一种无线充电系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种无线充电系统，该无线充电系统包括发射端和接收端，发射端包括：M个初级线圈；电源适配器；分别将电源适配器输出的直流电压进行逆变以供给相应初级线圈的M个逆变模块；根据接收端的位置控制相应逆变模块开启的至少一个发射主控模块；接收端包括：N个电池芯；N个次级线圈；分别对相应次级线圈所输出的高频交流电进行整流滤波的N个整流模块；分别对相应整流模块的输出电压进行处理以对相应电池芯进行充电管理的N个充电管理模块。实施本实用新型的技术方案，发射端和接收端不需要有线接触，提高了安全性，且应急性能好。
【专利说明】一种无线充电系统
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及可充电电池领域，尤其涉及一种无线充电系统。
【背景技术】
[0002]现有的充电系统多采用有线的方式，如图1所示，其充电原理如下:使用适配器将电网输入的交流电转换为直流电，再通过DC/DC、充电管理模块等转换成相应平台可以充电的电压、电流，然后充入到电池中。电池芯的保护是通过检测电池电压、电流等参数，一旦超出电池承受范围即通过电池保护模块切断主回路上保护MOS管，停止充放电动作。
[0003]但是，这种有线的接触式充电电路具有以下缺陷:
[0004]1.对于这种接触式的充电方式，座充和电池的极片需要进行防水、防盐雾进行复杂处理，不仅增加成本还达不到很好的效果，而且需要增加线路成本防护漏电，短路；
[0005]2.由于多节电池芯串联，充电过程中电池芯的不平衡若没有保护，易致使其中单节电池芯过充，发生爆炸事故，因此大大降低了充电安全性、可靠性；
[0006]3.充电平台高，例如，12V充电平台不能用于通用的5V充电台，应急性能差。
实用新型内容
[0007]本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述的缺陷，提供一种非接触式的、安全性高、应急性能好的无线充电系统。
[0008]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种无线充电系统，包括:发射端和接收端，而且，
[0009]所述发射端包括:
[0010]M个初级线圈，M为自然数；
[0011]用于将电源电压转换成直流电压的电源适配器；
[0012]分别连接于所述电源适配器和相应初级线圈，且将电源适配器输出的直流电压进行逆变以供给相应初级线圈的M个逆变模块；
[0013]与相应逆变模块连接，且根据所述接收端的位置控制相应逆变模块开启的至少一个发射主控模块；
[0014]所述接收端包括:
[0015]N个电池芯，N为自然数；
[0016]N个次级线圈；
[0017]分别连接相应次级线圈，且对相应次级线圈所输出的高频交流电进行整流滤波的N个整流模块；
[0018]分别连接相应整流模块和相应电池芯，且对相应整流模块的输出电压进行处理以对相应电池芯进行充电管理的N个充电管理模块。
[0019]在本实用新型所述的无线充电系统中，所述接收端还包括:
[0020]连接于相应整流模块，且对电池芯的充电电压、充电电流进行采集及处理的至少一个接收主控模块；
[0021]连接于所述至少一个接收主控模块和相应次级线圈，且分别用于对处理后的充电电压、充电电流信号进行调制以供给相应次级线圈的N个反馈调制模块；
[0022]所述发射端还包括:
[0023]连接于所述至少一个发射主控模块和相应初级线圈，且分别对相应初级线圈耦合到的接收端所反馈的充电电压、充电电流信号进行解调的M个反馈解调模块。
[0024]在本实用新型所述的无线充电系统中，所述接收端还包括:
[0025]用于检测相应电池芯电压/电流，并在所检测的电池芯电压/电流超过电池芯的承受范围时，切断充放电链路的保护模块。
[0026]在本实用新型所述的无线充电系统中，所述保护模块包括:
[0027]N个开关管，而且，交替设置的N个电池芯与N个开关管串联连接；
[0028]分别连接于相应开关管，且用于检测相应电池芯电压/电流，并在所检测的电池芯电压/电流超过相应电池芯的承受范围时，控制相应开关管关断的N个保护单元。
