CN103094996B - 一种无线电能传输系统及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无线电能传输系统，包括一发射端整流滤波电路模块、一发射端逆变电路模块、一发射线圈、一发射端控制电路模块、一接收线圈、一接收端整流滤波电路模块、一负载电路模块以及一接收端控制电路模块，还包括一电流采样电路模块，连接至所述发射线圈的两端，用于采集所述发射线圈的电流。本发明还提供一种无线电能传输系统的实现方法，包括安全负载识别过程，所述接收端控制电路模块与所述发射线圈之间进行简单的交互，可以实现对合法负载的准确识别。本发明无需增加额外的通讯条件，具有简单有效的负载识别功能，可以有效防止使用过程中对金属物体误加热可能造成的安全隐患，生产成本较低、电磁污染少、便于推广应用。
Description
技术领域
本产品涉及无线电能传输系统，特别涉及一种具有安全负载识别功能的无线电能传输系统及其实现方法。
背景技术
在无线电能传输技术通常采用电磁感应原理进行工作，并且在接收端电器负载需要接近发射端的区域时，才能够进行正常的供电。为了用户使用的方便，系统通常会具有自动负载识别的功能，即发射器可以感知是否有负载进入或移除了工作区域，从而开启或者关闭无线供电系统。这种负载识别方法通常采用监测发射端线圈上的谐振电流的幅值变化来进行的。但是，当具有金属材质的物体（如金属钥匙、刀具等）也放置到发射端的工作区域时，金属材料可以在电磁场环境中产生涡电流，也可以导致发射端线圈上的谐振电流的幅值发生变化，从而使系统开启工作。这种工作状态可以在金属物体中产生严重的涡流加热效应，造成严重的安全隐患，因此在系统自动开启前，必须进行安全负载的识别。传统的做法，在无线电能传输系统中发射端与接收端在实现能量传输之前，事先需要有一个通讯识别的过程，发射端与接收端建立通讯以识别负载的合法性。在无线电能传输系统中，只有当确认是安全的工作负载的前提下，才能进行无线供电。现有技术中，是在无线电能传输系统中增加独立的通信调制和解调链路，产生了额外的通信信道，既增加了系统的复杂程度，提高了产品的生产成本，又增强了系统中的高频电场辐射、增加了无线电能传输系统产生的电磁污染，使得该系统难以推广和使用。
发明内容
本发明的目的在于，提出了一种具有安全负载识别功能的无线电能传输系统及其实现方法，有效解决了在现有的无线电能传输技术中负载识别系统必须具备独立的通信调制和解调链路，从而导致生产成本过高、电磁污染过多、难以推广等诸多问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种无线电能传输系统，包括：
一发射端整流滤波电路模块，用于将电网中的交流电转变成为直流电；
一发射端逆变电路模块，用于将所述直流电转变成高频交流电；
一发射线圈，能够在高频交流电的激励下产生高频交变电磁场；
一发射端控制电路模块，用于控制所述发射端整流滤波电路模块、所述发射端逆变电路模块的工作状态；
一接收线圈，与所述发射线圈互感，所述高频交变电磁场使得所述接收线圈产生与所述发射线圈中的高频交流电工作频率相同的高频交流电；
一接收端整流滤波电路模块，用于将所述接收线圈中的高频交流电转变成直流电；
一负载电路模块，用于接收所述直流电并正常工作；
一接收端控制电路模块，用于控制所述负载电路模块的工作状态；
其中，所述发射端整流滤波电路模块通过所述发射端逆变电路模块连接至所述发射线圈；所述负载电路模块通过所述接收端整流滤波电路模块连接至所述接收线圈；所述发射端控制电路模块分别连接至所述发射端整流滤波电路模块、所述发射端逆变电路模块；所述接收端控制电路模块连接至负载电路模块。
所述无线电能传输系统还包括一电流采样电路模块，连接至所述发射线圈的两端，用于实时采样所述发射线圈的电流；所述电流采样电路模块连接至所述发射端控制电路模块，将所述电流信息传送至所述发射端控制电路模块。
