无线充电系统的制作方法

本实用新型属于无线充电领域，尤其涉及一种可实现最大充电效率的无线充电系统。

背景技术：

以为电动汽车充电为例，传统的有线充电方式充电时间较长，一般慢充需要6-8个小时，并且需要驾驶人员自己操作充电的过程。由于电动汽车充电过程中存在高压和大电流，对人身安全本身存在潜在的危险性，在阴雨天的户外充电中，由于漏电可能导致的安全性问题则更加突出。另外，由于目前电动汽车的电池，续航里程还有限，因此充电的频率较高，每次开始充电和充电完成都需要人为插拔充电插头，这些都会使用户感觉非常不方便。

相比于传统的有线充电模式，无线充电模式有着很多的优点：如充电设备占地小、充电便利性高，充电设施可无人值守、后期维护成本低等优势，在相同的占地面积下，相比于传统的充电桩充电，使用无线充电可以充电的电动汽车数量有所提升，增大了空间利用率；而且同时具有节约能源、保护环境的功能。随着电能无线传输技术的不断发展成熟，无线充电系统能够输出的功率不断提升，无线供电的效率也在不断提高，相对于传统有线供电来说，其便利性和安全性等优势表现的越来越突出。因此，无线充电在电动汽车上的应用将会是未来的必然发展潮流和趋势。

为了解决无线充电的对准问题，行业一般采用两种方法。一是采用驾驶员通过泊车系统的帮助，使车上的接收线圈和地上的发射线圈对准。这种方法需要特殊的视觉对准系统，并且司机每次充电进行对准的行为也十分繁琐，使用非常不方便，并且也增加了车辆本身的成本。另一种方法是增加发射端线圈的个数，发射端的线圈是多个线圈构成的线圈组，系统可以根据电动汽车的泊车位置，让最靠近接收线圈的发射线圈工作，从而实现一定程度的对准。但是，这种方法需要大幅度增加线圈的个数，会导致成本急剧增加，并且由于线圈没有覆盖到的地方，还会有盲区存在，这种方法也存在相当的局限性。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型提供了无线充电系统，该实用新型通过无线发射单元的移动，实现无线发射单元与无线接收单元的自动定位，使无线充电达到最大效率。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种无线充电系统，包括连接电网的无线发射单元，以及可与无线发射单元实现电能和通讯信号传输的无线接收单元，无线接收单元安装于负载上，

无线发射单元包括发射端以及可在发射端控制下带动无线发射单元移动的移动装置；发射端包括可发射电能的发射线圈，可接收无线接收单元中通讯信号的通讯接收模块，以及可对通讯接收模块中接收到的信号进行处理的发射端微控制器；

无线接收单元包括可接收发射线圈电能的接收线圈，可采集接收线圈从电磁场中拾取能量获得的输出电压信号的采样器，可将采样器中采集到的电压信号传送至通讯接收模块的通讯发射模块，连接采样器的接收端微控制器，以及可为负载充电的DC/DC稳压电路，采样器采集到的电压信号分为基准电压信号和判断电压信号，判断电压信号为相对于基准电压信号的下一次电压采集信号；

其中，发射端微控制器包括判断模块以及可为移动装置提供驱动指令的控制模块，判断模块用于判断基准电压值与判断电压值的大小并形成判断信号，判断信号发送至控制模块，控制模块根据判断信号发出控制和驱动信号，以驱动移动装置的移动。

作为本实用新型的进一步优化，无线发射单元还包括顺次相连的发射端整流滤波电路和逆变电路；无线接收单元还包括接收端整流滤波电路，接收端整流滤波电路连接在接收线圈的输出端。

一种无线充电方法，使用上述的无线充电系统，包括以下步骤：

启动无线充电系统并闭锁无线发射单元中的DC/DC模块，安装于负载上的无线接收单元获取接收端整流后的电压信号，采样器采集该电压信号，该电压信号经过接收端微控制器和无线通信发射模块转换并发送至发射端的无线通信接收模块；

发射端的通信接收模块接收到该初始电压值并发送至发射端微控制器，发射端微控制器中的判断模块将该初始电压值设定为判断电压值并形成判断信号，控制模块根据判断信号驱动移动装置向预设移动方向按照预设移动距离移动；

无线发射单元在新的位置处通过发射线圈发送电能，无线接收单元中的接收线圈接受该发送电能，采样器采集接收线圈拾取磁场能量形成的整流后电压信号，该信号经过接收端微控制器转换发送至发射端；

