CN111541294B - 无线充电系统及其开机方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于无线充电技术领域,提供了一种无线充电系统及其开机方法,该系统包括发射端和接收端,发射端包括依次连接的第一整流模块、高频逆变模块、第一控制模块和第一无线通信模块,及与高频逆变模块连接的发射线圈;接收端包括依次连接的接收线圈、第二整流模块、DC/DC模块、第二控制模块、及第二无线通信模块;第一无线通信模块与第二无线通信模块进行无线通信,发射线圈与接收线圈通过磁场耦合;DC/DC模块用于当检测自身输出参数大于输出参数保护阈值时,控制关断输出;及根据所检测的自身输出参数与预设输出参数调节其占空比,以使其自身输出参数与预设输出参数相同。本发明解决了现有无线充电系统需要发射端进行控制而导致保护不及时的问题。
Description
技术领域
本发明属于无线充电技术领域,尤其涉及一种无线充电系统及其开机方法。
背景技术
随着科学技术的发展以及消费水平的提高,由于无线充电产品具有非接触、无电线连接、操作方便等特性,备受各厂商关注,其各种各样的无线充电产品也相继问世,其带无线充电功能的电子产品也受到越来越多的消费者使用。
传统无线充电模块中,其如图4所示,其无线充电模块分为发射端和接收端。当发射端的高频逆变模块采用SS(series-series:串联-串联)拓扑结构时,在正常工作时一般采用调频策略,即接收端把整流模块整流后的充电电压/电流通过无线通信传输到发射端。当发射端检测到该电压/电流大于设定值时,发射端就会调高自身的开关频率,使该电压/电流降低;当发射端检测到该电压小于设定值时,发射端就会调低自身的开关频率,使该电压/电流升高,从而使接收端整流后的电压/电流趋于稳定。
然而现有技术方案中的无线充电模块存在较多的缺陷:(1)在接近发射端高频逆变模块谐振点的时候功率曲线变得非常的陡峭,在控制上会存在比较大的难度;(2)在理想状态下,不考虑无限通信的延迟并且假定无线通信是可靠的不出现任何的中断,在发射端高频逆变模块谐振点附近的增益非常的大,而在稍微远离发射端高频逆变模块谐振点的增益又会变得非常的小,所以在控制上也是比较难实现整个闭环的稳定性,另外一旦环路稳定性出现问题,产生的后果是非常严重的,一般情况下都会损坏发射端的元器件,并且对电网造成干扰;(3)当考虑无线通信的固定延迟(一般是10ms以上)时或者无线通信在传输过程中出现意外中断(一般是100ms以上)时,发射端无法及时检测充电电压/电流,当接收端负载突变、AC电网电压突变或者线圈距离突变的时候,通信延迟和中断让发射端根本来不及动作,从而会使发射端的逆变电流突变或者接收端输出电压发生突变,轻则无法保证接收端保持满功率输出、重则电压/电流就会超过保护阈值产生保护,如果保护不及时甚至会损坏整个无线充电模块的元器件。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种无线充电系统开机方法,旨在解决现有无线充电系统需要发射端进行控制而导致保护不及时的问题。
本发明实施例是这样实现的,一种无线充电系统开机方法,适用于无线充电系统,所述系统包括:
发射端,包括依次连接的第一整流模块、高频逆变模块、第一控制模块和第一无线通信模块,及还与所述高频逆变模块连接的发射线圈;
接收端,包括依次连接的接收线圈、第二整流模块、DC/DC模块、第二控制模块、及第二无线通信模块;
所述第一整流模块输入端与输入电源连接,所述DC/DC模块输出端与外接负载连接,所述第一无线通信模块与所述第二无线通信模块之间进行无线通信,所述发射线圈与所述接收线圈通过磁场耦合;
所述DC/DC模块用于当所检测输出至外接负载的自身输出参数大于输出参数保护阈值时,控制关断输出;以及根据所检测输出至外接负载的自身输出参数与预设输出参数相应调节其占空比,以使其自身输出参数与所述预设输出参数相同;
所述方法包括:
发射端控制高频逆变模块在探测频率下由初始占空比逐步变化至目标占空比,所述探测频率为所述高频逆变模块的当前频率;
发射端根据在所述目标占空比下所获取的所述高频逆变模块的输入电压、接收端中DC/DC模块的输入电压、所述探测频率、以及发射端中发射线圈和接收端中接收线圈的谐振参数,确定出DC/DC模块正常启动所需的开通电压;
发射端将所述开通电压通过无线方式发送至接收端中DC/DC模块,以使所述DC/DC模块在检测到当前输入电压大于等于所述开通电压时进行启动运行;
发射端判断当前所获取的所述DC/DC模块的当前输入电压是否大于等于根据所述开通电压确定的目标电压;
若是,则发射端维持探测频率进行稳定运行;
若否,则发射端将所述高频逆变模块的当前频率由探测频率开始逐渐减少,直至检测到所述DC/DC模块的当前输入电压大于等于所述目标电压,并维持当前频率不变进行稳定运行。
进一步地,所述确定出DC/DC模块正常启动所需的开通电压的步骤包括:
发射端在目标占空比下获取所述高频逆变模块的输入电压及所述探测频率;
发射端通过无线方式发送请求信息至接收端,以使接收端根据请求信息获取并返回在目标占空比下的DC/DC模块的输入电压;
发射端根据高频逆变模块的输入电压、DC/DC模块的输入电压、探测频率、发射线圈和接收线圈的谐振参数确定出耦合系数;
发射端根据耦合系数确定出DC/DC模块正常启动所需的开通电压。
进一步地,所述将所述高频逆变模块的当前频率由探测频率开始逐渐减少,直至检测到所述DC/DC模块的当前输入电压大于等于所述目标电压的步骤包括:
发射端判断所逐渐减小的当前频率是否大于预设最小频率、以及当前输入电压是否大于等于所述目标电压;
当发射端判断当前频率减小至大于所述预设最小频率且当前输入电压大于等于所述目标电压时,发射端维持当前频率不变进行稳定运行;
当发射端判断当前频率不大于所述预设最小频率且当前输入电压小于所述目标电压时,发射端发出警报。
