无线充电电源管理器的制作方法

[0001]
本发明涉及无线充电技术领域，具体的说是无线充电电源管理器。


背景技术：

[0002]
日益增长的汽车数量，对以石油和天然气为主的能源提出了很高的需求，而石化能源日益枯竭，长期来看油价将居于高位。同时，汽车尾气所带来的空气污染也越来越严重。电动汽车是以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶。电动汽车由于其节能、环保、噪音小等优势，其前景被广泛看好。然而，电动汽车的发展仍然面临着很多技术问题，充电技术的发展和充电站的部署是其中重要因素。
[0003]
电池充电技术分为有线充电和无线充电。对于有线充电，运作模式和现有的加油站类似，需要手动专人进行操作，这种方式的缺点是显而易见的，比如虽然与严格的设计规范保证安全，但是充电口在高电压、大电流冲击下，容易打火，导致器件老化；充电接口部件容易沾染灰尘、雨雾、油烟等，监测维护麻烦；从日常经验看，大功率插座的损害率都非常高，而充电站的插座需要经常插拔，问题将更加严重。无线充电技术是通过电磁感应或者磁共振技术，在充电器和设备之间的空气中传输电能，使得电流流动从而为电池充电的技术。
[0004]
这种无线充电方法有效地应用于需要大容量电池充电手持通信装置、电动汽车等，而且由于连接点埋于地下，因此几乎没有漏电等危险，能够防止有线充电方式中的连接不良的问题。无线充电能够做到无人值守，无须动手，全自动操作，安全可靠；可以做到常用常充，提高电池寿命和长期使用后的整车价值；中功率充电，对电网压力小，方便在停车场、车库普及安装充电装置。
[0005]
近年来，无线充电核心技术日益成熟，无线充电效率已经可以超过90%，无线充电功率可达30kw，无线充电距离可达到米级。然而，如何解决车载设备与充电桩之间的兼容性，以提高充电的安全性，避免事故的发生，如何对车载充电设备进行管理，避免非法的用户和车载充电设备盗电等问题仍然是无线充电产业所面临的问题。


技术实现要素：

[0006]
本发明所要解决的技术问题是提供一种无线充电电源管理器以提高无线充电的安全性，防止盗电。
[0007]
为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案实现的：无线充电电源管理器，包括接收电路、开关电源芯片电路、开关管保护电路、高压端过流保护电路、充电电压控制过程电路、适配器控制单元电路、电瓶的过载保护电路，其特征在于：所述接收电路由 l1谐振电感线圈接收到发射线盘发送过来的能量，电容c0和谐振电感线圈l1并联谐振，再和电容c0* 组成串联谐振将谐振电压再次提升。谐振后由二极管d1、d2、d3、d4组成高频全波整流桥，将高频变化的磁能量转化直流电，整流后获得几千伏的高压，为了降低此高压采用了电阻r0和电阻r0* 对此高压进行限制。
[0008]
发射线盘l对接收线盘l1进行磁能发射，在初期后端电路未建立工作时，后级电路
对整流输出相当于开路，开路就意味着上千伏高压对外输出，后端适配器的器件工作参数是满足不了这么高的电压的，所以采用2级电阻限制模式，此外电路中二极管 d17防止后端开关电源，在关断时的高压返回回冲形成叠加出，从而产生更高的的电压发生。d18为后级q1开关管关断时，提供电压电流泄放回路。
[0009]
l1为谐振电感线圈，c0、c0*为电容，d1、d2、d3、d4、 d17、d18为二极管，r0、r0*为电阻组合电路形式。
[0010]
前述的无线充电电源管理器，其特征在于：所述二极管d17输出的直流电压为650v—850v，经fu 3a熔断器t 5d11热敏启动电阻，经两个相互串联的550v120uf电解电容c1、c2，前述的两个电解电容串联分压最高耐压可达1100v，经开关变压器t1加载到场效应三极管q1 msfet p沟道调整管漏极，q1耐压为1200v 3a；另一路由r3 250k启动电阻加载到电源开关芯片uc3842e 7脚，uc3842内部设有欠压锁定电路，开启和关闭阈值为16v和10v。
