本發(fā)明屬于無(wú)線充電技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，具體的說(shuō)，涉及一種具有異常狀態(tài)保護(hù)功能的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

無(wú)線電能傳輸是一種通過(guò)空間電磁場(chǎng)耦合來(lái)進(jìn)行電能傳輸?shù)募夹g(shù)，其主要優(yōu)點(diǎn)是(1)使用方便，不需要插拔；(2)安全系數(shù)高，由于發(fā)射端和接收端無(wú)直接電路連接，不會(huì)產(chǎn)生電火花；(3)應(yīng)用領(lǐng)域廣，可以在易燃易爆等惡劣工況下使用；可以在水中進(jìn)行能量傳輸，在海洋裝備等水下應(yīng)用中。

當(dāng)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)處于非正常工作狀態(tài)時(shí)，比如發(fā)射端和接收端發(fā)生位置偏移、器件損傷等情況下，系統(tǒng)效率會(huì)低于正常工作狀態(tài)，這時(shí)就會(huì)造成能量浪費(fèi)而且會(huì)引起系統(tǒng)發(fā)熱從而進(jìn)一步降低器件應(yīng)力與系統(tǒng)性能，情況嚴(yán)重時(shí)則會(huì)破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這直接導(dǎo)致產(chǎn)品存在潛在的故障風(fēng)險(xiǎn)。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，需要有效的解決上述問(wèn)題。

現(xiàn)有無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)通常不具有異常狀態(tài)保護(hù)功能。

公開(kāi)號(hào)為CN104868610A的專(zhuān)利公開(kāi)了一種無(wú)線充電系統(tǒng)及方法，具體公開(kāi)：無(wú)線充電接收模塊包括用于對(duì)整流穩(wěn)壓后電壓進(jìn)行采樣的電壓采樣元件，在動(dòng)態(tài)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，電壓采樣元件的采樣值將反應(yīng)動(dòng)態(tài)負(fù)載的變化，將其傳遞到無(wú)線充電接收端的MCU，以便MCU對(duì)動(dòng)態(tài)負(fù)載的異常做出反應(yīng)，對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制。這種方法僅考慮了無(wú)線充電接收端的異常輸出。

異常狀態(tài)下，無(wú)線充電接收端和無(wú)線電能發(fā)射端均會(huì)對(duì)異常狀態(tài)做出反應(yīng)，研究一種可綜合考慮無(wú)線電能接收端和無(wú)線電能發(fā)射端異常狀態(tài)的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)及方法，可更準(zhǔn)確的對(duì)異常狀態(tài)做出診斷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種可準(zhǔn)確診斷無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)異常狀態(tài)、具有異常狀態(tài)診斷和保護(hù)功能的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：具有異常狀態(tài)保護(hù)功能的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，包括無(wú)線發(fā)射端和無(wú)線接收端，無(wú)線發(fā)射端包括發(fā)射端整流濾波電路、發(fā)射端MCU、發(fā)射端線圈和無(wú)線通信接收模塊，發(fā)射端整流濾波電路的輸出端經(jīng)逆變電路與發(fā)射端線圈相接；無(wú)線接收端包括接收端線圈、接收端整流濾波電路、接收端MCU和無(wú)線通信發(fā)射模塊，接收端線圈的輸出經(jīng)接收端整流濾波電路及穩(wěn)壓電路接負(fù)載；無(wú)線通信發(fā)射模塊獲取接收端MCU的信號(hào)并與無(wú)線通信接收模塊間進(jìn)行信號(hào)傳輸，無(wú)線通信接收模塊將其獲得的信號(hào)值傳遞到發(fā)射端MCU；

發(fā)射端整流濾波電路的輸出端連接用于采集發(fā)射端整流濾波電路輸出電壓的發(fā)射端整流濾波電壓采樣電路，逆變電路的輸出端連接用于采集發(fā)射端線圈輸入電流的發(fā)射端線圈電流采樣電路，發(fā)射端整流濾波電壓的采樣信號(hào)和發(fā)射端線圈輸入電流的采樣信號(hào)均傳遞到發(fā)射端MCU；接收端整流濾波電路的輸出端連接用于采集接收端整流濾波電路輸出電壓接收端整流濾波電壓采樣電路，穩(wěn)壓電路的輸出端連接用于采集負(fù)載輸入電流的負(fù)載輸入電流采樣裝置，收端整流濾波電路輸出電壓的采樣信號(hào)和負(fù)載輸入電流采樣信號(hào)均傳遞到接收端MCU。