进一步地，所述发射线圈和所述接收线圈形成一谐振系统，所述发射线圈内的电流为谐振系统的谐振电流，其电流幅值随所述负载电路模块的功率单调变化，可以反映负载的不同的工作状态。
进一步地，所述工作状态包括待机状态、启动状态以及档位状态等。
一种无线电能传输系统的实现方法，包括如下步骤：
1） 所述发射端控制电路模块控制发射端整流滤波电路模块、所述发射端逆变电路模块连通，在所述发射线圈中产生高频交流电；
2） 所述发射线圈在所述高频交流电激励下产生高频交变电磁场；
3） 所述高频交变电磁场使得所述接收线圈产生与所述发射线圈中的高频交流电工作频率相同的高频交流电；
4） 所述接收端整流滤波电路模块将所述接收线圈中的高频交流电转变成直流电，为接收端负载供电；
5） 所述负载电路模块接收所述直流电并正常工作；
在步骤2）和步骤3）之间还包括安全负载识别过程，所述安全负载检测过程包括如下步骤：
6） 所述接收端控制电路模块连续在一个以上的状态切换周期内依次切换所述负载电路模块的负载工作状态，使得所述负载电路模块产生功率变化；
7） 所述电流采样电路模块采集所述发射线圈的谐振电流并传送至所述发射端控制电路模块；
8） 所述发射端控制电路模块将所述发射线圈电流与所述发射端控制电路模块预先设定的标准电流作对比，判断在任一时间点所述发射线圈电流值是否等同于对应该时间点的所述标准电流值；若是，返回步骤3）；若否，执行步骤9）；
9） 所述发射端控制电路模块发出指令切断发射端整流滤波电路模块、发射端逆变电路模块。
其中，所述发射端控制电路模块预先设定的标准电流值为所述发射线圈在预先设定的负载工作状态下产生的交变电流值。
进一步地，所述负载电路模块只具有2种负载状态，一状态切换周期包括一待机状态和一启动状态，所述接收端控制电路模块在连续2~3个状态切换周期内动态切换所述负载电路模块的负载工作状态，所述待机状态或所述启动状态持续10-1000毫秒。
进一步地，所述负载电路模块具有3种以上负载状态，一状态切换周期包括一待机状态、一启动状态以及一档位状态，所述接收端控制电路模块在1个状态切换周期内动态切换所述负载电路模块的负载状态，所述待机状态、所述启动开状态或所述档位状态持续10-1000毫秒。
本发明的优点在于提供一种无线电能传输系统及其实现方法，无需增加额外的通讯条件，具有简单有效的负载识别功能，可以有效辨别负载的合法性，可以有效防止使用过程中对金属物体误加热可能造成的安全隐患，生产成本较低、电磁污染少、便于推广应用。
附图说明
图1为本发明的无线电能传输系统的结构示意框图；
图2为本发明的无线电能传输系统的实现方法框图；
图3为本发明中负载电路模块具有两种负载状态时的功率变化波形图；
图4为本发明中负载电路模块具有三种负载状态时的功率变化波形图；
图中标记如下：1、发射端整流滤波电路模块，2、发射端逆变电路模块，3、发射线圈，4、发射端控制电路模块，5、接收线圈，6、接收端整流滤波电路模块，7、负载电路模块，8、接收端控制电路模块，9、电流采样电路模块。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式，使本领域的技术人员更清楚地理解如何实践本发明。应当理解，尽管结合其优选的具体实施方案描述了本发明，但这些实施方案仅为阐述，而不是限制本发明的范围。
如图1所示为本发明的无线电能传输系统的结构示意框图，图中的无线电能传输系统包括：
一发射端整流滤波电路模块1，用于将电网中的交流电转变成为直流电；
一发射端逆变电路模块2，用于将所述直流电转变成高频交流电；
一发射线圈3，能够在高频交流电的激励下产生高频交变电磁场；
一发射端控制电路模块4，用于控制所述发射端整流滤波电路模块、所述发射端逆变电路模块的工作状态；
一接收线圈5，与所述发射线圈互感，所述高频交变电磁场使得所述接收线圈产生与所述发射线圈中的高频交流电工作频率相同的高频交流电；
一接收端整流滤波电路模块6，用于将所述接收线圈中的高频交流电转变成直流电；