[0029]在本实用新型所述的无线充电系统中，所述至少一个接收主控模块与所述N个保护单元集成设置。
[0030]在本实用新型所述的无线充电系统中，所述保护模块包括:
[0031]N+1个开关管，其中，N个电池芯串联，而且，N个开关管中的每个开关管的第一端连接相应的充电管理模块的负输出端，N个开关管中的每个开关管的第二端连接相应电池芯的负端，另一个开关管的第一端连接N个串联的电池芯的正端，所述另一个开关管的第二端为电池芯放电输出端；
[0032]用于在充电时检测相应电池芯电压/电流，并在所检测的电池芯电压/电流超过相应电池芯的承受范围时，控制所述N个开关管中的相应开关管关断的N个充电保护单元；及
[0033]用于在放电时检测N个电池芯串联后的输出电压/电流，并在所检测的电压/电流超过电池芯的承受范围时，控制所述另一个开关管关断的放电保护单元。
[0034]在本实用新型所述的无线充电系统中，所述至少一个接收主控模块与所述N个充电保护单元及放电保护单元集成设置。
[0035]在本实用新型所述的无线充电系统中，在M大于I时，所述M个初级线圈分多层蜂窝式排列。
[0036]在本实用新型所述的无线充电系统中，所述逆变模块为全桥逆变模块或半桥逆变模块。
[0037]实施本实用新型的技术方案，具有以下有益效果:
[0038]1.在接收端中，每个电池芯均对应有一个次级线圈、一个整流模块及一个充电管理模块，而且，对于其中的某个电池芯，其所对应的次级线圈感应出的高频交流电经相应的整流模块整流及相应的充电管理模块处理后，可对该电池芯进行充电，因此每节电池都是独立充电的，当有多节电池时，不会发生单节过充、爆炸的情况，提高了充电安全性、可靠性；
[0039]2.由于发射端的发射主控模块可根据接收端的位置控制相应逆变模块的开启，因此发射端可以自适应充电电池的节数，对于包含不同电池节数的接收端，无需重新设计发射端。例如，按充四节电池的需求设计的发射端，即，发射端中包括四个初级线圈及每个初级线圈对应的逆变模块，若接收端中包括四个次级线圈及每个次级线圈所对应的整流模块、充电管理模块和电池芯，当调整好发射端和接收端的位置后，发射主控模块可控制四个逆变模块均开启，此时，该发射端可满足四节电池的充电需求；若接收端中包括三个次级线圈及每个次级线圈所对应的整流模块、充电管理模块和电池芯，当调整好发射端和接收端的位置后，发射主控模块可控制其中的三个逆变模块开启，此时，该发射端可满足三节电池的充电需求。同样地，该发射端还可满足两节电池、单节电池的充电需求。因此，发射端充电节数可以向下兼容，而不用重新设计电路，应急性能好；
[0040]3.发射端和接收端不需要有线接触，可省去电池芯的金属极片，大大减少了结构设计的难度及成本，并且彻底杜绝了因为盐雾腐蚀对产品的损害，而且，由于可使用全封闭的结构方式，可以大幅提高产品的防爆等级，不会出现极片短路、打火、发热等现象。
【专利附图】
【附图说明】
[0041]下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中:
[0042]图1是现有的一种充电系统的逻辑结构图；
[0043]图2是本实用新型无线充电系统实施例一的逻辑结构图；
[0044]图3是本实用新型无线充电系统实施例二的逻辑结构图；
[0045]图4是本实用新型无线充电系统实施例三的逻辑结构图；
[0046]图5是本实用新型无线充电系统实施例四的逻辑结构图；
[0047]图6是本实用新型无线充电系统实施例五的逻辑结构图；
[0048]图7是本实用新型无线充电系统实施例六的逻辑结构图；
[0049]图8是本实用新型无线充电系统中初级线圈实施例一的结构图；
[0050]图9是本实用新型无线充电系统中发射端的发射盘和接收端的接收盘实施例一的结构图。
【具体实施方式】