进一步地,所述方法还包括:
接收端中DC/DC模块在检测到当前输入电压大于等于所述开通电压时进行启动运行;
接收端中DC/DC模块当所检测到所输出的自身输出参数大于输出参数保护阈值时,控制关断输出;
接收端中DC/DC模块根据所检测到所输出的自身输出参数与预设输出参数相应调节其占空比,以使自身输出参数与预设输出参数相同。
进一步地,所述接收端中DC/DC模块根据所检测到所输出的自身输出参数与预设输出参数相应调节其占空比的步骤包括:
接收端中DC/DC模块检测到所输出的自身输出参数小于预设输出参数时,相应增加其占空比,直至自身输出参数与预设输出参数相同;
接收端中DC/DC模块检测到所输出的自身输出参数大于预设输出参数时,相应减小其占空比,直至自身输出参数与预设输出参数相同。
进一步地,所述发射端控制高频逆变模块在探测频率下由初始占空比逐步变化至目标占空比的步骤包括:
所述发射端控制高频逆变模块在探测频率下由初始占空比开始进行启动;
所述发射端控制高频逆变模块每隔预设时间增加预设占空比量,并判断当前占空比是否达到目标占空比;
若是,则维持目标占空比运行;
若否,则继续每隔预设时间增加预设占空比量,直至判断出当前占空比达到目标占空比。
更进一步地,所述DC/DC模块为buck模块、boost模块、buck-boost模块中的任意一种或多种。
更进一步地,所述高频逆变模块采用SS拓扑全桥结构或SS拓扑半桥结构。
更进一步地,所述整流模块为不控整流模块或PFC整流模块。
更进一步地,所述第一无线通信模块和第二无线通信模块为蓝牙模块、WiFi模块、ZigBee模块、NB-IOT模块、RF射频模块中的任意一种或多种。
本发明实施例提供的无线充电系统开机方法,由于在接收端中设置的DC/DC模块,使得在不需要发射端调节频率的情况下就能够使充电电压/电流趋于稳定,有效减小了由于通信延时带来的充电电压/电流的纹波,提高充电质量;同时DC/DC模块可以根据AD采样的充电电压/电流大于过压保护点/过流保护点时进行关断输出,使得其无线充电系统正常工作时不需要依赖无线通信来调节发射端的频率,就能够达到稳定充电电压/电流的目的,使得能够接收端保持满功率输出以及有效及时的保护。解决了现有无线充电系统需要发射端进行控制而导致保护不及时的问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的无线充电系统的模块示意图;
图2是本发明实施例提供的无线充电系统开机方法的流程图;
图3是本发明实施例提供的无线充电系统开机方法的又一流程图;
图4是现有技术中无线充电系统的模块示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明由于在接收端中设置的DC/DC模块,使得在不需要发射端调节频率的情况下就能够使充电电压/电流趋于稳定,有效减小了由于通信延时带来的充电电压/电流的纹波,提高充电质量;同时DC/DC模块可以根据AD采样的充电电压/电流大于过压保护点/过流保护点时进行关断输出,使得不需要发射端进行干预,可以实现有效及时地保护。同时对于该无线充电系统所提出的开机方法中,由于发射端根据系统参数计算得到在当前AC电网电压和线圈距离情况下的DC/DC模块的开通电压,并通过无线方式将该开通电压传输给接收端的DC/DC模块,以作为DC/DC模块的输入欠压恢复点,其中发射端在高频逆变模块的频率降低过程中可相应的提升DC/DC模块的输入电压,当检测到DC/DC模块的输入电压大于等于目标电压时,就维持当前频率不变稳定运行,使得保证DC/DC模块的输入电压大于等于开通电压从而可顺利开通,使得保证在不同的AC电网电压以及线圈距离情况下,当无线充电系统开机结束进入正常工作之后,当与其连接的外接负载发生变化时,即使不需要调节发射端的频率,也能保证DC/DC模块的输入电压在正常工作范围以内,以及保证客户要求的满功率输出。
实施例一
请参阅图1,是本发明第一实施例提供的无线充电系统的模块示意图,为了便于说明,仅示出了与本发明实施例相关的部分,该无线充电系统包括:
发射端20,包括依次连接的第一整流模块21、高频逆变模块22、第一控制模块23和第一无线通信模块24,及还与高频逆变模块22连接的发射线圈25;
接收端30,包括依次连接的接收线圈31、第二整流模块32、DC/DC模块33、第二控制模块34、及第二无线通信模块35;
第一整流模块21输入端与输入电源连接,DC/DC模块33输出端与外接负载连接,第一无线通信模块24与第二无线通信模块35之间进行无线通信,发射线圈25与接收线圈31通过磁场耦合;
DC/DC模块33用于当所检测输出至外接负载的自身输出参数大于输出参数保护阈值时,控制关断输出;以及根据所检测输出至外接负载的自身输出参数与预设输出参数相应调节其占空比,以使其自身输出参数与预设输出参数相同。
进一步地,在本发明的一个实施例中,该无线充电系统主要包括发射端20和接收端30,其中发射端20与输入电源连接,接收端30与外接负载连接,其发射端20和接收端30之间通过线圈间的磁场耦合进行能量传输,其中该输入电源主要为市电输入(例如220V交流电),该外接负载主要为电池或电机,即该无线充电系统输入端与市电输入连接,通过将市电所输入的电流/电压进行整流调频后由磁场耦合至输出端,并由输出端将电流/电压进行输出至电池或电机等外接负载中,使得可实现外接负载的无线充电。其中,本发明的一个实施例中,具体使用时,该无线充电系统中的发射端20主要集成至适配器中,其接收端30主要集成至外接负载中,此时无线充电系统进行工作时,即其适配器与市电输入连接,且其外接负载与其适配器相贴近,使得其集成至适配器中的发射端20内发射线圈25可与外接负载中的接收端30内接收线圈31进行磁场耦合,从而将发射端20中的能量传输至接收端30中,并通过接收端30整流后输出至外接负载进行充电或驱动运行。
