CN113147435A - 一种无线充电***及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线充电***及控制方法，包括发射装置和接收装置；发射装置包括发射电源模块、发射逆变器、恒流发射模块和恒压发射模块；发射逆变器的输入端与发射电源连接，恒流发射模块的输入端基于第一开关接入至发射逆变器的输出端，恒压发射模块的输入端基于第二开关接入至发射逆变器的输出端；第一开关和第二开关不同时为通路状态；接收装置包括恒流接收模块、恒压接收模块、整流滤波器和接收电源模块，接收电源模块与整流滤波器的输出端连接，恒流接收模块的输出端和恒压接收模块的输出端分别与整流滤波器的输入端连接；通过将涉及充电切换的结构转移至发射装置一侧，减少接收装置一侧的零部件数量与重量，以满足接收装置的轻量化需求。

Description

一种无线充电***及控制方法
技术领域
本发明属于无人机无线充电技术领域，具体涉及一种无线充电***及控制方法。
背景技术
无人机无线充电涉及到充电侧设备和接收侧设备，一般的，充电侧设备是脱离无人机存在的外置设备，接收侧设备则是设置在无人机上的设备。为了兼顾无人机电池的充电速度和使用寿命，在对电池进行充电时，最好的充电方式为先进行恒流充电再进行恒压充电。
现有技术下，基于副边DC/DC电路的控制方法，虽然能够实现所需充电方式，但增加了接收侧设备的体积与重量，不利于无人机的轻量化；而基于原边移相控制的方式同样可以实现充电模式的切换，但是对通信要求极高且容易使得原边电流畸变从而降低了电池充电效率。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种无线充电***及控制方法，将涉及恒流充电和恒压充电的相关结构转移至发射装置一侧，接收装置一侧仅保留必要的充电结构，在满足恒流充电和恒压充电切换的前提条件下，减少接收装置一侧的零部件数量与重量，以满足接收装置的轻量化需求。
相应的，本发明提供了一种无线充电***，包括发射装置和接收装置；
所述发射装置包括发射电源模块、发射逆变器、恒流发射模块和恒压发射模块；所述发射逆变器的输入端与所述发射电源连接，所述恒流发射模块的输入端基于第一开关接入至所述发射逆变器的输出端，所述恒压发射模块的输入端基于第二开关接入至发射逆变器的输出端；所述第一开关和所述第二开关不同时为通路状态；
所述接收装置包括恒流接收模块、恒压接收模块、整流滤波器和接收电源模块，所述接收电源模块与所述整流滤波器的输出端连接，所述恒流接收模块的输出端和所述恒压接收模块的输出端分别与所述整流滤波器的输入端连接。
可选的实施方式，所述发射逆变器包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4；
所述发射电源模块的正极、所述开关管Q1、开关管Q3、所述发射电源模块的负极依次连接形成回路，所述开关管Q1和开关管Q3之间引出第一发射端；
所述发射电源模块的正极、所述开关管Q2、开关管Q4、所述发射电源模块的负极依次连接形成回路，所述开关管Q2和开关管Q4之间引出第二发射端。
可选的实施方式，所述恒流发射模块包括电容Cp1和发射线圈Lp1；
所述第一发射端、第一开关、电容Cp1、发射线圈Lp1和第二发射端依次连接。
可选的实施方式，所述恒压发射模块为LCC-S型恒压发射模块。
可选的实施方式，所述LCC-S型恒压发射模块包括电感Lt2、电容Ct2、电容Cp2和发射线圈Lp2；
所述第一发射端、第二开关、电感Lt2、电容Cp2、发射线圈Lp2和第二发射端依次连接；
所述电容Ct2的一端接入至所述电感Lt2和电容Cp2之间，所述电容Ct2的另一端接入和第二发射端连接。
可选的实施方式，所述整流滤波器包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4和电容CL；
所述接收电源模块的负极、二极管D3、二极管D1和接收电源模块的正极依次连接形成回路；
所述接收电源模块的负极、二极管D4、二极管D2和接收电源模块的正极依次连接形成回路；
所述电容CL两端分别与所述接收电源模块的正极和负极连接；
所述二极管D3和二极管D1之间引出第一输入端，所述二极管D4和二极管D2之间引出第二输入端。
