一种无线充电桩以及充电器的制作方法

本发明涉及无线充电的技术领域，特别是一种无线充电桩以及充电器。

背景技术：

新能源电动汽车的推广已成为趋势，对于电动汽车的充电问题，各厂家纷纷推出充电桩。但是传统的充电桩是接触式的，需要有根线与汽车连接；充电桩的安置受到地形的影响，许多地方不能竖充电桩，用户想要充电比较麻烦。

相较于传统的感应式无线电能传输技术，磁耦合谐振式电能传输系统中的传输线圈能远距离、高效率的交换和传输电磁能量。利用磁谐振耦合式无线能量传输技术的无线充电技术能有效解决传统接触式充电易磨损，易触电，多次插拔后可能造成电能传输不可靠等缺点，能广泛运用于便携式消费电子、医疗设备、和工业设备充电等领域。

但由于充电中发射装置和接收装置并未完全匹配对正，或限于充电过程中，电池类负载的内阻会动态不断的变化；因为种种原因，会使得无线充电系统的充电效率降低，系统不能工作在最优传输效率的状态下。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明旨在提供一种自适应提高电动汽车无线充电效率的系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了一种无线充电桩以及充电器，包括设置于地面上的充电桩本体、发射板以及连接充电桩本体与发射板的伸缩臂，所述发射板包括用于发射无线电能的发射线圈以及定位发射器；还包括设置于汽车充电器上的接收板、电能变换器，所述接收板包括用于接收无线电能的接受线圈以及定位接收器；所述发射板与所述接收板通过电磁耦合进行电能的传输；所述定位发射器与定位接收器相互适配，用于确定发射板与接收板之间垂直对正的偏移度；所述电能变换器包括整流器以及dc\dc变换器，所述dc\dc变换器用于根据负载变化来相应的对整流器输入端的等效输入阻抗进行负载匹配。

优选地，所述发射板上还设置有距离感应器，用于获取发射板与接收板之间的垂直距离，根据所述垂直距离，伸缩臂受控进行伸缩进而调节发射板与接收板之间的垂直距离至标准设定值。

优选地，所述定位发射器包括由多个磁传感器芯片组成的第一磁传感器芯片阵列和产生磁场的多个螺线管组成的第一螺线管组，第一磁传感器芯片阵列的各个磁传感器芯片和第一螺线管组的各螺线管围绕发射线圈而设置；所述定位接受器包括多个光敏传感器芯片组成的光敏传感器芯片阵列、多个磁传感器芯片组成的第二磁传感器芯片阵列和产生磁场的多个螺线管组成的第二螺线管组；所述第一磁传感器芯片阵列和第二磁传感器芯片阵列的各个磁传感器芯片均设置为只允许垂直方向磁力线通过；光敏传感器芯片阵列的各光敏传感器芯片设置为只接收垂直方向光线通过。

优选地，所述充电桩本体上设置有横向与纵向的轨道，所述伸缩臂与充电桩本体连接的一端设置有滚轮，所述滚轮与轨道配和由充电桩本体内的驱动装置驱动实现横、纵向的移动。

优选地，所述dc\dc变换器包括第一电感、可控开关管、第一电容以及第二电感；所述第一电感的输入端与整流器的第一输出端连接，所述第一电感的输出端与可控开关管的集电极连接；所述第一电感的输出端还与第一电容的一端连接；所述第一电容的另一端与第二电感的一端连接；所述可控开关管的发射级和所述第二电感的另一端都与整流器的第二输出端连接。

优选地，所述充电器还包括效率控制模块，用于对所述dc\dc变换器的开关占空比以及所述dc\dc变换器的工作模式进行调节，进而实现对所述无线充电桩以及充电器组成的充电系统的效率进行控制调节；所述效率控制模块包括用于计算确定充电器内电能变换器以及负载等效至整流器输入端的最优等效输入电阻的最优负载确定单元以及用于计算dc\dc变换器的占空比且根据占空比确定对应运行模式的模式调节单元。

优选地，所述计算确定充电器内整流器输入端的最优等效输入电阻的计算公式为：

式中，req为充电器内整流器输入端的最优等效输入电阻；m为发射线圈与接收线圈之间的互感值；rp为发射线圈的电阻值；rs为接收线圈的电阻值；w为线圈电感与对应电容谐振时的谐振频率；k为耦合影响因子。

本发明的有益效果为：本发明设计了一种无线充电桩以及充电器，考虑到负载变化会影响系统的传输效率，故为保证系统的整体传输效率不受负载影响，在充电器内整流器后面加入一个阻抗变换电路，选择该阻抗电路为dc\dc变换电路；通过调节所述dc\dc变换电路中可控开关管的开关占空比，进而调节逆变器输入端看进去的等效电阻值，使得调节后的等效电阻值始终达到使系统工作在最大效率传输下的最优等效输入电阻值；还考虑到若负载变化范围较大，则通过调节dc\dc变换电路的工作模式来实现扩大起调节范围，使得系统始终以较高的传输效率进行能量转换与传输。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1为本发明一个优选实施例中无线充电桩以及充电器组成的系统的简易示意图；