優(yōu)選的是：射端整流濾波電壓采樣電路包括串聯(lián)的電阻R3和電阻R4，電阻R3的第一端接發(fā)射端整流濾波電路的輸出端，電阻R4的第二端接地，電阻R3的第二端和電阻R4的第一端互連并接電壓跟隨器U1的同相輸入端，電壓跟隨器U1的輸出端與電阻R4的第二端的之間接電容C1，電壓跟隨器U1的輸出端與發(fā)射端MCU相接，將發(fā)射端整流濾波電壓采樣信號(hào)傳遞到發(fā)射端MCU，電壓跟隨器U1的輸出端還與其反向輸入端相接；

發(fā)射端線圈電流采樣電路包括電阻R5、R6、R7和R8，電阻R5的第一端與逆變電路的輸出端相接，第二端接地，且其并聯(lián)有電容C3；電阻R6的第一端與電阻R5的第一端相連，第二端接兩條支路，一條支路經(jīng)電容C2接地，另一條支路接電壓跟隨器U2的反向輸入端；電阻R7的第一端接地，其第二端接兩條支路，一條支路接電壓跟隨器U2的同相輸入端，另一條支路接電阻R8的第一端；電阻R8的第二段接電壓跟隨器U2的輸出端，且電壓跟隨器U2的輸出端還接至電壓跟隨器U3的同相輸入端，電壓跟隨器U3的輸出端接兩條支路，一條支路與電壓跟隨器U3的反向輸入端相連，另一條支路接至發(fā)射端MCU，將發(fā)射端線圈電流采樣信號(hào)傳遞至發(fā)射端MCU；

接收端整流濾波電壓采樣電路包括串聯(lián)的電阻R1和電阻R2，電阻R1的第一端接穩(wěn)壓電路的輸出端；電阻R2的第二端接地，電阻R1的第二端和電阻R2的第一端互連并接電壓跟隨器U4的同相輸入端，電壓跟隨器U4的輸出端接兩條支路，一條支路與電壓跟隨器U4的反向輸入端相接，另一條支路與接收端MCU相接，將接收端整流濾波電壓采樣信號(hào)傳遞到發(fā)射端MCU。

優(yōu)選的是：負(fù)載輸入電流采樣裝置采用電流采樣芯片，穩(wěn)壓電路的輸出端經(jīng)電流采樣芯片與負(fù)載相連，電流采樣芯片的輸出端與接收端MCU相接，將負(fù)載輸入電流采樣信號(hào)傳遞至接收端MCU。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明提供了一種具有異常狀態(tài)保護(hù)功能的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)。與傳統(tǒng)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)不同的是，該系統(tǒng)配置了發(fā)射端整流濾波電壓采樣電路、發(fā)射端線圈電流采樣電路、接收端整流濾波電壓采樣電路和負(fù)載輸入電流采樣裝置，根據(jù)上述采樣電路或采樣裝置采集的電流值和電壓值，分析無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)是否處于異常狀態(tài)。

附圖說(shuō)明

圖1為無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為發(fā)射端整流濾波電壓采樣電路及發(fā)射端線圈電流采樣電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為接收端整流濾波電路及負(fù)載輸入電流采樣裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)工作流程圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行清楚完整地描述。顯然，具體實(shí)施方式所描述的實(shí)施例僅為本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1所示，與傳統(tǒng)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)相似的是，具有異常狀態(tài)保護(hù)功能的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，包括無(wú)線發(fā)射端和無(wú)線接收端，無(wú)線發(fā)射端包括發(fā)射端整流濾波電路、發(fā)射端MCU、發(fā)射端線圈和無(wú)線通信接收模塊，發(fā)射端整流濾波電路的輸出端經(jīng)逆變電路與發(fā)射端線圈相接；無(wú)線接收端包括接收端線圈、接收端整流濾波電路、接收端MCU和無(wú)線通信發(fā)射模塊，接收端線圈的輸出經(jīng)接收端整流濾波電路及穩(wěn)壓電路接負(fù)載；無(wú)線通信發(fā)射模塊獲取接收端MCU的信號(hào)并與無(wú)線通信接收模塊間進(jìn)行信號(hào)傳輸，無(wú)線通信接收模塊將其獲得的信號(hào)值傳遞到發(fā)射端MCU。發(fā)射端線圈配置有接近式傳感器，接收端線圈配置有可被接近式傳感器感知的感應(yīng)物。接近式傳感器的感知信號(hào)反饋至發(fā)射端MCU。

