具有多负载频率适应性的无线充电系统的制作方法
【专利摘要】一种具有多负载频率适应性的无线充电系统，其初级电能发射装置包括整流滤波电路、DC/DC变换电路、驱动控制电路、逆变电路和发射线圈、信息接收处理电路、谐振补偿电容阵列和谐振补偿电感阵列；所述的次级用电设备装置包括接收线圈、谐振补偿电路、高频整流滤波电路、驱动控制电路、信息管理反馈电路、DC/DC变换电路和电池。初级电能发射装置的信息接收处理电路通过蓝牙无线通信方式接收次级用电设备装置的信息管理反馈电路反馈的特征信息，根据该特征信息控制逆变电路的电能输出频率，以及谐振补偿电容阵列、谐振补偿电感阵列中的电容和电感组合方式，确定初级电能发射装置的工作模式。
【专利说明】具有多负载频率适应性的无线充电系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无线充电装置。
【背景技术】
[0002] 电磁感应式无线充电系统通常由初级电能发射子系统和次级电能接收子系统组 成，初、次级子系统间通过的高频电磁场耦合实现电能的无线传输，由于其电能利用的灵活 性及便捷性，使之得到了广泛应用。
[0003] 公知的无线充电系统的初级电能发射子系统可对一个或多个次级子系统进行有 效的无线充电，但是这样的系统在实际应用中存在若干问题：
[0004] 首先，公知的无线充电系统的初、次级工作频率固定，需要初级电能发射装置与次 级电能接收装置相互对应，系统可移植性、适应性差，不能满足特定谐振频率用电设备的充 电需求。
[0005] 其次，公知的无线充电系统通常能够满足多个相匹配的同一谐振频率用电设备的 同时充电请求，但是对于多个不同谐振频率的用电设备同时充电请求的状况，往往不能满 足不同用电设备的充电功率及效率需求，导致部分或全部用电设备无法充电。
[0006] 公知的电磁感应式无线充电系统如图1所示，包括初级电能发射子系统1和次级 电能接收子系统2两个部分。初级电能发射子系统由驱动控制电路10、功率变换电路11、谐 振补偿电路12及发射线圈13四个部分组成。次级电能接收子系统由接收线圈20、谐振补 偿电路21、驱动控制电路22、功率变换电路23及电池24五个部分组成。次级电能接收子系 统处于初级电能发射子系统的高频电磁场一定范围内时，系统便能实现无线充电过程。上 述的系统是公知的，其结构及功能将不会进一步详细描述。
[0007] 图1所示公知系统往往需要初、次级系统型号相互匹配，才能对用电设备进行有 效充电。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是克服现有的无线充电系统不能满足特定谐振频率用电设备的充 电需求，也不能满足不同谐振频率用电设备同时充电时的功率及效率需求的缺点，提出一 种具有多负载频率适应性的无线充电装置。本发明能够检测用电设备反馈信息产生不同频 率和稳定幅值的交变电磁场，通过不同工作模式的切换同时为多个不同谐振频率的用电设 备同时进行无线充电。
[0009] 本发明由初级电能发射装置和次级用电设备装置两部分组成。所述的初级电能发 射装置由整流滤波电路、DC/DC变换电路、信息接收处理电路、驱动控制电路、逆变电路、谐 振补偿电容阵列、谐振补偿电感阵列，以及发射线圈组成。次级用电设备装置由接收线圈、 谐振补偿电路、信息管理反馈电路、高频整流滤波电路、驱动控制电路、DC/DC变换电路，以 及电池组成。
[0010] 所述初级电能发射装置的整流滤波电路与电网输入电源相连，整流滤波电路的输 出端和DC/DC变换电路输入端连接，将整流后的直流电压输出至DC/DC变换电路。DC/DC变 换电路的输出与逆变电路的输入相连，逆变电路的输出与由谐振补偿电容阵列、谐振补偿 电感阵列、发射线圈三部分串联组成的谐振网络相连。另外，信息接收处理电路与驱动控制 电路相连，驱动控制电路分别与逆变电路、谐振补偿电容阵列、谐振补偿电感阵列相连。信 息接收处理电路接收到次级用电设备装置反馈的功率等级、工作频率、充电状态等特征信 息后，通过驱动控制电路驱动控制逆变电路输出的交变电能的频率及配置谐振补偿电容阵 列、谐振补偿电感阵列的电容值和电感值，确定初级电能发射装置的工作模式。
[0011] 所述次级用电设备装置的接收线圈与谐振补偿电路串联后连接至高频整流滤波 电路的输入，高频整流滤波电路的输出端与DC/DC变换电路的输入端相连，DC/DC变换电路 的输出端与电池相连。另外，接收线圈与驱动控制电路相连为驱动控制电路供电，驱动控制 电路分别与信息管理反馈电路及DC/DC变换电路相连，控制次级用电设备装置向初级电能 发射装置反馈功率等级、工作频率、充电状态等特征信息，并控制DC/DC变换电路向电池的 充电。
