无线充电装置及车辆充电系统的制作方法

1.本技术属于无线充电技术领域，尤其涉及一种无线充电装置及车辆充电系统。


背景技术：

2.随着无线供电系统在各行业中的应用愈发广泛，多设备供电或单设备多等级供电的需求也显著增加。例如高压杆塔上的传感器、摄像头需要分别供电，电动汽车与自动牵引车有两组分别为电机驱动的电池组与提供控制需求的电池组需要分别充电，服务器芯片供电需要提供多个等级母线，无线供电有轨电车的多发射线圈-多拾取线圈等。
3.现有技术一般通过多组接收线圈或者多组并联的dc-dc变流器实现不同等级的电压输出，但多接收线圈或多组dc-dc变流器容易导致无线供电系统的接收部分体积大，影响无线充电系统的应用。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种无线充电装置及车辆充电系统，旨在解决现有技术无线供电系统的接收部分体积大的问题。
5.本发明实施例的第一方面提供了一种无线充电装置，包括：电源电路、无线发射电路、无线接收电路、控制单元；
6.所述无线发射电路包括一个发射线圈；所述无线接收电路包括一个接收线圈、整流器、至少两个负载连接电路；
7.所述电源电路与所述发射线圈连接；所述发射线圈与所述接收线圈之间互感耦合；所述接收线圈通过所述整流器分别与至少两个负载连接电路连接；每个负载连接电路与一个负载连接；
8.每个负载连接电路包括一个第一场效应管；所述第一场效应管的栅极与所述控制单元连接；所述第一场效应管的漏极与对应负载的正极连接；所述第一场效应管的源极与对应负载的负极连接；
9.所述控制单元用于控制各个负载连接电路中的第一场效应管以调整各负载连接电路连接的负载的充电电流。
10.在一种可能的实现方式中，每个负载连接电路还包括一个串联连接在所述第一场效应管的漏极与负载的正极之间的第一二极管；所述第一二极管用于防止电流倒灌。
11.在一种可能的实现方式中，每个负载连接电路还包括一个与负载并联连接的稳压电容。
12.在一种可能的实现方式中，所述控制单元包括检测电路和接收端控制器；
13.所述检测电路分别与各个负载连接，用于检测各负载的充电电压和充电电流；
14.所述检测电路还与所述接收端控制器连接，所述接收端控制器与各第一场效应管的栅极连接；
15.所述接收端控制器用于根据所述检测电路检测的充电电压和充电电流，通过第一
场效应管调整相应负载的充电电流。
16.在一种可能的实现方式中，各负载连接电路串联连接。
17.在一种可能的实现方式中，所述控制单元还包括发射端控制器；所述电源电路包括直流电源和逆变器；所述直流电源与所述逆变器连接，所述逆变器与所述发射线圈连接；
18.所述发射端控制器与所述逆变器连接，用于驱动所述逆变器工作。
19.在一种可能的实现方式中，所述逆变器包括构成电桥结构的四个第二场效应管。
20.在一种可能的实现方式中，所述整流器包括构成电桥结构的四个第二二极管。
21.在一种可能的实现方式中，所述无线发射电路还包括发射补偿电容；所述发射补偿电容与所述发射线圈串联连接；所述无线接收电路还包括接收补偿电容；所述接收补偿电容与所述接收线圈串联连接。
22.本发明实施例的第二方面提供了一种车辆充电系统，包括车辆驱动电池组、车辆控制电池组以及如上第一方面所述的无线充电装置；所述无线充电装置包括两个负载连接电路，其中一个负载连接电路与所述车辆驱动电池组连接，另一个负载连接电路与所述车辆控制电池组连接。
23.本发明实施例提供的无线充电装置及车辆充电系统，包括电源电路、无线发射电路、无线接收电路、控制单元；无线发射电路包括一个发射线圈；无线接收电路包括一个接收线圈、整流器、至少两个负载连接电路；电源电路与发射线圈连接；发射线圈与接收线圈之间互感耦合；接收线圈通过整流器分别与至少两个负载连接电路连接；每个负载连接电路与一个负载连接；每个负载连接电路包括一个第一场效应管；第一场效应管的栅极与控制单元连接；第一场效应管的漏极与对应负载的正极连接；第一场效应管的源极与对应负载的负极连接；控制单元用于控制各个负载连接电路中的第一场效应管以调整各负载连接电路连接的负载的充电电流。通过各第一场效应管可实现多路独立调控的输出，即在每增加一组负载时，只需增加第一场效应管，相对于现有技术增加线圈或dc-dc变流器的方式，能够有效降低无线充电装置的体积和成本。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是本发明实施例提供的无线充电装置的结构示意图；