[0011]
在开启之前uc3842消耗的电流1ma以内，启动后正常工作电流15ma,此脚一旦有了工作电压，该器件内部基准电压发生器产生5v基准电压，基准电压由芯片8脚输出，c5为基准电压滤波电容，r6、c6、芯片4脚组成的rc震荡电路起震，芯片的6脚输出的pwm 经 串联的r4*、r4 加载到q1 msfet 栅极，pwm形成的高低电压脉冲，在高脉冲期间场效应管导通，电流通过变压器原边，同时把能量储存在变压器中。根据同名端情况，此时变压器各路副边没有能量输出。当6脚输出高电平结束时，场效应管截止，根据楞次定律，变压器原边为维持电流不变，产生下正上负的感应电动势，此时副边各路二极管导通，向外提供电压、电流。d8导通经 c5*高频滤波c4电解电容滤波形成持续的工作电流提供给开关电源芯片工作条件。
[0012]
高频变压器在场效应管导通期间初级绕组存储的能量与场效应管关闭期间次级绕组释放的能量相等，输出电压uo与ton 开通时间成正比，与匝数比n及toff 关断时间成反比，由于电源电压的变化或负载变化引起输出电压过低时，反馈由pc1 光耦控制uc3842 1号引脚c8为消燥电容r7 为下拉电阻，经内部运算控制pwm占空比，增大pwm占空比使q1大功率晶体管导通时间变长；反之当电源电压变化或负载变化而引起输出电压升高时，则脉冲宽度调制器会相应的减小pwm输出波形的占空比，从而使功率管q1导通时间变短，而维持在一定电压范围。
[0013]
前述的无线充电电源管理器，其特征在于：所述开关管保护电路由d5肖特基二极管、r1 47k电阻、c3 470pf 1000v电容组成r、c、d 尖锋吸收和r0*、d18 形成的双重卸放电路作用使q1关断时间的保护和反压吸收不至于损坏管子,r10为q1功率管栅极下拉电阻。
[0014]
前述的无线充电电源管理器，其特征在于：所述高压端过流保护电路中r2为电流采样电阻，当某种原因造成输出负载过重时，r2上的电压升高此电压与r9、r8组成的分压电路会使uc3842 3脚电压升高，经芯片内部处理后，引起输出pwm变窄从而降低输出。
[0015]
前述的无线充电电源管理器，其特征在于：所述充电电压控制过程电路中当 d7、d15 为正向导通时，将建立充电电压输出和后端bms工作的电压。d7输出的直流24v电压经c01高频滤波c11电解电容滤波产生工作电压。第一路由r39、r40 限流加到散热风扇正极，第二路由r38加载到q3基极其控制端因得到导通电压，形成开关接通从而使风扇运转。第三路加载到q2的集电极，r31 为上偏置电阻和v2f 基准输出5v工作电压，r32、r29分压得到2.5v 基准电压，c04为基准电压消噪声电容。第四路加载到r12， r12和r11 分压由v1f的基准电压控制，由于输出的负载变化引起的电压升高或降低通过pc817光偶的反馈控制原边
的pwm占空比输出从而达到调整目的。
[0016]
rt2贴近d15，温度控制热敏电阻rt2充电后随着时间的增加rt2温度降逐渐升高，引起的电压变化经ue1 bms out3 输出控制pc817调整原边的pwm输出来抵消温度变化所带来的的影响。
[0017]
c18、r50 为rc吸收电路保护d15之用。d15整流后输出的85v电压，经c17滤波 r24、r25、r21 、r22、r23、r23*分压后和d7电压叠加为ue1 bms提供工作电压，同时也与r17、r18、r16、r15、r14、r13、r13*压形成v1f基准电压构成pc1对原边的pwm反馈控制，c9、c12为高频消燥电容，用于净化v1f基准电压从而防止杂波干扰。
[0018]
前述的无线充电电源管理器，其特征在于：所述适配器控制单元电路：由适配器控制单元ue1 bms mcu 输出调整指令，通过buck同步整流电路控制充电对电瓶的输出，由q4、l2、q5 、q6、q7 组成的buck同步降压整流电路控制充电电流和电压，r62 1k为q4 栅极驱动电阻r63栅极上拉电阻r64为栅极下拉电阻，q6为栅极驱动脉冲控制r61 为q6基极驱动电阻。r66 1k为q5 栅极驱动电阻r67栅极上拉电阻r68为栅极下拉电阻，q6为栅极驱动脉冲控制r65 为q6基极驱动电阻。d16为防反接二极管，保护不因为电瓶正负极接反而烧毁电源适配器。