进一步地,在本发明的一个实施例中,其发射端20中的第一整流模块21输入端与输入电源连接,其第一整流模块21输出端与高频逆变模块22连接,其中第一整流模块21用于将输入电源所输入的交流电进行整流为直流电,并将所整流后的直流电输出至高频逆变模块22中,其中,本发明的实施例中,该第一整流模块21为不控整流模块或PFC整流模块。
进一步地,在本发明的一个实施例中,其发射端20中的高频逆变模块22分别与第一整流模块21、第一控制模块23及发射线圈25连接,其中该高频逆变模块22用于将第一整流模块21所输出的直流电逆变为高频的高压交流电进行输出,同时其高频逆变模块22用于根据第一控制模块23的控制相应的调整所输出的高频高压交流电的频率及其占空比。其中,本发明的实施例中,该高频逆变模块22采用SS拓扑全桥结构或SS拓扑半桥结构。
其中,该高频逆变模块22与发射线圈25连接,因此其高频逆变模块22相应的将由第一整流模块21输出的直流电逆变为高频高压交流电后输出至发射线圈25,以使发射线圈25处流经高频高压交流电,此时其交流电在发射线圈25处流经时产生对应的变化磁场,并通过磁场耦合后使得与其对应的接收线圈31产生感应交流电。
进一步地,在本发明的一个实施例中,其第一控制模块23分别与高频逆变模块22及第一无线通信模块24连接,其第一控制模块23用于获取第一无线通信模块24所接收的数据、控制第一无线通信模块24发送数据、及其第一控制模块23通过AD采样获取高频逆变模块22的输入电压,也即第一整流模块21输出至高频逆变模块22的输出电压,同时其第一控制模块23相应的控制高频逆变模块22所输出高频高压交流电的频率及其占空比。其中,本发明的实施例中,该第一控制模块23可以为单片机、DSP(Digital Signal Processing,数字信号处理)等具有控制以及处理信号的功能的控制器,其根据用户实际使用需求进行设置,在此不做限定。
进一步地,在本发明的一个实施例中,其第一无线通信模块24与第一控制模块23连接,且第一无线通信模块24与接收端30中的第二无线通信模块35之间进行无线通信,其第一无线通信模块24和第二无线通信模块35用于实现发射端20和接收端30之间的信号传输,即第一无线通信模块24可接收第二无线通信模块35所发送的数据并传输至第一控制模块23,以及根据第一控制模块23的控制相应的发送数据至第二无线通信模块35。其中,本发明的实施例中,第一无线通信模块24和第二无线通信模块35为蓝牙模块、WiFi模块、ZigBee模块、NB-IOT模块、RF射频模块中的任意一种或多种,其根据用户实际使用需求进行设置,在此不做限定。
进一步地,在本发明的一个实施例中,其发射线圈25与高频逆变模块22连接,且发射线圈25与接收线圈31通过磁场耦合,因此使得发射端20与接收端30相距较近时,其发射线圈25中流经高频逆变模块22所逆变出的高频高压交流电时产生对应的变化磁场,并通过磁场耦合后使得与其接收线圈31产生感应交流电,使得可将发射端20的能量传输至接收端30中。其中,本发明的实施例中,该发射线圈25可以为圆形结构、DD结构、或其他任意结构,其根据用户的实际使用需求相应的对发射线圈25的结构构造进行设置。
进一步地,在本发明的一个实施例中,其接收端30中的接收线圈31与第二整流模块32连接,且发射线圈25与接收线圈31通过磁场耦合,因此当发射端20连接市电输入时,其发射线圈25可产生变化磁场,并通过磁场耦合后使得其接收线圈31产生感应交流电,此时接收线圈31所产生的感应交流电通过第二整流模块32进行整流为直流电。其中,本发明的实施例中,其接收线圈31的结构与发射线圈25的结构大抵相同,也即接收线圈31可以为圆形结构、DD结构、或其他任意结构。此时用户根据实际使用需求对发射线圈25及接收线圈31的构造进行设置,使得满足用户所需的最大无线充电效率。
进一步地,在本发明的一个实施例中,其第二整流模块32分别与接收线圈31和DC/DC模块33连接,用于将接收线圈31所产生的感应交流电整流为直流电,并将所整流后的直流电输出至DC/DC模块33中,其中,本发明的实施例中,该第二整流模块32采用与第一整流模块21相同的电路结构,也即第二整流模块32为不控整流模块或PFC整流模块。
进一步地,在本发明的一个实施例中,其DC/DC模块33分别与第二整流模块32、第二控制模块34、及外接负载连接,其中该DC/DC模块33用于将第二整流模块32所输出的直流电进行调整至所需的预设输出参数的直流电,并相应输出至外接负载中,其中该输出参数包括输出电压和/或输出电流,也即外接负载的充电参数。其中,DC/DC模块33在对第二整流模块32所输出的直流电进行调整的过程中,其DC/DC模块33通过AD采样实时检测其所输出至外接负载的自身输出参数,也即检测自身的输出电压/电流,并根据其自身输出参数与预设输出参数相应的调节其占空比,以使其自身输出参数与所述预设输出参数相同。其例如当DC/DC模块33检测到其自身输出电压/电流大于所预先设定的预设输出电压/电流时,其相应的降低自身占空比,使得其自身输出电压/电流降低;相应的当DC/DC模块33检测到其自身输出电压/电流小于预设输出电压/电流时,其相应的升高自身占空比,使得其自身输出电压/电流,最终实现其自身输出电压/电流与预设输出电压/电流相同,从而使得输出至外接负载的充电电压/电流趋于稳定。
其中,该DC/DC模块33还用于当输出至外接负载的自身输出参数大于输出参数保护阈值时,控制关断输出。输出参数保护阈值包括过压保护点和/或过流保护点,也即当DC/DC模块33通过AD采样检测到其输出至外接负载的输出电压大于预设的过压保护点时,其控制关断输出;当DC/DC模块33通过AD采样检测到其输出至外接负载的输出电流大于预设的过流保护点时,其控制关断输出。其使得可实现对外接负载有效及时的保护,避免由于输出至外接负载的电压/电流过大而对外接负载所造成的损坏。其中,DC/DC模块33为buck模块(降压模块)、boost模块(升压模块)、buck-boost模块(升降压模块)中的任意一种或多种,其根据用户的实际使用需求进行设置,在此不做限定。