26.图2是本发明实施例提供的除控制单元之外的无线充电装置的电路示意图；
27.图3是本发明实施例提供的各第一场效应管的控制曲线图；
28.图4是本发明实施例提供的车辆充电系统的结构示意图。
具体实施方式
29.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电
路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
30.近年来，随着全球能源短缺、环境污染、气候变暖等问题的日益凸显，电能作为清洁可再生能源的终端能量，成为了目前各式设备的首选供能方式。随着科技的日益发展，各行业对自动化需求越来越高，设备的供电方式也正在发生转变。目前传统插拔接触式充电系统仍是主流供电方案，但该方式存在以下弊端：
①
充电点固定：例如间歇式供电有轨电车必须到充电站才可充电，占用额外空间与时间；
②
安全性低、维护成本高：由于频繁的插拔、接触动作，容易产生电火花，导致连接器损坏，大大增加了维护费用，还极易引发火灾；
③
供电困难：例如自主式水下交通工具、深埋传感器等，在特殊环境下难以实现有线连接供电；
④
难以实现自动化：插拔线操作复杂，尚未有自动化装备可代替人工完成这一工作。总之，传统插拔供电系统存在较大局限性。
31.通过交变电磁场以非接触方式传输能量的无线电能传输技术，突破了传统插拔供电系统的局限性，无需导线即可实现电能传输，彻底规避了传统供电方法对导体的依赖，避免了接触电源造成的磨损、电弧腐蚀等问题，大大提高了供电系统的灵活性和安全性。以其环保、隔离、便捷、可靠等优点而受到了广泛关注，成为当下电气领域研究热点之一。无线电能传输技术具有针对工业应用的安全、长寿命、电气隔离、减少操作人员充电时的负载等优点，各行业纷纷对其展开引入的尝试。
32.随着无线供电系统在各行业中的应用愈发广泛，多设备供电或单设备多等级供电的需求也显著增加。例如高压杆塔上的传感器、摄像头需要分别供电，电动汽车与自动牵引车有两组分别为电机驱动的电池组与提供控制需求的电池组需要分别充电，服务器芯片供电需要提供多个等级母线，无线供电有轨电车的多发射线圈-多拾取线圈等。
33.传统的无线供电，通常包括以下两种：
34.一、对于传统无线供电系统，一组简单的单发射-单接收线圈结构只能提供一个输出等级。因此，技术一主要通过额外增加接收线圈与整流器，通过配置互感参数以实现不同等级的输出。
35.但对于技术一，采用多组接收线圈占用更大的体积，在有限空间条件下，在保证原输出参数情况下实施较为困难。此外，接收线圈之间的相互耦合会导致系统额外增加无功损耗，同时提升了系统复杂度。而需通过解耦接收线圈简化系统则对耦合机构提出更高的设计要求。
36.二、区别于技术一，技术二可在不增加接收线圈的情况下实现多电压等级。根据系统既定参数下接收线圈的额定输出，在输出端并联多组dc-dc变流器(包括buck、boost、buck-boost等多类型变流器)以获得不同电压等级的输出。
37.但采用多组并联dc-dc变流器包含了多个mosfet等有源开关器件，成本高昂；同时又采用多个大电感，导致变流器体积较大，多组dc-dc变流器使得接收端占用空间增加。
38.本发明提供一种无线充电装置，旨在利用单个接收线圈实现多路输出，并且各通道之间的输出控制相互独立，单独调控。以解决由于采用多接收线圈或多组dc-dc变流器而导致体积大、成本高的问题。
39.图1是本发明实施例提供的无线充电装置的结构示意图。如图1所示，在一些实施例中，无线充电装置，包括：电源电路11、无线发射电路12、无线接收电路13、控制单元14；
40.无线发射电路12包括一个发射线圈121；无线接收电路13包括一个接收线圈131、
整流器132、至少两个负载连接电路133；
41.电源电路11与发射线圈121连接；发射线圈121与接收线圈131之间互感耦合；接收线圈131通过整流器132分别与至少两个负载连接电路133连接；每个负载连接电路133与一个负载连接；
42.每个负载连接电路133包括一个第一场效应管qi；第一场效应管qi的栅极与控制单元14连接；第一场效应管qi的漏极与对应负载的正极连接；第一场效应管qi的源极与对应负载的负极连接；
43.控制单元14用于控制各个负载连接电路133中的第一场效应管qi以调整各负载连接电路133连接的负载的充电电流。
