太阳能电动自行车无线充电系统及方法与流程

本发明涉及智能交通技术领域，具体而言，涉及一种太阳能电动自行车无线充电系统及方法。

背景技术：

现有的电动自行车充电器大多都是有线充电器，有线连接的充电方式在一定程度上增加了电动自行车充电的麻烦，频繁的插拔也有着潜在的安全隐患。随着科学技术的发展，太阳能作为环保能源越来越多地应用于人们的生活中，因此太阳能的应用无疑具有广阔的应用前景。传统的用于无线传输的逆变技术存在较大的功率损耗，如半桥逆变和全桥逆变；由于磁耦合谐振的特点，传输距离的改变，对系统传输效率的影响很大，实际情况中，很难持续保持最大效率传输。并且结合太阳能的电动自行车无线充电还没有具体的实现方法。

推挽式E类放大器在无线电能传输系统中占有巨大的优势，通过使用零电压开通(ZVS)技术，理论转换效率可达到100％，相对于传统的半桥逆变以及全桥逆变，在效率上有很大的改善；使用超声波传感器一直检测发射谐振体和接收谐振体之间的距离，当传输距离改变时，系统及时反馈改变谐振频率，使两个谐振体一直保持强耦合状态，实现了持续最大效率传输；在不需要进行无线充电时，把太阳能储存在一个备用蓄电池中，在夜晚或者光照条件不足的条件下，可以使用备用蓄电池进行供电，可以实现太阳能利用的最大化。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种太阳能电动自行车无线充电系统，以实现利用太阳能对电动自行车进行无线充电，从而为人们的生活提供极大的便利。

本发明的另一目的在于提供一种太阳能电动自行车无线充电方法，以实现利用太阳能对电动自行车进行无线充电，从而为人们的生活提供极大的便利。

为了实现上述目的，本发明实施采用的技术方案如下：

第一方面

一种太阳能电动自行车无线充电系统，应用于利用太阳能对电动自行车电池进行无线充电，包括太阳能无线充电桩部分和电动自行车无线充电器部分，

太阳能无线充电桩部分包括处理器、太阳能电池板、蓄电池、推挽式E类放大器、发射谐振体、超声波传感器

电动自行车无线充电器部分包括接收谐振体、电压匹配电路；

所述太阳能电池板用于将接收到的太阳能转换成直流电能，并将转换后的所述直流电能输入至所述推挽式E类放大器；

所述推挽式E类放大器用于将获得的所述直流电能转换为交流电能，并将所述交流电能输入至所述发射谐振体，所述发射谐振体将所述交流电能转化为电磁能发射至所述接收谐振体；

所述超声波传感器用于测量所述发射谐振体与所述接收谐振体之间的距离，并将测得的距离值发送至所述处理器；

所述处理器用于根据所述距离值得出当前谐振频率，所述处理器还用于控制所述推挽式E类放大器产生所述当前谐振频率的交流电能；

所述接收谐振体用于把接收到的电磁能转化为交流电能，并将所述交流电能传输至所述电压匹配电路；

所述电压匹配电路用于对所述交流电能进行处理后对所述电动自行车进行充电。

第二方面

一种太阳能电动自行车无线充电方法，应用于太阳能电动自行车无线充电系统，且对电动自行车电池进行充电，所述系统包括太阳能无线充电桩部分和电动自行车无线充电器部分，所述太阳能无线充电桩部分包括处理器、推挽式E类放大器、太阳能电池板、超声波传感器和发射谐振体，所述电动自行车无线充电器部分包括接收谐振体和电压匹配电路，所述方法包括：