进一步地,在本发明的一个实施例中,其第二控制模块34分别与DC/DC模块33及第二无线通信模块35连接,其第二控制模块34用于获取第二无线通信模块35所接收的数据、控制第二无线通信模块35发送数据、及其第二控制模块34通过AD采样获取DC/DC模块33的输入电压和与DC/DC模块33进行数据通讯。其中,本发明的实施例中,该第二控制模块34采用与第一控制模块23相同的电路结构,也即第二控制模块34可以为单片机、DSP(DigitalSignal Processing,数字信号处理)等具有控制以及处理信号的功能的控制器,其根据用户实际使用需求进行设置,在此不做限定。
进一步地,在本发明的一个实施例中,其第二无线通信模块35与第二控制模块34连接,且第二无线通信模块35与发射端20中的第一无线通信模块24之间进行无线通信,其第二无线通信模块35可接收第一无线通信模块24所发送的数据并传输至第二控制模块34,以及根据第二控制模块34的控制相应的发送数据至第一无线通信模块24。
本实施例中,由于在接收端中设置的DC/DC模块,使得在不需要发射端调节频率的情况下就能够使充电电压/电流趋于稳定,有效减小了由于通信延时带来的充电电压/电流的纹波,提高充电质量;同时DC/DC模块可以根据AD采样的充电电压/电流大于过压保护点/过流保护点时进行关断输出,使得其无线充电系统正常工作时不需要依赖无线通信来调节发射端的频率,就能够达到稳定充电电压/电流的目的,使得能够接收端保持满功率输出以及有效及时的保护。解决了现有无线充电系统需要发射端进行控制而导致保护不及时的问题。
实施例二
请参阅图2,是本发明第二实施例提供的无线充电系统开机方法的流程示意图,为了便于说明,仅示出了与本发明实施例相关的部分,该无线充电系统开机方法适用于上述第一实施例所提供的无线充电系统,其方法包括:
步骤S10,发射端控制高频逆变模块在探测频率下由初始占空比逐步变化至目标占空比,探测频率为高频逆变模块的当前频率;
其中,在本发明的一个实施例中,其无线充电系统包括如上述第一实施例所述的发射端及接收端,其发射端包括第一整流模块、高频逆变模块、第一控制模块、第一无线通信模块、及发射线圈;其接收端包括接收线圈、第二整流模块、DC/DC模块、第二控制模块、及第二无线通信模块。
其中,在无线充电系统进行开机启动过程中,其发射端中的第一整流模块将市电输入进行整流为直流电,且通过其高频逆变模块将其直流电逆变为高频高压交流电,此时其高频逆变模块所逆变成的高频高压交流电主要受控于第一控制模块,此时其发射端中的第一控制模块控制在无线充电系统开机启动时,将高频逆变模块的工作频率维持在探测频率下不变,且将高频逆变模块中的MOS管驱动的占空比由初始占空比逐步变化至目标占空比,其中,本发明实施例中,该初始占空比设定为15%,其目标占空比设定为50%,其高频逆变模块由15%变化至50%的过程中为随时间线性变化,其中,当无线充电系统开机启动过程中,当其高频逆变模块中的MOS管驱动的占空比变化至目标占空比50%时,其MOS管中上下管的驱动宽度一样,使得有助于实现开关器件的软开关,进一步减小开关损耗。进一步地,其探测频率为确保在规定的AC电网电压范围、及线圈距离范围内,其高频逆变模块的MOS管驱动的占空比变化至目标占空比后,其发射端的第一无线通信模块和接收端的第二无线通信模块均可以正常工作的频率。其中,需要指出的是,在本发明的其他实施例中,其初始占空比、目标占空比以及占空比进行变化的过程均可根据实际使用需要进行设置,在此不做具体限定。
因此,在高频逆变模块的MOS管驱动的占空比变化至目标占空比后,其发射端中的各个器件均软启动开始进行工作,且高频逆变模块中的发射线圈由于流经高频逆变模块所逆变出的高频高压交流电而产生对应的变化磁场,并通过磁场耦合后使得与其接收端中接收线圈产生感应交流电,此时接收线圈产生的感应交流电经第二整流模块整流为直流电并输出至DC/DC模块。
其中,现有技术中,当AC电网电压或者线圈距离发生变化的时候,发射端在正常工作时仍然需要调节频率来保证DC/DC模块的输入电压在正常工作范围以内,以及保证客户要求的满功率输出。然而本发明实施例中经过理论与仿真分析,当DC/DC模块的输入电压在某个开通电压点(Vopen)进行开通时,即使开通后与其连接的外接负载发生变化时,其也能够保证DC/DC模块的输入电压在正常工作范围以内,使得DC/DC模块可实现正常工作以及保证客户要求的满功率输出。因此该开通电压设为DC/DC模块的输入欠压恢复点,此时只有其DC/DC模块中所输入的电压大于等于其开通电压(Vopen)时,其DC/DC模块才会进行开通运行工作,因此,当其第二整流模块所整流出的直流电小于其DC/DC模块所需的开通电压时,其接收端中只有接收线圈、第二整流模块、第二控制模块、及第二无线通信模块进行工作,其DC/DC模块不进行工作。
步骤S20,发射端根据在目标占空比下所获取的高频逆变模块的输入电压、接收端中DC/DC模块的输入电压、探测频率、以及发射端中发射线圈和接收端中接收线圈的谐振参数,确定出DC/DC模块正常启动所需的开通电压;
其中,在本发明的一个实施例中,经过理论与仿真分析,其DC/DC模块的开通电压Vopen跟发射线圈与接收线圈之间的耦合系数kco呈线性关系:
Vopen=k×kco+b;
其中k与b这两个系数可以通过理论与仿真进行求取,其当无线充电系统的发射端中高频逆变模块的SS拓扑结构(采用SS全桥拓扑或者SS半桥拓扑)、发射线圈谐振参数、及接收线圈谐振参数确定下来之后,其k与b这两个系数也可相应的确定,其为固定参数。
经过理论分析,在DC/DC模块进行开通前,其耦合系数kco与发射端中的高频逆变模块的输入电压Vbus、接收端中的DC/DC模块的输入电压Vin、高频逆变模块的当前频率(也即探测频率fsw),以及发射线圈和接收线圈的谐振参数有关。