发射端的通信接收模块接收到该电压信号并发送至发射端微控制器，发射端微控制器中的判断模块将该次采集的电压值设定为判断电压值，并比较判断电压值与基准电压值的大小形成判断信号发送至控制模块，然后判断模块将判断电压值赋值至基准电压值形成新的基准电压值；

当判断信号为基准电压值小于判断电压值时，则控制模块驱动移动装置向预设移动方向按照预设移动距离移动；当判断信号为基准电压值不小于判断电压值时，则控制模块驱动移动装置向与预设移动方向反向的方向按照预设移动距离移动；

重复上述采样器的采集、发射端微控制器中判断模块和控制模块作用的步骤当判断信号为基准电压值接近等于判断电压值时，则控制模块驱动移动装置停止移动。同时解锁无线发射接收单元中的DC/DC模块，系统正常工作开始进行正常的无线能量传输。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：

1、本实用新型的无线充电系统通过检测接收单元在电磁场中拾取能量获得输出电压增益来获得无线发射单元与无线接收单元的相对位置信息，这种方法具有简单、方便、可靠的优点，避免了额外增加过多的昂贵的设备(比如高清晰的摄像头，高精度的传感器等)。

2、本实用新型的无线充电方法，在不清楚准确的输出电压增益的情况下，可以通过算法自动寻找最大的输出增益点，从而确定为发射单元与接收单元的对准位置，具有更好的适应性和通用性。

3、通过移动无线发射单元，而不是移动无线接收单元(通常与负载或设备相连)，可以获得更好的用户体验，避免需要人为的太多的干预，彻底的实现了系统智能化。

4、本实用新型可以实现无线充电系统的精确对准，可以获得最大的系统效率，对于大功率系统而言，在节能环保效果上具有明显的优势。

本实用新型的无线充电系统应用于电动汽车的充电时，不仅适用于前文所述将无线接收单元安装于电动汽车的前部或后侧，也可以安装于包括底部等任意的位置，而仅需要更改设备的安装形式和方式即可。另外本实用新型的无线充电系统和方法不仅可以应用于电动汽车的无线充电中，也可以引用于工业机器人、海工装备等各类用电设备中，上述应用领域也应该是本专利的保护范围。

附图说明

图1为发射线圈和接收线圈之间的距离与传输电能大小的示意图；

图2为本实用新型无线充电系统的方框示意图；

图3为使用本实用新型无线充电系统的电动汽车的示意图；

图4为本实用新型无线充电方法的实施例流程图。

以上各图中：1、电动汽车；2、停车车位；3、无线接收单元；4、无线发射单元。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本实用新型进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在对本实用新型说明之前，进一步结合图1说明本实用新型的工作原理，图1中显示，当发射线圈与接收线圈对准时，接收线圈接收到的电压值最大，且当距离越近，则接收电压值越大。具体的，图1为无线充电系统的无线发射端与无线接收端在某一方向上对准距离与输出电压的关系图。当无线充电系统的无线发射端与无线接收端在X轴的方向上对准时，即在X轴0点处，无线电能传输系统可以获得最大的电压增益，意即对应着输出电压(通常为接收侧整流后直流电压Vrect)的极点最大值。据此，当拾取电压对应为极点最大值时，可以判定为发射线圈和接收线圈在该方向上对准。当发射线圈和接收线圈中心位置相对对准时，整个无线电能传输系统可以获得最大效率，这一点对于电动汽车等大功率无线电能传输系统的能效要求非常重要。

参见图2，是本实用新型无线充电系统的方框示意图。如图2所示，本实用新型的无线充电系统，包括从电网中接收电能的无线发射单元，以及可与无线发射单元实现电能和通讯信号传输的无线接收单元，无线接收单元安装于待充电负载上，无线发射单元接收电网中电能，经过电能转换模块转化为符合充电标准的交流电，并将该交流电发射至无线接收单元，无线接收单元通过无线接收端的电能转换模块转换成适用于负载要求的电能，为待充电负载充电。