可选的实施方式，所述恒流接收模块包括接收线圈Ls1和电容Cs1；
所述第一输入端、接收线圈Ls1、电容Cs1和第二输入端依次连接。
可选的实施方式，所述恒压接收模块包括接收线圈Ls2和电容Cs2；
所述第一输入端、接收线圈Ls2、电容Cs2和第二输入端依次连接。
相应的，本发明提供了一种无线充电控制方法，基于以上任一项所述的无线充电***实现，包括以下步骤：
待机状态下第一开关和第二开关保持断路状态；
根据充电请求闭合第一开关S1；
以所述接收电源模块两端电压作为充电电压；
检测所述充电电压，判断所述充电电压U0是否小于电压阈值U1；
在所述充电电压U0不小于所述电压阈值U1时，断开第一开关并闭合第二开关。
可选的实施方式，还包括以下步骤：
检测所述充电电压，判断所述充电电压U0是否小于电压阈值U2，所述电压阈值U2大于所述电压阈值U1；
在所述充电电压U0不小于所述电压阈值U2时，断开第二开关。
综上所述，本发明提供了一种无线充电***及控制方法，在同一无线充电***中设置两套耦合机构，一套耦合机构实现恒流充电，另一套耦合机构实现恒压充电，通过充电电压的大小，对两套耦合机构的工作状态进行切换，满足接收电源模块恒流恒压的充电需求，无需传统的恒流恒压控制算法，减小了控制复杂度；本实施例采用双线圈构成LCC-S拓扑结构，实现恒压输出效果，LCC-S拓扑结构性能稳定，结构简单，成本低；将涉及到恒压充电和恒流充电转换的结构转移至充电设备一侧，减小了副边体积与质量，使得无人机副边实现轻量化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本实施例中无线充电***的结构示意图；
图2为本实施例中无线充电控制方法的流程图。
图3为本实施例中无线充电***的仿真模型图；
图4为本实施例中仿真模型进行模拟的仿真结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
本发明提供了一种无线充电***，包括发射装置和接收装置；具体的，发射装置具体是指外置于无人机的接收装置，接收装置设置在无人上。
所述发射装置包括发射电源模块、发射逆变器、恒流发射模块和恒压发射模块；所述发射逆变器的输入端与所述发射电源连接，所述恒流发射模块的输入端基于第一开关接入至所述发射逆变器的输出端，所述恒压发射模块的输入端基于第二开关接入至发射逆变器的输出端；发射逆变器的作用是生成满足电压需求的高频电，以供恒流发射模块和恒压发射模块的发射线圈进行发射。
所述第一开关和所述第二开关不同时为通路状态，具体的，所述第一开关和所述第二开关分别控制恒流发射模块、恒压发射模块与发射逆变器之间的通断状态，为了保证接收装置的安全，同一时间内在恒流发射模块、恒压发射模块应只有一个发射模块工作。
具体的，所述接收装置包括恒流接收模块、恒压接收模块、整流滤波器和接收电源模块，所述接收电源模块与所述整流滤波器的输出端连接，所述恒流接收模块的输出端和所述恒压接收模块的输出端分别与所述整流滤波器的输入端连接。接收装置为安装于无人机上的结构，当无人机需要充电时，恒流接收模块和恒流发射模块的位置相对，恒压接收模块和恒压发射模块的位置相对，以满足无线充电的客观位置要求；由于恒流发射模块和恒压发射模块的单一运行性，相应的，在接收装置一侧的恒流接收模块和恒流发射模块不需额外设置控制元件以避免恒流接收模块和恒流发射模块同时工作，在恒流接收模块和恒流发射模块的分别作用下，接收电源模块能够实现充电动作。
具体的，通过上述的无线充电***，恒流充电和恒压充电的控制结构设置在发射装置一侧，接收装置设置有两个相应的接收模块即可满足可变充电需求，可降低接收装置一侧的电路复杂程度、设备数量以及重量，满足接收装置的轻量化要求。
具体的，所述发射逆变器包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4；所述发射电源模块的正极、所述开关管Q1、开关管Q3、所述发射电源模块的负极依次连接形成回路，所述开关管Q1和开关管Q3之间引出第一发射端；所述发射电源模块的正极、所述开关管Q2、开关管Q4、所述发射电源模块的负极依次连接形成回路，所述开关管Q2和开关管Q4之间引出第二发射端。具体的，发射电源模块V1通过发射逆变器形成高频交流电，为发射线圈供电，通过磁场耦合形式原边将能量传输给副边，再经过整流滤波器为无人机的接收电源模块供电。