[0051]图2是本实用新型无线充电系统实施例一的逻辑结构图，该实施例的无线充电系统基于电磁感应原理，通过互感线圈进行耦合以实现无线功率传递，而且该无线充电系统包括发射端10和接收端20，而且，发射端10包括初级线圈11、电源适配器12、逆变模块13和发射主控模块14。接收端20包括次级线圈21、电池芯22、整流模块23和充电管理模块24。另外，需说明的是，虽然图2仅示出了一个初级线圈11、一个电池芯22、一个次级线圈21及与初级线圈11对应的逆变模块13、与电池芯22/次级线圈21对应的整流模块23、充电管理模块24，但本领域技术人员应能理解，可根据充电电池节数的不同或电压平台的不同，由多个这样的模块结构(除电源适配器外)叠加而成。即，初级线圈、次级线圈的数量可为任意个，而且，逆变模块与初级线圈一一对应，整流模块和充电管理模块与次级线圈一一对应。另外，发射主控模块的数量可以与逆变模块的数量相同，即发射主控模块与逆变模块一一对应，也可以是多个逆变模块共用一个发射主控模块，这都在本实用新型的保护范围内。
[0052]在本实施例的无线充电系统中，电源适配器12用于将电源电压转换成直流电压。逆变模块13用于将电源适配器12输出的直流电压进行逆变以供给初级线圈11。发射主控模块14用于根据接收端的位置控制相应逆变模块13开启。整流模块23对次级线圈21所输出的高频交流电进行整流滤波。充电管理模块24对整流模块23的输出电压进行处理以对相应电池芯进行充电管理，例如，将整流电压转变成电池芯适合充电的电压、对电池芯充电的三个阶段(涓流预充、恒流、恒压)进行控制等。
[0053]实施该实施例的无线充电系统，发射端和接收端不需要有线接触，可省去电池芯的金属极片，大大减少了结构设计的难度及成本，并且彻底杜绝了因为盐雾腐蚀对产品的损害，而且，由于可使用全封闭的结构方式，可以大幅提高产品的防爆等级，不会出现极片短路、打火、发热等现象。另外，由于每节电池分别独立充电，当有多节电池时，不会发生单节过充、爆炸的情况，提高了充电安全性、可靠性。最后，可以自适应充电电池的节数，对于包含不同电池节数的接收端，无需重新设计发射端，且发射端充电节数可以向下兼容，如可以充四节电池的发射端，可以满足三节、两节和单节充电需求，而不用重新设计电路，应急性能好。
[0054]图3是本实用新型无线充电系统实施例二的逻辑结构图，该实施例的无线充电系统包括发射端10和接收端20，而且，发射端10包括初级线圈11、电源适配器12、逆变模块
13、发射主控模块14和反馈调制模块15。接收端20包括次级线圈21、电池芯22、整流模块23、充电管理模块24、接收主控模块25、反馈调制模块26和保护模块27。而且，本实施例中的初级线圈11、电源适配器12、逆变模块13、发射主控模块14、次级线圈21、电池芯22、整流模块23和充电管理模块24与图2所示的实施例中的相应模块的逻辑结构相同，在此不做赘述，以下仅说明不同的部分。在接收端20中，接收主控模块25对电池芯22的充电电压、充电电流进行采集及处理。反馈调制模块26连接于接收主控模块25和次级线圈21，用于对处理后的充电电压、充电电流信号进行调制以供给次级线圈21。在发射端10中，反馈解调模块15连接于发射主控模块14和初级线圈11，且用于对初级线圈11耦合到的接收端所反馈的充电电压、充电电流信号进行解调，然后发射主控模块14根据解调后的充电电压、充电电流信号判断是否有接收端的次级线圈靠近初级线圈，并控制逆变模块13的开关管的导通或关断。另外，在接收端20中，保护模块27用于检测相应电池芯电压/电流，并在所检测的电池芯电压/电流超过电池芯的承受范围时，切断充放电链路，以停止充放电。
[0055]图4是本实用新型无线充电系统实施例三的逻辑结构图，无线充电系统的发射端中，发射主控模块集成设置，每个初级线圈对应设置一个逆变模块和反馈解调模块。在该无线充电系统的接收端中，各部分分离模块简单叠加而成，线路设计简单且可靠性好，例如，每个电池芯对应一个次级线圈、接收主控模块、反馈解调模块、保护模块，而且，每个保护模块均包括保护单元和开关管。交替设置的多个电池芯与多个开关管串联连接，保护单元用于检测相应电池芯电压/电流，并在所检测的电池芯电压/电流超过相应电池芯的承受范围时，控制相应开关管关断。
[0056]图5是本实用新型无线充电系统实施例四的逻辑结构图，该实施例与图4所示的实施例三相比，所不同的仅是，多个接收主控模块集成设置，其它相同的部分在此不做赘述，这种集成的设置方式可减小无线充电系统的体积和成本，但是对软硬件的要求较高。
