无线电能传输系统、电能发射端、电能接收端和检测方法与流程

本发明涉及无线电能传输领域，更具体地，涉及一种无线电能传输系统、无线电能发射端、无线电能接收端和检测方法。

背景技术：

无线供电技术可以以无线方式在电子设备之间传输电能，因而广泛应用于消费电子产品和其它类型的电子产品中。目前主流的技术是采用电磁感应、或磁共振的方式进行能量传输。其包含一个能量的发射端和若干能量的接收端：发射端将电能转化为交变的电磁场在自由空间传播，当接收端放置在交变电磁场内，便会感应产生电能，从而实现能量在自由空间内的传输。无线供电技术省去了用电设备和供电装置之间的连接导线和用电设备上的供电接口，可以使供电更加安全、可靠和整洁。已被广泛应用于电动工具、智能手表、智能手环等电子设备中。

目前airfuel联盟采用了独立的蓝牙器件实现无线电能发射端和无线电能接收端的双向通讯，使得1个发射端对n个接收端同时通讯，进而得到无线电能接收端的数量和充电状态，但是这需要在发射侧和接收侧分别增加蓝牙器件，会大幅增加硬件的成本。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明公开了一种无线电能传输系统、无线电能发射端、无线电能接收端和检测方法，以通过简单的方法，使用较低的硬件成本，实现无线电能发射端和无线电能接收端之间的信息传递及检测无线电能接收端数量的目的。

第一方面，提供一种无线电能传输系统，包括：

无线电能发射端，适于以无线方式发射电能；以及

至少一个无线电能接收端，适于以无线方式接收电能；

其中，所述无线电能接收端被配置为同步地在第一时间周期不输出功率，在第二时间周期向预定的检测负载输出功率，所述无线电能发射端被配置为根据在所述第一时间周期和第二时间周期检测到的发射功率检测所耦合的无线电能接收端的数量。

进一步地，提供一种无线电能发射端，包括：

电能发射电路；

功率检测电路，用于检测输入所述电能发射电路的功率；以及

第一控制器，用于根据所述第一时间周期和所述第二时间周期检测到的发射功率检测所耦合的无线电能接收端的数量。

进一步地，所述无线电能发射端将所述第二时间周期检测到的发射功率与所述第一时间周期检测到的发射功率的差值除以所述检测负载的特定功率以计算无线电能接收端的数量。

进一步地，提供一种无线电能接收端，包括：

电能接收电路，用于接收电能；

检测负载和检测开关，串联连接在所述电能接收电路的输出端口；

控制开关，设置在所述电能接收电路的输出端口和所述无线电能接收端的输出端口之间；以及，

第二控制器，在所述第一时间周期控制所述检测开关和所述控制开关保持关断，在所述第二时间周期控制所述检测开关导通，并控制所述控制开关保持关断。

进一步地，所述第二控制器在第三时间周期控制所述检测开关关断，并控制所述控制开关导通，

所述第一控制器被配置为根据所述无线电能发射端在所述第一时间周期检测到的发射功率与所述第三时间周期检测到的发射功率检测所述无线电能接收端是否连接到负载并向负载供电。

进一步地，所述无线电能接收端被配置为在第四时间周期进行故障检测。

进一步地，所述第一控制器控制所述电能发射电路断续工作，所述第二控制器根据所述电能接收电路上电的时间进行计时以与所述无线电能发射端同步。

进一步地，所述第一控制器被配置为根据所述第一时间周期检测的发射功率检测是否存在异物。

第二方面，提供一种检测方法，用于在无线电能发射端检测所耦合的无线电能接收端的数量，所述检测方法包括：

在第一时间周期，控制所有无线电能接收端同步地不输出功率，并检测无线电能发射端的发射功率；

在第二时间周期，控制所有无线电能接收端同步地对预定的检测负载输出功率，并检测无线电能发射端的发射功率；

根据无线电能发射端在第一时间周期的发射功率和在第二时间周期的发射功率检测所述无线电能接收端的数量。

进一步地，将所述第一时间周期的发射功率和所述第二时间周期的发射功率的差值除以所述检测负载的特定功率以计算无线电能接收端的数量。

进一步地，在第三时间周期，控制所有无线电能接收端同步地对所述检测负载不输出功率，对实际负载输出功率，并检测所述无线电能发射端的发射功率；

根据所述无线电能发射端在所述第一时间周期检测到的发射功率与在所述第三时间周期检测到的发射功率检测所耦合的所述无线电能接收端是否连接到实际负载并向实际负载供电。

进一步地，在第四时间周期，控制所述无线电能接收端进行故障检测。

进一步地，控制所述电能发射端断续工作，所述无线电能接收端根据其上电的时间进行计时以与所述无线电能发射端同步。

进一步地，根据所述无线电能发射端在所述第一时间周期检测的发射功率检测是否存在异物。

在本发明实施例的无线电能传输系统中，通过功率检测电路实时检测不同时间周期无线电能发射端的发射功率，无线电能接收端对应地在不同时间周期的处于不同的状态，从而可以实时地检测无线电能接收端的数量及其充电状态。本发明的技术方案很好的解决了使用蓝牙器件使得硬件成本较高的问题，并且简单便捷。