可选的实施方式，所述恒流发射模块包括电容Cp1和发射线圈Lp1；
所述第一发射端、第一开关、电容Cp1、发射线圈Lp1和第二发射端依次连接。
可选的实施方式，所述恒压发射模块为LCC-S型恒压发射模块。
可选的实施方式，所述LCC-S型恒压发射模块包括电感Lt2、电容Ct2、电容Cp2和发射线圈Lp2；
所述第一发射端、第二开关、电感Lt2、电容Cp2、发射线圈Lp2和第二发射端依次连接；
所述电容Ct2的一端接入至所述电感Lt2和电容Cp2之间，所述电容Ct2的另一端接入和第二发射端连接。
可选的实施方式，所述整流滤波器包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4和电容CL；
所述接收电源模块的负极、二极管D3、二极管D1和接收电源模块的正极依次连接形成回路；
所述接收电源模块的负极、二极管D4、二极管D2和接收电源模块的正极依次连接形成回路；
所述电容CL两端分别与所述接收电源模块的正极和负极连接；
所述二极管D3和二极管D1之间引出第一输入端，所述二极管D4和二极管D2之间引出第二输入端。
可选的实施方式，所述恒流接收模块包括接收线圈Ls1和电容Cs1；
所述第一输入端、接收线圈Ls1、电容Cs1和第二输入端依次连接。
可选的实施方式，所述恒压接收模块包括接收线圈Ls2和电容Cs2；
所述第一输入端、接收线圈Ls2、电容Cs2和第二输入端依次连接。
综合上述描述，当需要恒流充电时，导通第一开关S1，此时***耦合机构拓扑为SS型，发射线圈Lp1将能量无线传输给接收线圈Ls1，根据理论分析，该拓扑输出电流公式为：
Figure BDA0002962096570000081
由于线圈内阻Rp1、Rs1较小，因此可以忽略Rp1(Rs1+RL),认为该拓扑具有恒流输出能力。
当充电电压达到设定的电压阈值，需要恒压充电时，导通第二开关S2关闭第一开关S1，此时***耦合机构拓扑为LCC-S型，发射线圈Lp2将能量无线传输给接收线圈Ls2，根据理论分析，该拓扑输出电压公式如下所示
Figure BDA0002962096570000082
由于线圈内阻Rs2较小，因此可以忽略Rs2*Lt，可以认为该拓扑具有恒压输出能力。
综上所述，本实施例的技术方案，在同一无线充电***中设置两套耦合机构，一套耦合机构实现恒流充电，另一套耦合机构实现恒压充电，通过充电电压的大小，对两套耦合机构的工作状态进行切换，满足接收电源模块恒流恒压的充电需求。本实施例采用双线圈构成LCC-S拓扑结构，实现恒压输出效果，LCC-S拓扑结构性能稳定，结构简单，成本低。本实施例通过在原边设置切换开关减小了副边体积与质量，使得无人机副边实现轻量化。
相应的，本发明提供了一种无线充电控制方法，基于以上任一项所述的无线充电***实现，包括以下步骤：
S101:待机状态下第一开关和第二开关保持断路状态；
S102:根据充电请求闭合第一开关S1；
S103:以所述接收电源模块两端电压作为充电电压，检测所述充电电压，判断所述充电电压U0是否小于电压阈值U1；
S104:在所述充电电压U0不小于所述电压阈值U1时，断开第一开关并闭合第二开关。
可选的实施方式，还包括以下步骤：
S105:检测所述充电电压，判断所述充电电压U0是否小于电压阈值U2，所述电压阈值U2大于所述电压阈值U1；
S106：在所述充电电压U0不小于所述电压阈值U2时，断开第二开关。
如图3所示，为了验证本发明实施例的无线充电***是否能够满足充电需求，通过在MATLAB软件中搭建仿真模型，在前0.02s使用恒流充电，在后0.02s进行恒压充电，通过仿真结果进行验证。
根据上述仿真模型，模拟负载突变的仿真结果如图4所示。在0.01s负载突变时由于***处于恒流充电模式，因此负载电流没有改变，保持7A进行恒流充电。当0.03s负载突变时由于切换到恒压充电模式，负载电压保持在22V。由此可见，本发明实施例的无线充电年***所采用的双耦合机构切换方法可以实现负载充电的恒流恒压切换，控制简单方便。