[0057]图6是本实用新型无线充电系统实施例五的逻辑结构图，该实施例与图5所示的实施例三相比，所不同的仅是，接收主控模块与多个保护单元集成设置，其它相同的部分在此不做赘述。
[0058]图7是本实用新型无线充电系统实施例六的逻辑结构图，，该实施例与图4所示的实施例三相比，所不同的仅是，若电池芯的数量为N个，N为自然数，则保护模块包括N+1个开关管、N个充电保护单元和放电保护单元，其中，N个电池芯串联，而且，N个开关管中的每个开关管的第一端连接相应的充电管理模块的负输出端，N个开关管中的每个开关管的第二端连接相应电池芯的负端，另一个开关管的第一端连接N个串联的电池芯的正端，该另一个开关管的第二端为电池芯放电输出端。每个充电保护单元用于在充电时检测相应电池芯电压/电流，并在所检测的电池芯电压/电流超过相应电池芯的承受范围时，控制该N个开关管中的相应开关管关断。放电保护单元用于在放电时检测N个电池芯串联后的输出电压/电流，并在所检测的电压/电流超过电池芯的承受范围时，控制该另一个开关管关断。同样地，该N个充电保护单元和放电保护单元可与接收主控模块分离设置，也可集成设置。该实施例由于对充电保护和放电保护做了分离，在串联的多个电池芯放电时，放电链路由于不再存在开关管导通时的电阻，所以可减小放电时串联电池芯的内阻，从而提高了电池的效率。
[0059]需要说明的是，N+1个开关管的位置并不局限于上述实施例中的位置，在其它实施例中，N个开关管中的每个开关管可串联在接收端的相应充电链路的任何位置，另一个开关管可串联在接收端的放电链路的任何位置，这都在本实用新型的保护范围内。
[0060]在上述无线充电系统的各个实施例中，逆变模块可为全桥逆变模块或半桥逆变模块，全桥逆变模块比半桥逆变模块多使用两个开关管，但输出的交流电压幅值与输入的直流电压相等，半桥逆变模块输出的交流电压幅值仅为输入的直流电压的一半。
[0061]下面说明以上无线充电系统的工作原理:电源适配器输出直流电，经过逆变模块可以逆变成高频交流电以供给到互感线圈的初级线圈，通过互感线圈耦合能量，次级线圈输出高频交流电，再经过整流模块整流滤波出直流电压，以供给后面的充电管理模块，最终完成对电池芯的充电。另外，根据接收端的各种反馈信号(充电电压、充电电流)，发射端的发射主控模块可判断相应的初级线圈是否有次级线圈靠近，进而进行逆变模块的控制。而且，根据充电管理模块对充电流程进行管理，各个阶段消耗的功率也不尽相同，因此需要有各种反馈信号到接收主控模块，接收主控模块再根据通信协议将反馈信号调制成可传输的信号到次级线圈上，进而耦合反馈到初级线圈，发射端的反馈解调模块解调该信号后输入到发射主控模块，发射主控模块根据通信协议完成各种功能的调整，例如，对逆变模块的各个开关管驱动进行PWM控制。
[0062]优选地，在发射端，多个初级线圈分多层蜂窝式排列，如图8所示，七个初级线圈111-117分三层蜂窝式排列，其中，初级线圈111设置在第一层，初级线圈112-114设置在第二层，初级线圈115-117设置在第三层。这样，可根据接收端的次级线圈的位置，启动每层中的一个或多个初级线圈进行功率传输以达到最大的转换效率。
[0063]图9是本实用新型无线充电系统中发射端的发射盘和接收端的接收盘实施例一的结构图，在发射端10的发射盘上，布满了蜂窝式排列的初级线圈11。接收端可包含有二节电池、三节电池或四节电池，下面以包含有三节电池的接收端20为例进行说明，当该接收端20的三个次级线圈21靠近发射端10的发射盘时，该三个次级线圈21与其下面的初级线圈共同工作，使得该三个次级线圈21都可以得到最大的工作效率。[0064]下面说明下该无线充电系统在实际使用中的两个样例:
[0065]对于对讲机来说，一般使用两节电池作为电源供给来源，若不考虑通用性，发射端可以只设计2组多个或2个发射线圈，在接收端应用两级设计就可以满足一般对讲机
8.4V?6V工作范围要求。输出的时候电流从整个两级电池的最高级正极输出，从两级电池的负极最低级流入，形成完整的回路。需要指出的是两级发射端依旧可以兼容单节电池接收端。