使用所述推挽式E类放大器将所述太阳能电池板输出的直流电能转换为交流电能；

通过所述超声波传感器测得所述发射谐振体与所述接收谐振体的距离值；

所述处理器根据预存的所述距离值和谐振频率值的映射关系计算得出所述距离值对应的谐振频率值；

所述推挽式E类放大器根据所述谐振频率值输出交流电能至所述发射谐振体；

所述发射谐振体将所述交流电能传输至所述接收谐振体；

所述接收谐振体将接收的交流电能经所述电压匹配电路调节后对所述电动自行车电池进行充电。

本发明实施提供的一种太阳能电动自行车无线充电系统及方法，所述太阳能电动自行车无线充电方法应用于该太阳能电动自行车无线充电系统。所述太阳能电动自行车无线充电系统包括两部分：太阳能无线充电桩部分和电动自行车无线充电器部分；

太阳能无线充电桩部分包括处理器、太阳能电池板、蓄电池、推挽式E类放大器、发射谐振体、超声波传感器

电动自行车无线充电器部分包括接收谐振体、电压匹配电路、以及电动自行车电池；

所述太阳能电池板用于将接收到的太阳能转换成直流电能，并将转换后的所述直流电能输入至所述推挽式E类放大器；

所述推挽式E类放大器用于将获得的所述直流电能转换为交流电能，并将所述交流电能输入至所述发射谐振体，所述发射谐振体将所述交流电能转化为电磁能发射至所述接收谐振体；

所述超声波传感器用于测量所述发射谐振体与所述接收谐振体之间的距离，并将测得的距离值发送至所述处理器；

所述处理器用于根据所述距离值得出当前谐振频率，所述处理器还用于控制所述推挽式E类放大器产生所述当前谐振频率的交流电能；

所述接收谐振体用于把接收到的电磁能转化为交流电能，并将所述交流电能传输至所述电压匹配电路；

所述电压匹配电路用于对所述交流电能进行处理后对所述电动自行车进行充电。

通过本发明实现了利用太阳能对电动自行车进行无线充电，使用蓄电池能够更充分的利用太阳能，一定程度上，避免了光照条件不足的情况；结合了零电压开通特性的推挽式E类放大器的应用，也将大大增加系统传输效率；根据磁耦合谐振的特性，当发射谐振体和接收谐振体处的距离处于强耦合范围内时，系统谐振频率会表现出频率分裂的特性，即系统的传输效率会在两个不同的频率点出现峰值，当然这两个峰值也不是完全相等的。随着传输距离由近到远变化，两个谐振频率点会相互靠近，直到最后重合到一起，此时的传输距离也就是最大传输距离。由于在实际应用中，不同用户不能保证进行无线充电时传输距离都相同，因此系统通过检测实际发射谐振体与接收谐振体之间的距离，处理器根据实际的传输距离查找对应的谐振峰值点，控制改变推挽式E类放大器的驱动信号频率，来动态的改变交流电源的频率适应不同距离的无线传输，实现谐振频率追踪，保证最大效率传输。频率追踪方法的应用，使无线充电系统传输效率更高，且变得更加灵活。本发明再能源利用和用电安全方面具有重要的意义。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发明的某些实施例，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。

图1示出了本发明实施例提供的一种太阳能电动自行车无线充电系统的结构示意图。

图2示出了本发明实施例提供的推挽式放大器的电路原理图。

图3示出了本发明实施例提供的一种太阳能电动自行车无线充电系统的电压匹配电路的结构示意图。

图4示出了本发明实施例提供的接收谐振体、电压匹配电路的电路原理图。

图5示出了本发明实施例提供的充电电流检测的电路原理图。

图6示出了本发明实施例提供的一种太阳能电动自行车无线充电方法的流程示意图。

图示：10-太阳能电动自行车无线充电系统；110-太阳能电池板；120-蓄电池；140-处理器；150-推挽式E类放大器；170-超声波传感器；180-发射谐振体；190-接收谐振体；200-充电管理模块；210-电动自行车电池；201-整流桥；202-接收端DC-DC转换器；220-储能端DC-DC变换器；230-电压匹配电路；240-变压器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在实际生活中，电动自行车常常通过有线连接充电桩，进而充电桩利用市电220V对电动自行车进行充电，因此本发明实施例提供的太阳能电动自行车无线充电系统10也可以应用于充电桩和电动自行车。

