CN114394004B - 一种电瓶车共享无线充电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电瓶车共享无线充电装置，将无线充电与共享电瓶车的固定桩相结合，装置轻巧简单，将固定桩设计为充电桩，同时在顶部安装多个发射线圈，每个发射端外侧都缠绕有绝缘线圈，发射线圈均匀分布在顶部，搭载人机交互平台；将多个接收线圈安装在车篮的底部，做为无线充电平台的接收端，每个线圈的外侧都缠绕有绝缘线圈；在车篮的顶部安装太阳能板，能将行车过程的太阳能转化为电能，补充电量和应急使用；发射端和接收端内部都由单片机控制，本发明能够实现人机交互界面、实时控制发送功率以及接收功率以及收集充电数据集和发送数据集，巧妙解决电瓶车充电难、电瓶车管理困难以及私拉电线充电等安全隐患问题。

Description

一种电瓶车共享无线充电装置
技术领域
本发明属于无线充电技术领域，更具体地说，涉及一种电瓶车共享无线充电装置。
背景技术
无线充电技术在最近几年越发成熟，基于电磁感应原理的无线充电目前应用最为广泛，其中在数码设备充电等小功率充电方面有蓬勃发展。现在无线充电技术在市场表现出巨大潜力，无线充电的无接线充电方式为设备充电提供了一种更加便利的方式。
市面上主要流行使用WPC联盟的无线充电电源，其原理也是基于电磁感应原理，接收器向发射器反馈信息码，调制方式为模拟及数字相结合的PING方式，输出功率为5W，主要受电端为智能手机。并且，WPC联盟无线充电技术也存在输出功率小、电力传输距离短等不足和限制。针对电瓶车等充电功率要求200W的电动设备，市面上并无相对成熟的产品。
经检索，关于解决上述无线充电技术存在输出功率小、电力传输距离短等不足，目前已有相关专利公开。如，中国专利申请号为：CN201120265544.2，申请日为：2011年7月26日的实用新型专利，公开了一种电动车用无线充电***。该充电***包括与电网连接的供电端，以及安装于电动车上并与电动车的蓄电池连接的受电端，所述供电端包括顺次串联的整流单元、高频逆变单元及发射线圈，其中整流单元的输入端与电网连接；所述受电端包括串联的接收线圈和整流单元，其中整流单元的输出端与电动车的蓄电池连接；发射线圈和接收线圈中均安装有磁芯。该方案采用了固定式充电座，需要在车辆上安装接收线圈升降结构来保证接收功率，成本高，使用繁琐。
又如，中国专利申请号为：CN202110361597.2，申请日为：2021年4月2日的实用新型专利，公开了一种电动自行车无线充电装置。该装置包括电动自行车和对电动自行车进行无线充电的充电桩；电动自行车包括无线充电接收器、控制器、充电电池及动力驱动；充电桩包括无线充电发射器和控制盒；无线充电接收器设置为管状结构，设置于电动自行车的握把，无线充电发射器设置为筒状结构，无线充电发射器与无线充电接收器配合使用；控制盒与无线充电发射器连接，用于对无线充电发射器进行供电和控制；无线充电接收器与充电电池电连接，用于根据无线充电发射器发出的电磁波产生感应电动势对充电电池供电；控制器控制充电电池对动力驱动供电并控制动力驱动工作。该方案采用了特制的接插结构，将无线充电的发射及接收线圈放在其中，通过接插来使得线圈保持在可靠距离内，此种方法与有线充电相比在便捷性上没有很大优势，且降低了效率。
发明内容
针对现有无线充电技术存在充电效率较低、结构较为复杂、便捷性较差以及使用不方便的问题，本发明提供一种电瓶车共享无线充电装置，设有支架式无线充电发射器以及与车筐结合的无线充电装置，不仅解决了输出功率小、电量垂直传输距离短和使用不方便等不足，还提高了无线充电器的适用性。
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种电瓶车共享无线充电装置，包括接收装置、充电变换器与发射装置，所述发射装置固定在用于固定电动车前轮的固定支架的上部，所述接收装置安装在车筐内部；所述发射装置的输入端与外部电源连接，其输出端与所述接收装置的输入端连接，所述接收装置的输出端通过充电变换器连接电动车电瓶。