[0019]
前述的无线充电电源管理器，其特征在于：所述电瓶的过载保护电路当d16对电瓶进行充电时，回路电流经由r61 0.1r电阻和由 r28、r27组成的分压电路 输入到ue1 bms的2脚，经内部运算控制out1 out2 pwm 输出控制buck电路输出，当输出电流由于某种原因增加，由于有r61取样电阻，其两端电压也会增加，相应的ue1 bms 的2脚电压也会增加，通过内部运算调整降低ou1 out2 pwm 脉冲宽度从而降低电流输出，假定此时负载短路由于短路电流会使r61 两端电压迅速增加，此值远远大于普通增加的电流，反映到ue1 2脚，ue1 会同时送出关断信号一路给out3控制源边关断输出，另一路控制 out1 out2 关断pwm输出，关闭发射设线盘谐振频率输出。
[0020]
本发明可根据发射线盘和接收线盘两者之间的相对位置远近不同，发射主机会依据输出谐振频率、谐振电流、电源输入电流、电源输入电压等综合参数，确定当前距离下的谐振频率输出；同时三重保护几乎同时进行。同时告知后台适配器有短路现象发生，需要进行处理，由工作人员和客户联系沟通商讨处理事宜。
附图说明
[0021]
图1为本发明的电路原理图。
具体实施方式
[0022]
下面结合附图说明对，本发明做进一步的阐述。
[0023]
无线充电电源管理器，包括接收电路、开关电源芯片电路、开关管保护电路、高压端过流保护电路、充电电压控制过程电路、适配器控制单元电路、电瓶的过载保护电路，其特征在于：所述接收电路由 l1谐振电感线圈接收到发射线盘发送过来的能量，电容c0和谐振电感线圈l1并联谐振，再和电容c0* 组成串联谐振将谐振电压再次提升。谐振后由二极管d1、d2、d3、d4组成高频全波整流桥，将高频变化的磁能量转化直流电，整流后获得几千伏的高压，为了降低此高压采用了电阻r0和电阻r0* 对此高压进行限制。
[0024]
发射线盘l对接收线盘l1进行磁能发射，在初期后端电路未建立工作时，后级电路对整流输出相当于开路，开路就意味着上千伏高压对外输出，后端适配器的器件工作参数是满足不了这么高的电压的，所以采用2级电阻限制模式，此外电路中二极管 d17防止后端开关电源，在关断时的高压返回回冲形成叠加出，从而产生更高的的电压发生。d18为后级q1开关管关断时，提供电压电流泄放回路。
[0025]
l1为谐振电感线圈，c0、c0*为电容，d1、d2、d3、d4、 d17、d18为二极管，r0、r0*为电阻组合电路形式。
[0026]
前述的无线充电电源管理器，其特征在于：所述二极管d17输出的直流电压为650v—850v，经fu 3a熔断器t 5d11热敏启动电阻，经两个相互串联的550v120uf电解电容c1、c2，前述的两个电解电容串联分压最高耐压可达1100v，经开关变压器t1加载到场效应三极管q1 msfet p沟道调整管漏极，q1耐压为1200v 3a；另一路由r3 250k启动电阻加载到电源开关芯片uc3842e 7脚，uc3842内部设有欠压锁定电路，开启和关闭阈值为16v和10v。
[0027]
在开启之前uc3842消耗的电流1ma以内，启动后正常工作电流15ma,此脚一旦有了工作电压，该器件内部基准电压发生器产生5v基准电压，基准电压由芯片8脚输出，c5为基准电压滤波电容，r6、c6、芯片4脚组成的rc震荡电路起震，芯片的6脚输出的pwm 经 串联的r4*、r4 加载到q1 msfet 栅极，pwm形成的高低电压脉冲，在高脉冲期间场效应管导通，电流通过变压器原边，同时把能量储存在变压器中。根据同名端情况，此时变压器各路副边没有能量输出。当6脚输出高电平结束时，场效应管截止，根据楞次定律，变压器原边为维持电流不变，产生下正上负的感应电动势，此时副边各路二极管导通，向外提供电压、电流。d8导通经 c5*高频滤波c4电解电容滤波形成持续的工作电流提供给开关电源芯片工作条件。