请参照图1，是本发明实施例提供的一种太阳能电动自行车无线充电系统10的结构示意图。该太阳能电动自行车无线充电系统10用于对电动自行车电池210进行充电。该太阳能电动自行车无线充电系统10包括太阳能无线充电桩部分和电动自行车无线充电器部分，该太阳能无线充电桩部分包括太阳能电池板110、处理器140、推挽式E类放大器150、超声波传感器170、发射谐振体180，该电动自行车无线充电器部分包括接收谐振体190、充电管理模块200以及电压匹配电路230。

该太阳能电池板110、推挽式E类放大器150和发射谐振体180依次连接，处理器140与推挽式E类放大器150和超声波传感器170均连接。该发射谐振体180和接收谐振体190无线连接，接收谐振体190、电压匹配电路230以及电动自行车电池210依次连接，充电管理模块200与电压匹配电路230以及电动自行车电池210均连接。

该太阳能电池板110用于将接收到的太阳能转换成直流电能，并将转换后的直流电能发送至推挽式E类放大器150。

该推挽式放大器150用于将接收到的直流电能转换为交流电能。该推挽式放大器150在满足ZVS(zero-voltage switching,零电压开关)的条件时，传输效率可达100％。该ZVS指当开关从关断状态转变为导通状态时，集电极或者漏极的电压等于零。同时，在输入相同直流电压下，推挽式放大器150的输出功率是普通E类放大器的输出功率的4倍左右(随实际参数的变化会有所不同)，容易理解的，当输出功率一定时，推挽式放大器150需要输入的直流电压将比单E类放大器需要输入的直流电压更低，进而与推挽式放大器150连接的元器件所承受的电压应力也相应地降低，大大降低了对器件参数的要求，元器件负担更小。

如图2所示，是本发明实施例提供的推挽式放大器150的电路原理图。推挽式放大器150是一种基于E类放大器的新型逆变器。将两个E类放大器对称的组合在一起，L1、L2为高频扼流电感，C1、C2为旁路电容，L为谐振电感，C为谐振电容，开关管S1与S2共同承担谐振电压的峰峰值，交替为负载提供高频电流，可实现更大的输出功率，该电路的直流电压源Vd直接由太阳能电池板110提供。推挽式放大器150将直流电能转换为交流电能后，将该交流电能传输至发射谐振体180。

超声波传感器170用于测量发射谐振体180与接收谐振体190之间的距离得到距离值，即当电动自行车停靠于太阳能无线充电桩时，发射谐振体180与接收谐振体190之间的距离。同时，超声波传感器170将该距离值发送至处理器140。

处理器140根据接收到的距离值查找对应的谐振频率值，具体为，处理器140内预存储有预设距离值及该预设距离值对应的谐振频率值，如预设距离值为5cm，对应的谐振频率为100Hz，预设距离值为3cm，对应的谐振频率值为200Hz。处理器140将接收到的距离值与预设距离值进行比较，当所述距离值与预设距离值一致时，则处理器140根据该预设距离值对应的谐振频率值控制推挽式E类放大器150发出交流电能至发射谐振体180，发射谐振体180将接收到的交流电能传输至接收谐振体190。如，接收到的距离值为5cm，此时接收到的距离值与预设距离值5cm一致且预设距离值5cm对应的谐振频率值为100Hz，则处理器140根据该谐振频率值100Hz控制推挽式E类放大器150按照100Hz的谐振频率向发射谐振体180传输交流电能。

其中，发射谐振体180将接收到的交流电能转换为电磁能，采用磁耦合谐振式将电磁能传输至接收谐振体190，磁耦合谐振式的传输结构为4线圈结构，两端的线圈为匹配线圈，中间两个线圈为谐振线圈，当高频交流电源频率与发射谐振体的自谐振频率和接收谐振体的自谐振频率相同时，所述发射谐振体和所述接收谐振体将产生谐振，此时传输效率最大。