进一步的技术方案，所述发射装置包括发射装置外壳、发射线圈组和发射端控制电路；所述发射装置外壳安装在固定支架的上部；所述发射线圈组和发射端控制电路安装在发射装置外壳内部；所述发射端控制电路的输入端与外部电源连接，其输出端与发射线圈组的输入端连接，发射线圈组的输出端与接收装置连接。
进一步的技术方案，所述发射装置还包括人机交互屏幕，人机交互屏幕安装在发射装置外壳上方；所述人机交互屏幕与发射端控制电路双向通讯连接，且发射端控制电路与用户手机通过蓝牙通讯连接。
进一步的技术方案，所述接收装置包括无线充电接收线圈组和初级谐振整流电路，无线充电接收线圈组安装在车筐的内部，初级谐振整流电路安装在车筐的底部；无线充电接收线圈组的一端与所述发射线圈组的输出端连接，无线充电接收线圈组的另一端与初级谐振整流电路的输入端连接，初级谐振整流电路的输出端与充电变换器的输入端连接。
进一步的技术方案，所述接收装置还包括导磁板，所述导磁板安装在车筐的内部，且位于无线充电接收线圈组的上方。
进一步的技术方案，所述接收装置还包括太阳能板，所述太阳能板的输出端与电动车电瓶连接。
进一步的技术方案，所述初级谐振整流电路包括电容CC1、电容CC2、电容CC3、电容CC4、电容C1、电容C2、二极管D2和二极管D3；
其中，电容CC1、电容CC2、电容CC3和电容CC4一端均与无线充电接收线圈组的输出端二连接，电容CC1、电容CC2、电容CC3和电容CC4的另一端均与二极管D2的负极以及二极管D3的正极连接，二极管D3的负极与电容C1和电容C2的一端连接，二极管D2的正极、电容C1和电容C2的另一端以及无线充电接收线圈组的输出端一接地；电容C2两端形成初级谐振整流电路的输出端。
进一步的技术方案，在车筐的底部活动安装有底面保护盖。
进一步的技术方案，在人机交互屏幕的外周设有保护挡板。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的一种电瓶车共享无线充电装置，使用多线圈发射接收的方式，并增加导磁片增加磁通，提高了无线充电接收距离与充电效率。
(2)本发明的一种电瓶车共享无线充电装置，拥有人机交互界面，可对***进行控制，并可从交互界面获取装置运行情况。
(3)本发明的一种电瓶车共享无线充电装置，无需额外的机械部件，成本低，易于使用，现有产品只需要少量改动即可实现无线充电。
(4)本发明的一种电瓶车共享无线充电装置，采用全固定结构，没用活动部件，因此耐久性好，密封性好，不易损坏。
附图说明
图1为本发明的无线充电车篮结构示意图；
图2为本发明的无线充电车篮底部的示意图；
图3为本发明的无线充电车篮内部结构图；
图4为本发明的发射装置的结构示意图；
图5为本发明的发射装置的内部结构图；
图6为本发明的充电桩的结构示意图；
图7为本发明的接收端电力图；
图8为本发明的初级谐振整流电路原理示意图；
图9为本发明的充电变换器电路连接示意图；
图10为本发明充电变换器闭环算法示意图。
图中标号表示为：1、车筐；2、导磁板；3、无线充电接收线圈组；4、初级谐振整流电路；5、太阳能板；6、底面保护盖；7、发射装置外壳；8、人机交互屏幕；9、固定支架；10、发射线圈组；11、发射端控制电路。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。
实施例
本实施例提供了一种电瓶车共享无线充电装置，如图1至图6所示，包括接收装置、充电变换器与发射装置，发射装置固定在用于固定电动车前轮的固定支架9的上部，固定支架9用于固定电动自行车的前轮，使得充电时电瓶车更加稳固。接收装置安装在车筐1内部。在车筐1的底部活动安装有底面保护盖6，用于保护其内部的接收装置。
其中，发射装置包括发射装置外壳7、人机交互屏幕8、发射线圈组10和发射端控制电路11。发射装置外壳7安装在固定支架9的上部，发射线圈组10和发射端控制电路11安装在发射装置外壳7内部。人机交互屏幕8安装在发射装置外壳7上方。在人机交互屏幕8的外周设有保护挡板，用于保护人机交互屏幕8。
