无线充电发射器、接收器、移动机器人及无线充电系统的制作方法

本实用新型涉及无线充电技术领域，特别是涉及一种无线充电发射器、接收器、移动机器人及无线充电系统。

背景技术：

随着科学技术的发展，自动化要求越来越高，越来越多的机器人被应用在生产线上，自动导航小车(agv)应运而生。为了能够让agv持续地工作，需要充电设备对agv进行及时的充电，充电方式可以分为两种，一种是接触式充电，另一种是无线充电，由于接触式充电存在接触精度要求高，控制复杂且外露的导电部件存在安全风险等缺点，而无线充电控制简单且导电部件不外露，因此，无线充电越来越多地应用于对agv的充电场合中。

然而，现有的无线充电技术普遍存在充电过程不稳定的缺点，从而制约了相关技术的发展。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型实施例提供一种无线充电发射器、接收器、移动机器人及无线充电系统，其能够解决现有相关技术中充电过程不稳定的技术问题。

本实用新型实施例为解决上述技术问题提供了如下技术方案：

在第一方面，本实用新型实施例提供一种无线充电发射器，包括：第一ac/dc电路，用于与交流电源连接，以将所述交流电源输出的交流电转换为直流电；逆变电路，与所述第一ac/dc电路电连接,用于将所述直流电转换为方波交流电；第一谐振补偿网络，与所述逆变电路电连接，用于将所述方波交流电转换为正弦波交流电；发射线圈，与所述第一谐振补偿网络电连接，用于根据所述正弦波交流电产生交变磁场；低速adc电路，与所述逆变电路连接，用于采集所述逆变电路的母线电压；控制器，分别与所述逆变电路及所述低速adc电路连接，用于根据所述母线电压控制所述逆变电路将所述直流电压转化为幅值在预设范围内的方波交流电。

可选地，还包括高速adc电路，所述高速adc电路分别与所述第一谐振补偿网络和所述控制器连接，用于采集所述逆变电路输出至所述第一谐振补偿网络的逆变电流，所述控制器根据所述逆变电流控制所述逆变电路的输出功率。

可选地，所述第一ac/dc电路包括整流电路及升压电路,所述整流电路包括整流输出正极端及整流输出负极端，所述升压电路包括第一电感、第一二极管、第一mos开关管及第一电容，所述第一电感一端与所述整流输出正极端连接，所述第一电感另一端与所述第一二极管的阳极、所述第一mos开关管的漏极连接，所述第一二极管的阴极与所述第一电容的正极连接，所述第一电容的负极与所述第一mos开关管的源极连接，所述第一mos开关管的栅极用于与外部驱动电路连接，其中，所述第一电容的正极为升压输出正极端，所述第一电容的负极为升压输出负极端。

可选地，所述逆变电路包括第二mos开关管、第三mos开关管、第四mos开关管及第五mos开关管，所述第二mos开关管、所述第三mos开关管的漏极连接在所述升压输出正极端，所述第四mos开关管、所述第五mos开关管的源极连接在所述升压输出负极端，所述第二mos开关管的源极与所述第四mos开关管的漏极连接，所述第三mos开关管的源极与所述第五mos开关管的漏极连接，所述第二mos开关管、第三mos开关管、第四mos开关管及第五mos开关管的栅极皆与所述控制器连接，其中，所述第二mos开关管与所述第四mos开关管之间的连接点为第一逆变输出端，所述第三mos开关管与所述第五mos开关管之间的连接点为第二逆变输出端。

可选地，所述第一谐振补偿网络包括第二电感及第二电容，所述第二电感一端连接在所述第一逆变输出端，所述第二电感另一端与所述第二电容一端连接，所述第二电容另一端连接在所述第二逆变输出端。

可选地，还包括第一无线通信模块，所述第一无线通信模块与所述控制器通信连接。

在第二方面，本实用新型实施例提供一种无线充电接收器，与如上所述的无线充电发射器配套使用，无线充电接收器包括：接收线圈，用于耦合所述发射线圈产生的交变磁场，得到高频谐振电压；第二谐振补偿网络，与所述接收线圈电连接，用于将所述高频谐振电压转换为交流电；第二ac/dc电路，与所述第二谐振补偿网络电连接，用于将所述第二谐振补偿网络输出的交流电转换为直流电。

可选地，还包括：采样处理电路，与所述第二ac/dc电路连接，用于获取所述第二ac/dc电路的输出电压信息及输出电流信息；第二无线通信模块，分别与所述采样处理电路和所述第一无线通信模块通信连接，以使所述控制器获取所述输出电压信息及所述输出电流信息，并根据所述输出电压信息及所述输出电流信息控制所述逆变模块输出的方波交流电。

