具有异常状态保护功能的无线电能传输系统的制作方法

本发明属于无线充电技术领域，涉及一种无线电能传输系统，具体的说，涉及一种具有异常状态保护功能的无线电能传输系统。

背景技术：

无线电能传输是一种通过空间电磁场耦合来进行电能传输的技术，其主要优点是(1)使用方便，不需要插拔；(2)安全系数高，由于发射端和接收端无直接电路连接，不会产生电火花；(3)应用领域广，可以在易燃易爆等恶劣工况下使用；可以在水中进行能量传输，在海洋装备等水下应用中。

当无线电能传输系统处于非正常工作状态时，比如发射端和接收端发生位置偏移、器件损伤等情况下，系统效率会低于正常工作状态，这时就会造成能量浪费而且会引起系统发热从而进一步降低器件应力与系统性能，情况严重时则会破坏系统的稳定性。这直接导致产品存在潜在的故障风险。为了提高系统的稳定性和安全性，需要有效的解决上述问题。

现有无线电能传输系统通常不具有异常状态保护功能。

公开号为CN104868610A的专利公开了一种无线充电系统及方法，具体公开：无线充电接收模块包括用于对整流稳压后电压进行采样的电压采样元件，在动态负载发生变化时，电压采样元件的采样值将反应动态负载的变化，将其传递到无线充电接收端的MCU，以便MCU对动态负载的异常做出反应，对输出电压进行控制。这种方法仅考虑了无线充电接收端的异常输出。

异常状态下，无线充电接收端和无线电能发射端均会对异常状态做出反应，研究一种可综合考虑无线电能接收端和无线电能发射端异常状态的无线电能传输系统及方法，可更准确的对异常状态做出诊断。

技术实现要素：

本发明的目的在于根据现有技术的不足提供一种可准确诊断无线电能传输系统异常状态、具有异常状态诊断和保护功能的无线电能传输系统。

为实现以上目的，本发明提供以下技术方案：具有异常状态保护功能的无线电能传输系统，包括无线发射端和无线接收端，无线发射端包括发射端整流滤波电路、发射端MCU、发射端线圈和无线通信接收模块，发射端整流滤波电路的输出端经逆变电路与发射端线圈相接；无线接收端包括接收端线圈、接收端整流滤波电路、接收端MCU和无线通信发射模块，接收端线圈的输出经接收端整流滤波电路及稳压电路接负载；无线通信发射模块获取接收端MCU的信号并与无线通信接收模块间进行信号传输，无线通信接收模块将其获得的信号值传递到发射端MCU；

发射端整流滤波电路的输出端连接用于采集发射端整流滤波电路输出电压的发射端整流滤波电压采样电路，逆变电路的输出端连接用于采集发射端线圈输入电流的发射端线圈电流采样电路，发射端整流滤波电压的采样信号和发射端线圈输入电流的采样信号均传递到发射端MCU；接收端整流滤波电路的输出端连接用于采集接收端整流滤波电路输出电压接收端整流滤波电压采样电路，稳压电路的输出端连接用于采集负载输入电流的负载输入电流采样装置，收端整流滤波电路输出电压的采样信号和负载输入电流采样信号均传递到接收端MCU。

优选的是：射端整流滤波电压采样电路包括串联的电阻R3和电阻R4，电阻R3的第一端接发射端整流滤波电路的输出端，电阻R4的第二端接地，电阻R3的第二端和电阻R4的第一端互连并接电压跟随器U1的同相输入端，电压跟随器U1的输出端与电阻R4的第二端的之间接电容C1，电压跟随器U1的输出端与发射端MCU相接，将发射端整流滤波电压采样信号传递到发射端MCU，电压跟随器U1的输出端还与其反向输入端相接；

发射端线圈电流采样电路包括电阻R5、R6、R7和R8，电阻R5的第一端与逆变电路的输出端相接，第二端接地，且其并联有电容C3；电阻R6的第一端与电阻R5的第一端相连，第二端接两条支路，一条支路经电容C2接地，另一条支路接电压跟随器U2的反向输入端；电阻R7的第一端接地，其第二端接两条支路，一条支路接电压跟随器U2的同相输入端，另一条支路接电阻R8的第一端；电阻R8的第二段接电压跟随器U2的输出端，且电压跟随器U2的输出端还接至电压跟随器U3的同相输入端，电压跟随器U3的输出端接两条支路，一条支路与电压跟随器U3的反向输入端相连，另一条支路接至发射端MCU，将发射端线圈电流采样信号传递至发射端MCU；

