述第一无线通信单元接收的所述电信号变化量在预设频率范围内按照预设频率间隔对所述发射谐振单元进行扫频，并获取所述接收端重新采样得到的至少两个电信号变化量，直至相邻的两个所述重新采样的电信号变化量一个大于零且另一个小于零则停止扫频。
[0012] 在上述的自调谐无线充电装置中，可选地，所述接收谐振单元采用结构和参数均与所述第一LC谐振回路相同的第二LC谐振回路，各个LC谐振回路中的电感呈圆形螺线圈状。
[0014] 在上述的自调谐无线充电装置中，可选地，所述功率放大器为E类功率放大器。
[0015] 在上述的自调谐无线充电装置中，可选地，所述发射谐振单元包括罗耶振荡电路或RLC谐振回路。
[0016] 在上述的自调谐无线充电装置中，可选地，当所述发射谐振单元为所述罗耶振荡电路时，所述发射端还包括升压电路，所述升压电路位于所述罗耶振荡电路和所述发射控制单元之间。
[0017] 在上述的自调谐无线充电装置中，可选地，所述接收端还包括用于充电保护的充电管理模块，所述充电管理模块位于所述整流滤波单元与所述充电负载之间。
[0018] 在上述的自调谐无线充电装置中，可选地，所述无线通信单元为红外无线模块、WIFI模块、蓝牙模块或蜂窝网络模块，其中，所述蜂窝网络模块为2G、3G、4G或5G网络模块。
[0019] 在上述的自调谐无线充电装置中，可选地，所述发射控制单元或所述接收控制单元分别采用STM32系列、51系列、MSP430系列、SPCE061A系列、68HC16系列、MCS-96/196系列的单片机。
[0020] 本实用新型的实施例具有如下优点：
[0021] 通过该自调谐无线充电装置可以实现在谐振状态下进行高效率地能量传输，还可以实现电路失谐时实现自动调整谐振频率以重新回到谐振状态，使得系统能自适应传输距离、负载阻抗等变化而保持谐振状态，从而提高能量无线传输效率等。
附图说明
[0023] 为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0024] 图1示出了本实用新型实施例的自调谐无线充电装置的结构示意图；
[0025] 图2示出了本实用新型实施例的自调谐无线充电装置的发射端的电路结构示意图；
[0026] 图3示出了本实用新型实施例的自调谐无线充电装置的接收端的电路结构示意图。
[0027] 主要元件符号说明：
[0028] 100-自调谐无线充电装置；1-信号源；2-发射谐振单元；
[0029] 3-发射控制单元；4-第一无线通信单元；5-接收谐振单元；
[0030] 6-整流滤波单元；7-电信号检测单元；8-接收控制单元；
[0031] 9-第二无线通信单元；10-充电管理模块；
[0032] 201-功率放大器；202-第一LC谐振回路；203-驱动器。
具体实施方式
[0033] 下面详细描述本实用新型的实施例，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，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
[0034] 需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
[0035] 在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0036] 此外，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。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0037] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在模板的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0038] 实施例1
[0039] 请参照图1，本实用新型实施例提出一种自调谐无线充电装置100，可适用于无线充电产品或设备中，通过该装置可以自动检测电路失谐状态并进行自调谐控制，即在失谐的情况下通过反馈控制来自动改变信号源频率以重新回到谐振状态，不仅可以解决无线充电技术实际应用时系统容易受到干扰而失谐的问题，还可以使系统始终获得较佳的无线传输效率等。
[0040] 下面对该自调谐无线充电装置100的结构进行详细说明。
[0041] 如图1所示，本实施例的自调谐无线充电装置100由两部分组成，分别是发射端和接收端。可以理解，该发射端用于将能量发射出去，而接收端则用于接收由发射端发射出去的该能量，从而实现能量的交换。
