應用於移動終端的無線充電系統及無線充電方法與流程
2023-09-16 18:26:25
本發明屬於無線充電控制技術領域，涉及一種無線充電系統及無線充電方法。
背景技術：
申請人在先申請，公開號為CN106100149A，專利名稱為「無線充電系統和無線充電方法」的專利公開了一種應用於無線充電系統的無線充電方法。具體公開了一種通過控制無線充電接收端運動，以實現發射線圈和接收線圈對準，從而使無線電能發射端和無線電能接收端間電能傳輸效率達到最大的方法。但以上方法適用於無線電能接收端配置於不易移動物體上的無線充電，例如，電動汽車，一但電動汽車停泊好，受空間限制，很難再調整電動汽車的位置，因此，僅可以通過控制無線電能發射端的移動來調整發射線圈和接收線圈間的對準。由於無線電能發射端需要增加移動裝置，增加了其成本。
現有技術中，無線電能接收端也可配置於具有移動裝置的接收端上，其本身就具有移動的裝置。以移動機器人的充電為例。目前機器人的充電採取的是有線充電，一種是人為來充，但這種方式背離機器人設計的初衷，智能化、自動化。另一種方式是不需要人為幹預，由機器人自身通過對準，實現機器人自身電池的電極與充電電極的接觸實現充電，這種方式的弊端是因為使用插頭接觸，當充電次數多了後，接頭會發生氧化，增大接觸內阻，從而使得充電速度越來越慢。而使用無線充電方式，既可以不需要人為的參與，又因為是通過磁場耦合傳遞能量，所以不需要電氣連接，不會發生因為插頭氧化，而造成充電效率變慢，和拉弧打火的問題。此外採取無線充電還可以實現24小時不間斷工作。機器人採用有線充電方式，需要花費大量的時間，專門進行充電。而採用無線充電，可以在機器人經過的路線預先埋設充電裝置，這樣使得機器人在工作的過程中，就可以充電，實現24小時不間斷工作，大大提高了工作效率。同時可以節省成本。通常機器人採用有線充電方式時，為了提高工作效率，會準備備用機，當一臺機器人充電時，另一臺接替工作，而採用無線充電方式則可以省去備用機，這樣節約了成本。採取無線充電方式，有一個劣勢，當發送端和接受端對不準的時候，充電效率會比較低，從節能的角度考慮，本專利提出一種新型的無線充電對準策略。
目前機器人無線充電技術主要採用電磁感應式和磁場共振式。通常充電系統一般具有一個電能發射線圈和一個電能接收線圈。在能量傳輸過程中，發射線圈和接收線圈的相對距離和偏移都會對系統的傳輸效率產生一定的影響。當發射線圈和接收線圈中心位置相對對準時，整個無線電能傳輸系統可以獲得最大效率，這一點對於大功率無線電能傳輸系統的能效要求非常重要。
此外，考慮到發射線圈和接收線圈需要多維度精確對準才可使無線電能接收端和無線電能發射端之間實現最佳的傳輸效率。公開號為CN106100149A的在先專利申請僅公開了發射線圈和接收線圈在X向和Y向的對準方法，若兩端線圈之間存在對準角度偏差，仍不能實現最佳的電能傳輸效率。
技術實現要素：
本發明的目的在於根據現有技術的不足，提供一種針對無線充電接收端配置於移動終端上的無線充電控制系統，並提供一種通過控制無線電能接收端與無線電能發射端對準的方式，獲得最大充電效率的無線充電方法。
為實現以上目的，本發明提供以下技術方案：一種應用於移動終端的無線充電系統，包括無線電能發射端和無線電能接收端，無線電能發射端包括發射線圈、發射端微控制器和無線通信接收模塊，電網經發射端整流濾波電路及逆變電路與發射線圈相連；無線電能接收端包括接收線圈、接收端微控制器和無線通信發射模塊，接收線圈經接收端整流濾波電路及DC/DC變換電路接負載，接收端微控制器獲取接收端整流濾波電路的整流信號並經無線通信發射模塊傳輸至無線通信接受模塊，發射端微控制器獲取無線通信接受模塊獲取的信息，並控制逆變電路工作；接收端微控制器還與DC/DC變換電路相連，控制其啟閉；
無線電能發射端固定設置，無線電能接收端配置在移動終端上；移動終端設置有移動終端控制器和移動裝置，移動終端控制器與接收端微控制器通信，移動裝置接收移動終端控制器的控制信號，以帶動移動終端移動或轉動。
作為優選：配置在移動終端上的接收線圈和固定設置的發射線圈豎向高度相等。
作為優選：移動終端為移動機器人。
應用於移動終端的無線充電方法，包括發射線圈和接收線圈間角度對準，步驟包括：
無線電能接收端移動到近無線電能發射端處，閉鎖無線電能發射端DC/DC變換電路；
t0時刻，控制發射線圈與接收線圈間實現電能傳輸，接收端整流濾波電路輸出電壓Vt0；接收端微控制器採集整流濾波電路輸出的電壓Vt0，將該信號傳遞到移動終端控制器，並控制移動終端沿預設轉動方向、預設轉動步長轉動；