图2为本发明一个优选实施例中无线充电桩以及充电器内部部分电路的电路原理图。

附图标记：

地面1；充电桩本体2；伸缩臂3；发射板4；接收板5；充电器6；电能变换器7。

具体实施方式

结合以下应用场景对本发明作进一步描述。

参见图1，本实施例中提供了一种无线充电桩以及充电器6，包括设置于地面上的充电桩本体2、发射板4以及连接充电桩本体与发射板的伸缩臂3，所述发射板包括用于发射无线电能的发射线圈以及定位发射器；还包括设置于汽车充电器上的接收板5、电能变换器7，所述接收板包括用于接收无线电能的接受线圈以及定位接收器；所述发射板与所述接收板通过电磁耦合进行电能的传输；所述定位发射器与定位接收器相互适配，用于确定发射板与接收板之间垂直对正的偏移度；所述充电桩本体内包括逆变器以及与发射线圈配合的发射谐振电容，所述逆变器的输入端输入直流，输出端输出高频交流，发射线圈与发射谐振电容谐振将高频交流通过发射线圈发送给充电器侧的接受线圈；接受线圈接收到高频交流后将其通过电能变换器处理后供给负载。所述电能变换器包括整流器以及dc\dc变换器，所述dc\dc变换器用于根据负载变化来相应的对整流器输入端的等效输入阻抗进行负载匹配；所述等效输入电阻为从整流器输入端看入，整流器、dc\dc变换器以及负载等效至整流器输入端的等效电阻。

本实施例中，所述发射板上还设置有距离感应器，用于获取发射板与接收板之间的垂直距离，根据所述垂直距离，伸缩臂受控进行伸缩进而调节发射板与接收板之间的垂直距离至标准设定值。

本实施例中，所述定位发射器包括由多个磁传感器芯片组成的第一磁传感器芯片阵列和产生磁场的多个螺线管组成的第一螺线管组，第一磁传感器芯片阵列的各个磁传感器芯片和第一螺线管组的各螺线管围绕发射线圈而设置；所述定位接受器包括多个光敏传感器芯片组成的光敏传感器芯片阵列、多个磁传感器芯片组成的第二磁传感器芯片阵列和产生磁场的多个螺线管组成的第二螺线管组；所述第一磁传感器芯片阵列和第二磁传感器芯片阵列的各个磁传感器芯片均设置为只允许垂直方向磁力线通过；光敏传感器芯片阵列的各光敏传感器芯片设置为只接收垂直方向光线通过；通过上述设置，用于尽量对准发射板与接收板，并依据光敏传感器芯片阵列的感光度确定发射板与接收板进行定位后，仍存在的发射板与接收板之间的偏移因子。

本实施例中，所述充电桩本体上设置有横向与纵向的轨道，所述伸缩臂与充电桩本体连接的一端设置有滚轮，所述滚轮与轨道配和由充电桩本体内的驱动装置驱动实现横、纵向的移动。

本实施例中，参见图2，所述dc\dc变换器包括第一电感、可控开关管、第一电容以及第二电感；所述第一电感的输入端与整流器的第一输出端连接，所述第一电感的输出端与可控开关管的集电极连接；所述第一电感的输出端还与第一电容的一端连接；所述第一电容的另一端与第二电感的一端连接；所述可控开关管的发射级和所述第二电感的另一端都与整流器的第二输出端连接。

本实施例中，所述充电器还包括效率控制模块，用于对所述dc\dc变换器的开关占空比以及所述dc\dc变换器的工作模式进行调节，进而实现对所述无线充电桩以及充电器组成的充电系统的效率进行控制调节；所述效率控制模块包括用于计算确定充电器内电能变换器以及负载等效至整流器输入端的最优等效输入电阻的最优负载确定单元以及用于计算dc\dc变换器的占空比且根据占空比确定对应运行模式的模式调节单元。

考虑到发射板与接收板之间的偏移因子会对充电桩发射板与接收板之间的耦合程度造成影响，而该耦合程度又会影响充电器对负载的输出电压以及系统的传输效率；故通过电路建模，确定系统的能量传输的效率计算公式，需要衡量该耦合程度对能量传输效率的影响。

本实施例中，所述最优负载确定单元包括耦合影响因子确定子单元以及最优负载计算子单元；所述耦合影响因子用来反应发射板与接收板之间耦合程度对能量传输效率的影响；现有技术中，大多是根据较多的检测设备或电路，来确定两线圈之间的耦合系数，本实施例中的耦合因子确定子单元通过对系统中固定参数以及系统运行中的电气量的采集，即可动态的求取计算出耦合影响因子，其计算公式为：

式中，k为耦合影响因子，rp为发射线圈的电阻值；vs-rms为逆变器输出端在一个谐振周期输出的电压有效值；rs为接收线圈的电阻值；v0为外接的负载两端的电压值；d为检测得到的发射板与接收板之间的偏移因子；lp为发射线圈的电感值；ls为接收线圈的电感值；w为发射板与接收板的线圈都工作于谐振状态时的谐振频率。