接收谐振体190将接收到电磁能转换为交流电能后传输至电压匹配电路230，电压匹配电路230对交流电能进行处理后传输至电动自行车电池210，对电动自行车210进行充电。其中，充电管理模块200与电压匹配电路230和电动自行车电池210均连接，充电管理模块200用于采集电动自行车电池210的充电电压和充电电流，并将采集到的充电电压和电流反馈至电压匹配电路230，以便于电压匹配电路230能根据电动自行车电池210的实时电压和电流进行调节。具体为，请参照图3，是本发明实施例提供的电压匹配电路230的结构示意图。

该电压匹配电路230包括整流桥201和接收端DC-DC转换器202，该整流桥201与接收谐振体190和接收端DC-DC转换器202均连接，该接收端DC-DC转换器202与电动自行车电池210连接。

整流桥201将接收谐振体190传输的交流电能转换为直流电能并将该直流电能传输至接收端DC-DC转换器202。接收端DC-DC转换器202将接收的直流电能转换为电动自行车电池210的额定电压对电动自行车电池210进行充电。

请参照图4，是本发明实施例提供的接收谐振体190、电压匹配电路230的电路原理图。接收谐振体190的电压为高频交流电，经过整流桥201整流，电容C1滤波之后得到直流电压，得到的直流电压直接输入变压器240的一次侧，使用R1、C2和D1组成了RCD漏感吸收电路，当开关器件开通时，变压器240存储能量，负载能量由电容C3放电提供；当开关器件关断时，变压器240二次侧释放能量，输出连接D2，经过电容C3滤波输出到电动自行车电池210，其中D2和D3都是防止电流逆流。在电动自行车电池210处设置了充电电流检测点，通过检测充电电流大小才能实现闭环恒流充电。同时，电路负载处也设置了充电电压检测点，通过检测当前充电电压实现闭环恒压充电。

请参照图5，是本发明实施例提供的充电电流检测点的电路原理图。该电路的输入信号为充电电流监测点的输入电压，电路的输出信号为电路当前充电电流大小。

太阳能电池板110通常在天气晴朗的情况下接收太阳能转换为直流电能的效率较高，进而对电动自行车的电池210进行充电。但是在下雨或是阴天情况下，由于太阳能较少，因此太阳能电池板110正常工作效率低，因此有必要在太阳能充足的情况下，及时储备电能，以使得在没有太阳的天气，该太阳能电动自行车无线充电系统10也能正常使用。

该太阳能电动自行车无线充电系统10还包括蓄电池120和储能端DC-DC转换器220。处理器140与太阳能电池板110和蓄电池120均连接，蓄电池120、储能端DC-DC转换器220、太阳能电池板110依次连接。

在太阳能电池板110没有对电动自行车电池210充电的情况下，太阳能电池板110将太阳能转换成直流电能传输至蓄电池120进行存储。具体为，处理器140用于检测蓄电池120的电压，当蓄电池120的实际电压与蓄电池120的额定电压相差大于1V时，表明蓄电池120不是满电量。处理器140还用于检测太阳能电池板110是否处于放电状态，若太阳能电池板110没有处于放电状态且蓄电池120不是满电量时，处理器140控制太阳能电池板110为蓄电池120充电，直到蓄电池120的实际电压等于额定电压后停止充电。当处理器140控制太阳能电池板110给蓄电池120进行充电时，储能端DC-DC转换器220用于调节太阳能电池板110的输出电压，使得太阳能电池板110的输出电压略大于蓄电池120的电压以便于对蓄电池120进行充电。

该蓄电池120还与推挽式E类放大器150连接，推挽式E类放大器150与太阳能电池板110连接并用于对电动自行车电池210充电时，推挽式E类放大器150与蓄电池120之间断开，且处理器140检测太阳能电池板110的输出电压和输出电流并计算得出输出功率，当发现太阳能电池板110的输出功率小于电动自行车电池210充电所需最大功率值时，表明太阳能电池板110输出功率不足，处理器140控制蓄电池120与推挽式E类放大器150连接，同时推挽式E类放大器150与太阳能电池板110之间断开。处理器140检测蓄电池120的输出功率，如果蓄电池120的输出功率小于电动自行车电池210充电所需最大功率值，表明蓄电池120输出功率不足。处理器140控制切断蓄电池120与推挽式E类放大器150的连接并产生提示信息，提示用户该充电桩暂时不能用于充电，