44.本实施例中，电源电路11可以是高频交流电源，也可以是由直流电源和逆变器组成的电路，在此不作限定。发射线圈121和接收线圈131均可以采用q线圈结构。整流器132用于将接收线圈131接收到的高频交流电转化为直流电，以向各负载供电。第一场效应管qi可以是c-mos场效应管、mosfet等，在此不作限定，其中，i为各第一场效应管对应负载的序号，i∈(1,n)，n为无线充电装置所连接的负载的总数。控制单元14可以是单片机、mcu、dsp、手机、电脑等计算设备，在此不作限定。
45.本实施例中，控制单元14可以向各第一场效应管qi发出不同的控制信号，以对不同功率需求的负载进行充电。
46.本实施例中，通过各第一场效应管可实现多路独立调控的输出，即在每增加一组负载时，只需增加第一场效应管，相对于现有技术增加线圈或dc-dc变流器的方式，能够有效降低无线充电装置的体积和成本。
47.图2是本发明实施例提供的除控制单元之外的无线充电装置的电路示意图。如图2所示，p1～p4为组成逆变器的四个mosfet(即第一场效应管)，l
p
为发射线圈，i
p
为l
p
中的电流，ls为接收线圈，is为ls中的电流，m代表发射线圈与接收线圈之间的互感，r1～rn是各负载的电阻，i1～in为各负载的电流，在一些实施例中，每个负载连接电路133还包括一个串联连接在第一场效应管qi的漏极与负载的正极之间的第一二极管di(i∈(1,n))；第一二极管用于防止电流倒灌。
48.本实施例中，每增加一组负载只需增加一个二极管和一个第一场效应管qi，成本低；并且可进行集成化设计，大大减少了接收端占用的空间。
49.在一些实施例中，每个负载连接电路133还包括一个与负载并联连接的稳压电容(即图2中的c1～cn)。
50.在一些实施例中，控制单元14包括检测电路和接收端控制器；
51.检测电路分别与各个负载连接，用于检测各负载的充电电压和充电电流；
52.检测电路还与接收端控制器连接，接收端控制器与各第一场效应管的栅极连接；
53.接收端控制器用于根据检测电路检测的充电电压和充电电流，通过第一场效应管调整相应负载的充电电流。
54.本实施例中，接收端控制器具体用于向各第一场效应管的栅极发送脉宽调制信号，并根据检测电路检测的充电电压和充电电流，调整脉宽调制信号的占空比，以调整各负载连接电路连接的负载的充电电流；
55.其中，脉宽调制信号的工作频率为无线接收电路的工作频率的2倍。
56.在一些实施例中，各负载连接电路133串联连接。
57.如图2所示，在一些实施例中，控制单元14还包括发射端控制器；电源电路11包括直流电源u
dc
和逆变器；直流电源与逆变器连接，逆变器与发射线圈121连接；
58.发射端控制器与逆变器连接，用于驱动逆变器工作。
59.本实施例中，直流电源u
dc
可以是车载电源、不间断电源、蓄电池组、直流配电柜等，在此不作限定。如图2所示，直流电源u
dc
产生的直流电在经逆变器逆变为交流电后，输入到发射线圈中，其中，u
in
是逆变后的等效交流电压。
60.如图2所示，在一些实施例中，逆变器包括构成电桥结构的四个第二场效应管p1～p4。
61.本实施例中，第二场效应管可以是c-mos场效应管、mosfet等，在此不作限定。
62.在一些实施例中，整流器132包括构成电桥结构的四个第二二极管p5～p8。
63.本实施例中，电流由接收线圈其中一端，经p5或p6流向负载正极，再由负载负极经p7或p8流向接收线圈的另一端。
64.在一些实施例中，无线发射电路12还包括发射补偿电容c
p
；发射补偿电容c
p
与发射线圈121串联连接；无线接收电路13还包括接收补偿电容cs；接收补偿电容cs与接收线圈131串联连接。
65.上述图2所示的无线充电装置的电路，工作在谐振状态，满足以下公式：
[0066][0067]
其中，ω为逆变电路的工作频率。根据基波分析，电路模型满足如下关系式：
[0068][0069]
根据基尔霍夫电压定律，系统稳态描述方程为：
[0070][0071]
其中，r
ac
为等效交流电阻。则可得到无线接收电路中的交流电流为：
[0072][0073]
根据电路分析，接收线圈电流is与负载大小无关，只与交流电压u
in
和互感m有关。而第一场效应管q1～qn导通时可分别将流过负载r1～rn输出电流短路，而不影响其他负载，同时二极管d1～dn又可以保证负载电流不会倒灌，从而达到独立调节的作用。
[0074]
图3是本发明实施例提供的各第一场效应管的控制曲线图，如图3所示，其中pwm1～pwmn分别为q1～qn的驱动信号，d
q1
～d
qn
则为驱动信号的占空比(0～100％)。下提供一个示例进行说明：
[0075]