附图说明

图1所示为本发明实施例的无线电能传输系统的示意图；

图2所示为本发明实施例的无线电能传输系统的时序图；

图3所示为本发明实施例的无线电能发射端的工作流程图；

图4所示为本发明实施例的无线电能接收端的工作流程图；

图5所示为本发明实施例的检测方法的流程图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图1为本发明实施例的无线电能传输系统的示意图。图2所示为本发明实施例的无线电能传输系统的时序图。如图1和图2所示，无线电能传输系统包括无线电能发射端1和至少一个无线电能接收端2。无线电能发射端1适于以无线的方式输出电能，无线电能接收端2适于以无线的方式接收电能并向实际负载供电。在本实施例中，无线电能接收端2被配置为同步地在第一时间周期(t0时刻-t1时刻)不输出功率，在第二时间周期(t1时刻-t2时刻)向检测负载r1输出功率。由此，在第一时间周期内，所有无线电能接收端1均没有功率输出，这使得与他们所耦合的无线电能发射端1仅维持最低的工作功率。在第二时间周期内，由于所有的无线电能接收端2均向检测负载r1输出功率，因此，所有的无线电能接收端2的功率消耗相同。在第二时间周期，无线电能发射端1的发射功率为最低工作功率加上所有无线电能接收端2对检测负载r1的输出功率。据此，可以计算获得无线电能接收端2的数量。

因此，无线电能发射端1可被配置为根据在所述第一时间周期和第二时间周期检测到的发射功率来检测所耦合的无线电能接收端2的数量。

如上所述，在第二时间周期内，无线电能发射端1的发射功率为最低工作功率加上所有无线电能接收端2对检测负载r1的输出功率。所有无线电能接收端2的检测负载r1相同时，所以每个无线电能接收端2的输出功率也相同。由此，无线电能发射端1可以通过将所述第二时间周期检测到的发射功率与所述第一时间周期检测到的发射功率的差值除以所述检测负载r1的特定功率以计算无线电能接收端2的数量。

进一步地，在第三时间周期(t2时刻-t3时刻)，所有无线电能接收端2均只向实际负载输出功率。此时无线电能发射端1的发射功率为最低工作功率加上所有无线电能接收端2对实际负载的输出功率。据此，可以判断无线电能接收端2是否对实际负载供电。

进一步地，在第四时间周期(t3时刻-t4时刻)，所有无线电能接收端2进行故障检测。若出现故障，则控制无线电能发射端1停止发射功率，控制无线电能接收端2停止输出，并提示出现故障。若没有出现故障，则无线电能发射端1在t4时刻停止功率输出，所有无线电能接收端2进行复位，在t5时刻无线电能接收端1开始发射功率，新的循环周期开始。

进一步地，在第一时间周期中，进行异物入侵保护。在第一时间周期内所检测到的无线电能发射端1的发射功率如果大于正常已知的无线电能发射端1的最低工作功率，则认为此无线电能传输系统周围存在异物，应及时停止无线电能发射端1的功率输出，并有异物入侵的提醒。

另外，无线电能发射端1通过断续的工作方式，可实现所有无线电能接收端2和与其相耦合的无线电能发射端1同步。具体地，无线电能发射端1在t4时刻停止发射功率，无线电能发射端1在t5时刻重新开始发射功率。无线电能接收端2在t4时刻由于感应不到电能后进行关闭，并在时刻t5在感应到交变电磁场重新启动。由此，位于充电区域内可以与同一个无线电能发射端1耦合的所有无线电能接收端2均根据无线电能发射端的周期同时启动。通过设置一个在无线电能接收端2启动后开始计时的计时器，就可以实现各无线电能接收端2同步动作。根据测试，通过这种方式实现的同步误差在1ms以内。

所述无线电能传输系统通过各个不同时间周期中无线电能发射端1的发射功率进而得出无线电能接收端2的数量和供电状态。其中在无线电能接收端2空载时，检测无线电能发射端1发射功率为p0。检测负载r1消耗的特定功率pr。在无线电能接收端2只对检测负载r1输出功率时，检测无线电能发射端1的发射功率为pr。无线电能接收端2只对实际负载输出功率时，检测无线电能发射端1的发射功率为pout。