接收端整流滤波电压采样电路包括串联的电阻R1和电阻R2，电阻R1的第一端接稳压电路的输出端；电阻R2的第二端接地，电阻R1的第二端和电阻R2的第一端互连并接电压跟随器U4的同相输入端，电压跟随器U4的输出端接两条支路，一条支路与电压跟随器U4的反向输入端相接，另一条支路与接收端MCU相接，将接收端整流滤波电压采样信号传递到发射端MCU。

优选的是：负载输入电流采样装置采用电流采样芯片，稳压电路的输出端经电流采样芯片与负载相连，电流采样芯片的输出端与接收端MCU相接，将负载输入电流采样信号传递至接收端MCU。

本发明的有益效果为：

本发明提供了一种具有异常状态保护功能的无线电能传输系统。与传统无线电能传输系统不同的是，该系统配置了发射端整流滤波电压采样电路、发射端线圈电流采样电路、接收端整流滤波电压采样电路和负载输入电流采样装置，根据上述采样电路或采样装置采集的电流值和电压值，分析无线电能传输系统是否处于异常状态。

附图说明

图1为无线电能传输系统结构示意图。

图2为发射端整流滤波电压采样电路及发射端线圈电流采样电路结构示意图。

图3为接收端整流滤波电路及负载输入电流采样装置结构示意图。

图4为无线电能传输系统工作流程图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚完整地描述。显然，具体实施方式所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，与传统无线电能传输系统相似的是，具有异常状态保护功能的无线电能传输系统，包括无线发射端和无线接收端，无线发射端包括发射端整流滤波电路、发射端MCU、发射端线圈和无线通信接收模块，发射端整流滤波电路的输出端经逆变电路与发射端线圈相接；无线接收端包括接收端线圈、接收端整流滤波电路、接收端MCU和无线通信发射模块，接收端线圈的输出经接收端整流滤波电路及稳压电路接负载；无线通信发射模块获取接收端MCU的信号并与无线通信接收模块间进行信号传输，无线通信接收模块将其获得的信号值传递到发射端MCU。发射端线圈配置有接近式传感器，接收端线圈配置有可被接近式传感器感知的感应物。接近式传感器的感知信号反馈至发射端MCU。

系统工作时，从电网取交流电进入发射端整流滤波电路，使工频交流电变为直流电。然后，发射端MCU控制电路产生PWM驱动信号，使直流电经过逆变电路后变换高频交流电，用于激励发射端线圈。接收端线圈通过磁场耦合拾取能量，并经过接收端高频整流滤波电路，再输出直流电。该直流电经过DC/DC稳压电路输出负载设备所需要电压。当负载变化、器件参数漂移、温升变化时都会影响整个系统工作的稳定性。为了实现无线电能传输系统的稳定运行，在无线接收端和无线发射端增加射频通信模块，将无线接收端的状态信息返回给无线发射端，实现整个系统的闭环控制。在这个过程中，接收端的MCU会采样接收端整流电压信号，并经过与之相连无线通信发射模块发送到发射端设备的无线通信接收模块。发射端MCU会根据与之相连的无线通信接收模块返回的输出侧整流电压值，调节PWM频率、占空比或相位来稳定输出整流电压。根据接近式传感器反馈的信号来判别是否接收端线圈进入系统工作区域。

为实现无线电能传输系统对异常状态的检测，与传统的无线电能传输系统不同的是，为无线电能传输系统进一步设计以下结构。

发射端整流滤波电路的输出端连接用于采集发射端整流滤波电路输出电压的发射端整流滤波电压采样电路，逆变电路的输出端连接用于采集发射端线圈输入电流的发射端线圈电流采样电路，发射端整流滤波电压的采样信号和发射端线圈输入电流的采样信号均传递到发射端MCU；接收端整流滤波电路的输出端连接用于采集接收端整流滤波电路输出电压接收端整流滤波电压采样电路，稳压电路的输出端连接用于采集负载输入电流的负载输入电流采样装置，接收端整流滤波电路输出电压的采样信号和负载输入电流采样信号均传递到接收端MCU。

进一步，如图2所示，发射端整流滤波电压采样电路包括串联的电阻R3和电阻R4，电阻R3的第一端接发射端整流滤波电路的输出端，电阻R4的第二端接地，电阻R3的第二端和电阻R4的第一端互连并接电压跟随器U1的同相输入端，电压跟随器U1的输出端与电阻R4的第二端的之间接电容C1，电压跟随器U1的输出端与发射端MCU相接，将发射端整流滤波电压采样信号传递到发射端MCU，电压跟随器U1的输出端还与其反向输入端相接。