一负载电路模块7，用于接收所述直流电并正常工作；
一接收端控制电路模块8，用于控制所述负载电路模块的工作状态；
其中，发射端整流滤波电路模块1通过发射端逆变电路模块2连接至发射线圈3；负载电路模块7通过接收端整流滤波电路模块6连接至接收线圈5；发射端控制电路模块1分别连接至发射端整流滤波电路模块1、发射端逆变电路模块2；接收端控制电路模块6连接至负载电路模块7。
发射线圈3和接收线圈5形成一谐振系统，发射线圈3内的电流为谐振系统的谐振电流，其电流幅值随负载电路模块7的功率单调变化，可以反映负载的不同的工作状态。
所述工作状态包括待机状态、启动状态以及不同功率的档位状态等。
本发明的无线电能传输系统还包括一电流采样电路模块9，连接至发射线圈3的两端，用于采集发射线圈3的电流信息。电流采样电路模块9连接至发射端控制电路模块4，将所述电流信息传送至发射端控制电路模块4。
所述预先设定的负载工作状态可以在电器的启动自检阶段，通过接收端控制模块电路8预先设定。当接收端负载7在上述自检阶段按照预设规律变化负载状态时，在发射端的线圈上可以产生规则的电流脉冲变化，这种规律性的变化可以由电器的生产厂商预设并最为检验安全负载的规则编码，用于判定是否是安全合法的负载。
若负载电路模块7（例如一些普通的电器）具有2种负载状态，每个状态切换周期包括连通状态和断开状态，所述连通状态或所述断开状态持续10-1000毫秒。接收端控制电路模块6在连续2~3个状态切换周期内动态切换负载电路模块7的通断状态。
若所述负载电路模块具有3种以上负载状态，每个状态切换周期包括（具体有哪些状态），每个负载状态持续10-1000毫秒，所述接收端控制电路模块在1个状态切换周期内动态切换所述负载电路模块的通断状态。
如图2所示为本发明的无线电能传输系统的结构示意框图，图中所示的无线电能传输系统的实现方法，包括如下步骤：
1） 所述发射端控制电路模块控制发射端整流滤波电路模块、所述发射端逆变电路模块连通，在所述发射线圈中产生高频交流电；
2） 所述发射线圈在所述高频交流电激励下产生高频交变电磁场；
3） 所述高频交变电磁场使得所述接收线圈产生与所述发射线圈中的高频交流电工作频率相同的高频交流电；；
4） 所述接收端整流滤波电路模块将所述接收线圈中的高频交流电转变成直流电，为接收端负载供电；
5） 所述负载电路模块接收所述直流电并正常工作；
在步骤2）和步骤3）之间还包括安全负载识别过程，所述安全负载识别过程具体包括如下步骤：
6） 所述接收端控制电路模块连续在一个以上的状态切换周期内依次切换所述负载电路模块的负载工作状态，使得所述负载电路模块产生功率变化；
7） 所述电流采样电路模块采集所述发射线圈的谐振电流并传送至所述发射端控制电路模块；
8） 所述发射端控制电路模块将所述发射线圈电流与所述发射端控制电路模块预先设定的标准电流作对比，判断在任一时间点所述发射线圈电流值是否等同于对应该时间点的所述标准电流值；若是，返回步骤3）；若否，执行步骤9）；
9） 所述发射端控制电路模块发出指令切断发射端整流滤波电路模块、发射端逆变电路模块。
其中，发射端控制电路模块4预先设定的标准电流值为发射线圈3在预先设定的负载工作状态下产生的交变电流值，具体地说，在负载电路模块7正常工作中，根据预先的设定按照时间顺序依次切换所述负载电路模块的负载工作状态，在切换这些负载工作状态过程中，发射线圈3中产生变化的电流值即为标准电流值，标准电流值与负载电路模块7相应，对应不同时间的电流值形成一标准电流波形，该波形被预先设定并保存在发射端控制电路模块4中。