由上描述的不同时间周期的无线电能发射端1的发射功率，可计算得到无线电能接收端2的数量和充电状态。其中无线电能接收端2的数量为n＝(pr-p0)/pr。比较p0与pout的大小便可判断电能接收端2是否对实际负载供电。

在一个可选的实现方式中，如图1所示，所述无线电能发射端1包括功率检测电路11、电能发射电路12和第一控制器13。功率检测电路11用于实时检测无线电能发射端1的发射功率。电能发射电路12用于将电能转化为电磁波向自由空间传递。

第一控制器13用于从功率检测电路11获取各个时间周期无线电能发射端1的发射功率和控制无线电能发射端1的工作。第一控制器13可以根据所述第一时间周期和所述第二时间周期检测到的发射功率检测所耦合的无线电能接收端2的数量。第一控制器13还可以在第一时间周期内，根据此时无线电能发射端1的发射功率判断是否有异物入侵，并根据检测结果控制无线电能发射端1保持工作或停止工作。在第三时间周期，根据此时无线电能发射端1的发射功率判断与其耦合的无线电能接收端2是否对实际负载供电，也即，是否有输出。

第一控制器13可以通过单片机(mcu)、可编程控制器(plc)、可编程逻辑电路(fpga)等可编程器件实现，也可以采用专用集成电路来实现。

电能发射电路12包括逆变电路121、发射线圈l1和电容c1。逆变电路121用于把直流电转换为高频交流电传递给发射线圈l1。发射线圈l1和电容c1组成谐振电路，在高频交流电驱动下谐振，从而形成交变电磁场。

应理解，本发明实施例中的逆变电路121采用半桥型逆变电路，但实施例不限于此，还可用单端式逆变电路、全桥式逆变电路、推挽桥式逆变电路等同等作用的逆变电路来实现。

在一个可选的实现方式中，如图1所示，所述无线电能接收端2包括电能接收电路21、第二控制器22、检测负载r1、检测开关s1和控制开关s2。电能接收电路21通过无线方式接收电能。第二控制器22用于控制检测开关s1和控制开关s2。

与电能发射电路12对应，电能接收电路21包括接收线圈l2、电容c2、整流电路211和dc-dc转换电路(直流-直流转换电路)212。线圈l2和电容c2在工作频率谐振，从而使交变电磁场产生高频交流电。整流电路211将高频交流电转化为可供给负载的直流电。dc-dc转换电路212将直流电电压转化为可驱动实际负载工作的输出电压。

应理解，本发明实施例采用的整流电路为全桥整流电路，但本发明实施例不限于此，还可用半波整流电路、全波整流电路和半桥式整流电路的起同等作用的整流电路来实现此功能。

dc-dc转换电路212优选为开关型变换器，通过开关受控导通和关断将输入的直流电电压转换为期望的输出电压。所述开关型变换器可以采用各种拓扑结构，例如，降压型拓扑、升压型拓扑、反激式拓扑等。

检测负载r1和检测开关s1串联连接在dc-dc转换电路212的输出端口。控制开关s2设置在如图4所示的节点a和b之间。在检测开关s1导通控制开关s2关断时，检测负载r1被接入到dc-dc转换电路212的输出端口，从而使得电能接收电路21可以对检测负载r1输出功率。在控制开关s2导通检测开关s1关断时，实际负载被接入到dc-dc转换电路212的输出端口，从而使得电能接收电路21可以对实际负载输出功率。

由此，第二控制器22通过控制检测开关s1和控制开关s2就可以实现无线电能接收端2在只对检测负载r1输出功率(检测开关s1导通，控制开关s2关断)、只对实际负载输出功率(检测开关s1关断，控制开关s2导通)和不输出功率三种不同的状态之间切换。

应理解，第二控制器22可以通过单片机(mcu)、可编程控制器(plc)、可编程逻辑电路(fpga)等可编程器件实现，也可以采用专用集成电路来实现。

图3所示为本发明实施例的无线电能发射端的工作流程图。图4所示为本发明实施例的无线电能接收端的工作流程图。以下结合图3和图4对本发明实施例中，第一控制器和第二控制器的工作流程进行描述。

