无线充电发射端的频率跟踪装置及系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了无线充电发射端的频率跟踪装置及系统，涉及无线充电领域，用以解决采用现有的无线充电技术进行充电时，无线充电效率较低的问题。装置包括：依次相连的频率跟踪部分电路、高频逆变部分电路和LC谐振天线；频率跟踪部分电路用于捕获电压和电流的相位差并向高频逆变部分电路输出；高频逆变部分电路用于根据相位差，使输出信号产生频率偏移；LC谐振天线用于根据偏移后的信号频率向外发射无线射频信号。系统包括：相互连接的充电发射装置和充电发射天线，以及与充电发射天线谐振的频率跟踪装置。
【专利说明】无线充电发射端的频率跟踪装置及系统
【【技术领域】】
[0001]本实用新型涉及无线充电领域，尤其是无线充电发射端的频率跟踪装置及系统。【【背景技术】】
[0002]无线供电技术(Contactless Power Supply, CPS),也称为感应祸合电能传输技术(InductiveCoupled Power Transmiss1n, ICPT),无接触供电是指输电线路和负载方在没有电气连接和物理接触，甚至在它们之问还有相对运动的情况下，完成电能的传输。无接触供电技术的理论依据是电磁感应原理，利用现代电力电了能量变换技术、磁场祸合技术，借助于现代控制理论和微电了控制技术，实现能量从静止设备向可移动设备的传输。
[0003]随着工业化进程的日益推进，电动的交通工具越来越多，电动车已经广泛的应用在人们的生活中，电动汽车也逐步面向市场，电动汽车其动力普遍采用蓄电池供电方式，它比传统的汽车排放量小很多，对环境的影响非常小，在全球一致呼吁加强环保的今天，电动汽车一定因其无污染性和易扩展等优点而得到了迅猛发展和广泛应用。如果采用传统的供电设备对车辆进行充电有很多不利的地方，包括过多导线的存在，危险性，还有户外有线充电桩的侵害。在汽车内部就需要针对这种电动设备需要一种新的充电技术来替代现有的供电方式。无线充电就能很好的解决这些问题，无线充电只要有停车位就可以对电动汽车进行充电，甚至可以在汽车行驶过程中就对汽车进行充电，这些优点都非常利于电动汽车的普及推广。
[0004]但是采用现有的无线充电技术进行充电时，无线充电效率较低。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型提供了无线充电发射端的频率跟踪装置及系统，用以解决采用现有的无线充电技术进行充电时，无线充电效率较低的问题。
[0006]本实用新型的一种无线充电发射端的频率跟踪装置，包括:依次相连的频率跟踪部分电路、高频逆变部分电路和LC谐振天线；其中，所述的频率跟踪部分电路，用于捕获电压和电流的相位差，并向高频逆变部分电路输出；所述的高频逆变部分电路，用于根据所述相位差，使输出信号产生频率偏移；所述的LC谐振天线，用于根据所述偏移后的信号频率向外发射无线射频信号。
[0007]其中，所述的频率跟踪部分电路包括:依次相连的电流信号检测电路、差分放大电路、相位补偿电路和锁相环；电流信号检测电路采用电流互感器的方式对LC谐振天线的输入端进行差分电流检测，得到的差分电流经过检测电阻后输出为差分电压；所述的差分电压再进入差分放大电路输出为差分放大电压；所述的差分放大电压与相位补偿电路中的参考电压比较，得到与差分电流相位相同的方波信号；再利用锁相环捕获差分放大电压和差分电流的相位差，以及根据所述相位差控制加在高频逆变部分电路上的电压，使频率跟踪部分电路输出的信号产生频率偏移。
[0008]其中，所述的高频逆变部分电路包括:相互连接的高频逆变器和PWM驱动器；所述的PWM驱动器接收根据所述相位差加在高频逆变部分电路上的电压，并将所述电压放大，以驱动高频逆变器；所述的高频逆变器根据PWM驱动器的驱动，改变输出信号的频率。
[0009]其中，所述的高频逆变器采用谐振逆变器，通过谐振电感的方式传递能量。
[0010]其中，所述的LC谐振天线是线圈天线。
[0011]本实用新型的一种无线充电的发射系统，包括:相互连接的充电发射装置和充电发射天线，以及与所述的充电发射天线谐振的频率跟踪装置；所述的频率跟踪装置是上述的无线充电发射端的频率跟踪装置，用于跟踪充电发射天线发出的无线射频信号的频率；所述的充电发射装置通过充电发射天线向外发射无线射频信号。
[0012]本实用新型的无线充电发射端的频率跟踪装置及系统，可以使发射天线和接收天线更好的进行频率匹配，提高无线充电的效率。主要用在电动汽车无线充电领域，便于电动汽车的推广及普及。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0013]图1是本实用新型实施例1的频率跟踪装置的模块图；