若负载电路模块7（例如一些普通的电器）具有2种负载状态时，每个状态切换周期包括一启动状态（连通状态）和一待机状态（断开状态），所述工作状态或所述待机状态要持续10-1000毫秒。接收端控制电路模块6在连续2~3个状态切换周期内动态切换负载电路模块7的通断状态。如图3所示负载电路模块具有两种负载状态时的电流变化波形图，图3中电流I1表示负载电路模块7在启动状态（连通状态）下的电流值，电流I2表示负载电路模块7在待机状态（断开状态）下的电流值，此处的负载电路模块7为负载电器。图3中所示的负载状态切换过程相当于图中所示的3个状态切换周期。负载电路模块7在工作中，负载状态的变化一般都对应图中所示的电流的变化，进而对应负载电路模块7功率的变化，而金属异物不会产生功率变化，因此可以根据这种特征进行安全负载的识别。负载每种状态的持续时间维持在10-1000毫秒，以便减小电路延迟对信号采样的实时性的影响。
将负载电路模块7放置在工作区域，发射端控制电路模块4控制发射线圈3产生变化的磁场，位于该变化的磁场中的接收线圈5产生交流电，为负载电路模块7供电。接收端控制电路模块8首先进行电器的自检，即动态的切换负载电路模块7的状态（如连续开启和关闭电器负载）2-3个周期。当负载电路模块7的状态发生变化时，会引起发射线圈3上的电流出现脉冲变化，电流采样电路模块9将发射线圈3上的电流脉冲变化采样并传送至发射端控制电路模块4。发射端控制电路模块4会根据采样的电流脉冲特征确认是否符合设定的电流信息变化规律，来决定是否继续进行正常的供电或是转入不进行电能传输的安全待机状态，判断在任一时间点发射线圈3的电流值是否等同于对应该时间点的所述标准电流值，具体地说，根据预先的设定按照时间顺序依次切换所述负载电路模块的负载工作状态，在切换这些负载工作状态过程中，记录连续时间内的每一时间点发射线圈3的电流值，并将其（以波形图的形式）保存至发射端控制电路模块4中；此外，发射端控制电路模块4中（以波形图的形式）预先设定有一系列标准电流值。将对应同一时间的发射线圈3实际电流值与标准电流值作对比，若发射线圈3的电流值小于预先设定的对应该时间点的标准电流值，可以认定在可变化的磁场中存在非法负载（如金属异物），所述发射端控制电路模块发出指令切断发射端整流滤波电路模块、发射端逆变电路模块（停止电能传输的安全待机状态），提高系统的安全性；若发射线圈3的电流值等同于预先设定的对应该时间点的标准电流值，可以认定在可变化的磁场中并未存在非法负载，本发明所述无线电能传输系统可以继续进行电能传输。
若所述负载电路模块具有3种以上负载状态，每个负载状态切换周期包括待机状态、启动状态以及不同功率的档位状态。每个负载状态持续10-1000毫秒，以便减小电路延迟对信号采样的实时性的影响，所述接收端控制电路模块在1个状态切换周期内动态切换所述负载电路模块的通断状态。如图4所示为负载电路模块具有三种负载状态时的电流变化波形图，此时负载电路模块7为负载电器，图4中所示的工作状态切换只需要图中所示的1个状态切换周期。在切换这些负载工作状态过程中，记录连续时间内的每一时间点发射线圈3的电流值，并将其（以波形图的形式）保存至发射端控制电路模块4中；此外，发射端控制电路模块4中（以波形图的形式）预先设定有一系列标准电流值。将对应同一时间的发射线圈3实际电流值与标准电流值作对比，若发射线圈3的电流值小于预先设定的对应该时间点的标准电流值，可以认定在可变化的磁场中存在非法负载（如金属物体），所述发射端控制电路模块发出指令切断发射端整流滤波电路模块、发射端逆变电路模块（停止电能传输的安全待机状态），提高系统的安全性；若发射线圈3的电流值等同于预先设定的对应该时间点的标准电流值，可以认定在可变化的磁场中并未存在非法负载，本发明所述无线电能传输系统可以继续进行电能传输。
负载工作状态的变化一般都对应负载功率的变化，而金属异物不会具有功率的变化，因此可以根据这种特征进行非法负载（如金属异物）的识别。对于只有两种工作状态的电器来说，只有两种负载状态，其状态切换至少要2-3个周期。对于具有三种以上工作状态的电器来说，则可以依次切换多个工作状态，形成规则的电流脉冲序列，这样可以在一个状态切换周期内完成安全电流信号的对比，进而完成负载的识别，电器的自检时间较短。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种无线电能传输系统，其特征在于，包括：