对于第一控制器13，其工作流程如下：

在步骤s110，在t0时刻，控制电能发射电路开始工作，对外发射功率。

在步骤s120,在t0时刻-t1时刻(第一时间周期)，控制功率检测电路11选取某一时间点s1对无线电能发射端1的发射功率进行采样记录。

由于，在t0时刻-t1时刻，所有的无线电能接收端2同步地处于不对外输出功率的状态，因此，检测获得的发射功率p0正常情况下为最低工作功率。

应理解，也可以在整个时间周期内或部分时间周期内持续地或离散地检测发射功率，并对检测到的发射功率进行平均，以平均值作为检测到的该时间周期内无线电能发射端的发射功率。

在步骤s130，在获取到发射功率p0后，判断p0是否大于正常工作时无线电能发射端1的最低工作功率。来判断是否存在异物入侵。若存在异物入侵，进入步骤s140。若不存在异物入侵，进入步骤s150。

具体来说，无线电能传输系统需要避免电导率或磁导率较高的异物进入充电区域。当这样的异物进入充电区域时，交变电磁场会在异物上产生电流回路，从而产生不必要的功耗。这可以通过对于输出功率的检测获得。第一控制器13判断在t0时刻-t1采样得到的发射功率p0大于无线电能传输系统正常工作下的最低工作功率，表示无线电能传输系统中存在异物。

应理解，步骤s130用于检测无线电能传输系统中是否存在异物入侵，其并非必须，在不需要此检测功能时，也可以省去该步骤。

步骤s130的执行时机也在t0时刻-t1时刻之间。

在步骤s140，进行异物入侵保护。控制无线电能发射端1停止发射功率，并给予异物入侵的提醒。

在步骤s150，在t1时刻-t2时刻(第二时间周期)，控制功率检测电路11选取某一时间点s2对无线电能发射端1的发射功率进行采样记录。

由于，在t1时刻-t2时刻，所有的无线电能接收端2同步地处于只对检测负载r1输出功率的状态，因此，检测获得的发射功率pr为无线电能发射端1的最低工作功率p0加上检测负载r1消耗的功率。

在步骤s160，通过控制功率检测电路11记录的发射功率p0、pr以及预先存储的检测负载的特定功率pr根据如下公式即可得到无线电能接收端2的数量n：

n＝(pr-p0)/pr

在步骤s170，在t2时刻-t3时刻(第三时间周期)，控制功率检测电路11选取某一时间点s3对无线电能发射端1的发射功率进行采样记录。

由于，在t2时刻-t3时刻，所有的无线电能接收端2同步地处于只对实际负载输出功率的状态，因此，检测获得的发射功率pout为无线电能发射端1的最低工作功率p0加上实际负载的消耗功率。

在步骤s180，通过比较pout和p0的大小可得到无线电能接收端2的充电状态。

在步骤s190，在t4时刻，无线电能发射端1停止发射功率。在t5时刻，新的循环周期开始，进入步骤s110。

对应地，对于第二控制器22，其工作流程如下：

在步骤210，在t0时刻，无线电能接收端2感应到电能后，控制内置的计时器开始计时。

在步骤220，在t0时刻-t1时刻(第一时间周期)，控制检测开关s1和控制开关s2保持关断，使得无线电能接收端2不输出功率。

在步骤230，在t1时刻-t2时刻(第二时间周期)，控制检测开关s1保持导通，控制开关s2保持关断。使得无线电能接收端2只对检测负载r1输出功率。

在步骤240，在t2时刻-t3时刻(第三时间周期)，控制检测开关s1保持关断，控制开关s2保持导通，使得无线电能接收端2只对实际负载输出功率。

在步骤250，在t3时刻-t4时刻(第四时间周期)，无线电能发射端1持续提供电能，第二控制器22控制无线电能接收端2进行故障检测。

在步骤260，第二控制器22进行故障诊断，如果发现异常则进行故障保护，进入步骤270。若没有故障，进入步骤280。

应理解，步骤s260用于检测无线电能接收端是否存在故障，其并非必须，在不需要此检测功能时，也可以省去该步骤。

步骤s260的执行时机也在t3时刻-t3时刻之间。

在步骤270，进行故障保护。控制停止无线电能接收端2输出功率，并给予相应的故障提醒。

在步骤280，在t4时刻，感应不到电能进行复位。到t5时刻，新的循环周期开始，进入步骤s210。

由上所述，通过功率检测电路11在第一时间周期和第二时间周期内对无线电能发射端1的发射功率进行采样，得到无线电能传输系统在不同工作周期下的发射功率p0和pr。又有已知的检测负载的特定功率pr，并且所有无线电能接收端2的检测负载型号相同，即pr相同。所以可通过p0、pr和pr之间的关系来得到无线电能接收端2的数量。