因此当发射端控制高频逆变模块的占空比由初始占空比变化至目标占空比后,其发射端中的第一控制模块控制其高频逆变模块中MOS管驱动维持目标占空比不变,发射端根据在目标占空比下所获取的高频逆变模块的输入电压、接收端中DC/DC模块的输入电压、探测频率、以及发射端中发射线圈和接收端中接收线圈的谐振参数,相应的确定出耦合系数kco,最终确定出DC/DC模块正常启动所需的开通电压。其中,需要指出的是,其DC/DC模块所需的开通电压在探测频率和目标占空比下进行计算,用以保证耦合系数kco和开通电压Vopen计算值的唯一性。
可以理解的,在本发明的一个实施例中,其发射端中的第一控制模块通过AD采样获取到高频逆变模块的输入电压,其接收端中的第二控制模块通过AD采样获取到DC/DC模块的输入电压,同时通过第一无线通信模块与第二无线通信模块之间的无线通信,因此其发射端中的第一控制模块可获取到接收端中DC/DC模块的输入电压。同时发射线圈的谐振参数是发射端的固有参数,接收线圈的谐振参数是接收端的固有参数,在无线充电系统设计的时候,其发射线圈的谐振参数和接收线圈的谐振参数就为已经固定确定的已知参数。其探测频率由发射端自身设定,因此其第一控制模块也相应的确定知道该探测频率。
此时,在DC/DC模块进行开通工作前,发射端根据所获取的高频逆变模块的输入电压、DC/DC模块的输入电压、探测频率、以及发射线圈和接收线圈的谐振参数求取确定出耦合系数,并最终确定出DC/DC模块正常启动所需的开通电压。
步骤S30,发射端将开通电压通过无线方式发送至接收端中DC/DC模块,以使DC/DC模块在检测到当前输入电压大于等于开通电压时进行启动运行;
在本发明的一个实施例中,其发射端中的第一控制模块根据上述各个参数确定出DC/DC模块正常启动所需的开通电压后,其第一控制模块通过与其连接的第一无线通信模块与接收端中的第二无线通信模块之间的无线通信,使得可将该开通电压发送至接收端中,当接收端中的第二无线通信模块接收到该开通电压后传输至第二控制模块,其第二控制模块相应的将该开通电压发送至DC/DC模块中,其DC/DC模块将所接收到的开通电压设定为其输入欠压恢复点,此时DC/DC模块会实时监测自身的当前输入电压,当其检测到当前输入电压大于等于输入欠压恢复点时进行开通启动运行。
步骤S40,发射端判断当前所获取的DC/DC模块的当前输入电压是否大于等于根据开通电压确定的目标电压;
其中,当发射端判断当前所获取的DC/DC模块的当前输入电压大于等于根据开通电压确定的目标电压时,执行步骤S50;否则执行步骤S60。
其中,本发明的一个实施例中,其接收端中的第二控制模块通过AD采样获取到DC/DC模块的当前输入电压,且实时将所获取到的DC/DC模块的当前输入电压通过第二无线通信模块与第一无线通信模块之间的无线通信传输至发射端中,当发射端中的第一无线通信模块接收到该DC/DC模块的当前输入电压后传输至第一控制模块,因此其发射端中的第一控制模块可实时获取到接收端中DC/DC模块的当前输入电压。
进一步地,其发射端判断当前所获取的DC/DC模块的当前输入电压是否大于等于根据开通电压确定的目标电压,其中目标电压根据开通电压进行确定,本实施例中,其目标电压为开通电压加上0.5V电压,其中,该目标电压通过在开通电压的基础上加上0.5V电压,使得其可避免由于电压波动而导致的DC/DC模块的频繁的启动/关闭,使得可保证DC/DC模块的顺利开通以及稳定工作运行。此时当发射端获取到DC/DC模块的当前输入电压大于等于目标电压时,则可确定DC/DC模块一定处于稳定工作运行状态。此时即使DC/DC模块开通后与其连接的外接负载发生变化时,其也能够保证DC/DC模块的输入电压在正常工作范围以内,使得DC/DC模块可实现稳定正常工作以及保证客户要求的满功率输出。
步骤S50,发射端维持探测频率进行稳定运行;
其中,在本发明的一个实施例中,当发射端中的第一控制模块控制高频逆变模块维持目标占空比不变,且以其探测频率进行运行时,其第一控制模块获取到DC/DC模块的当前输入电压大于等于目标电压时,此时其发射端中的第一控制模块控制高频逆变模块维持该探测频率进行稳定运行实现DC/DC模块的顺利开通。
步骤S60,发射端将高频逆变模块的当前频率由探测频率开始逐渐减少,直至检测到DC/DC模块的当前输入电压大于等于目标电压,并维持当前频率不变进行稳定运行;
其中,在本发明的一个实施例中,需要指出的是,其发射端中的高频逆变模块的频率进行降低时,其通过发射线圈和接收线圈间的磁场耦合,以及第二整流模块的整流之后,其相应的DC/DC模块的输入电压会进行升高。
此时当发射端中的第一控制模块控制高频逆变模块维持目标占空比不变,且以其探测频率进行运行时,其第一控制模块获取到DC/DC模块的当前输入电压小于目标电压时,则发射端中的第一控制模块相应的控制高频逆变模块的当前频率由探测频率开始逐渐减少,此时相应的DC/DC模块的输入电压开始逐渐升高,其本实施例中,其高频逆变模块的当前频率的减小过程中随时间进行线性变化,其中,当高频逆变模块的当前频率进行减小过程中减少至第一控制模块获取到DC/DC模块的当前输入电压大于等于目标电压时,其发射端中的第一控制模块控制高频逆变模块的当前频率停止减少,并维持该当前频率不变进行稳定运行,使得实现DC/DC模块的顺利开通。
本实施例提供的无线充电系统开机方法,由于发射端根据系统参数计算得到在当前AC电网电压和线圈距离情况下的DC/DC模块的开通电压,并通过无线方式将该开通电压传输给接收端的DC/DC模块,以作为DC/DC模块的输入欠压恢复点,其中发射端在高频逆变模块的频率降低过程中可相应的提升DC/DC模块的输入电压,当检测到DC/DC模块的输入电压大于等于目标电压时,就维持当前频率不变稳定运行,使得保证DC/DC模块的输入电压大于等于开通电压从而可顺利开通,使得保证在不同的AC电网电压以及线圈距离情况下,当无线充电系统开机结束进入正常工作之后,当与其连接的外接负载发生变化时,即使不需要调节发射端的频率,也能保证DC/DC模块的输入电压在正常工作范围以内,以及保证客户要求的满功率输出。