继续如图2所示，无线发射单元包括发射端和可在发射端控制下带动无线发射单元移动的移动装置；发射端包括可发射电能的发射线圈，可接收无线接收单元中通讯信号的通讯接收模块，以及可对通讯接收模块中接收到的信号进行处理的发射端微控制器，发射端微控制器电连接通讯接收模块；无线接收单元包括可接收发射线圈电能的接收线圈，可采集接收线圈从电磁场中拾取能量获得的输出电压信号的采样器，可将采样器中采集到的电压信号传送至通讯接收模块的通讯发射模块，连接采样器的接收端微控制器，以及可为负载充电的DC/DC稳压电路，接收线圈的输出端连接有接收端整流滤波电路，采样器的输入端连接接收端整流滤波电路，采样器的输出端连接接收端微控制器，接收端微控制器的输出端连接通讯发射模块，采样器采集到的电压信号分为基准电压信号和判断电压信号，判断电压信号为相对于基准电压信号的下一次电压采集信号，即基准电压信号与判断电压信号均为采样器采集的电压信号，但是基准电压信号为判断电压信号的上一次电压采集值。

通过上述无线发射单元中发射线圈与无线接收单元中接收线圈的设置，实现了无线发射单元与无线接收单元之间电能的无线传输；无线接收单元中通讯发射模块与无线发射单元中通讯接收模块的设置，实现了通讯信号从无线接收单元向无线发射单元的反馈，但是此处需要注意的是，上述通讯发射模块与通讯接收模块其均可实现双向信号传递，并非单一的信号传递。

上述发射端微控制器包括判断模块以及可为移动装置提供驱动指令的控制模块，判断模块用于判断基准电压值与判断电压值的大小并形成判断信号，判断信号发射至控制模块，控制模块根据判断信号驱动移动装置的移动的方向。

继续参见图2，无线发射单元还包括发射端电能转换模块，发射端电能转换模块连接在电网输出端与发射线圈之间，发射端电能转换模块包括顺次相连的发射端整流滤波电路和逆变电路；无线接收单元还包括接收端电能转换模块，接收端电能转换模块包括接收端整流滤波电路，以及控制负载功率输出的DC/DC稳压电路，可控制DC/DC模块的解锁与闭锁，接收端整流滤波电路连接在接收线圈的输出端。另外，上述接收端微控制器电连接采样器，以将采样器中采集的模拟电压信号转换为数字电压信号。

另外，本实用新型中的移动装置其只要能实现移动即可，不限定使用现有技术中的移动机构，但是为了使本实用新型更具有实用性，举例予以说明的移动装置如下，移动装置包括可接收发射端微控制器驱动信号的驱动器，以及由驱动器控制转动的丝杆，发射线圈套设在丝杆上，丝杆转动带动发射线圈的移动。

本实用新型的无线充电系统，应用范围广，可适用于使用无线充电的电动汽车、工业机器人、电动搬运车等，下面以电动汽车的充电为例，具体说明如下：

当待充电负载为电动汽车时，无线接收单元安装于电动汽车前端的非金属材质的车牌处。此时，优选接收线圈与车牌的尺寸相同，即车牌覆盖接收线圈，参见图3，为示例出的电动汽车充电示意图。如图3所示，无线接收单元3安装于电动汽车1的车牌处，无线发射单元4安装于停车车位2的前方，即电动汽车停靠时车牌所对的方向，电动汽车1在停放至停放车位2后，此处司机可随意停放，并不限定电动汽车1的中心线一定要在停放车位2的中心处，停稳的电动汽车启动无线充电系统，无线充电系统中的无线接收单元3中首先闭锁DC/DC模块，防止在无线发射单元对准电动汽车过程中一直处于充电状态，然后采样器采集接收线圈从磁场中拾取能量获得的的整流后电压信号，该电压信号经过接收端微控制器处理后发送至发射端，发射端经判断模块以及驱动模块后驱动移动装置移动，以使无线发射单元4对准电动汽车的无线接收单元3。

另外，上述待充电负载为电动汽车时，无线接收单元还可安装于电动汽车的底部。虽然上述在描述过程中，具体说明了无线接收单元的安装位置，但是，本实用新型对于无线接收单元的具体安装位置并不限定。

参见图4，为本实用新型无线充电方法的实施例流程图。如图4所示，本实用新型还提供了一种无线充电方法，该无线充电方法使用上述无线充电系统，具体包括以下步骤：

启动无线充电系统并闭锁无线发射单元中的DC/DC模块，安装于负载上的无线接收单元获取接收端整流后的电压信号，采样器采集该电压信号该电压信号经过接收端微控制器和无线通信发射模块转换发送至发射端的无线通信接收模块；

