基于USWPT的可隔金属介质的无线充电装置的制作方法

本实用新型属于超声波隔金属介质的无线充电技术领域，尤其涉及基于USWPT的可隔金属介质的无线充电装置。

背景技术：

超声波无线电能传输技术USWPT主要是基于压电效应与逆压电效应的原理，利用超声换能器进行电能与机械能之间的相互转换，从而实现电能的无线传输。超声波可通过压电材料的逆压电效应方便的转化成电能，其实现方式为发射端的压电材料器件从电源中获取电能并将其转换为机械能，以超声波的形式传播到空气、水、金属等媒介中；随后接收端通过压电材料接收器件的逆压电效应将超声波能量转换为电能，调整后提供给用电端设备。

随着无线充电技术的推广，其应用环境也日趋复杂。由于电磁场在金属中传播时衰减严重，故在有金属挡板、金属墙、密闭金属容器等有金属隔离物的场合中，现阶段已较为成熟的电磁感应式和电磁谐振式WPT技术无法有效得到应用。超声波是指频率大于20kHz的声波，具有方向性强、能量易于集中等特点。它作为机械波，可以在空气、水、金属等各种媒质中传播而无电磁干扰等问题。由于超声波式无线电能传输技术USWPT对各种传输环境的适应性强、传输距离较远且可实现“一对多”传能，故其在电子产品、医疗、军工等多个应用领域都有很好的发展前景。

因为金属介质与压电材料之间的阻抗不匹配问题相较于气体、液体两种介质而言小得多。所以相比于其他两种介质中的超声波电能传输，隔金属介质的超声波无线传输可以大幅度提高传输功率和效率。应用USWPT技术为金属容器中的电气设备进行无线充电拥有得天独厚的优势。而现有的超声波穿透金属板无线电能传输装置存在如何提高充电效率，实现自动控制等问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提出一种穿透各种金属介质进行无线电能传输的装置，能同时进行“一对多”无线充电，工作过程中随时控制负载电池充电线路通断，能够检测电池状态并自动停止充电，既节省电能又提高了充电效率。另外还克服了发射换能器谐振频率漂移，使得谐振工作状态稳定。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：基于USWPT的可隔金属介质的无线充电装置，包括发射单元和接收单元，所述发射单元包括依次连接的工频电源模块、整流电路、驱动电路、高频逆变电路、反馈网络、发射端匹配电路和发射换能器；所述接收单元包括依次连接的接收换能器、接收端匹配电路、整流稳压电路和负载电池模块；所述发射单元还包括依次连接的信息调制模块和信号接收器，所述接收单元还包括依次连接的信息解调模块、开关控制模块、电池信息检测模块和信号发射器；所述工频电源模块提供交流电经过整流电路、驱动电路、高频逆变电路得到高频交流电，通过所述发射换能器以超声波形式传递至接收换能器，通过所述整流稳压电路得到稳定的直流电向所述负载电池模块充电；所述信息调制模块调制负载电池操作信号，通过通信通道发送至所述信息解调模块，并控制开关控制模块对相应负载的充电线路进行开启或关断操作；所述电池信息检测模块监测各负载电池信息，若检测到某负载电池电量充满，则控制开关模块关断相应负载电池充电线路；若检测到所有负载电池充电线路关断，则触发所述信号发射器发射超声波信号至所述信号接收器，所述信号接收器控制所述驱动电路使所述无线充电装置停止充电。

在上述的基于USWPT的可隔金属介质的无线充电装置中，所述通信通道包括所述信息调制模块、发射换能器、接收换能器和信息解调模块；所述信息调制模块的信号通过所述发射换能器和所述接收换能器进行超声波无线传输至所述信息解调模块。

在上述的基于USWPT的可隔金属介质的无线充电装置中，所述发射换能器的输出信号作为反馈网络的给定输入信号，所述高频逆变电路的输出信号作为反馈网络的实际输入信号，构成闭环控制电路来控制驱动电路，调节高频逆变电路中开关器件的通断，使得所述高频逆变电路的输出的频率和电压随发射换能器谐振频率的变化而变化，保证发射换能器工作在谐振频率点上，克服谐振频率漂移。

在上述的基于USWPT的可隔金属介质的无线充电装置中，所述发射端匹配电路用于消除发射换能器的容性无功和阻抗变换；所述接收端匹配电路用于阻抗变换；所述发射换能器工作在逆压电效应状态，将电能转换为机械能；所述接收换能器工作在正压电效应状态，将机械能转换为电能。