实施例三
请参阅图3,是本发明第三实施例提供的一种无线充电系统开机方法的流程示意图,为了便于说明,仅示出了与本发明实施例相关的部分,该无线充电系统开机方法包括:
步骤S11,发射端控制高频逆变模块在探测频率下由初始占空比逐步变化至目标占空比,探测频率为高频逆变模块的当前频率;
其中,在本发明的一个实施例中,上述发射端控制高频逆变模块在探测频率下由初始占空比逐步变化至目标占空比可通过如下步骤实现:
一、发射端控制高频逆变模块在探测频率下由初始占空比开始进行启动;
二、发射端控制高频逆变模块每隔预设时间增加预设占空比量,并判断当前占空比是否达到目标占空比;
三、若是,则维持目标占空比运行;
四、若否,则继续每隔预设时间增加预设占空比量,直至判断出当前占空比达到目标占空比。
其中,本发明实施例中,其发射端中的第一控制模块控制高频逆变模块在探测频率下,且高频逆变模块的MOS管驱动由初始占空比开始进行启动,其中该探测频率为高频逆变模块的当前频率,且该探测频率为确保在规定的AC电网电压范围、及线圈距离范围内,其高频逆变模块的MOS管驱动的占空比变化至目标占空比后,其发射端的第一无线通信模块和接收端的第二无线通信模块均可以正常工作的频率,其中,初始占空比为15%,目标占空比为50%,其预设时间为5ms,其预设占空比量为0.06%,也即第一控制模块控制高频逆变模块的MOS管驱动的占空比由15%开始,每隔5ms占空比增加0.06%,同时增加过程中判断当前占空比是否达到50%,直至最终占空比变化至50%,并维持该目标占空比运行,本实施例中,其由初始占空比变化至目标占空比的过程为随时间线性变化,可以理解的,在本发明的其他实施例中,其还可根据用户实际使用需求设置为随时间非线性变化,同时在本发明的其他实施例中,其初始占空比、预设时间、及预设占空比量可根据实际使用需求进行设置,在此不做具体限定。
步骤S21,发射端根据在目标占空比下所获取的高频逆变模块的输入电压、接收端中DC/DC模块的输入电压、探测频率、以及发射端中发射线圈和接收端中接收线圈的谐振参数,确定出DC/DC模块正常启动所需的开通电压;
其中,本发明的一个实施例中,上述确定出DC/DC模块正常启动所需的开通电压可通过如下步骤实现:
一、发射端在目标占空比下获取高频逆变模块的输入电压及探测频率;
二、发射端通过无线方式发送请求信息至接收端,以使接收端根据请求信息获取并返回在目标占空比下的DC/DC模块的输入电压;
三、发射端根据高频逆变模块的输入电压、DC/DC模块的输入电压、探测频率、发射线圈和接收线圈的谐振参数确定出耦合系数;
四、发射端根据耦合系数确定出DC/DC模块正常启动所需的开通电压。
其中,发射端中的第一控制模块控制高频逆变模块维持目标占空比下,通过AD采样获取其高频逆变模块的输入电压,以及获取其高频逆变模块的当前频率(也即探测频率);同时其发射端中的第一控制模块控制由第一无线通信模块发送请求信息至其接收端的第二无线通信模块中,其第二无线通信模块将该请求信息传输至第二控制模块,其第二控制模块根据该请求信息相应的通过AD采样获取DC/DC模块的输入电压,并将所获取的DC/DC模块的输入电压由第二无线通信模块返回至发射端的第一无线通信模块中,传输第一无线通信模块将该接收的DC/DC模块的输入电压传输至第一控制模块中,进一步地,其发射线圈的谐振参数和接收线圈的谐振参数在无线充电系统设计时已经固定确定,此时发射端中的第一控制模块根据高频逆变模块的输入电压、DC/DC模块的输入电压、探测频率、发射线圈和接收线圈的谐振参数确定出耦合系数。其具体耦合系数kco的计算公式为:
其中,Vin为接收端中DC/DC模块的输入电压、Lp为发射线圈的电感量、Cp为发射线圈的谐振电容、fsw为高频逆变模块的探测频率,Ls为接收线圈的电感量,Vbus为发射端中高频逆变模块的输入电压。
进一步地,其发射端根据耦合系数确定出DC/DC模块正常启动所需的开通电压,其中DC/DC模块的开通电压Vopen跟发射线圈与接收线圈之间的耦合系数kco呈线性关系:
Vopen=k×kco+b;
其中k与b这两个系数可以通过理论与仿真进行求取,其当无线充电系统的发射端中高频逆变模块的SS拓扑结构(采用SS全桥拓扑或者SS半桥拓扑)、发射线圈谐振参数、及接收线圈谐振参数确定下来之后,其k与b这两个系数也可相应的确定,其为固定参数。此时根据该耦合系数kco、k与b最终确定出相应的DC/DC模块正常启动所需的开通电压Vopen。
步骤S31,发射端将开通电压通过无线方式发送至接收端中DC/DC模块,以使DC/DC模块在检测到当前输入电压大于等于开通电压时进行启动运行。
步骤S41,发射端判断当前所获取的DC/DC模块的当前输入电压是否大于等于根据开通电压确定的目标电压;
其中,当发射端判断当前所获取的DC/DC模块的当前输入电压大于等于根据开通电压确定的目标电压时,执行步骤S51;否则执行步骤S61。
步骤S51,发射端维持探测频率进行稳定运行。
步骤S61,发射端将高频逆变模块的当前频率由探测频率开始逐渐减少,直至检测到DC/DC模块的当前输入电压大于等于目标电压,并维持当前频率不变进行稳定运行。
其中,本发明的一个实施例中,上述将高频逆变模块的当前频率由探测频率开始逐渐减少,直至检测到DC/DC模块的当前输入电压大于等于目标电压可通过如下步骤实现:
一、发射端判断所逐渐减小的当前频率是否大于预设最小频率、以及当前输入电压是否大于等于目标电压;
二、当发射端判断当前频率减小至大于预设最小频率且当前输入电压大于等于目标电压时,发射端维持当前频率不变进行稳定运行;