[0042] 其中，该发射端主要包括信号源1、发射谐振单元2、发射控制单元3和第一无线通信单元4，该信号源1与发射谐振单元2电性连接，该发射谐振单元2和第一无线通信单元4均与该发射控制单元3电性连接。而该接收端包括接收谐振单元5、整流滤波单元6、电信号检测单元7、接收控制单元8和第二无线通信单元9，该电信号检测单元7和第二无线通信单元9均与该接收控制单元8连接，而该整流滤波单元6用于连接充电负载，以将整流稳压后的电压为充电负载进行充电。可以理解，该发射端通过该发射谐振单元2将能量发射出去，而接收端则通过接收谐振单元5接收所述发射的能量。
[0043] 本实施例中，该信号源1可以是直流电信号源，可以是交流电信号源。例如，若为直流电信号源，该直流信号源主要用于提供向外发射的能量，还用于为该发射端的其他各单元提供工作电压，如发射控制单元3和第一无线通信单元4等。若为交流电信号源，在该信号源1与发射谐振单元2之间还包括用于将交流电转换为直流电并进行滤波的整流滤波电路，故整流滤波后得到的直流电可同样用于提供各单元需要的工作电压及向外发射的能量。
[0044] 本实施例中，该发射谐振单元2与接收谐振单元5配合使用，通过利用近场的电磁场进行能量交换，即发射谐振单元2中的线圈与接收谐振单元5中的线圈之间产生强磁耦合，并在这个强磁耦合区域间将电磁能量进行高效、强密度以及中距离地传输，从而达到无线充电目的。
[0045] 示范性地，该发射谐振单元2包括功率放大器201和第一LC谐振回路202，发射控制单元3经过该功率放大器201和第一LC谐振回路202电性连接。其中，该功率放大器201通过利用其功率管的开关特征，将放大后的直流电变成高频电流加载到LC谐振回路中，从而产生非辐射交变磁场。优选地，该功率放大器201可采用E类功率放大器。例如，如图2所示，该功率放大器201可由电阻R1、R2、稳压管Z1及MOS管Q1等主要器件构成。可以理解，在功率管的驱动电压幅度足够时，该E类功率放大器的传输效率可趋近于100％，即可实现最大效率地传输。而该第一LC谐振回路202则主要包括并联连接的电感L0和电容C0，优选地，该电感L0呈圆形螺线圈状，即为发射线圈，进一步可采用密绕方式，这样可增大强磁耦合区域，并减小漏电感值，进而可提高传输效率。
[0046] 考虑到将采用单片机作为本实施例的发射控制单元3，一般地，由于单片机输出的高频PWM信号的电平大约在3V左右，该电压不足以驱动功率放大器201中的MOS管，进一步地，在功率放大器201与发射控制单元3之间还包括用于对驱动场效应管的PWM信号进行增幅的驱动器203，如可采用如MCP14XX系列或IR2XX系列等的多种类型的驱动芯片，具体如MCP1407、MCP1406、IR2133、IR2210或IR2125等等。例如，如图2所示，该驱动器203采用了IR2210型号的驱动芯片，电容C1和C2用于构成其外围电路。可以理解，该驱动器203具体可根据功率放大器中的MOS管的型号来相应选择。
[0047] 作为一种可选地方案，该发射谐振单元2还可通过罗耶振荡电路或RLC谐振回路等振荡电路来实现。例如，若采用罗耶振荡电路，进一步地，该发射谐振单元2还可包括一升压电路，该升压电路位于信号源1与罗耶振荡电路之间，并与发射控制单元3连接，可用于控制罗耶振荡电路的振荡电压，增加接收端中的接收线圈的感应电压，从而可提高负载的接收功率。示范性地，该升压电路可采用Boost升压电路等。
[0048] 本实施例中，该接收谐振单元5包括第二LC谐振回路，具体地，该第二LC谐振回路与发射谐振单元2中的第一LC谐振回路202的结构与参数完全相同。示范性地，如图3所示，该第二LC谐振回路包括电感L0’和电容C0’，其中电感L0’即为接收线圈。于是，当发射线圈与接收线圈产生耦合并达到谐振状态时，可以将能量最大效率地传输到接收线圈。
[0049] 随后，整流滤波单元6用于将接收谐振单元5接收到的电信号进行整流滤波后稳压，进而用于为可充电负载及接收端的其他各单元提供工作电压，如接收控制单元8、无线通信单元等。示范性地，如图3所示，该整流滤波单元6包括整流桥及滤波电容C3。
[0050] 本实施例中，该接收端还包括电信号检测单元7，该电信号检测单元7用于按照预设时间间隔采样检测接收端接收到的电信号，其中，该电信号可以是电流信号，也可以是电压信号。可以理解，通过对接收端的电流、电压或功率等电参数的大小判断，可进一步判断该电路是否出现失谐现象，进而可根据这些电参数的大小或偏差等进行电路谐振频率的自动调整乖。
[0051] 示范性地，该电信号检测单元7包括至少一采样电阻和A/D转换器，通过该采样电阻从整流滤波单元6的输出端进行电流采样，通过A/D转换器将采样的模拟信号转换成数字信号后送入接收控制单元8中进行相应处理。例如，该预设时间间隔可设为0.5～1秒。
