CN106160260A - 一种采用磁场原理进行对位的无线充电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线供电领域，尤其涉及一种采用磁场原理进行对位的无线充电装置及方法，本发明包括电能发射端、电能接收端，电能发射端包括发射线圈控制器、发射线圈、位置检测装置；电能接收端包括接收线圈、能量调理及转换电路、负载；发射线圈和接收线圈之间通过间隙相对设置实现非接触连接。在发射线圈与接收线圈之间产生高频交变磁场时，根据位置感应线圈的输出电压进行对位精确性的判断，利用位置感应线圈输出电压的大小判断发射线圈与接收线圈之间的距离，利用位置感应线圈输出电压的正负判断接收线圈相对于发射线圈移动的方向。本发明从磁场的角度出发，设计了采用磁场原理进行对位，实现方式简单，成本低廉，稳定可靠，具有很强的实用意义。

Description

一种采用磁场原理进行对位的无线充电装置及方法

技术领域

本发明属于无线供电领域，尤其涉及一种采用磁场原理进行对位的无线充电装置及方法。

背景技术

无线充电技术，源于无线电能传输技术，小功率无线充电常采用电磁感应式，如对手机充电的Qi方式，目前有些电动汽车无线充电方式采用的感应式；大功率无线充电常采用谐振式，目前大部分电动汽车充电采用此方式，通常由供电设备（比如充电器）将能量传送至用电的装置，该装置使用接收到的能量对电池充电或者供其本身运作之用。由于充电器与用电装置之间以磁场传送能量，两者之间不用电线连接，因此充电器及用电的装置都可以做到无导电接点外露。

相比于有线充电，利用无线充电的设备可做到隐形、设备磨损率低、应用范围广、公共充电区域面积相对的减小，而且技术含量高，操作方便。由于无线充电具有非接触、无电线、可移动等优势，这种新兴的技术越来越受欢迎，并开始广泛应用于手机、家用电器、医疗、电动汽车、无人机等领域。

但就目前形势来看，制约无线充电发展的瓶颈之一就是其效率不够高。限制无线充电效率的因素是多方面的，其中的主要因素就是传输的距离以及发射线圈和接收线圈对位的准确性。理论上来讲，传输的距离越远，两线圈（发射线圈和接收线圈）的耦合系数会越来越小，传输的效率也会越来越小。另一方面，若发射线圈和接收线圈两者的对位不准，也会导致其耦合系数减小，造成效率的降低。

为此，要想方法设法在无线充电的时候使发射线圈和接收线圈处在最佳位置。目前，各种应用于各种无线充电对位的装置层出不穷，但大多都是从机械装置上做出改造，结构复杂而且改造起来很困难。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种采用磁场原理进行对位的无线充电方法，解决在位置未对准的情况下无线充电效率低下的问题，并且本发明提出一种采用磁场原理进行对位的无线充电装置，其设计合理、安装工程量小、易于实现、节省成本、智能化程度高、灵敏度高，从而使无线充电装置保持在高效率充电状态。

为了最大限度的提升无线电能传输效率，本发明提供一种采用磁场原理进行对位的无线充电装置，包括电能发射端（1-1）、电能接收端（2-1），其特殊之处在于，

所述电能发射端包括发射线圈控制器（1）、发射线圈（2）、位置检测装置；

所述电能接收端包括接收线圈（7）、能量调理及转换电路（8）、负载（9）；

所述发射线圈控制器（1）的输出端与发射线圈（2）电连接，所述能量调理及转换电路（8）的输入端与接收线圈（7）电连接；所述能量调理及转换电路（8）的输出端与负载（9）相连，所述发射线圈（2）和接收线圈（7）之间通过间隙相对设置实现非接触连接；

所述位置检测装置包括检测电路（3）、位置感应线圈（4）、处理电路（5）、信号输出部分（6），其中位置感应线圈（4）以“8”字形绕制在发射线圈（2）表面，其面积与发射线圈（2）的面积相同；

所述检测电路（3）的输出端与信号输出部分（6）的输入端之间通过处理电路（5）相连，所述检测电路（3）的输入端与位置感应线圈（4）电连接。

进一步地，所述负载（9）为直流负载，能量调理及转换电路（8）包括高频整流及滤波电路，所述高频整流及滤波电路采用控制整流过程的快恢复二极管、用来控制直流电压的DC-DC模块。