上述基于USWPT的可隔金属介质的无线充电装置实现的原理如下：发射单元包括依次连接的工频电源模块，信息调制模块，信号接收器，整流电路，驱动电路，高频逆变电路，反馈网络，发射端匹配电路和发射换能器；接收单元包括依次连接的接收换能器，接收端匹配电路 ，信息解调模块，开关控制模块，电池信息检测模块，信号发射器，整流稳压电路和负载电池模块。工频电源模块为整流电路提供电源电压；信息调制模块对来自软件输入的操作信号进行调制，加载在高频信号上通过通信通道发送至信息解调模块；信号接收器接收来自信号发射器的反馈信号；整流电路将工频交流电整流滤波为直流电并作为高频逆变电路的输入；驱动电路产生PWM控制信号并放大，控制高频逆变电路中开关器件的触发，驱动高频逆变电路；高频逆变电路将输入的直流电逆变为高频交流电输出；反馈网络构成闭环控制，根据高频逆变电路的输出调节开关器件的通断，改变开关频率；发射端匹配电路消除发射换能器的容性无功同时起到阻抗变换的作用；发射换能器工作在逆压电效应状态，将从高频电源获得的电能转换为机械能；接收换能器工作在正压电效应状态，将接收换能器辐射面上的机械能转换为电能；接收端匹配电路起到阻抗变换的作用；信息解调模块实现与发射单元的超声波信息交互，并控制开关控制模块；开关控制模块控制各负载电池充电线路的通断；电池信息检测模块检测负载电池模块电池电压等工作信息；信号发射器向信号接收器发射接收端反馈信号；整流稳压电路将接收的能量整流稳压成恒定的直流电，向负载电池模块充电；负载电池模块存储电能，为负载正常工作供电。

发射换能器在工作过程中，由于发热、磨损、老化等原因使得其谐振频率漂移。将发射换能器输出信号作为反馈网络的给定输入信号，将高频逆变电路的输出信号作为反馈网络的实际输入信号，反馈网络构成的闭环控制电路通过对比两者误差来控制驱动电路，调节开关器件的通断状态，使得高频逆变电路的输出的频率和电压可随着发射换能器谐振频率的变化而变化，确保发射换能器一直工作在谐振频率点上，能够稳定、高效的进行将电能转换为机械能输出。

上述基于USWPT的可隔金属介质的无线充电装置的通信通道主要由以下几个部分组成：信息调制模块、发射换能器、接收换能器和信息解调模块。充电开始前，通过软件将所选负载电池信息发送给信息调制模块，信息调制模块将输入信息调制至特定频段，依靠由发射换能器、接收换能器进行超声波无线传输，所选负载电池信息以超声波载波的型式传送到信息解调模块，开关控制模块依据被解调的信息使所选负载电池线路导通，可以实现同时“一对多”对负载电池充电。在工作过程中若想中断某负载电池的充电，通过软件将负载电池充电中断信号发送给信息调制模块，通过通信通道将信号传送到信息解调模块，并控制开关控制模块将相应的负载电池线路关断。

在充电过程中，电池信息检测模块实时检测负载电池模块电池电压等工作信息。当电池信息检测模块检测到某负载电池电压已充电至额定值时，自动控制开关控制模块将该负载电池的充电线路关断，提高其余负载电池的充电效率。若开关控制模块检测到所有充电线路均为关断状态，自动触发信号发射器发射特定频段的超声波信号，信号接收器接收到停止信号，控制驱动电路使充电装置停止工作。

本实用新型的有益效果：该无线充电装置适用于各种金属介质的无线电能传输，工作过程不受电磁干扰，控制简便，安全可靠。可以实现“一对多”充电，能够检测电池状态并自动停止充电，在工作过程中随时控制负载电池充电线路的通断。可以自动调节主电路输出的频率和电压，使其稳合发射端谐振频率，大大提高了无线能量传输的功效。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例整体功能示意图。

图2是本实用新型一个实施例通过通信通道控制负载电池充电方案的工作流程示意图；

图3是是本实用新型一个实施例自动检测停止充电的工作流程示意图；

其中，1-发射单元、11、工频电源、12-信息调制模块、13-信号接收器、14-整流电路、15-驱动电路、16-高频逆变电路、17-反馈网络、18-发射端匹配电路、19-发射换能器；2-接收单元、21-接收换能器、22-接收端匹配电路、23-信息解调模块、24-开关控制模块、25-电池信息检测模块、26-信号发射器、27-整流稳压电路、28-负载电池模块。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式进行详细描述。

本实施例采用以下技术方案：基于USWPT的可隔金属介质的无线充电装置，包括发射单元和接收单元，所述发射单元包括依次连接的工频电源模块、整流电路、驱动电路、高频逆变电路、反馈网络、发射端匹配电路和发射换能器；所述接收单元包括依次连接的接收换能器、接收端匹配电路、整流稳压电路和负载电池模块；所述发射单元还包括依次连接的信息调制模块和信号接收器，所述接收单元还包括依次连接的信息解调模块、开关控制模块、电池信息检测模块和信号发射器；所述工频电源模块提供交流电经过整流电路、驱动电路、高频逆变电路得到高频交流电，通过所述发射换能器以超声波形式传递至接收换能器，通过所述整流稳压电路得到稳定的直流电向所述负载电池模块充电；所述信息调制模块调制负载电池操作信号，通过通信通道发送至所述信息解调模块，并控制开关控制模块对相应负载的充电线路进行开启或关断操作；所述电池信息检测模块监测各负载电池信息，若检测到某负载电池电量充满，则控制开关模块关断相应负载电池充电线路；若检测到所有负载电池充电线路关断，则触发所述信号发射器发射超声波信号至所述信号接收器，所述信号接收器控制所述驱动电路使所述无线充电装置停止充电。