[0052] 考虑到目前的许多单片机都自带有8位或16位等的A/D转换功能，优选地，可采用自带A/D转换功能的单片机作为本实施例的接收控制单元8，如图3所示，通过采样电阻R3连接到接收控制单元8中的ADC端口，这样可不用单独设置一个A/D转换芯片，不仅可以节约设计成本，还可减小电路板占用空间等。
[0053] 本实施例中，该接收控制单元8用于根据电信号检测单元7采样的电信号来计算相邻时刻的电信号变化量，并判断该电信号变化量是否超过预设阈值。若超过该预设阈值，则该接收控制单元8将该电信号变化量发送到发射端。例如，当接收控制单元8检测到某一时刻T1的电流I1与前一时刻T0的电流I0的差值ΔI超过了该预设阈值，则将该差值ΔI通过第二无线通信单元9发送到发射端。
[0054] 可以理解，当该电信号变化量超过预设阈值时，则可判断电路此时进入失谐状态，其失谐原因可能是因为发射线圈与接收线圈的距离发生了改变或者负载阻抗发生了相应的变化等。此时，为防止进入完全失谐状态，该装置将进行谐振频率的自调整以重新进入并保持谐振状态。
[0055] 于是，该发射端的发射控制单元3经第一无线通信单元4接收到该电信号变化量后，将根据该电信号变化量在预设频率范围内按照预设频率间隔对发射谐振单元2进行扫频，并重新获取来自接收端采样得到的电信号变化量，直到该重新获取的电信号变化量满足预设条件，则该发射控制单元3停止扫频。可以理解，发射控制单元3通过输出高频的PWM信号来使发射谐振单元2中的第一LC谐振回路202进行高频震荡，从而产生用于能量传输的交变磁场。
[0056] 示范性地，该发射控制单元3可预先存储有设置好的预设频率范围值和预设频率间隔，例如，若上述的第一LC谐振回路202的固有谐振频率为150KHz，则该预设频率范围可设为100KHz～200KHz，而该预设频率间隔为10KHz、15KHz或20KHz等。进一步地，在获取到该电信号变化量后将按照预设频率间隔在上述的预设频率范围内进行扫频。扫频的同时，该发射控制单元3将获取至少两个由接收端重新采样并计算得到的新的电信号变化量，若满足相邻的两个新的电信号变化量中一个大于零且另一个小于零这一预设条件，则发射控制单元3将停止扫频。
[0057] 可以理解，由于发射控制单元3输出的PWM信号的频率在不断调整，故LC谐振回路的谐振频率也在不断变化。若调整后的电信号变化量呈先增大后减小的趋势，则说明找到了该LC谐振回路的最佳谐振频率，此时可停止扫频。当处于最佳谐振频率时，此时装置将获取较高的能量传输效率。
[0058] 本实施例中，该发射控制单元3与接收控制单元8可采用相同型号的单片机，当然，也可以分别采用不同型号或类型的单片机。示范性地，该单片机可包括但不限于为STM32系列、51系列、MSP430系列、SPCE061A系列、68HC16系列、MCS-96系列或MCS-196系列等不同类型的单片机。例如，如图2和图3所示，该发射控制单元3与接收控制单元8作为MCU，均采用型号为STM32F103的单片机。
[0059] 本实施例中，该发射端的第一无线通信单元和接收端中的第二无线通信单元通过配合使用以建立两端的通信连接。示范性地，如图2所示，本实施例的无线通信单元4和9采用的是红外无线模块。可以理解，该第一和第二仅用于区别无线通信单元的数量。该无线通信单元可包括但不限于为红外无线模块、WIFI模块、蓝牙模块或蜂窝网络模块等，其中，该蜂窝网络模块又可包括但不限于为2G、3G、4G或5G等不同的网络模块。
[0060] 进一步优选地，该接收端还包括用于充电保护的充电管理模块10，具体地，该充电管理模块10位于整流滤波单元6与充电负载之间。示范性地，该充电管理模块10可采用型号不同的充电管理芯片，如TP40XX系列、TP50XX系列的等等。
[0061] 本实用新型实施例的自调谐无线充电装置100，通过实时检测接收端与电信号的变化量并比较是否超过预设阈值，以用于监测判断该电路的失谐状态。当该电路处于谐振状态时，发射端和接收端可进行高效地能量传输，而当监测到失谐状态时，可及时反馈到发射端并进行谐振频率的自动调整以重新回到谐振状态。通过该实时反馈式的电路结构可以使系统能自适应传输距离、负载阻抗的变化等，从而提高了能量的无线传输效率等。
[0062] 在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
[0063] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0064] 以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。
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