系統(tǒng)工作時(shí)，從電網(wǎng)取交流電進(jìn)入發(fā)射端整流濾波電路，使工頻交流電變?yōu)橹绷麟?。然后，發(fā)射端MCU控制電路產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使直流電經(jīng)過(guò)逆變電路后變換高頻交流電，用于激勵(lì)發(fā)射端線圈。接收端線圈通過(guò)磁場(chǎng)耦合拾取能量，并經(jīng)過(guò)接收端高頻整流濾波電路，再輸出直流電。該直流電經(jīng)過(guò)DC/DC穩(wěn)壓電路輸出負(fù)載設(shè)備所需要電壓。當(dāng)負(fù)載變化、器件參數(shù)漂移、溫升變化時(shí)都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，在無(wú)線接收端和無(wú)線發(fā)射端增加射頻通信模塊，將無(wú)線接收端的狀態(tài)信息返回給無(wú)線發(fā)射端，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。在這個(gè)過(guò)程中，接收端的MCU會(huì)采樣接收端整流電壓信號(hào)，并經(jīng)過(guò)與之相連無(wú)線通信發(fā)射模塊發(fā)送到發(fā)射端設(shè)備的無(wú)線通信接收模塊。發(fā)射端MCU會(huì)根據(jù)與之相連的無(wú)線通信接收模塊返回的輸出側(cè)整流電壓值，調(diào)節(jié)PWM頻率、占空比或相位來(lái)穩(wěn)定輸出整流電壓。根據(jù)接近式傳感器反饋的信號(hào)來(lái)判別是否接收端線圈進(jìn)入系統(tǒng)工作區(qū)域。

為實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)對(duì)異常狀態(tài)的檢測(cè)，與傳統(tǒng)的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)不同的是，為無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)一步設(shè)計(jì)以下結(jié)構(gòu)。

發(fā)射端整流濾波電路的輸出端連接用于采集發(fā)射端整流濾波電路輸出電壓的發(fā)射端整流濾波電壓采樣電路，逆變電路的輸出端連接用于采集發(fā)射端線圈輸入電流的發(fā)射端線圈電流采樣電路，發(fā)射端整流濾波電壓的采樣信號(hào)和發(fā)射端線圈輸入電流的采樣信號(hào)均傳遞到發(fā)射端MCU；接收端整流濾波電路的輸出端連接用于采集接收端整流濾波電路輸出電壓接收端整流濾波電壓采樣電路，穩(wěn)壓電路的輸出端連接用于采集負(fù)載輸入電流的負(fù)載輸入電流采樣裝置，接收端整流濾波電路輸出電壓的采樣信號(hào)和負(fù)載輸入電流采樣信號(hào)均傳遞到接收端MCU。

進(jìn)一步，如圖2所示，發(fā)射端整流濾波電壓采樣電路包括串聯(lián)的電阻R3和電阻R4，電阻R3的第一端接發(fā)射端整流濾波電路的輸出端，電阻R4的第二端接地，電阻R3的第二端和電阻R4的第一端互連并接電壓跟隨器U1的同相輸入端，電壓跟隨器U1的輸出端與電阻R4的第二端的之間接電容C1，電壓跟隨器U1的輸出端與發(fā)射端MCU相接，將發(fā)射端整流濾波電壓采樣信號(hào)傳遞到發(fā)射端MCU，電壓跟隨器U1的輸出端還與其反向輸入端相接。

發(fā)射端線圈電流采樣電路包括電阻R5、R6、R7和R8，電阻R5的第一端與逆變電路的輸出端相接，第二端接地，且其并聯(lián)有電容C3；電阻R6的第一端與電阻R5的第一端相連，第二端接兩條支路，一條支路經(jīng)電容C2接地，另一條支路接電壓跟隨器U2的反向輸入端；電阻R7的第一端接地，其第二端接兩條支路，一條支路接電壓跟隨器U2的同相輸入端，另一條支路接電阻R8的第一端；電阻R8的第二段接電壓跟隨器U2的輸出端，且電壓跟隨器U2的輸出端還接至電壓跟隨器U3的同相輸入端，電壓跟隨器U3的輸出端接兩條支路，一條支路與電壓跟隨器U3的反向輸入端相連，另一條支路接至發(fā)射端MCU，將發(fā)射端線圈電流采樣信號(hào)傳遞至發(fā)射端MCU。

具體的說(shuō)，發(fā)射端整流濾波電路輸出的電壓信號(hào)通過(guò)電阻R3和電阻R4進(jìn)行分壓，經(jīng)過(guò)電壓跟隨器U1，再經(jīng)過(guò)電容C1拉平電壓信號(hào)后進(jìn)入發(fā)射端MCU。發(fā)射線圈輸入電流信號(hào)通過(guò)精密采樣電阻R5轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)電容C3拉平，然后通過(guò)R6、C2、R8、R7以及U2組成的濾波放大電路除去干擾信號(hào)并合理的放大由電流信號(hào)轉(zhuǎn)化而來(lái)的電壓信號(hào)，在經(jīng)過(guò)U3電壓跟隨器，最后進(jìn)入發(fā)射端MCU。