在第三方面，本实用新型实施例提供一种移动机器人，包括：电池，以及如上所述的无线充电接收器。

在第四方面，本实用新型实施例提供一种无线充电系统，包括：如上所述的无线充电发射器；以及如上所述的移动机器人。

本实用新型实施例的有益效果是：区别于现有技术，提供一种无线充电发射器、接收器、移动机器人及无线充电系统，无线充电发射器包括依次串接的第一ac/dc电路、逆变电路、第一谐振补偿网络及发射线圈，利用低速adc电路对逆变电路的母线电压进行实时采样，并将母线电压数据发送至控制器，以使控制器根据母线电压数据实时控制逆变电路将直流电压转化为幅值在预设范围内的方波交流电，从而实现逆变电路的输出电压恒定，使得充电过程稳定可靠。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片仅作为示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本实用新型实施例提供一种无线充电系统的电路结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供一种无线充电接收器电路结构框图；

图3是图2中一种第一ac/dc电路的电路结构示意图；

图4是本实用新型另一实施例提供一种无线充电发射器的电路结构框图；

图5是本实用新型实施例提供一种无线充电接收器的电路结构框图；

图6是本实用新型实施例提供一种无线充电系统的电路结构框图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

目前，移动机器人都是使用高质量的机载可充电蓄电池组来给自身供电，但是一般只能维持几个小时，一旦电能耗尽，必须采用人工干预的方式来给机器人充电。如果采用人工充电，那么移动机器人就处于一种非连续的任务环，这阻碍了移动机器人的长期自动工作，因此，移动机器人必须能在所处的环境中实现自我支持，实现连续任务环，而为了实现连续任务环，移动机器人实现自主充电成为了关键因素。

基于此，本实用新型实施例提供一种无线充电系统，使得移动机器人在所处的环境中实现连续任务环，请参阅图1，图1为本实用新型实施例提供一种无线充电系统的结构示意图。如图1所示，无线充电系统100包括无线充电发射器10及移动机器人20，当移动机器人20向无线充电发射器10移动，且移动机器人20与无线充电发射器10之间小于一定距离时，无线充电发射器10可为移动机器人20无线充电。

其中，无线充电系统100一旦开始运行，移动机器人20便进入连续任务环，即不再需要人的帮助，在此系统中，启动和停止都是移动机器人20自动完成的。

具体地，移动机器人20包括无线充电接收器21及电池22，无线充电接收器21与电池22连接，无线充电接收器21还与无线充电发射器10连接，其中，无线充电接收器21与无线充电发射器10的连接方式为耦合，可以理解，无线充电发射器10应包括发射线圈，无线充电接收器21应包括接收线圈，可利用线圈耦合原理实现发射线圈与接收线圈之间的耦合，以实现后续为电池22充电，其中，电池22可以为可充电蓄电池，蓄电池放电时可为移动机器人20的运行提供电量支持。

请参阅图2，图2为本实用新型实施例提供一种无线充电发射器的电路结构框图。如图2所示，该无线充电发射器10包括第一ac/dc电路101、逆变电路102、第一谐振补偿网络103、发射线圈104、低速adc电路105及控制器106，第一ac/dc电路101与交流电源(如电网)连接，将交流电源输出的交流电转换为直流电，逆变电路102与第一ac/dc电路101电连接，将直流电转换为方波交流电，第一谐振补偿网络103与逆变电路102电连接，将方波交流电转换为正弦波交流电，发射线圈104与第一谐振补偿网络103电连接，根据正弦波交流电产生交变磁场，低速adc电路105与逆变电路102连接，采集逆变电路102的母线电压，控制器106分别与逆变电路102及低速adc电路105连接，根据母线电压控制逆变电路102将直流电压转化为幅值在预设范围内的方波交流电。

其中，逆变电路102可将直流电转换为高频率的方波交流电，例如频率为85khz的方波交流电，而第一谐振补偿网络103则将方波交流电转换为相同频率的正弦波交流电，高频的正弦波交流电加在发射线圈104上可产生高频的交变磁场，控制器106可以为pwm脉冲发生器或微控制器等，控制器106可发送pwm脉宽调制信号作为驱动信号至逆变电路102以对逆变电路102进行控制，其中，逆变电路102可以为移相全桥逆变电路。