进一步，所述通信通道包括所述信息调制模块、发射换能器、接收换能器和信息解调模块；所述信息调制模块的信号通过所述发射换能器和所述接收换能器进行超声波无线传输至所述信息解调模块。

进一步，所述发射换能器的输出信号作为反馈网络的给定输入信号，所述高频逆变电路的输出信号作为反馈网络的实际输入信号，构成闭环控制电路来控制驱动电路，调节高频逆变电路中开关器件的通断，使得所述高频逆变电路的输出的频率和电压随发射换能器谐振频率的变化而变化，保证发射换能器工作在谐振频率点上，克服谐振频率漂移。

更进一步，所述发射端匹配电路用于消除发射换能器的容性无功和阻抗变换；所述接收端匹配电路用于阻抗变换；所述发射换能器工作在逆压电效应状态，将电能转换为机械能；所述接收换能器工作在正压电效应状态，将机械能转换为电能。

如图1所示，发射单元1包括：依次连接的工频电源模块11，信息调制模块12，信号接收器13，整流电路14，驱动电路15，高频逆变电路16，反馈网络17，发射端匹配电路18，发射换能器19。接收单元2包括：依次连接的接收换能器21，接收端匹配电路 22，信息解调模块23，开关控制模块24，电池信息检测模块25，信号发射器26，整流稳压电路27，负载电池模块28。

具体实施时，工频电源模块11为整流电路14提供电源电压；信息调制模块12对来自软件输入的操作信号进行调制，加载在高频信号上通过通信通道发送至信息解调模块23；信号接收器13接收来自信号发射器26的反馈信号；整流电路14将工频交流电整流滤波为直流电并作为高频逆变电路16的输入；驱动电路15产生PWM控制信号并放大，控制高频逆变电路16中开关器件的触发，驱动高频逆变电路16；高频逆变电路16将输入的直流电逆变为高频交流电输出；反馈网络17构成闭环控制，根据高频逆变电路16的输出调节开关器件的通断，改变开关频率；发射端匹配电路18消除发射换能器19的容性无功同时起到阻抗变换的作用；发射换能器19工作在逆压电效应状态，将从高频电源获得的电能转换为机械能；接收换能器21工作在正压电效应状态，将接收换能器辐射面上的机械能转换为电能；接收端匹配电路22起到阻抗变换的作用；信息解调模块23实现与发射单元2的超声波信息交互，并控制开关控制模块24；开关控制模块24控制各负载电池充电线路的通断；电池信息检测模块25检测负载电池模块28电池电压等工作信息；信号发射器26向信号接收器13发射接收端反馈信号；整流稳压电路27将接收的能量整流稳压成恒定的直流电，向负载电池模块28充电；负载电池模块28存储电能，为负载正常工作供电。

实施时，发射换能器19在工作过程中，由于发热、磨损、老化等原因使得其谐振频率漂移。将发射换能器19输出信号作为反馈网络17的给定输入信号，将高频逆变电路16的输出信号作为反馈网络17的实际输入信号，反馈网络17构成的闭环控制电路通过对比两者误差来控制驱动电路15，调节开关器件的通断状态，使得高频逆变电路16的输出的频率和电压可随着发射换能器19谐振频率的变化而变化，确保发射换能器19一直工作在谐振频率点上，能够稳定、高效的进行将电能转换为机械能输出。

本实施例所述的通信通道主要由以下几个部分组成：信息调制模块12、发射换能器19、接收换能器21和信息解调模块23。工作过程如图2所示，充电开始前，通过软件将所选负载电池信息发送给信息调制模块12，信息调制模块12将输入信息调制至特定频段，依靠由发射换能器19、接收换能器21进行超声波无线传输，所选负载电池信息以超声波载波的型式传送到信息解调模块23，开关控制模块24依据被解调的信息使所选负载电池线路导通，可以实现同时“一对多”对负载电池充电。在工作过程中若想中断某负载电池的充电，通过软件将负载电池充电中断信号发送给信息调制模块12，通过通信通道将信号传送到信息解调模块23，并控制开关控制模块将相应的负载电池线路关断。

如图3所示，本实施例检测电池电量信息并自动停止充电的工作流程。在充电过程中，电池信息检测模块25实时检测负载电池模块28电池电压等工作信息。当电池信息检测模块25检测到某负载电池电压已充电至额定值时，自动控制开关控制模块24将该负载电池的充电线路关断，提高其余负载电池的充电效率。若开关控制模块24检测到所有充电线路均为关断状态，自动触发信号发射器26发射特定频段的超声波信号，信号接收器13接收到停止信号，控制驱动电路15使充电装置停止工作。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本实用新型的原理和实质。本实用新型的范围仅由所附权利要求书限定。