進(jìn)一步，如圖3所示，接收端整流濾波電壓采樣電路包括串聯(lián)的電阻R1和電阻R2，電阻R1的第一端接穩(wěn)壓電路的輸出端；電阻R2的第二端接地，電阻R1的第二端和電阻R2的第一端互連并接電壓跟隨器U4的同相輸入端，電壓跟隨器U4的輸出端接兩條支路，一條支路與電壓跟隨器U4的反向輸入端相接，另一條支路與接收端MCU相接，將接收端整流濾波電壓采樣信號(hào)傳遞到發(fā)射端MCU。

其中，負(fù)載輸入電流采樣裝置采用電流采樣芯片，穩(wěn)壓電路的輸出端經(jīng)電流采樣芯片與負(fù)載相連，電流采樣芯片的輸出端與接收端MCU相接，將負(fù)載輸入電流采樣信號(hào)傳遞至接收端MCU。例如，可采用霍爾電流采樣芯片。

具體的說(shuō)，電阻R1和電阻R2分壓采取穩(wěn)壓電路輸出的電壓，隨后進(jìn)入電壓跟隨器U4，最后進(jìn)入接收端MCU；電流采樣芯片把輸出電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，進(jìn)入接收端MCU，隨后兩個(gè)信號(hào)經(jīng)無(wú)線通信發(fā)射模塊傳遞到無(wú)線通信接收模塊，并進(jìn)一步傳遞至發(fā)送端MCU。

采用以上無(wú)線電能傳輸進(jìn)行無(wú)線電能傳輸?shù)姆椒?，在正常工況下，同常規(guī)的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，但當(dāng)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)處于異常狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)迅速做出反應(yīng)。

如圖4所示，異常判斷及保護(hù)過(guò)程具體包括以下步驟：

發(fā)射端MCU內(nèi)設(shè)置相對(duì)效率閾值η₁；設(shè)定采樣周期T；

發(fā)射端整流濾波電壓采樣電路采集發(fā)射端整流濾波電路輸出電壓信號(hào)V₁，發(fā)射端線圈電流采樣電路采集發(fā)射端線圈輸入電流信號(hào)I₁；接收端整流濾波電壓采樣電路采集接收端整流濾波電路輸出電壓信號(hào)V₂，負(fù)載輸入電流采樣裝置采集負(fù)載輸入電流信號(hào)I₂；

發(fā)射端MCU獲取發(fā)射端整流濾波電路輸出電壓信號(hào)V₁、發(fā)射端線圈輸入電流信號(hào)I₁；

接收端MCU獲取接收端整流濾波電路輸出電壓信號(hào)V₂、負(fù)載輸入電流信號(hào)I₂，并將兩個(gè)信號(hào)經(jīng)無(wú)線通信發(fā)射模塊傳遞至無(wú)線通信接收模塊；無(wú)線通信接收模塊獲取兩個(gè)信號(hào)后進(jìn)一步將其傳遞至發(fā)射端MCU；

發(fā)射端MCU獲取上述信號(hào)后，進(jìn)行相對(duì)效率計(jì)算：η＝(V₂*I₂)/(V₁*I₁)*100％；

若時(shí)間段T內(nèi)始終滿(mǎn)足：

η≤η₁，停止無(wú)線發(fā)射端和無(wú)線接收端間的能量傳輸，無(wú)線發(fā)射端進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；

相應(yīng)的，若時(shí)間段T內(nèi)，某時(shí)間點(diǎn)：

η＞η₁，根據(jù)接收端整流濾波電路輸出電壓信號(hào)V₂調(diào)整發(fā)射端MCU對(duì)逆變電路的驅(qū)動(dòng)頻率。

也就是說(shuō)，進(jìn)行效率換算，并將結(jié)果與設(shè)定值η₁相對(duì)比，如果在一定時(shí)間段內(nèi)一直低于效率設(shè)定值則立即控制發(fā)射端進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，初始化工作頻率和輸出增益，如果高于設(shè)定效率值，則發(fā)射端MCU根據(jù)與之相連的射頻無(wú)線通信模塊返回的輸出側(cè)整流電壓值，調(diào)節(jié)PWM頻率、占空比或相位來(lái)穩(wěn)定輸出整流電壓。