低速adc电路105是一种用于电压采样的模数转换器，低速adc电路105与控制器106的连接方式可以为电连接，也可以为无线通信连接。

本实施例通过利用低速adc电路105对逆变电路102的母线电压进行实时采样，并将母线电压数据发送至控制器106，以使控制器106根据母线电压数据实时控制逆变电路102将直流电压转化为幅值在预设范围内的方波交流电，从而实现逆变电路102的输出电压恒定，使得充电过程稳定可靠。

在一些实施例中，请再次参阅图2，如图2所示，无线充电发射器10还包括高速adc电路107，高速adc电路107分别与第一谐振补偿网络103和控制器106连接，高速adc电路107可采集逆变电路102输出至第一谐振补偿网络103的逆变电流，控制器106可根据逆变电流控制逆变电路102的输出功率。

高速adc电路107是一种用于高频交流电流信号采样的模数转换器，高速adc电路107与控制器106的连接方式可以为电连接，也可以为无线通信连接。

在一些实施例中，请参阅图3，图3为本实用新型实施例提供一种第一ac/dc电路的电路结构示意图。如图3所示，第一ac/dc电路101包括整流电路1011及升压电路1012,整流电路1011包括整流输出正极端a及整流输出负极端b，升压电路1012包括第一电感l1、第一二极管d2、第一mos开关管q1及第一电容c1，第一电感l1一端与整流输出正极端a连接，第一电感另一端与第一二极管d1的阳极、第一mos开关管q1的漏极连接，第一二极管d1的阴极与第一电容c1的正极连接，第一电容c1的负极与第一mos开关管q1的源极连接，第一mos开关管q1的栅极用于与外部驱动电路连接，其中，第一电容c1的正极为升压输出正极端c，第一电容c1的负极为升压输出负极端d。

可以理解的是，在一些实施例中，整流电路1011可以由图3中所示的四个二极管组成，也可以由mos开关管或igbt组成，当然也可以是二极管、mos开关管及igbt中的任意组合形式。

在一些实施例中，请参阅图4，图4为本实用新型另一实施例提供一种无线充电发射器的电路结构示意图。如图4所示，逆变电路102包括第二mos开关管q2、第三mos开关管q3、第四mos开关管q4及第五mos开关管q5，第二mos开关管q2、第三mos开关管q3的漏极连接在升压输出正极端c，第四mos开关管q4、第五mos开关管q5的源极连接在升压输出负极端d，第二mos开关管q2的源极与第四mos开关管q4的漏极连接，第三mos开关管q3的源极与第五mos开关管q5的漏极连接，第二mos开关管q2、第三mos开关管q3、第四mos开关管q4及第五mos开关管q5的栅极皆与控制器106连接，其中，第二mos开关管q2与第四mos开关管q4之间的连接点为第一逆变输出端e，第三mos开关管q3与第五mos开关管q5之间的连接点为第二逆变输出端f。

在一些实施例中，如图4所示，第一谐振补偿网络103包括第二电感l2及第二电容c2，第二电感l2一端连接在第一逆变输出端e，第二电感l2另一端与第二电容c2一端连接，第二电容c2另一端连接在第二逆变输出端f。

可以理解的是，在一些实施例中，第一谐振补偿网络103可以是电感、电容等的任意组合形式，当然也可以仅由电容组成，例如在电路中串联一个电容或并联一个电容，与发射线圈104共同构成谐振。

在一些实施例中，请再次参阅图2，如图2所示，无线充电发射器10还包括第一无线通信模块107，第一无线通信模块108与控制器106通信连接。

可以理解的是，控制器106可通过第一无线通信模块108与无线充电接收器21进行无线通信，实现数据交互。

请参阅图5，图5为本实用新型实施例提供一种无线充电接收器的电路结构框图。如图5所示，无线充电接收器21包括接收线圈211、第二谐振补偿网络212及第二ac/dc电路213，接收线圈211耦合发射线圈104产生的交变磁场，得到高频谐振电压，第二谐振补偿网络212与接收线圈211连接，将高频谐振电压转换为交流电，第二ac/dc电路213与第二谐振补偿网络212连接，将第二谐振补偿网络212输出的交流电转换为直流电。

其中，第二谐振补偿网络212可与第一谐振补偿网络103相同，也可以不同。

在一些较优的实施中，接收线圈211得到高频谐振电压后，第二谐振补偿网络212将高频谐振电压转换为功率因数为1的交流电，第二ac/dc电路213再将功率因数为1的交流电转换为直流电，其可保证较优的电能转换效率。可以理解，在实际的应用中，第二谐振补偿网络212将高频谐振电压转换为功率因数小于1的交流电，例如功率因数为0.95的交流电，因此，在本实施例中，并不对高频谐振电压到交流电的转换过程中的电能转换效率作出任何限定。