进一步地，所述负载（9）为交流负载，能量调理及转换电路（8）包括变频及变压电路，所述变频及变压电路为AC-DC-AC模块。

进一步地，所述位置感应线圈（4）为单匝或者多匝线圈，且位置感应线圈（4）的外形和发射线圈（2）的外形一致。

进一步地，所述检测电路（3）采用电压峰值检测电路和差分放大电路降低外界因素对装置检测稳定性的影响。

进一步地，所述发射线圈控制器（1）与电源相连，包括为发射线圈提供高频交流信号的整流电路和逆变电路。

进一步地，所述处理电路（5）包括ARM单片机、***电路。

进一步地，所述信号输出部分（6）为报警装置或显示器。

本发明提供一种采用磁场原理进行对位的无线充电方法，采用本发明中的无线充电装置，其特殊之处在于，在发射线圈与接收线圈之间产生高频交变磁场时，根据位置感应线圈的输出电压进行对位精确性的判断，利用位置感应线圈输出电压的大小判断发射线圈与接收线圈之间的距离，利用位置感应线圈输出电压的正负判断接收线圈相对于发射线圈移动的方向。

进一步地，根据位置感应线圈的输出电压进行对位精确性的判断，具体采用以下步骤：

步骤1、对位置感应线圈的输出电压进行初始化；

步骤2、读取输出电压进行AD转换后的转换值，并进行数字滤波，得到输出电压的实际输出值；

步骤3、将输出电压的实际输出值与输出电压的基准值比较，得到两者差值；

步骤4、若差值绝对值大于阈值，则判断发射线圈与接收线圈之间未成功对位并进行对位调整，根据差值的大小判断发射线圈与接收线圈之间的距离，根据的正负判断接收线圈相对于发射线圈移动的方向，执行完调整后返回步骤2继续实时检测输出电压；若否则返回步骤2继续实时检测输出电压。

进一步地，在步骤2中位置检测装置对于位置感应线圈的输出电压处理，具体采用如下步骤：

步骤21、检测位置感应线圈的输出电压的初始值；

步骤22、根据发射线圈与接收线圈之间的磁场强度，位置感应线圈感应出的电势差，经过检测电路进行差分放大、整流滤波、峰值检测，以及处理电路的AD转换后，电势差输入至MPU；

步骤23、MPU根据电势差与初始值之间的差值输出接收线圈的偏移方向和偏移距离，并对输出电压进行DA转换，在信号输出部分给出提示信号。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明从电磁场角度出发，分析了无线充电装置发射线圈与接收线圈未对准情况下磁场分布不均的原理，仅仅采用单一的位置感应线圈，并配合相应的信号检测电路，就检测并分辨出了发射线圈和接收线圈二者位置的相对性，与其他位置检测装置相比，本装置具有设计合理、工程量小、易于实现、节省成本、智能化程度高、灵敏度高的优点，并有效地保证充电效率。

2、本发明所公开的采用磁场原理进行对位的无线充电装置，可以应用于无线充电应用的各个场合。例如，在现在正在普及的手机无线充电上加入该装置之后，充电时若对位不准，可直接在手机屏幕上显示提示信息，甚至显示引导路径引导用户该如何将手机和发射线圈对准；在采用无线充电的电动汽车上，采用此装置之后可将偏移信息显示在司机的手机或者汽车屏幕上，引导司机将汽车泊在合适的位置上。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2-1是本发明实施例一的位置感应线圈示意图。

图2-2是本发明实施例二的位置感应线圈示意图。

图2-3是本发明实施例二的部分结构示意图。

图3是本发明位置感应线圈实现无线充电对位的流程图一。

图4是本发明位置感应线圈实现无线充电对位的流程图二。

标记说明：1、发射线圈控制器，1-1、电能发射端，2、发射线圈，2-1、电能接收端，3、检测电路，4、位置感应线圈，5、处理电路，6、信号输出部分，7、接收线圈，8、能量调理及转换电路，9、负载。

具体实施方式

以下参照附图1至附图4，给出本发明的具体实施方式，用来对本发明做进一步说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例中的无线充电装置包括电能发射端1-1和电能接收端2-1。电能发射端1-1包括发射线圈控制器1、发射线圈2、位置检测装置，其中发射线圈控制器1的输入端与220V市电相连，输出端与发射线圈2相连，发射线圈控制器1内部包括整流电路、滤波电路、逆变电路等部分，通过整流、滤波为发射线圈提供高频交流信号。

当要进行无线充电的时候，首先给发射端1-1供电，发射线圈控制器里的整流、滤波部分将220V交流电变成稳定直流，再经过逆变部分将此直流变成频率为kHz或者MHz的高频交流，此交流电通过发射线圈的时候会感生出一个高频交变磁场，此时，完成电场能量转换为磁场能量向外发射的过程。