发射端线圈电流采样电路包括电阻R5、R6、R7和R8，电阻R5的第一端与逆变电路的输出端相接，第二端接地，且其并联有电容C3；电阻R6的第一端与电阻R5的第一端相连，第二端接两条支路，一条支路经电容C2接地，另一条支路接电压跟随器U2的反向输入端；电阻R7的第一端接地，其第二端接两条支路，一条支路接电压跟随器U2的同相输入端，另一条支路接电阻R8的第一端；电阻R8的第二段接电压跟随器U2的输出端，且电压跟随器U2的输出端还接至电压跟随器U3的同相输入端，电压跟随器U3的输出端接两条支路，一条支路与电压跟随器U3的反向输入端相连，另一条支路接至发射端MCU，将发射端线圈电流采样信号传递至发射端MCU。

具体的说，发射端整流滤波电路输出的电压信号通过电阻R3和电阻R4进行分压，经过电压跟随器U1，再经过电容C1拉平电压信号后进入发射端MCU。发射线圈输入电流信号通过精密采样电阻R5转化为电压信号，再经过电容C3拉平，然后通过R6、C2、R8、R7以及U2组成的滤波放大电路除去干扰信号并合理的放大由电流信号转化而来的电压信号，在经过U3电压跟随器，最后进入发射端MCU。

进一步，如图3所示，接收端整流滤波电压采样电路包括串联的电阻R1和电阻R2，电阻R1的第一端接稳压电路的输出端；电阻R2的第二端接地，电阻R1的第二端和电阻R2的第一端互连并接电压跟随器U4的同相输入端，电压跟随器U4的输出端接两条支路，一条支路与电压跟随器U4的反向输入端相接，另一条支路与接收端MCU相接，将接收端整流滤波电压采样信号传递到发射端MCU。

其中，负载输入电流采样装置采用电流采样芯片，稳压电路的输出端经电流采样芯片与负载相连，电流采样芯片的输出端与接收端MCU相接，将负载输入电流采样信号传递至接收端MCU。例如，可采用霍尔电流采样芯片。

具体的说，电阻R1和电阻R2分压采取稳压电路输出的电压，随后进入电压跟随器U4，最后进入接收端MCU；电流采样芯片把输出电流信号转变为电压信号，进入接收端MCU，随后两个信号经无线通信发射模块传递到无线通信接收模块，并进一步传递至发送端MCU。

采用以上无线电能传输进行无线电能传输的方法，在正常工况下，同常规的无线电能传输系统，但当无线电能传输系统处于异常状态时，系统会迅速做出反应。

如图4所示，异常判断及保护过程具体包括以下步骤：

发射端MCU内设置相对效率阈值η₁；设定采样周期T；

发射端整流滤波电压采样电路采集发射端整流滤波电路输出电压信号V₁，发射端线圈电流采样电路采集发射端线圈输入电流信号I₁；接收端整流滤波电压采样电路采集接收端整流滤波电路输出电压信号V₂，负载输入电流采样装置采集负载输入电流信号I₂；

发射端MCU获取发射端整流滤波电路输出电压信号V₁、发射端线圈输入电流信号I₁；

接收端MCU获取接收端整流滤波电路输出电压信号V₂、负载输入电流信号I₂，并将两个信号经无线通信发射模块传递至无线通信接收模块；无线通信接收模块获取两个信号后进一步将其传递至发射端MCU；

发射端MCU获取上述信号后，进行相对效率计算：η＝(V₂*I₂)/(V₁*I₁)*100％；

若时间段T内始终满足：

η≤η₁，停止无线发射端和无线接收端间的能量传输，无线发射端进入待机状态；

相应的，若时间段T内，某时间点：

η＞η₁，根据接收端整流滤波电路输出电压信号V₂调整发射端MCU对逆变电路的驱动频率。

也就是说，进行效率换算，并将结果与设定值η₁相对比，如果在一定时间段内一直低于效率设定值则立即控制发射端进入待机状态，初始化工作频率和输出增益，如果高于设定效率值，则发射端MCU根据与之相连的射频无线通信模块返回的输出侧整流电压值，调节PWM频率、占空比或相位来稳定输出整流电压。