[0012] 当次级用电设备装置处于初级电能发射装置的可操作范围内时，即初级电能发射 装置能够检测到次级用电设备装置的反馈信息，并且次级用电设备装置处在能够接收到初 级电能发射装置满足次级用电设备装置充电功率的可操作范围内时，次级用电设备装置的 信息管理反馈电路通过蓝牙无线通信将用电设备的功率等级、工作频率、充电状态信息反 馈到初级电能发射装置的信息接收处理电路，并判断反馈特征信息是否符合初级电能发射 装置所能够提供的最大输出功率及输出频段范围的要求。如果反馈特征信息不符合所述 的要求，则当次级用电设备装置的反馈组合功率等级超过初级电能发射装置最大输出功率 时，初级电能发射装置的驱动控制电路间歇性输出驱动脉冲，控制逆变电路"打嗝"式输出， 此时初级电能发射装置处于逆变电路"打嗝"式输出工作的间歇工作模式；当次级用电设备 装置的反馈频率信息超出初级电能发射装置的工作频率段或出现其他系统故障时，初级电 能发射装置的驱动控制电路停止输出驱动脉冲，控制逆变电路关闭，此时初级电能发射装 置处于故障工作模式。如果次级用电设备装置反馈特征信息符合所述的要求，则判断次级 用电设备装置是否反馈单个频率信息，当次级用电设备装置反馈单个频率信息时，初级电 能发射装置配置投切以适应该频率的谐振补偿电容阵列、谐振补偿电感阵列参数，然后控 制驱动逆变电路产生固定频率、稳定幅值的交变电流，使初级电能发射装置处于固定频率 工作模式为次级用电设备装置充电；当反馈多个频率信息时，初级电能发射装置交替配置 投切以适应多个频率的电容、电感阵列参数，然后交替控制驱动逆变电路产生多个不同频 率、稳定幅值的交变电流，使初级电能发射装置处于交替频率工作模式为多个次级用电设 备装置同时充电。
[0013] 所述的不同工作模式的切换是通过控制投切初级电能发射装置中的谐振补偿电 容阵列及谐振补偿电感阵列中电容、电感的个数，从而改变谐振补偿电容阵列电容值和谐 振补偿电感阵列电感值的大小，使初级电能发射装置的谐振网络谐振频率与次级用电设备 装置相匹配，产生不同频率、稳定幅值的交变电磁场，并通过不同频率交替工作的方式对不 同谐振频率的次级用电设备装置同时充电。
[0014] 所述的谐振补偿电容阵列由多个电容及与之对应的双向可控硅串联，然后再并联 组成。通过双向可控硅控制与之对应的电容的投放和切出：开通双向可控硅即把与之对应 的电容投入到谐振电路中，关断双向可控硅即把与之对应的电容切出到谐振电路外。
[0015] 所述的谐振补偿电感阵列由多个电感及与分别之对应的双向可控硅并联，然后再 串联组成。通过双向可控硅控制与之对应的电容的投放和切出：开通双向可控硅即把与之 对应的电感切出到谐振电路外，关断双向可控硅即把与之对应的电感投入到谐振电路中。
[0016] 所述的谐振补偿电容阵列及谐振补偿电感阵列通过不同的投切组合方式可实现 电容阵列的电容值可调范围为1?999nF、调节精度为InF，电感阵列的电感值可调范围为 1?999uH、调节精度为luH。
[0017] 所述的初级电能发射装置的谐振网络谐振频率f满足
【权利要求】
1. 一种具有多负载频率适应性的无线充电系统，包括初级电能发射装置（3)和次级用 电设备装置（4);所述的初级电能发射装置（3)包括整流滤波电路（30)、DC/DC变换电路 (31)、驱动控制电路（33)、逆变电路（34)和发射线圈（37);所述的次级用电设备装置（4) 包括接收线圈（40)、谐振补偿电路（41)、高频整流滤波电路（43)、驱动控制电路（44)、DC/ DC变换电路（45)和电池（46)，其特征在于，所述的初级电能发射装置（3)还包括信息接收 处理电路（32)、谐振补偿电容阵列（35)和谐振补偿电感阵列（36);所述的次级用电设备装 置（4)还包括信息管理反馈电路（42); 所述的初级电能发射装置（3)的整流滤波电路（30)与电网输入电源相连，整流后的直 流电压输出至DC/DC变换电路（31) ;DC/DC变换电路（31)的输出与逆变电路（34)的输入 相连；逆变电路（34)的输出与由谐振补偿电容阵列（35)、谐振补偿电感阵列（36)、发射线 圈（37)三部分串联组成的谐振网络相连；信息接收处理电路（32)与驱动控制电路（33)相 连；驱动控制电路（33)的输出分别与逆变电路（34)、谐振补偿电容阵列（35)、谐振补偿电 感阵列（36)相连；信息接收处理电路（32)接收次级用电设备装置（4)反馈的功率等级、工 作频率和充电状态信息，通过驱动控制电路（33)驱动控制逆变电路（34)输出交变电能的 频率，以及配置谐振补偿电容阵列（35)、谐振补偿电感阵列（36)的电容值和电感值，确定 初级电能发射装置（3)的工作模式； 所述的次级用电设备装置（4)的接收线圈（40)与谐振补偿电路（41)串联后连接至高 频整流滤波电路（43)的输入端，高频整流滤波电路（43)的输出端与DC/DC变换电路（45) 的输入端相连；DC/DC变换电路（45)的输出端与电池（46)相连；接收线圈（40)与驱动控 制电路（44)相连；驱动控制电路（44)分别与信息管理反馈电路（42)及DC/DC变换电路 (45)相连，驱动控制电路（44)控制次级用电设备装置（4)向初级电能发射装置（3)反馈功 率等级、工作频率、充电状态，并控制DC/DC变换电路（45)向电池（46)充电。