电能接收端包括接收线圈7、能量调理及转换电路8、负载9。能量调理及转换电路8的输入端与接收线圈7电连接；能量调理及转换电路8的输出端与负载9相连，发射线圈2和接收线圈7之间通过间隙相对设置实现非接触连接。

如若此时接收线圈处在合适的位置和合适的距离，接收线圈会在发射线圈产生的高频磁场中感应出电流，此电流同样是kHz或者MHz的高频交流电，此时要对负载供电，就必须进行相关的能量调理及转换，而能量调理及转换电路负责将接收线圈的输出跟负载匹配。

在本实施例中负载需要的是电压为一定值的直流电，所以负载9为直流负载，能量调理及转换电路8则包括高频整流及滤波电路，此时高频整流电路必须采用快恢复二极管，使整流过程中二极管来得及关断，若还需要控制直流电压，则必须添加DC-DC模块。

电能发射端1-1的位置检测装置包括检测电路3、位置感应线圈4、处理电路5、信号输出部分6。检测电路3的输出端与信号输出部分6的输入端之间通过处理电路5相连，所述检测电路3的输入端与位置感应线圈4电连接。在本实施例中检测电路3采用电压峰值检测电路和差分放大电路有效降低外界因素对装置检测稳定性的影响，提高检测的精度。处理电路5包括ARM单片机、***电路，功能强大，处理速度快；在本实施例中处理电路为MCU。信号输出部分6可以是简单的报警，也可以是输出对位的提示信号，在本实施例中采用的具有报警功能的报警装置。

位置感应线圈4是单匝或者多匝线圈，在本实施例中用单匝线圈进行说明。位置感应线圈4以“8”字形绕制在发射线圈表面，其面积与发射线圈相同。位置检测装置的位置感应线圈4的形状不是确定的，随发射线圈的形状变化而变化；在本实施例中采用如附图2-1中的方形，也可以选用附图2-2中的圆形。方形的位置检测线圈和圆形的位置检测线圈在结构和功能上是一致的。

利用本实施例无线充电装置的进行对位的方法参考附图3-4，具体为：

无线充电时，在发射、接收线圈对准的情况下，发射线圈中通入高频交变电压，会在发射、接收线圈之间产生均匀的高频交变磁场，根据电磁感应原理，该高频磁场会在两个差动连接的接收线圈中感生出两个反相、同频、等幅的电动势，此时这两个电动势能够相互抵消，位置感应线圈的输出几乎为0。

当收发线圈没有对准时，两个差动连接的接收线圈处的磁场强度不同，感应出的电动势的幅值不一样，平衡被打破，产生一个电势差，此时位置感应线圈输出端有一定电压，此电压经过差分放大、整流滤波、峰值检测、AD转换等电路输入MPU，MPU根据设定好的算法对比数据并输出相应的偏移方向和偏移距离。在本实施例中MPU就是微处理器单元，也就是单片机。

具体来讲，首先在MPU中设定一个阈值，此阈值的设置是为了消除干扰，因为由于干扰等原因位置感应线圈即便是在发射线圈和接收线圈对准的情况下输出也不会是绝对的0，设置合适的阈值便可以防止误动作；MPU在合适的时间间隔中实时比较位置感应线圈的输出和阈值的关系，一旦位置感应线圈的输出大于阈值，则发出报警信号提示设备使用者位置未对准，并根据位置感应线圈输出的正负判断接收线圈该移动的方向，根据位置感应线圈输出的大小判断接收线圈该移动的距离大小，在使用者移动接收线圈的过程中MPU实时监测位置感应线圈的输出，直到其输出小于设定的阈值。

跟其他类似的装置相比，本发明从电磁场角度出发，分析了无线充电装置发射线圈与接收线圈未对准情况下磁场分布不均的原理，设计了采用磁场原理进行对位的无线充电装置，该装置具有设计合理、工程量小、实现方式简单、节省成本、智能化程度高、稳定可靠、灵敏度高的优点，并有效地保证充电效率。

实施例2：

在本实施例中采用的无线充电装置及无线充电方法，类似于实施例1，不同的地方是，本实施例中，负载需要的是电压为工频交流电，负载9为交流负载，其中能量调理及转换电路负责将接收线圈的输出跟负载匹配；能量调理及转换电路8则包括变频及变压电路，变频变压模块可以选择AC-DC-AC模块。

在本实施例中位置检测线圈采用如附图2-2中的圆形，发射线圈、接收线圈均采用圆形，在本实施例中位置检测线圈、发射线圈、接收线圈的连接关系如附图2-3所示，圆形的位置检测线圈和方形的位置检测线圈在结构和功能上是一致的。