[0014]图2是本实用新型实施例1的频率跟踪装置的电路不意图；
[0015]图3是本实用新型实施例2的无线充电发射系统的结构示意图；
[0016]图4是本实用新型实施例2中充电发射装置21的结构示意图。
【【具体实施方式】】
[0017]经发明人研究发现，充电发射天线和接收天线主要是线圈形式的天线，无线充电的能量传递主要依靠两个发射接收天线之间的耦合达到能量传递的效果。整个能量传递的效率跟两个天线之间的耦合效果直接相关，当收发天线在位置上出现偏差时，都会引起频率上的偏差，发射天线的磁通量就有一部分没进入接收天线，这样两个天线间的传递的能量就会降低，传递效率就降低，因此研究两个天线之间的频率关系就非常必要了。发明人考虑到，如果通过对发射线圈的输出频率实时检测，实现发射频率源对LC发射固有谐振频率同步跟踪，这样可以使发射天线和接收天线之间总是能够满足谐振的关系，从而达到提高传输效率，节约能量的目的。以下通过实施例进行详细说明。
[0018]实施例1、本实施例的无线充电发射端的频率跟踪装置，参见图1所示，包括:依次相连的频率跟踪部分电路11、高频逆变部分电路12和LC谐振天线13。频率跟踪部分电路11用于捕获电压和电流的相位差，并向高频逆变部分电路12输出；高频逆变部分电路12用于根据所述相位差，使输出信号产生频率偏移；LC谐振天线13用于根据所述偏移后的信号频率向外发射无线射频信号。
[0019]为了进一步说明上述频率跟踪部分电路11、高频逆变部分电路12和LC谐振天线13的电路结构，本实施例中提供但不限于如图2所示电路结构。频率跟踪部分电路11包括:依次相连的电流信号检测电路111、差分放大电路112、相位补偿电路113和锁相环114 ;高频逆变部分电路12包括:相互连接的高频逆变器121和PWM驱动器122。
[0020]其中，高频逆变器121可以采用谐振逆变器，采用谐振电感代替变压器来传递能量，减少了变压器的损耗，可以提高无线传输的距离。PWM驱动器122主要用于将锁相环114的输出电压放大来驱动高频逆变器121改变频率。
[0021]LC谐振天线13主要是线圈天线，用于无线充电能量的发射(即发射无线射频信号)。
[0022]电流信号检测电路111采用电流互感器的方式，由于发射谐振电路没有与地相连，因此电流检测必须是差分电流检测，差分电流经过检测电阻115后变成差分电压Vd。差分电压Vd再进入差分放大电路112(如差分放大器)，经过放大器变成Vp。在实际的电路中，电流采样、频率跟踪、MOSFET管通断都需要时间，会引起谐振电压滞后谐振电流一定的相位角，会使得谐振逆变器工作在容性状态，因此需要对逆变器进行校准，使其工作在谐振状态，尽可能多的能量被接收端接收。Vp是电流检测后差分放大的电压，与相位补偿电路113中的参考电压比较(如过零比较器)，得到与初级线圈电流相位相同的方波信号。利用锁相环114捕获电压和电流的相位差，控制加在高频逆变部分电路12(如压控振荡器)上的电源电压Vc，使输出信号产生频率偏移，从而控制PWM驱动器122的开关信号频率实现谐振频率的实时跟踪。
[0023]实施例2、本实施例的无线充电的发射系统，参见图3所示，包括:互连接的充电发射装置21和充电发射天线22，以及与充电发射天线22谐振的频率跟踪装置23。频率跟踪装置23可以采用实施例1所示的无线充电发射端的频率跟踪装置，在实际产品中频率跟踪装置23可以位于充电发射装置21内部，用于跟踪充电发射天线22发出的无线射频信号的频率。充电发射装置21通过充电发射天线22向外发射无线射频信号。
[0024]在实际安装过程中，发射系统的充电发射装置21安装在停车位的前端，地面充电装置借用现有的电力公司网络，由电力公司供电线缆供电，对停车位进行改造，安装无线充电设备使其具有无线充电的功能。充电发射装置21的内部模块结构，可参见图4所示，主要包括充电发射模块211、充电检测模块212、充电控制模块213、频率跟踪装置23。充电控制模块213控制着充电的整个过程，并且与电力系统后台控制系统连接，根据电力公司的后台系统的要求对车辆进行充电。充电检测模块212接收反馈信号，用于检测充电的效率、充电的频率及通信信号，检测充电装置上方是否是被充电设备。充电发射模块211将电源信号转化成无线射频信号，通过充电发射天线22发射出去。无线充电发射系统的电路控制部分和天线部分中，发射线圈和发射装置通过线缆连接，发射线圈和寄生线圈之间通过空间耦合进行能量传递。充电装置的表壳采用硬质的非金属材质制成(面向汽车的一面)，便于电磁波的投射，方便无线充电。电路控制部分制作在壳体之内，保护电路不受外部破坏，并且防水防腐蚀。天线部分采用外置的天线，围绕在电路控制部分外围，天线采用直径较粗的铜管的方式，铜管表面涂有三防漆，围成3维线圈的方式，可用于长期室外工程。天线部分和电路部分再使用外壳包装起来安装在充电装置的表面下方，使之一体化。电路部分的每个模块都单独采用金属腔体安装起来，相互模块之间采用线缆连接，这样布局比较比较清晰，并且能够减少模块之间的相互耦合，减少电磁干扰。