接收装置包括导磁板2、无线充电接收线圈组3、初级谐振整流电路4和太阳能板5。无线充电接收线圈组3安装在车筐1的内部，初级谐振整流电路4安装在车筐1的底部。导磁板2安装在车筐1的内部，且位于无线充电接收线圈组3的上方，用于增强无线充电接收线圈组3与发射线圈组10之间的无线通信。太阳能板5的输出端与电动车电瓶连接，利用太阳能板5将行驶过程或停放的太阳能转化为电能，传输至电瓶车蓄电池，来辅助充电。
发射端控制电路11的输入端与外部电源连接，发射端控制电路11的输出端与发射线圈组10的输入端连接，发射线圈组10的输出端与无线充电接收线圈组3的一端连接，无线充电接收线圈组3的另一端与初级谐振整流电路4的输入端连接，初级谐振整流电路4的输出端与充电变换器的输入端连接，充电变换器的输出端连接电动车电瓶。人机交互屏幕8与发射端控制电路11双向通讯连接，且发射端控制电路11与用户手机通过蓝牙通讯连接。
电瓶车共享无线充电装置的工作原理为：
在发射装置中，电力线由电网接入，从固定支架9中穿过接入发射端控制电路11的输入端，在发射端控制电路11上，首先经过电力变换电路转换为48V、12V电压，其中48V作为发射线圈组10的电源电压输入，一部分降压得到的12V作为驱动电路的电源电压输入，再将另一部分12V由LDO将12V转换为3.3V电压作为发射端控制电路11的电源。
发射端控制电路11所使用的微控制器为STM32G431CBT6，将人机交互屏幕8、ESP8266、4G模块、以及发射线圈组10的驱动电路连接在发射端控制电路11上。在空闲状态时，发射端控制电路11上的MCU通过4G模块联网更新，并控制人机交互屏幕8显示充电验证二维码，并控制发射线圈组10的驱动电路处于停止状态以节省电能。用户扫描二维码后，进入充电验证平台，同时在手机程序的引导下蓝牙连接发射端控制电路11上的ESP8266，当用户通过验证并点击开始充电后，发射端控制电路11控制人机交互屏幕8显示充电界面，并实时显示充电功率及充满情况，同时，发射端控制电路11控制发射线圈组10的驱动电路工作，并实时读取从功率电路采集得到的电压电流以供人机交互屏幕8实时显示并通过发射端控制电路11上搭载的4G模块实时上传。在充电时，用户可通过手机程序实时监测电动自行车充电状态。
接收装置整体与车筐1结合，无线充电接收线圈组3接收到发射线圈组10传输过来的无线电能后，将得到的电能传输至初级谐振整流电路4，无线充电接收线圈组3接收到的无线电能经过LC谐振之后，再通过倍压整流将无线充电接收线圈组3接收到的无线电能转换为直流电输出，直流电传输至充电变换器，进行恒流、恒压降压及功率匹配，从而能对蓄电池进行充电。
其中，如图5所示，初级谐振整流电路分为两个部分，①表示LC谐振电路，②表示倍压整流电路。初级谐振整流电路4包括电容CC1、电容CC2、电容CC3、电容CC4、电容C1、电容C2、二极管D2和二极管D3；其中，电容CC1、电容CC2、电容CC3和电容CC4一端均与无线充电接收线圈组3的输出端二连接，电容CC1、电容CC2、电容CC3和电容CC4的另一端均与二极管D2的负极以及二极管D3的正极连接，二极管D3的负极与电容C1和电容C2的一端连接，二极管D2的正极、电容C1和电容C2的另一端以及无线充电接收线圈组3的输出端一接地；电容C2两端形成初级谐振整流电路4的输出端。
充电变换器电路是由STM32G431CBT6控制而设计的同步整流降压电路，如附图6所示，初级谐振整流电路4传出的直流电作为充电变换器电路的输入，所得到的直流电源经过降压电路得到3.3V传输给MCU供电，同时直流电源也作为同步整流降压电路的输入，MCU实时接收同步整流降压电路传回的电流以及电压数据，实时分析整个接收***的工作功率及工作状态，进行如附图7所示的电流、电压的P-I控制，MCU将采集得到输出蓄电池端的目标电压与输入端能恒定提供的最大电压进行比较取最小值，作为连接蓄电池端的输出电压，并利用采集得到的电流与目标充电电流做差，作为P-I控制器的输入，P-I控制器的输出作为PWM调制的依据，因此输出的PWM进行电压、电流相结合的P-I控制，从而实现恒流、恒压控制以及输入功率与目标功率相匹配，以此提高整体充电效率。