对于负载r1，在0时刻，即交流电流is正半周期的过零点，pwm1置高，则q1导通，形成短路支路，电流直接从q1流入到下一负载(即r2)或与下一负载并联的第一场效应管(即q2)，
则此阶段电流不对负载供电。
[0076]
运行至ts·dq1
时刻，pwm1置低，q1断开，电流流入负载r1进行充电，直至正半周期结束。
[0077]
当负半周期开始，即ts/2时刻，pwm1再次置高，q1形成短路支路，电流直接流入下面的支路而不对负载r1供电。
[0078]
运行至ts/2+ts·dq1
时刻，pwm1置低，q1断开，电流再次对负载r1进行供电，至负半周期结束。
[0079]
至此，一个周期结束，负载r1所获得的电流大小由pwm1的占空比d
q1
决定。同理，其他负载所获电流大小也由各自并联的mosfet的驱动信号占空比决定。
[0080]
因此，pwm1～pwmn的工作频率实际上为电路工作频率的2倍，但其过零点与接收线圈电流is相同，使q1～qn在交流电流的过零点开通，实现零电压开通。
[0081]
通过调节驱动信号pwm1～pwmn的占空比d
q1
～d
qn
可以实现各输出的独立调节。根据上述分析，各负载电流i1～in的有效值可以描述为：
[0082][0083]
由于整流前后的能量守恒，公式可表达为：
[0084]is2
·rac
＝i
12
·
r1+
…
+i
n2
·rn
ꢀꢀꢀ
(6)
[0085]
则等效负载的计算方程可以描述为：
[0086][0087]
根据上述分析可以看出，各负载获得的电流仅与各第一场效应管的驱动信号的占空比有关，通过分别调控驱动信号pwm1～pwmn的占空比d
q1
～d
qn
可以实现输出电流的独立调节，且不影响其他负载的输出。并且该方案采用4个基础二极管实现整流，每组负载独立调控只需额外增加1个二极管和1个mosfet，负载数量越多，开关数量相较于传统整流方案减少越多，在减小空间的基础上又降低了成本。
[0088]
图4是本发明实施例提供的车辆充电系统的结构示意图。如图4所示，在一些实施例中，车辆充电系统包括车辆驱动电池组41、车辆控制电池组42以及如上任一实施例所示的无线充电装置43；无线充电装置43包括两个负载连接电路133，其中一个负载连接电路133与车辆驱动电池组41连接，另一个负载连接电路133与车辆控制电池组42连接。
[0089]
本实施例中，通过调整两个负载连接电路133的占空比，使两个负载连接电路133向其连接的电池组进行不同功率的供电。
[0090]
上述实施例中所提出的车辆充电系统仅为本发明的无线充电装置的其中一种应用方式，本发明还可以用于多种途径，例如为服务器芯片连接的多个等级母线供电、为杆塔上的多种传感器供电等，在此不作限定。本领域技术人员可以将其应用到不同的设备或场
景下进行多负载供电，但是这种应用不应认为超出本发明的范围。
[0091]
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
[0092]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本技术的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0093]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0094]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0095]
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端实施例仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0096]
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0097]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0098]
集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载
波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
[0099]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。