如图6所示，是本发明实施例提供的太阳能电动自行车无线充电方法的流程图，该太阳能电动自行车无线充电系统方法应用于太阳能电动自行车无线充电系统10，所述系统包括太阳能无线充电桩部分和电动自行车无线充电器部分，所述太阳能无线充电桩部分包括处理器140、推挽式E类放大器150、太阳能电池板110、超声波传感器170和发射谐振体180，所述电动自行车无线充电器部分包括接收谐振体190和电压匹配电路230以及电动自行车电池210，所述方法包括

步骤S120，使用所述推挽式E类放大器将所述太阳能电池板输出的直流电能转换为交流电能。

在本发明实施例中，步骤S120可以由推挽式E类放大器150执行。

步骤S130，通过所述超声波传感器测得所述发射谐振体与所述接收谐振体的距离值。

在本发明实施例中，步骤S130可以由超声波传感器170执行。

步骤S140，所述处理器根据预存的所述距离值和谐振频率值的映射关系计算得出所述距离值对应的谐振频率值。

在本发明实施例中，步骤S140可以由处理器140执行。

步骤S150，所述推挽式E类放大器根据所述谐振频率值输出交流电能至所述发射谐振体。

在本发明实施例中，步骤S150可以由推挽式E类放大器150执行。

步骤S160，所述发射谐振体将所述交流电能传输至所述接收谐振体。

在本发明实施例中，步骤S160可以由发射谐振体180执行。

步骤S170，所述接收谐振体将接收的交流电能经所述电压匹配电路调节后对所述电动自行车电池进行充电。

在本发明实施例中，步骤S170可以由接收谐振体190执行。

该太阳能电动自行车无线充电系统10还包括蓄电池120，该太阳能电动自行车无线充电方法还包括：

步骤S110，所述处理器用于检测所述太阳能电池板是否处于放电状态以及所述蓄电池是否处于满电量的状态，当所述太阳能电池板不处于放电状态且所述蓄电池不处于满电量状态，所述处理器控制所述太阳能电池板对所述蓄电池进行充电

在本发明实施例中，步骤S110可以由处理器140执行。

综上所述，本发明实施例提供了一种电动自行车无线充电系统级方法，该电动自行车无线充电方法应用于该电动自行车无线充电系统，该电动自行车无线充电系统包括太阳能电池板、蓄电池、电池管理模块、处理器、推挽式放大器、发射谐振体、接收谐振体、控制端、超声波传感器、充电管理模块和电池。

太阳能电池板用于接收太阳能并将太阳能转换为直流电能，一方面将多余的太阳能转换为直流电能后存储于蓄电池以在没有太阳的情况下使用蓄电池对电池进行充电。同时，电池管理模块实时监测蓄电池的电量，在蓄电池的电量不足的情况下向处理器发送提示信号，处理器响应该提示信号检测太阳能电池板是否处于放电状态，当太阳能电池板没有处于放电状态时，处理器则控制太阳能电池板对蓄电池进行充电。

另一方面太阳能电池板将太阳能转换为直流电能后，主要发送至推挽式放大器，推挽式放大器将接收到的直流电能转换为交流电能，并将该交流电能发送至发射谐振体。超声波传感器检测发射谐振体和接收谐振体之间的距离，并将该距离值发送至控制端，控制端根据该距离值查找对应的谐振频率值，进而控制端根据该谐振频率值控制发射谐振体按照此谐振频率值传输交流电能接收谐振体。接收谐振体将接收的交流电能传输至充电管理模块，充电管理模块包括整流桥和调节模块，整流桥将交流电能转换为直流电能，调节模块调节该直流电能对电池进行充电。进而完成了对电动自行车无线充电，极大地方便了人们的生活。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。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。