[0028]
高频变压器在场效应管导通期间初级绕组存储的能量与场效应管关闭期间次级绕组释放的能量相等，输出电压uo与ton 开通时间成正比，与匝数比n及toff 关断时间成反比，由于电源电压的变化或负载变化引起输出电压过低时，反馈由pc1 光耦控制uc3842 1号引脚c8为消燥电容r7 为下拉电阻，经内部运算控制pwm占空比，增大pwm占空比使q1大功率晶体管导通时间变长；反之当电源电压变化或负载变化而引起输出电压升高时，则脉冲宽度调制器会相应的减小pwm输出波形的占空比，从而使功率管q1导通时间变短，而维持在一定电压范围。
[0029]
前述的无线充电电源管理器，其特征在于：所述开关管保护电路由d5肖特基二极管、r1 47k电阻、c3 470pf 1000v电容组成r、c、d 尖锋吸收和r0*、d18 形成的双重卸放电路作用使q1关断时间的保护和反压吸收不至于损坏管子,r10为q1功率管栅极下拉电阻。
[0030]
前述的无线充电电源管理器，其特征在于：所述高压端过流保护电路中r2为电流采样电阻，当某种原因造成输出负载过重时，r2上的电压升高此电压与r9、r8组成的分压电路会使uc3842 3脚电压升高，经芯片内部处理后，引起输出pwm变窄从而降低输出。
[0031]
前述的无线充电电源管理器，其特征在于：所述充电电压控制过程电路中当 d7、d15 为正向导通时，将建立充电电压输出和后端bms工作的电压。d7输出的直流24v电压经c01高频滤波c11电解电容滤波产生工作电压。第一路由r39、r40 限流加到散热风扇正极，第二路由r38加载到q3基极其控制端因得到导通电压，形成开关接通从而使风扇运转。第三路加载到q2的集电极，r31 为上偏置电阻和v2f 基准输出5v工作电压，r32、r29分压得到2.5v 基准电压，c04为基准电压消噪声电容。第四路加载到r12， r12和r11 分压由v1f的基
准电压控制，由于输出的负载变化引起的电压升高或降低通过pc817光偶的反馈控制原边的pwm占空比输出从而达到调整目的。
[0032]
rt2贴近d15，温度控制热敏电阻rt2充电后随着时间的增加rt2温度降逐渐升高，引起的电压变化经ue1 bms out3 输出控制pc817调整原边的pwm输出来抵消温度变化所带来的的影响。
[0033]
c18、r50 为rc吸收电路保护d15之用。d15整流后输出的85v电压，经c17滤波 r24、r25、r21 、r22、r23、r23*分压后和d7电压叠加为ue1 bms提供工作电压，同时也与r17、r18、r16、r15、r14、r13、r13*压形成v1f基准电压构成pc1对原边的pwm反馈控制，c9、c12为高频消燥电容，用于净化v1f基准电压从而防止杂波干扰。
[0034]
前述的无线充电电源管理器，其特征在于：所述适配器控制单元电路：由适配器控制单元ue1 bms mcu 输出调整指令，通过buck同步整流电路控制充电对电瓶的输出，由q4、l2、q5 、q6、q7 组成的buck同步降压整流电路控制充电电流和电压，r62 1k为q4 栅极驱动电阻r63栅极上拉电阻r64为栅极下拉电阻，q6为栅极驱动脉冲控制r61 为q6基极驱动电阻。r66 1k为q5 栅极驱动电阻r67栅极上拉电阻r68为栅极下拉电阻，q6为栅极驱动脉冲控制r65 为q6基极驱动电阻。d16为防反接二极管，保护不因为电瓶正负极接反而烧毁电源适配器。
[0035]