通过无线电能发射端1断续工作的方式，可以实现无线电能接收端2的同步。具体地，从t4时刻开始，所述无线电能发射端1关闭发射功率直至时刻t5，一个循环周期结束。在此期间，所述无线电能接收端2由于感应不到电能后进行关闭，并在时刻t5在感应到交变电磁场重新启动。由此，位于充电区域内可以与同一个无线电能发射端1耦合的所有无线电能接收端2均根据无线电能发射端1的周期同时启动。通过设置一个在无线电能接收端2启动后开始计时的计时器，就可以实现各无线电能接收端2同步动作。根据测试，通过这种方式实现的同步误差在1ms以内。

如果在充电周期中增加一个或多个无线电能接收端2，在本周期内增加的无线电能接收端2与无线电能发射端1不能同步，第一控制器13计算显示的无线电能接收端2的数量也暂时不准确。但由于无线电能发射端1断续工作，在本周期结束后，无线电能发射端1停止发射功率，此时所有无线电能接收端2复位。在下一周期开始，无线电能发射端1重新发射功率时，所有无线电能接收端2重新开始计时，此时无线电能接收端2与无线电能发射端1实现同步。由于一个循环周期很短，所以，无线电能接收端2与无线电能发射端1可很快实现同步。经过多个周期后，检测获得无线电能接收端的数量即为准确值。

虽然在图1中，通过检测开关s1和控制开关s2来控制状态。但是，本领域技术人员也可以采用其它方式来实现无线电能接收端状态的切换。例如，可以通过控制dc-dc变换器的状态，来控制无线电能接收端是否对外输出功率。

本实施例通过功率检测电路11实时检测不同时间周期无线电能发射端1的发射功率，无线电能接收端2对应地在不同时间周期的处于不同的状态，从而可以实时地检测无线电能接收端2的数量及其充电状态。本发明的技术方案很好的解决了使用蓝牙器件硬件成本较高的问题，并且比较简单便捷。

图5所示为本发明实施例的检测方法的流程图。如图5所示，所述检测方法包括：

步骤s100，在第一时间周期(t0时刻-t1时刻)，控制所有无线电能接收端2同步地不输出功率，并检测无线电能发射端1的发射功率。

步骤s200，在第二时间周期(t1时刻-t2时刻)，控制所有无线电能接收端2同步地对预定的检测负载r1输出功率，并检测无线电能发射端1的发射功率。

步骤s300，根据无线电能发射端1在第一时间周期内的发射功率和在第二时间周期内的发射功率检测所述无线电能接收端2的数量。

通过功率检测电路11实时检测不同时间周期无线电能发射端1的发射功率，无线电能接收端2对应地在不同时间周期的处于不同的状态，从而可以实时地检测无线电能接收端2的数量及其充电状态。本发明的技术方案很好的解决了使用蓝牙器件硬件成本较高的问题，并且实现比较简单便捷。

进一步地，步骤s300包括：

将所述第一时间周期的发射功率和所述第二时间周期的发射功率的差值除以所述检测负载r1的特定功率以计算无线电能接收端2的数量。

优选地，所述检测方法还包括：

在第一时间周期，根据所述无线电能发射端在所述第一时间周期检测的发射功率检测是否存在异物。若存在异物入侵，控制无线电能发射端1和无线电能接收端2停止工作，并提示有异物入侵。

在第三时间周期(t2时刻-t3时刻)，控制所有无线电能接收端2同步地对所述检测负载r1不输出功率，对实际负载输出功率，并检测所述无线电能发射端1的发射功率。

根据所述无线电能发射端1在所述第一时间周期检测到的发射功率与在所述第三时间周期检测到的发射功率检测所耦合的所述无线电能接收端2是否对实际负载供电。

在第四时间周期(t3时刻-t4时刻)，控制所述无线电能接收端2进行故障检测。若存在故障，控制无线电能发射端1和无线电能接收端2停止工作，提示出现故障。

另外控制所述电能发射端1断续工作，所述无线电能接收端2根据其上电的时间进行计时以与所述无线电能发射端同步。

以上描述是本公开实施例的描述。在不脱离本公开的范围的情况下，可以实现各种变更和改变。本公开是出于说明性目的提出的，并且不应被解释为本公开的所有实施例的排他性描述，或使本公开的范围局限于结合这些实施例所说明和所描述的特定元件。在没有限制的情况下，可以用提供基本上类似功能或以其他方式提供充分操作的替换元件来代替所描述的发明的任何一个或多个单独元件。这包括目前已知的替换元件，诸如本领域的技术人员当前可能已知的那些，以及可能在未来开发的替换元件，诸如本领域的技术人员在开发时可能承认为替换的那些。