三、当发射端判断当前频率不大于预设最小频率且当前输入电压小于目标电压时,发射端发出警报。
其中,本发明实施例中,当发射端中的第一控制模块控制高频逆变模块维持目标占空比不变,且以其探测频率进行运行时,其第一控制模块获取到DC/DC模块的当前输入电压小于目标电压时,则发射端中的第一控制模块相应的控制高频逆变模块的当前频率由探测频率开始逐渐减少,此时在减小过程中,其发射端中的第一控制模块判断其当前频率是否大于预设最小频率。
其中当发射端中的第一控制模块检测到其当前频率大于预设最小频率且DC/DC模块的当前输入电压大于等于目标电压时,其发射端中的第一控制模块控制高频逆变模块维持该当前频率不变;当发射端中的第一控制模块检测到其当前频率减少至预设最小频率,其DC/DC模块的当前输入电压大于等于目标电压时,第一控制模块控制高频逆变模块维持该预设最小频率不变;当发射端中的第一控制模块检测到当前频率不大于预设最小频率且当前输入电压小于目标电压时,其发射端发出警报。
其中,需要指出的是,该预设最小频率是根据无线充电系统工作的电网电压、线圈距离和无线充电系统的谐振参数确定的,所以在规定的工作条件下,当其高频逆变模块的频率降低到所设定的预设最小频率之前,其DC/DC模块的输入电压一定会大于等于其开通电压。此时当频率降低到预设最小频率时,其DC/DC模块的输入电压依然小于其开通电压时,说明无线充电系统没有工作在规定的工作条件下,此时无线充电系统会进行报警,告诉客户工作条件不符合规定。
步骤S71,接收端中DC/DC模块在检测到当前输入电压大于等于开通电压时进行启动运行;
其中,在本发明的一个实施例中,当其发射端的第一控制模块控制高频逆变模块的当前频率减少至所检测到DC/DC模块的当前输入电压大于等于目标电压的过程中,相应的其接收端中的DC/DC模块监测到其自身的当前输入电压大于等于开通电压时进行开机启动运行;进一步地,其发射端的第一控制模块控制高频逆变模块的当前频率维持其DC/DC模块的当前输入电压大于等于目标电压时,由于目标电压和开通电压之间还存在一定的电压余量,此时使得接收端中的DC/DC模块可稳定的开通工作,而不受与其连接的外接负载发生变化时所带来的干扰。
步骤S81,接收端中DC/DC模块当所检测到所输出的自身输出参数大于输出参数保护阈值时,控制关断输出;
其中,本发明的一个实施例中,该输出参数包括输出电压和/或输出电流,输出参数保护阈值包括过压保护点和/或过流保护点,其此时当DC/DC模块通过AD采样检测到其输出至外接负载的输出电压大于预设的过压保护点时,其控制关断输出;当DC/DC模块通过AD采样检测到其输出至外接负载的输出电流大于预设的过流保护点时,其控制关断输出。其使得可实现对外接负载有效及时的保护,避免由于输出至外接负载的电压/电流过大而对外接负载所造成的损坏。
步骤S91,接收端中DC/DC模块根据所检测到所输出的自身输出参数与预设输出参数相应调节其占空比,以使自身输出参数与预设输出参数相同;
其中,本发明的一个实施例中,上述接收端中DC/DC模块根据所检测到所输出的自身输出参数与预设输出参数相应调节其占空比,以使自身输出参数与预设输出参数相同可通过如下步骤实现:
一、接收端中DC/DC模块检测到所输出的自身输出参数小于预设输出参数时,相应增加其占空比,直至自身输出参数与预设输出参数相同;
二、接收端中DC/DC模块检测到所输出的自身输出参数大于预设输出参数时,相应减小其占空比,直至自身输出参数与预设输出参数相同。
其中,本发明实施例中,DC/DC模块在对第二整流模块所输出的直流电进行调整的过程中,其DC/DC模块通过AD采样实时检测其所输出至外接负载的自身输出参数,也即检测自身的输出电压/电流,并根据其自身输出参数与预设输出参数相应的调节其占空比,以使其自身输出参数与所述预设输出参数相同。其例如当DC/DC模块检测到其自身输出电压/电流大于所预先设定的预设输出电压/电流时,其相应的降低自身占空比,使得其自身输出电压/电流降低;相应的当DC/DC模块检测到其自身输出电压/电流小于预设输出电压/电流时,其相应的升高自身占空比,使得其自身输出电压/电流,最终实现其自身输出电压/电流与预设输出电压/电流相同,从而使得输出至外接负载的充电电压/电流趋于稳定。其中,需要指出的是,其步骤S81和步骤S91之间并无严格的执行先后顺序,其DC/DC模块根据所检测到所输出的自身输出参数相应的确定所具体执行的步骤,在此不对该步骤之间的严格执行顺序进行限定,其根据具体的场景执行所对应的步骤。
本发明实施例提供的无线充电系统开机方法,由于发射端根据系统参数计算得到在当前AC电网电压和线圈距离情况下的DC/DC模块的开通电压,并通过无线方式将该开通电压传输给接收端的DC/DC模块,以作为DC/DC模块的输入欠压恢复点,其中发射端在高频逆变模块的频率降低过程中可相应的提升DC/DC模块的输入电压,当检测到DC/DC模块的输入电压大于等于目标电压时,就维持当前频率不变稳定运行,使得保证DC/DC模块的输入电压大于等于开通电压从而可顺利开通,使得保证在不同的AC电网电压以及线圈距离情况下,当无线充电系统开机结束进入正常工作之后,当与其连接的外接负载发生变化时,即使不需要调节发射端的频率,也能保证DC/DC模块的输入电压在正常工作范围以内,以及保证客户要求的满功率输出。同时由于在接收端中设置的DC/DC模块,使得在不需要发射端调节频率的情况下就能够使充电电压/电流趋于稳定,有效减小了由于通信延时带来的充电电压/电流的纹波,提高充电质量;同时DC/DC模块可以根据AD采样的充电电压/电流大于过压保护点/过流保护点时进行关断输出,使得不需要发射端进行干预,可以实现有效及时地保护。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到,为描述的方便和简洁,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或模块完成,即将存储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。实施方式中的各功能单元、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,并不用于限制本申请的保护范围。