[0025]综上所述本实用新型的优点如下:
[0026]1、采用了无线充电装置的方式，借用现有的电力网络线路，安装在停车位的前方，工程改造比较小，经济实惠，便于无线充电的推广普及。
[0027]2、当普通的金属放置在充电天线上时，它对充电天线电压的影响和线圈天线的影响是不同的，我们通过反向检测这些反馈影响的不同从而判断是否是充电线圈天线，检测车辆停放位置是否合适。
[0028]3、针对不同的被充设备，我们通过检测电压的变化，从而通过通信控制模块控制充电电压，进而调整发射功率。
[0029]4、通过谐振天线本身的电容调整，我们可以调整线圈天线的谐振频率，进而可以和车载部分的充电天线形成共振匹配，利于提高无线充电的效率。并且多线圈中的每个线圈都存在可调的电容，可以调整对应的频率。
[0030]5、通过频率跟踪模块的频率调整，我们可以调整发射模块的输出频率，进而可以和车载部分的充电天线形成谐振匹配，利于提高无线充电的效率。并且接收天线也可以进行频率调整，这样频率调整的余量更大。
[0031]6、高频逆变器采用谐振逆变器，采用谐振电感代替变压器来传递能量，减少了变压器的损耗，可以提高无线传输的距离。
[0032]7、在频率调整模块中，通过对逆变器进行校准，使其工作在谐振状态，使谐振电压和谐振电流没有相位差，尽可能多的能量被接收端接收，提高效率。
[0033]这里本实用新型的描述和应用都只是说明性和示意性的，并非是想要将本实用新型的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是完全可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说，实施例的替换和等效的各种部件均是公知的。本领域技术人员还应该清楚的是，在不脱离本实用新型的精神或本质特征的情况下，本实用新型可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现，以及在不脱离本实用新型范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。
【权利要求】
1.一种无线充电发射端的频率跟踪装置，其特征在于，包括:依次相连的频率跟踪部分电路、高频逆变部分电路和LC谐振天线； 其中，所述的频率跟踪部分电路，用于捕获电压和电流的相位差，并向高频逆变部分电路输出； 所述的高频逆变部分电路，用于根据所述相位差，使输出信号产生频率偏移； 所述的LC谐振天线，用于根据所述偏移后的信号频率向外发射无线射频信号。
2.如权利要求1所述的无线充电发射端的频率跟踪装置，其特征在于，所述的频率跟踪部分电路包括:依次相连的电流信号检测电路、差分放大电路、相位补偿电路和锁相环； 其中，电流信号检测电路采用电流互感器的方式对LC谐振天线的输入端进行差分电流检测，得到的差分电流经过检测电阻后输出为差分电压；所述的差分电压再进入差分放大电路输出为差分放大电压；所述的差分放大电压与相位补偿电路中的参考电压比较，得到与差分电流相位相同的方波信号；再利用锁相环捕获差分放大电压和差分电流的相位差，以及根据所述相位差控制加在高频逆变部分电路上的电压，使频率跟踪部分电路输出的信号产生频率偏移。
3.如权利要求1所述的无线充电发射端的频率跟踪装置，其特征在于，所述的高频逆变部分电路包括:相互连接的高频逆变器和PWM驱动器； 所述的PWM驱动器接收根据所述相位差加在高频逆变部分电路上的电压，并将所述电压放大，以驱动高频逆变器； 所述的高频逆变器根据PWM驱动器的驱动，改变输出信号的频率。
4.如权利要求3所述的无线充电发射端的频率跟踪装置，其特征在于，所述的高频逆变器采用谐振逆变器，通过谐振电感的方式传递能量。
5.如权利要求1所述的无线充电发射端的频率跟踪装置，其特征在于，所述的LC谐振天线是线圈天线。
6.一种无线充电的发射系统，其特征在于，包括:相互连接的充电发射装置和充电发射天线，以及与所述的充电发射天线谐振的频率跟踪装置； 所述的频率跟踪装置是权利要求1至5任一项所述的无线充电发射端的频率跟踪装置，用于跟踪充电发射天线发出的无线射频信号的频率； 所述的充电发射装置通过充电发射天线向外发射无线射频信号。
【文档编号】H02J17/00GK204131234SQ201420459477
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年8月14日 优先权日:2014年8月14日
【发明者】陈业军 申请人:陈业军