一发射端整流滤波电路模块，用于将电网中的交流电转变成为直流电；
一发射端逆变电路模块，用于将所述直流电转变成高频交流电；
一发射线圈，能够在高频交流电的激励下产生高频交变电磁场；
一发射端控制电路模块，用于控制所述发射端整流滤波电路模块、所述发射端逆变电路模块的工作状态；
一接收线圈，与所述发射线圈互感，所述高频交变电磁场使得所述接收线圈产生与所述发射线圈中的高频交流电工作频率相同的高频交流电；
一接收端整流滤波电路模块，用于将所述接收线圈中的高频交流电转变成直流电；
一负载电路模块，用于接收所述直流电并正常工作；所述负载电路模块包括电器；
一接收端控制电路模块，用于控制所述负载电路模块的工作状态；
其中，所述发射端整流滤波电路模块通过所述发射端逆变电路模块连接至所述发射线圈；所述负载电路模块通过所述接收端整流滤波电路模块连接至所述接收线圈；所述发射端控制电路模块分别连接至所述发射端整流滤波电路模块、所述发射端逆变电路模块；所述接收端控制电路模块连接至负载电路模块；
还包括一电流采样电路模块，连接至所述发射线圈的两端，用于实时采样所述发射线圈的电流；所述电流采样电路模块连接至所述发射端控制电路模块，将所述电流传送至所述发射端控制电路模块；
所述发射线圈和所述接收线圈形成一谐振系统，所述发射线圈内的电流为谐振系统的谐振电流，其电流幅值随所述负载电路模块的功率单调变化，可以反映所述负载电路模块的工作状态。
2.如权利要求1所述的一种无线电能传输系统，其特征在于，所述负载电路模块的工作状态包括待机状态、启动状态以及档位状态。
3.一种如权利要求1所述的无线电能传输系统的安全负载识别方法，包括如下步骤：
1） 所述发射端控制电路模块控制发射端整流滤波电路模块、所述发射端逆变电路模块连通，在所述发射线圈中产生高频交流电；
2） 所述发射线圈在所述高频交流电激励下产生高频交变电磁场；
3） 所述高频交变电磁场使得所述接收线圈产生与所述发射线圈中的高频交流电工作频率相同的高频交流电；
4） 所述接收端整流滤波电路模块将所述接收线圈中的高频交流电转变成直流电，为接收端负载供电；
5） 所述负载电路模块接收所述直流电并正常工作；
其特征在于，在步骤2）和步骤3）之间还包括安全负载检测过程，所述安全负载检测过程具体包括如下步骤：
6） 所述接收端控制电路模块连续在一个以上的状态切换周期内依次切换所述负载电路模块的负载工作状态，使得所述负载电路模块产生功率变化；
7） 所述电流采样电路模块采集所述发射线圈的谐振电流并传送至所述发射端控制电路模块；
8） 所述发射端控制电路模块将所述发射线圈电流与所述发射端控制电路模块预先设定的标准电流作对比，判断在任一时间点所述发射线圈电流值是否等同于对应该时间点的标准电流值；若是，返回步骤3）；若否，执行步骤9）；
9）所述发射端控制电路模块发出指令切断发射端整流滤波电路模块、发射端逆变电路模块。
4.如权利要求3所述的安全负载识别方法，其特征在于，所述发射端控制电路模块预先设定的标准电流值为所述发射线圈在预先设定的负载工作状态下产生的交变电流值。
5.如权利要求3所述的安全负载识别方法，其特征在于，所述负载电路模块只具有2种负载工作状态，一状态切换周期包括一待机状态和一启动状态，所述接收端控制电路模块在连续2~3个状态切换周期内动态切换所述负载电路模块的负载工作状态，所述待机状态或所述启动状态持续10-1000毫秒。
6.如权利要求3所述的安全负载识别方法，其特征在于，所述负载电路模块具有3种以上负载工作状态，一状态切换周期包括一待机状态、一启动状态以及一档位状态，所述接收端控制电路模块在1个状态切换周期内动态切换所述负载电路模块的负载工作状态，所述待机状态、所述启动状态或所述档位状态持续10-1000毫秒。
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