[0066]对于使用四节电池作为电源共给来源的终端装置，接收端就有四级次级线圈，发射端可使用四级或更多初级线圈组。四级次级线圈分别将接收到的能量转换为单节充电电压，供给四级单节充电管理模块，使其独立工作，独立的为每一节电池芯充电，输出的时候电流从整个四级电池的最高级正极输出，从四级电池的负极最低级流入，形成完整的回路。
[0067]以上只详细介绍了两种电压平台的应用，若有需求可以按照产品规划，利用本无线充电系统向下兼容的特性，设计一款发射端满足产品规划最高节数，同时满足所有产品的充电需求，布满初级线圈的发射端可以同时满足无限制电池节数的充电要求。
[0068]以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。
【权利要求】
1.一种无线充电系统，其特征在于，包括:发射端和接收端，而且， 所述发射端包括: M个初级线圈，M为自然数； 用于将电源电压转换成直流电压的电源适配器； 分别连接于所述电源适配器和相应初级线圈，且将电源适配器输出的直流电压进行逆变以供给相应初级线圈的M个逆变模块； 与相应逆变模块连接，且根据所述接收端的位置控制相应逆变模块开启的至少一个发射主控模块； 所述接收端包括: N个电池芯，N为自然数； N个次级线圈； 分别连接相应次级线圈，且对相应次级线圈所输出的高频交流电进行整流滤波的N个整流模块； 分别连接相应整流模块和相应电池芯，且对相应整流模块的输出电压进行处理以对相应电池芯进行充电管理的N个充电管理模块。
2.根据权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，所述接收端还包括: 连接于相应整流模块，且对电池芯的充电电压、充电电流进行采集及处理的至少一个接收主控模块； 连接于所述至少一个接收主控模块和相应次级线圈，且分别用于对处理后的充电电压、充电电流信号进行调制以供给相应次级线圈的N个反馈调制模块； 所述发射端还包括: 连接于所述至少一个发射主控模块和相应初级线圈，且分别对相应初级线圈耦合到的接收端所反馈的充电电压、充电电流信号进行解调的M个反馈解调模块。
3.根据权利要求1或2所述的无线充电系统，其特征在于，所述接收端还包括: 用于检测相应电池芯电压/电流，并在所检测的电池芯电压/电流超过电池芯的承受范围时，切断充放电链路的保护模块。
4.根据权利要求3所述的无线充电系统，其特征在于，所述保护模块包括: N个开关管，而且，交替设置的N个电池芯与N个开关管串联连接； 分别连接于相应开关管，且用于检测相应电池芯电压/电流，并在所检测的电池芯电压/电流超过相应电池芯的承受范围时，控制相应开关管关断的N个保护单元。
5.根据权利要求4所述的无线充电系统，其特征在于，所述至少一个接收主控模块与所述N个保护单元集成设置。
6.根据权利要求3所述的无线充电系统，其特征在于，所述保护模块包括: N+1个开关管，其中，N个电池芯串联，而且，N个开关管中的每个开关管的第一端连接相应的充电管理模块的负输出端，N个开关管中的每个开关管的第二端连接相应电池芯的负端，另一个开关管的第一端连接N个串联的电池芯的正端，所述另一个开关管的第二端为电池芯放电输出端； 用于在充电时检测相应电池芯电压/电流，并在所检测的电池芯电压/电流超过相应电池芯的承受范围时，控制所述N个开关管中的相应开关管关断的N个充电保护单元；及用于在放电时检测N个电池芯串联后的输出电压/电流，并在所检测的电压/电流超过电池芯的承受范围时，控制所述另一个开关管关断的放电保护单元。
7.根据权利要求6所述的无线充电系统，其特征在于，所述至少一个接收主控模块与所述N个充电保护单元及放电保护单元集成设置。
8.根据权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，在M大于I时，所述M个初级线圈分多层蜂窝式排列 。
9.根据权利要求1 所述的无线充电系统，其特征在于，所述逆变模块为全桥逆变模块或半桥逆变模块。
【文档编号】H02J7/02GK203504261SQ201320259425
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年5月14日 优先权日:2013年5月14日
【发明者】董德, 徐筠迪, 严春荣, 熊运远, 陈剑锋 申请人:海能达通信股份有限公司