前述的无线充电电源管理器，其特征在于：所述电瓶的过载保护电路当d16对电瓶进行充电时，回路电流经由r61 0.1r电阻和由 r28、r27组成的分压电路 输入到ue1 bms的2脚，经内部运算控制out1 out2 pwm 输出控制buck电路输出，当输出电流由于某种原因增加，由于有r61取样电阻，其两端电压也会增加，相应的ue1 bms 的2脚电压也会增加，通过内部运算调整降低ou1 out2 pwm 脉冲宽度从而降低电流输出，假定此时负载短路由于短路电流会使r61 两端电压迅速增加，此值远远大于普通增加的电流，反映到ue1 2脚，ue1 会同时送出关断信号一路给out3控制源边关断输出，另一路控制 out1 out2 关断pwm输出，关闭发射设线盘谐振频率输出。
[0036]
工作过程：适配器接入电瓶由 r35 5.1m 、r35* 5.1m、r35**220k组成的分压电路对当前的电瓶的电压进行检测，分辨出当前电瓶的电压种类是否是 48v、60v、72v,也可在识别码下载时一起下载电瓶种类代码，对电瓶ah数当前阶段暂不予关注。由于适配器处于和电瓶一直连接状态，在安装初期对其进行了唯一识别码和特征代码加载，识别码是随机数产生，本地存储在适配器ue1 bms eepro中，由上位机对其进行加载，远端上传后台数据库。在充电时对该组电瓶进行唯一识别码和特征码身份认证，若没有唯一识别码只有特征码，允许充电3分钟并短信告知，打开微信小程序可进行唯一识别码在线下载，（破解的适配器是不具备唯一识别码的，唯一识别码在网络服务器数据库内和本地bms eeprom内。假定被破解，系统会根据以往充电用户使用情况对此机进行锁定，当发现第二个同样用户时后台会告警，派出人员进行现场确认。）这样对于适配器身份识别带来方便从而解决，不同的电动车对于正在充电中的用户，将人家车辆移走换成自己车辆在相同位置位置充电的问题，即使他换上了自己的车辆来充电，由于上个用户充电未结束，唯一识别码经系统确认，是不会予以充电的，同时短信还会提醒该用户车辆可能被脱离充电区域。
[0037]
若在充电过程中，由于某种原因系统停电，充电进行中未完结也未离开充电区域的用户，系统再次来电时将继续完成剩余的充电。
[0038]
无线充电建立过程：当用户停车到位在一定充电位置区域，微信小程序扫码付费后，主机接收到开机充电指令，先有主机发射线圈l 发出测试谐振脉冲，接收线圈l1接收，依据主机输出反馈检测的电源电压、输入电流、高频电流、当前输出的谐振频率，采集到的数据数组进行分析、解析测定当前的发射线圈和接收线圈的距离，从而确定当前距离下要输出的谐振脉冲pwm频率值。进入稳态期后，由适配器发出联机信号，由ue1 bms 3脚输出 ，低电平时间50ms表示0高电平时间30ms 1，发送联机数据包，主机收到联机数据包后，将降低发射功率，（降低发射功率有助于降低谐振电压也有利于数据传输）适配器将正常充电时的充电电流、电瓶电压、唯一身份识别码、机器特征码，回传主机，主机接收后记录当前信息情况，经150ms恢复到正常充电功率输出状态。在充电过程中有人员勿触碰车辆使车辆发生位移，若主机检测到发射线盘和接收线盘距离过近，会停止输出进行保保护，距离过近时 还以原有输出量输出时，会造成输出谐振电压过高造成适配器损坏。若主机检测到发射线盘和接收线盘距离过远时，也会停机进行保护，过远充电电流过小造成充电时间过长。当发射线盘主机检测到发射线盘和接收线盘距离超过8cm时，会因超出充电范围，造成电动车充不上电。
[0039]
电瓶的过载保护过程，当d16对电瓶进行充电时，回路电流经由r61 0.1r电阻和由 r28、r27组成的分压电路 输入到ue1 bms的2脚，经内部运算控制out1 out2 pwm 输出控制buck电路输出，当输出电流由于某种原因增加，由于有r61取样电阻，其两端电压也会增加，相应的ue1 bms 的2脚电压也会增加，通过内部运算调整降低ou1 out2 pwm 脉冲宽度从而降低电流输出，假定此时负载短路由于短路电流会使r61 两端电压迅速增加，此值远远大于普通增加的电流，反映到ue1 2脚，ue1 会同时送出关断信号一路给out3控制源边关断输出，另一路控制 out1 out2 关断pwm输出，同时发射线盘主机这里也检测到输出异常，关闭发射设线盘谐振频率输出；三重保护几乎同时进行。