本领域技术人员可以理解,图1中示出的组成结构并不构成对本发明的无线充电系统的具体限定,可以包括比图示更多或更少的部件,或者组合某些部件,或者不同的部件布置,而图2、图3中的无线充电系统开机方法亦采用图1中所示的更多或更少的部件,或者组合某些部件,或者不同的部件布置来实现。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种无线充电系统开机方法,适用于无线充电系统,其特征在于,所述系统包括:
发射端,包括依次连接的第一整流模块、高频逆变模块、第一控制模块和第一无线通信模块,及还与所述高频逆变模块连接的发射线圈;
接收端,包括依次连接的接收线圈、第二整流模块、DC/DC模块、第二控制模块、及第二无线通信模块;
所述第一整流模块输入端与输入电源连接,所述DC/DC模块输出端与外接负载连接,所述第一无线通信模块与所述第二无线通信模块之间进行无线通信,所述发射线圈与所述接收线圈通过磁场耦合;
所述DC/DC模块用于当所检测输出至外接负载的自身输出参数大于输出参数保护阈值时,控制关断输出;以及根据所检测输出至外接负载的自身输出参数与预设输出参数相应调节其占空比,以使其自身输出参数与所述预设输出参数相同;
所述方法包括:
发射端控制高频逆变模块在探测频率下由初始占空比逐步变化至目标占空比,所述探测频率为所述高频逆变模块的当前频率;
发射端根据在所述目标占空比下所获取的所述高频逆变模块的输入电压、接收端中DC/DC模块的输入电压、所述探测频率、以及发射端中发射线圈和接收端中接收线圈的谐振参数,确定出DC/DC模块正常启动所需的开通电压;
发射端将所述开通电压通过无线方式发送至接收端中DC/DC模块,以使所述DC/DC模块在检测到当前输入电压大于等于所述开通电压时进行启动运行;
发射端判断当前所获取的所述DC/DC模块的当前输入电压是否大于等于根据所述开通电压确定的目标电压;
若是,则发射端维持探测频率进行稳定运行;
若否,则发射端将所述高频逆变模块的当前频率由探测频率开始逐渐减少,直至检测到所述DC/DC模块的当前输入电压大于等于所述目标电压,并维持当前频率不变进行稳定运行。
2.如权利要求1所述的无线充电系统开机方法,其特征在于,所述确定出DC/DC模块正常启动所需的开通电压的步骤包括:
发射端在目标占空比下获取所述高频逆变模块的输入电压及所述探测频率;
发射端通过无线方式发送请求信息至接收端,以使接收端根据请求信息获取并返回在目标占空比下的DC/DC模块的输入电压;
发射端根据高频逆变模块的输入电压、DC/DC模块的输入电压、探测频率、发射线圈和接收线圈的谐振参数确定出耦合系数;
发射端根据耦合系数确定出DC/DC模块正常启动所需的开通电压。
3.如权利要求1所述的无线充电系统开机方法,其特征在于,所述将所述高频逆变模块的当前频率由探测频率开始逐渐减少,直至检测到所述DC/DC模块的当前输入电压大于等于所述目标电压的步骤包括:
发射端判断所逐渐减小的当前频率是否大于预设最小频率、以及当前输入电压是否大于等于所述目标电压;
当发射端判断当前频率减小至大于所述预设最小频率且当前输入电压大于等于所述目标电压时,发射端维持当前频率不变进行稳定运行;
当发射端判断当前频率不大于所述预设最小频率且当前输入电压小于所述目标电压时,发射端发出警报。
4.如权利要求1所述的无线充电系统开机方法,其特征在于,所述方法还包括:
接收端中DC/DC模块在检测到当前输入电压大于等于所述开通电压时进行启动运行;
接收端中DC/DC模块当所检测到所输出的自身输出参数大于输出参数保护阈值时,控制关断输出;
接收端中DC/DC模块根据所检测到所输出的自身输出参数与预设输出参数相应调节其占空比,以使自身输出参数与预设输出参数相同。
5.如权利要求4所述的无线充电系统开机方法,其特征在于,所述接收端中DC/DC模块根据所检测到所输出的自身输出参数与预设输出参数相应调节其占空比的步骤包括:
接收端中DC/DC模块检测到所输出的自身输出参数小于预设输出参数时,相应增加其占空比,直至自身输出参数与预设输出参数相同;
接收端中DC/DC模块检测到所输出的自身输出参数大于预设输出参数时,相应减小其占空比,直至自身输出参数与预设输出参数相同。
6.如权利要求1所述的无线充电系统开机方法,其特征在于,所述发射端控制高频逆变模块在探测频率下由初始占空比逐步变化至目标占空比的步骤包括:
所述发射端控制高频逆变模块在探测频率下由初始占空比开始进行启动;
所述发射端控制高频逆变模块每隔预设时间增加预设占空比量,并判断当前占空比是否达到目标占空比;
若是,则维持目标占空比运行;
若否,则继续每隔预设时间增加预设占空比量,直至判断出当前占空比达到目标占空比。
7.如权利要求1所述的无线充电系统开机方法,其特征在于,所述DC/DC模块为buck模块、boost模块、buck-boost模块中的任意一种或多种。
8.如权利要求1所述的无线充电系统开机方法,其特征在于,所述高频逆变模块采用SS拓扑全桥结构或SS拓扑半桥结构。
9.如权利要求1所述的无线充电系统开机方法,其特征在于,所述整流模块为不控整流模块或PFC整流模块。
10.如权利要求1所述的无线充电系统开机方法,其特征在于,所述第一无线通信模块和第二无线通信模块为蓝牙模块、WiFi模块、ZigBee模块、NB-IOT模块、RF射频模块中的任意一种或多种。
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