本优选实施例中，为衡量原副边耦合程度对电路系统中负载匹配造成的影响，设计了耦合影响因子以及其计算公式，该计算公式的计算时效性强，不需外设额外的检测电路，降低了系统的复杂度；且通过多次试验验证，该计算出的耦合影响因子能够准确的反应原副边耦合程度对能量传输效率的影响。

本实施例中，计算获取耦合影响因子后，所述优负载计算子单元根据该耦合影响因子，计算使得无线充电桩以及充电器系统始终工作在最大传输效率时，充电器内整流器输入端的最优等效输入电阻，其计算公式为：

式中，req为充电器内整流器输入端的最优等效输入电阻；m为发射线圈与接收线圈之间的互感值；rp为发射线圈的电阻值；rs为接收线圈的电阻值；w为线圈电感与对应电容谐振时的谐振频率；k为耦合影响因子。

本优选实施例中，考虑了计算得到的耦合影响因子，设计了充电器内整流器输入端的最优等效输入电阻的计算公式；故如果通过负载匹配使得接受侧的整流器输入端的等效输入电阻始终保持为最优等效输入电阻，即可实现在负载动态变化时，确保系统可工作在最大的传输效率的情况下。

本实施例中，为实现负载匹配，在整流器后面加设一个dc\dc变换器，通过对所述dc\dc变换器内可控开关管的占空比以及变换器工作模态的调节来适应外接负载的变化。

本实施例中，采用模拟电路设计一种响应速度快的电流检测电路，通过检测流过rl的电流il，通过公式实时计算出负载值。

本实施例中，所述模式调节单元包括最优占空比确定子单元以及运行模式判断子单元；所述最优占空比确定子单元用于对dc\dc变换器中可控开关管的占空比进行计算调节；所述运行模式判断子单元用于依据上述获取到的最优占空比，确定dc\dc变换器的运行工作模式；所述dc\dc变换器的运行工作模式包括有：电感电流连续工作状态(ccm)以及电感电流断续工作状态(dcm)这两种模式；为保证最大效率传输下的最优等效输入电阻不变，同时适应外接负载的大范围变化，需要调节dc\dc变换器的占空比以及选择对应的运行模式。

本实施例中，所述对dc\dc变换器中可控开关管的占空比进行计算的计算公式为：

式中，d为dc\dc变换器的最优占空比；req为充电器内整流器输入端的最优等效输入电阻；rl为检测得到的外接负载的实际电阻值。

本实施例中，所述确定dc\dc变换器的运行工作模式的判别公式为：

式中，f为运行模式判别函数，l1为所述dc\dc变换器内部的第一电感；l2为所述dc\dc变换器内部的第二电感；t为dc\dc变换器内部开关管的开关周期；d为dc\dc变换器内部开关管的占空比；rl为外接负载的实际电阻值。

若函数值f大于等于0，则控制所述dc\dc变换器工作在ccm运行模式下，否则，则控制dc\dc变换器工作在dcm运行模式下。

最后，依据上述计算获取的最优占空比以及获取的运行模式对所述dc\dc变换器进行调节控制。

本优选实施例中，为使得负载大范围变化时，充电器内整流器输入端的等效输入电阻能够跟踪上述计算出来的最优等效输入电阻，设计了控制dc\dc变换器的开关占空比的计算公式以及dc\dc变换器的工作模式的判别公式，通过对dc\dc变换器的占空比以及工作模式的控制，增大了负载阻抗跟踪的范围，且提高了跟踪的精度。

本实施例中，考虑到改变dc\dc变换器的占空比，其输出电压也会变化，故设置了用来稳定输出电压、位于充电桩内的稳压调节模块；所述温压调节模块包括压差计算单元以及移相控制单元，其调节过程为：首先，充电桩内的通信模块接受充电器的实际输出电压；压差计算单元计算出所述实际输出电压与参考设定电压之间相差的误差信号e；移相控制单元接收所述误差信号，并依此误差信号进行计算得到移相角；最后将移相角送入pwm发生器，从而产生驱动信号，驱动全桥逆变器工作，控制逆变器工作输出的电压，进而实现对充电器的输出电压进行反馈调节。

本优选实施例，设计了一种无线充电桩以及充电器，考虑到负载变化会影响系统的传输效率，故为保证系统的整体传输效率不受负载影响，在充电器内整流器后面加入一个阻抗变换电路，选择该阻抗电路为dc\dc变换电路；通过调节所述dc\dc变换电路中可控开关管的开关占空比，进而调节逆变器输入端看进去的等效电阻值，使得调节后的等效电阻值始终达到使系统工作在最大效率传输下的最优等效输入电阻值；还考虑到若负载变化范围较大，则通过调节dc\dc变换电路的工作模式来实现扩大起调节范围，使得系统始终以较高的传输效率进行能量转换与传输。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当分析，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。