2. 根据权利要求1所述的具有多负载频率适应性的无线充电系统，其特征在于：所述 的信息接收处理电路（32)通过蓝牙无线通信方式接收次级用电设备装置（4)的信息管理 反馈电路（42)反馈的特征信息，反馈至初级电能发射装置（3)，根据反馈信息确定初级电 能发射装置（3)的工作模式。
3. 根据权利要求2所述的具有多负载频率适应性的无线充电系统，其特征在于：当所 述的次级用电设备装置（4)的反馈组合功率等级超过初级电能发射装置（3)的最大输出 功率时，初级电能发射装置（3)的驱动控制电路（33)间歇性输出驱动脉冲，控制逆变电路 (34) "打嗝"式输出，初级电能发射装置（3)处于逆变电路（34) "打嗝"式输出的间歇工作 模式； 次级用电设备装置（4)反馈单个频率信息时，初级电能发射装置（3)处于固定频率工 作模式； 次级用电设备装置（4)反馈多个频率信息时，初级电能发射装置（3)交替配置投切以 适应多个频率的谐振补偿电容阵列（35)、谐振补偿电感阵列（36)的参数，然后交替控制驱 动逆变电路（34)产生多个不同频率、稳定幅值的交变电流，使初级电能发射装置（3)处于 交替频率工作模式，同时为多个不同谐振频率的用电设备充电； 次级用电设备装置（4)反馈频率信息超出初级电能发射装置（3)的工作频率段或其他 系统故障时，初级电能发射装置（3)的驱动控制电路（33)停止输出驱动脉冲，控制逆变电 路（34)关闭，此时初级电能发射装置（3)处于故障工作模式。
4. 根据权利要求1所述的具有多负载频率适应性的无线充电系统，其特征在于：所述 的谐振补偿电容阵列（35)由多个电容及与之对应的双向可控硅串联，然后再并联组成；开 通双向可控硅即把与之对应的电容投入到谐振电路中，关断双向可控硅即把与之对应的电 容切出到谐振电路外。
5. 根据权利要求4所述的具有多负载频率适应性的无线充电系统，其特征在于：所 述的谐振补偿电容阵列（35)由12个电容值分别为1、2、4、8、10、20、40、80、100、200、400、 800nF的电容及与之对应的12只双向可控硅串联，然后再并联组成；该电容阵列的电容值 可调范围为1?999nF、调节精度为InF。
6. 根据权利要求1所述的具有多负载频率适应性的无线充电系统，其特征在于：所述 的谐振补偿电感阵列（36)由多个电感及与之对应的双向可控硅并联，然后再串联组成；开 通双向可控硅即把与之对应的电感切出到谐振电路外，关断双向可控硅即把与之对应的电 感投入到谐振电路中。
7. 根据权利要求4或6所述的具有多负载频率适应性的无线充电系统，其特征在于： 所述的双向可控硅以切换频率4切换双向可控硅的开关状态，使发射线圈（37)中交替产 生不同频率、稳定幅值的交变电流，满足多个不同谐振频率的次级用电设备装置（4)同时 充电的要求；所述双向可控硅的切换频率f s小于多个频率中最小频率fmin的1/10。
8. 根据权利要求6所述的具有多负载频率适应性的无线充电系统，其特征在于：所 述的谐振补偿电感阵列（36)由12个电感值分别为1、2、4、8、10、20、40、80、100、200、400、 800uH的电感及与之对应的双向可控硅并联，然后再串联组成；该电感阵列的电感值可调 范围为1?999uH、调节精度为luH。
9. 根据权利要求1所述的具有多负载频率适应性的无线充电系统，其特征在于：所述 的驱动控制电路（33)控制逆变电路（34)的工作频率，并控制谐振补偿电容阵列（35)、谐振 补偿电感阵列（36)在发射线圈（37)中产生不同频率、稳定幅值的交变电流，初级电能发射 装置（3)的谐振网络谐振频率f满足
，其中L为谐振补偿电感阵列（36)的电感 值与发射线圈（37)电感值之和，C为谐振补偿电容阵列（35)的电容值。
【文档编号】H02J17/00GK104218640SQ201410437036
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】陶成轩, 王丽芳, 廖承林, 郭彦杰 申请人:中国科学院电工研究所