在本实施例中信号输出部分6通过显示器输出对位的提示信号，将对位过程中位置感应线圈的输出值、接收线圈该移动的方向、接收线圈该移动的距离大小等信息给予提示，方便设备使用者判断定位过程。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种采用磁场原理进行对位的无线充电装置，包括电能发射端（1-1）、电能接收端（2-1），其特征在于：

所述电能发射端包括发射线圈控制器（1）、发射线圈（2）、位置检测装置；

所述电能接收端包括接收线圈（7）、能量调理及转换电路（8）、负载（9）；

所述发射线圈控制器（1）的输出端与发射线圈（2）电连接，所述能量调理及转换电路（8）的输入端与接收线圈（7）电连接；所述能量调理及转换电路（8）的输出端与负载（9）相连，所述发射线圈（2）和接收线圈（7）之间通过间隙相对设置实现非接触连接；

所述位置检测装置包括检测电路（3）、位置感应线圈（4）、处理电路（5）、信号输出部分（6），其中位置感应线圈（4）以“8”字形绕制在发射线圈（2）表面，其面积与发射线圈（2）的面积相同；

所述检测电路（3）的输出端与信号输出部分（6）的输入端之间通过处理电路（5）相连，所述检测电路（3）的输入端与位置感应线圈（4）电连接。

2.如权利要求1所述的一种采用磁场原理进行对位的无线充电装置，其特征在于：所述负载（9）为直流负载，能量调理及转换电路（8）包括高频整流及滤波电路，所述高频整流及滤波电路采用控制整流过程的快恢复二极管、用来控制直流电压的DC-DC模块。

3.如权利要求1所述的一种采用磁场原理进行对位的无线充电装置，其特征在于：所述负载（9）为交流负载，能量调理及转换电路（8）包括变频及变压电路，所述变频及变压电路为AC-DC-AC模块。

4.如权利要求2或3所述的一种采用磁场原理进行对位的无线充电装置，其特征在于：所述位置感应线圈（4）为单匝或者多匝线圈，且位置感应线圈（4）的外形和发射线圈（2）的外形一致。

5.如权利要求4所述的一种采用磁场原理进行对位的无线充电装置，其特征在于：所述发射线圈控制器（1）与电源相连，包括为发射线圈提供高频交流信号的整流电路和逆变电路。

6.如权利要求5所述的一种采用磁场原理进行对位的无线充电装置，其特征在于：所述检测电路（3）采用电压峰值检测电路和差分放大电路降低外界因素对装置检测稳定性的影响；所述处理电路（5）包括ARM单片机、***电路。

7.如权利要求6所述的一种采用磁场原理进行对位的无线充电装置，其特征在于：所述信号输出部分（6）为报警装置或显示器。

8.一种采用磁场原理进行对位的无线充电方法，其特征在于：在发射线圈与接收线圈之间产生高频交变磁场时，根据位置感应线圈的输出电压进行对位精确性的判断，利用位置感应线圈输出电压的大小判断发射线圈与接收线圈之间的距离，利用位置感应线圈输出电压的正负判断接收线圈相对于发射线圈移动的方向。

9.如权利要求8所述的一种采用磁场原理进行对位的无线充电方法，其特征在于：根据位置感应线圈的输出电压进行对位精确性的判断，具体采用以下步骤：

步骤1、对位置感应线圈的输出电压进行初始化；

步骤2、读取输出电压进行AD转换后的转换值，并进行数字滤波，得到输出电压的实际输出值；

步骤3、将输出电压的实际输出值与输出电压的基准值比较，得到两者差值；

步骤4、若差值绝对值大于阈值，则判断发射线圈与接收线圈之间未成功对位并进行对位调整，根据差值的大小判断发射线圈与接收线圈之间的距离，根据的正负判断接收线圈相对于发射线圈移动的方向，执行完调整后返回步骤2继续实时检测输出电压；若否则返回步骤2继续实时检测输出电压。

10.如权利要求9所述的一种采用磁场原理进行对位的无线充电方法，其特征在于：在步骤2中位置检测装置对于位置感应线圈的输出电压处理，具体采用如下步骤：

步骤21、检测位置感应线圈的输出电压的初始值；

步骤22、根据发射线圈与接收线圈之间的磁场强度，位置感应线圈感应出的电势差，经过检测电路进行差分放大、整流滤波、峰值检测，以及处理电路的AD转换后，电势差输入至MPU；

步骤23、MPU根据电势差与初始值之间的差值输出接收线圈的偏移方向和偏移距离，并对输出电压进行DA转换，在信号输出部分给出提示信号。