综上所述，本发明实施例提供了一种无线充电***及控制方法，在同一无线充电***中设置两套耦合机构，一套耦合机构实现恒流充电，另一套耦合机构实现恒压充电，通过充电电压的大小，对两套耦合机构的工作状态进行切换，满足接收电源模块恒流恒压的充电需求，无需传统的恒流恒压控制算法，减小了控制复杂度；本实施例采用双线圈构成LCC-S拓扑结构，实现恒压输出效果，LCC-S拓扑结构性能稳定，结构简单，成本低；将涉及到恒压充电和恒流充电转换的结构转移至充电设备一侧，减小了副边体积与质量，使得无人机副边实现轻量化。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种无线充电***，其特征在于，包括发射装置和接收装置；
所述发射装置包括发射电源模块、发射逆变器、恒流发射模块和恒压发射模块；所述发射逆变器的输入端与所述发射电源连接，所述恒流发射模块的输入端基于第一开关接入至所述发射逆变器的输出端，所述恒压发射模块的输入端基于第二开关接入至发射逆变器的输出端；所述第一开关和所述第二开关不同时为通路状态；
所述接收装置包括恒流接收模块、恒压接收模块、整流滤波器和接收电源模块，所述接收电源模块与所述整流滤波器的输出端连接，所述恒流接收模块的输出端和所述恒压接收模块的输出端分别与所述整流滤波器的输入端连接。
2.如权利要求1所述的无线充电***，其特征在于，所述发射逆变器包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4；
所述发射电源模块的正极、所述开关管Q1、开关管Q3、所述发射电源模块的负极依次连接形成回路，所述开关管Q1和开关管Q3之间引出第一发射端；
所述发射电源模块的正极、所述开关管Q2、开关管Q4、所述发射电源模块的负极依次连接形成回路，所述开关管Q2和开关管Q4之间引出第二发射端。
3.如权利要求2所述的无线充电***，其特征在于，所述恒流发射模块包括电容Cp1和发射线圈Lp1；
所述第一发射端、第一开关、电容Cp1、发射线圈Lp1和第二发射端依次连接。
4.如权利要求2所述的无线充电***，其特征在于，所述恒压发射模块为LCC-S型恒压发射模块。
5.如权利要求4所述的无线充电***，其特征在于，所述LCC-S型恒压发射模块包括电感Lt2、电容Ct2、电容Cp2和发射线圈Lp2；
所述第一发射端、第二开关、电感Lt2、电容Cp2、发射线圈Lp2和第二发射端依次连接；
所述电容Ct2的一端接入至所述电感Lt2和电容Cp2之间，所述电容Ct2的另一端接入和第二发射端连接。
6.如权利要求1所述的无线充电***，其特征在于，所述整流滤波器包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4和电容CL；
所述接收电源模块的负极、二极管D3、二极管D1和接收电源模块的正极依次连接形成回路；
所述接收电源模块的负极、二极管D4、二极管D2和接收电源模块的正极依次连接形成回路；
所述电容CL两端分别与所述接收电源模块的正极和负极连接；
所述二极管D3和二极管D1之间引出第一输入端，所述二极管D4和二极管D2之间引出第二输入端。
7.根据权利要求6所述的一种无线充电***，其特征在于，所述恒流接收模块包括接收线圈Ls1和电容Cs1；
所述第一输入端、接收线圈Ls1、电容Cs1和第二输入端依次连接。
8.根据权利要求6所述的一种无线充电***，其特征在于，所述恒压接收模块包括接收线圈Ls2和电容Cs2；
所述第一输入端、接收线圈Ls2、电容Cs2和第二输入端依次连接。
9.一种无线充电控制方法，其特征在于，基于权利要求1至8任一项所述的无线充电***实现，包括以下步骤：
待机状态下第一开关和第二开关保持断路状态；
根据充电请求闭合第一开关S1；
以所述接收电源模块两端电压作为充电电压；
检测所述充电电压，判断所述充电电压U0是否小于电压阈值U1；
在所述充电电压U0不小于所述电压阈值U1时，断开第一开关并闭合第二开关。
10.根据权利要求9所述的无线充电控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
检测所述充电电压，判断所述充电电压U0是否小于电压阈值U2，所述电压阈值U2大于所述电压阈值U1；
在所述充电电压U0不小于所述电压阈值U2时，断开第二开关。
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