整个控制***采用MCU进行控制，发射装置采用STM32G431CBT6、4G模块和ESP8266模块实现控制与通信。充电控制器采用STM32G431CBT6作为控制器，控制半桥同步整流电路进行降压恒流控制。
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电瓶车共享无线充电装置，其特征在于：包括接收装置、充电变换器与发射装置，所述发射装置固定在用于固定电动车前轮的固定支架(9)的上部，所述接收装置安装在车筐(1)内部；所述发射装置的输入端与外部电源连接，其输出端与所述接收装置的输入端连接，所述接收装置的输出端通过充电变换器连接电动车电瓶；
发射装置包括发射装置外壳(7)、发射线圈组(10)和发射端控制电路(11)；所述发射装置外壳(7)安装在固定支架(9)的上部；所述发射线圈组(10)和发射端控制电路(11)安装在发射装置外壳(7)内部；所述发射端控制电路(11)的输入端与外部电源连接，其输出端与发射线圈组(10)的输入端连接，发射线圈组(10)的输出端与接收装置连接；
接收装置包括无线充电接收线圈组(3)和初级谐振整流电路(4)，无线充电接收线圈组(3)安装在车筐(1)的内部，初级谐振整流电路(4)安装在车筐(1)的底部；无线充电接收线圈组(3)的一端与所述发射线圈组(10)的输出端连接，无线充电接收线圈组(3)的另一端与初级谐振整流电路(4)的输入端连接，初级谐振整流电路(4)的输出端与充电变换器的输入端连接；
充电变换器电路是由STM32G431CBT6控制而设计的同步整流降压电路，初级谐振整流电路(4)传出的直流电作为充电变换器电路的输入，所得到的直流电源经过降压电路得到3.3V传输给MCU供电，同时直流电源也作为同步整流降压电路的输入，MCU实时接收同步整流降压电路传回的电流以及电压数据，实时分析整个接收***的工作功率及工作状态，进行电流、电压的P-I控制，MCU将采集得到输出蓄电池端的目标电压与输入端能恒定提供的最大电压进行比较取最小值，作为连接蓄电池端的输出电压，并利用采集得到的电流与目标充电电流做差，作为P-I控制器的输入，P-I控制器的输出作为PWM调制的依据，因此输出的PWM进行电压、电流相结合的P-I控制，实现恒流、恒压控制以及输入功率与目标功率相匹配；
所述初级谐振整流电路(4)包括电容CC1、电容CC2、电容CC3、电容CC4、电容C1、电容C2、二极管D2和二极管D3；其中，电容CC1、电容CC2、电容CC3和电容CC4一端均与无线充电接收线圈组(3)的输出端二连接，电容CC1、电容CC2、电容CC3和电容CC4的另一端均与二极管D2的负极以及二极管D3的正极连接，二极管D3的负极与电容C1和电容C2的一端连接，二极管D2的正极、电容C1和电容C2的另一端以及无线充电接收线圈组(3)的输出端一接地；电容C2两端形成初级谐振整流电路(4)的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种电瓶车共享无线充电装置，其特征在于：所述发射装置还包括人机交互屏幕(8)，人机交互屏幕(8)安装在发射装置外壳(7)上方；所述人机交互屏幕(8)与发射端控制电路(11)双向通讯连接，且发射端控制电路(11)与用户手机通过蓝牙通讯连接。
3.根据权利要求1所述的一种电瓶车共享无线充电装置，其特征在于：所述接收装置还包括导磁板(2)，所述导磁板(2)安装在车筐(1)的内部，且位于无线充电接收线圈组(3)的上方。
4.根据权利要求3所述的一种电瓶车共享无线充电装置，其特征在于：所述接收装置还包括太阳能板(5)，所述太阳能板(5)的输出端与电动车电瓶连接。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种电瓶车共享无线充电装置，其特征在于：在车筐(1)的底部活动安装有底面保护盖(6)。
6.根据权利要求5所述的一种电瓶车共享无线充电装置，其特征在于：在人机交互屏幕(8)的外周设有保护挡板。
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