在一些实施例中，如图5所示，无线充电接收器21还包括采样处理电路214及第二无线通信模块215，采样处理电路214与第二ac/dc电路213连接，获取第二ac/dc电路213的输出电压信息及输出电流信息，第二无线通信模块215分别与采样处理电路214和第一无线通信模块108通信连接，以使控制器106获取输出电压信息及输出电流信息并根据输出电压信息及输出电流信息控制逆变电路102输出的方波交流电。

在本实施例中，输出电压信息为电池充电电压数据，输出电流信息为电池充电电流数据，第一无线通信模块108与第二无线通信模块215实现通信时，控制器106实时获取电池充电电压数据及电池充电电流数据，并且，根据电池充电电压数据及电池充电电流数据控制逆变电路102输出的方波交流电，使得电池充电电压及电池充电电流保持稳定，同时可根据充电曲线的要求进行恒压或恒流模式工作，从而进一步提高充电过程的稳定性和可靠性。

在一些实施例中，第一无线通信模块108及第二无线通信模块215皆采用uwb(ultrawideband，超宽带)技术。

下面结合图6来详细阐述本实用新型实施例提供一种无线充电系统100的工作原理，如下：

当移动机器人20中电池22的电池电量低于预设阈值时，例如低于总电池电量的10％时，移动机器人20通过自主判断或服务器调度移动至无线充电发射器10，移动机器人20在移动过程中，可通过具备测距功能的第一无线通信模块108及第二无线通信模块215并利用线圈天线实现距离判断，当移动机器人20移动至与无线充电发射器10之间小于一定距离时停止移动，无线充电发射器10自动启动充电模式。

在充电模式下：

第一ac/dc电路101将220v的交流电经过整流、升压后变为360v的直流电，逆变电路102将360v的直流电转换为高频(如85khz)方波交流电，此时，可通过实时采样逆变电路102的母线电压及逆变电路102的输出逆变电流，控制器106根据母线电压控制逆变电路102输出恒定电压，并根据逆变电流控制逆变电路102的传输功率，第一谐振补偿网络103将高频方波交流电转换为高频正弦波交流电，该正弦波交流电加在发射线圈104上，以使发射线圈104产生高频交变磁场。

接收线圈211耦合发射线圈104产生的高频交变磁场，得到高频谐振电压，第二谐振补偿网络212将高频谐振转换为交流电，第二ac/dc电路213将第二谐振补偿网络212输出的交流电转换为可为电池22充电的直流电，此时，可通过采样处理电路214实时采样电池充电电压及电池充电电流，通过uwb技术将电池充电电压数据及电池充电电流数据发送至控制器106，控制器106根据电池充电电压数据及电池充电电流数据控制逆变电路102以实现逆变电路102输出的方波交流电可调，使得充电电压和充电电流保持稳定，同时可根据充电曲线的要求进行恒压或恒流模式工作。

当电池22的电池电量充满后，无线充电发射器10自动关闭充电模式，此时，移动机器人20从充电位置离开，至此完成充电过程。

本实用新型实施例提供一种无线充电系统100的有益效果如下：

1、与接触式充电相比，不需要辅助的充电机械结构，不会存在磨损的问题，也没有导电部件外露，因此，本实用新型实施例提供一种无线充电系统100充电过程简单，且不会存在安全隐患。

2、现有的无线充电设备一般分为发射功率模块，发射线圈，接收线圈及接收功率模块这四个部件，由于这四个部件是分离的，不可避免会存在连接功率模块和线圈的高频线缆产生的辐射问题，而本实用新型实施例提供一种无线充电系统100将线圈集成在两个功率模块中，辐射很低。

3、利用uwb技术，并结合线圈天线实现数据交互及测距，移动机器人可自动完成充电过程，而不需要人工干预或者机器人管理系统来控制充电工作。

4、可通过实时获取电池充电电压数据及电池充电电流数据，使得充电电压和充电电流保持稳定，同时可根据充电曲线的要求进行恒压或恒流模式工作，确保充电过程稳定可靠。

最后要说明的是，本实用新型可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例，这些实施例不作为对本实用新型内容的额外限制，提供这些实施方式的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。并且在本实用新型的思路下，上述各技术特征继续相互组合，并存在如上所述的本实用新型不同方面的许多其它变化，均视为本实用新型说明书记载的范围；进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。