发射端的通信接收模块接收到该初始电压值并发送至发射端微控制器，发射端微控制器中的判断模块将该初始电压值设定为判断电压值并形成判断信号，控制模块根据判断信号驱动移动装置向预设移动方向按照预设移动距离移动，需要说明的是，此处的预设移动方向是指在使无线发射单元移动时，设定的预设移动方向；而预设移动距离则是指，无线发射单元在每一次的控制信号下所移动的步长；

无线发射单元在新的位置处通过发射线圈发送电能，无线接收单元中的接收线圈接受该发送电能，采样器采集该电能形成的整流电压信号，该信号经过接收端微控制器和无线通信发射模块转换发送至发射端的无线通信接收模块；

发射端的通信接收模块接收到该电压信号并发送至发射端微控制器，发射端微控制器中的判断模块将该次采集的电压值设定为判断电压值，并比较判断电压值与基准电压值的大小形成判断信号发送至控制模块，然后判断模块将判断电压值赋值至基准电压值形成新的基准电压值；

当判断信号为基准电压值小于判断电压值时，则控制模块驱动移动装置向预设移动方向按照预设移动距离移动；当判断信号为基准电压值不小于判断电压值时，则控制模块驱动移动装置向与预设移动方向反向的方向按照预设移动距离移动；

重复上述采样器的采集、发射端微控制器中判断模块和控制模块作用的步骤，当判断信号为基准电压值接近等于判断电压值时，停止移动，并且解锁DC/DC,系统无线能量传输正常工作。

为了进一步说明上述方法步骤，下面我们举一具体的实施例进行说明：

参见图4，是本实用新型无线充电方法的实施例流程图。如图4所示，假设无线发射单元向无线接收单元移动的方向为X轴方向，且令预设移动方向为X轴正方向，预设移动距离为Lcm，采样器采集到的接收线圈电压为Vrect，根据上述无线充电方法，本实施例的具体方法步骤如下：

启动无线充电系统，闭锁DC/DC模块，这样，在无线充电过程中，不会为负载充电。

无线接收单元中的采样器采集的电压信号记为Vrect，并另Vrect＝V0，该处V0即为启动无线充电系统时获取的初始电压值；

通过通讯发射模块以及通讯接收模块的作用，将Vrect发送至发射端微控制器，发射端微控制器控制移动装置向X轴的正方向移动Lcm；

因无线发射单元的位置发生变化，因此，接收线圈就会重新接收到一个新的电压信号，该新的电压信号经过采样器的采集记为V1，同时，令Vj＝Vrect，Vrect＝V1，此处的Vj表示的为基准电压；Vrect表示判断信号；

判断模块判断Vj与Vrect的大小：

当Vj小于Vrect时，发射端微控制器控制移动装置向X轴正方向移动Lcm，因无线发射单元的位置发生变化，接收线圈重新接收到一个新的电压信号，该新的电压信号经过采样器的采集记为Vn(n＝2，3，4，5……)，同时，令Vj＝Vrect，Vrect＝Vn，此处的Vj表示的为基准电压；Vrect表示判断信号；判断模块进一步判断Vj与Vrect的大小，当Vj小于Vrect时，重复上述发射端微控制器控制移动装置向X轴正方向移动Lcm，并采集新的电压信号；当Vj大于Vrect时，发射端微控制器控制移动装置向X轴负方向移动Lcm。

当Vj不小于Vrect时，发射端微控制器控制移动装置向X轴负方向移动Lcm，因无线发射单元的位置发生变化，接收线圈重新接收到一个新的电压信号，该新的电压信号经过采样器的采集记为Vn(n＝2，3，4，5……)，同时，令Vj＝Vrect，Vrect＝Vn，此处的Vj表示的为基准电压；Vrect表示判断信号；判断模块进一步判断Vj与Vrect的大小。

当上述Vrect和Vj近似相等时，即认为发射线圈和接收线圈在X轴方向上对准。

在无线发射单元与无线接收单元对准后，解锁DC/DC模块，为负载充电。

另外，在本实用新型中，如果无线发射单元只通过移动一个方向不能满足无线发射单元与无线接收单元之间的对准，可通过重新设定方向，多方向分别移动，以实现每个方向的对准，进而实现无线发射单元在所有方向上均达到最优距离。