轉動結束後，繼續控制發射線圈與接收線圈間實現電能傳輸；
tn時刻，接收端整流濾波電路輸出電壓Vtn，並將該信號傳遞到移動終端控制器；移動終端控制器對Vtn與Vtn-1比較，若Vtn＞Vtn-1，移動終端控制器將繼續控制移動終端沿預設轉動方向、預設轉動步長繼續轉動，直至，Vtn≥Vtn+1，移動終端控制器控制移動終端轉動到tn時刻角度；若Vtn＜Vtn-1，移動終端控制器將控制移動終端沿與預設轉動方向相反的方向、預設轉動步長轉動，直至Vtn≥Vtn+1，移動終端控制器控制移動終端轉動到tn時刻角度；
閉鎖DC/DC變換電路，無線電能傳輸系統開始正常電能傳輸。
更進一步的：應用於移動終端的無線充電方法，其特徵在於：還包括發射線圈和接收線圈之間的方向對準，步驟包括：
T0時刻，控制發射線圈與接收線圈間實現電能傳輸，接收端整流濾波電路輸出電壓VT0；接收端微控制器採集整流濾波電路輸出的電壓VT0，將該信號傳遞到移動終端控制器，並控制移動終端沿預設平移方向、預設移動步長平移；
平移結束後，繼續控制發射線圈與接收線圈間實現電能傳輸；
T0時刻，接收端整流濾波電路輸出電壓VTn，並將該信號傳遞到移動終端控制器；移動終端控制器對VTn與VTn-1比較，若VTn＞VTn-1，移動終端控制器將繼續控制移動終端沿預設移動方向、預設移動步長繼續平移，直至，VTn≥VTn+1，移動終端控制器控制移動終端移動到Tn時刻位置；若VTn＜VTn-1，移動終端控制器將控制移動終端沿與預設移動方向相反的方向、預設移動步長平移，直至VTn≥VTn+1，移動終端控制器控制移動終端移動到Tn時刻位置；
閉鎖DC/DC變換電路，無線電能傳輸系統開始正常電能傳輸。
本發明的有益效果為：
(1)本系統將無線充電接收端配置在可移動終端上，可實現移動無線充電接收端與固定無線充電發射端之間的無線充電；通過調整無線充電接收端的方位或角度，實現無線充電接收端與無線充電發射端之間的對準。與將無線充電發射端設計為可移動的方案相比，設計難度及成本更低，安全係數更高。
(2)本發明提供的無線充電方法可實現發射線圈和接收線圈θ軸向、X向、Y向多維度對準，以使發射線圈和接收線圈間獲得最佳的充電效率。
(3)為了減少對準調節的步驟，作為一種更優的設計，將配置在移動終端上的接收線圈和固定設置的接收線圈豎向高度設計為相等，因此，可減少Y向調節的步驟。
附圖說明
圖1為無線電能傳輸系統功能框圖。
圖2為移動機器人到位示意圖。
圖3為接收線圈與發射線圈X向對準示意圖。
圖4為接收線圈與發射線圈θ向對準示意圖。
圖5為θ軸向對準調整流程圖。
圖6為X向或Y向對準調整流程圖。
其中：1-發射線圈，2-接收線圈，z-接收端與發射端間橫向水平間距
具體實施方式
以下將結合附圖對本發明的具體實施方式進行清楚完整地描述。顯然，具體實施方式所描述的實施例僅為本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明的保護範圍。
首先，先描述本實施方式所涉及的無線充電系統的結構。
如圖1所示，應用於移動終端的無線充電系統，包括無線電能發射端和無線電能接收端。
無線電能發射端包括發射線圈、發射端微控制器和無線通信接收模塊，電網經發射端整流濾波電路及逆變電路與發射線圈相連。作為輔助外圍電路，無線電能發射端進一步包括現行穩壓器，發射端整流濾波電路輸出經現行穩壓器與發射端微控制器相連，為發射端微控制器供電；發射端微控制器與逆變電路之間還設置有驅動電路，驅動電路對發射端微控制器發出的PWM驅動信號進行放大，該信號用於驅動逆變電路工作。
無線電能接收端包括接收線圈、接收端微控制器和無線通信發射模塊，接收線圈經接收端整流濾波電路及DC/DC變換電路接負載，接收端微控制器獲取接收端整流濾波電路的整流信號並經無線通信發射模塊傳輸至無線通信接受模塊，發射端微控制器獲取無線通信接受模塊獲取的信息，並控制逆變電路工作；接收端微控制器還與DC/DC變換電路相連，控制其啟閉。作為輔助外圍電路，無線電能接收端進一步包括輔助供電模塊，接收端整流濾波電路的輸出經輔助供電模塊與接收端微控制器相連，用於為接收端微控制器供電。
具體的說，工作過程中，發射端微控制器發送PWM驅動信號，驅動逆變電路工作，發射線圈發射功率信號；此時，若無線電能接收端位於無線電能發射端的輻射範圍內，則接收線圈與發射線圈之間建立功率傳輸，接收端整流濾波電路將產生整流信號，其輸出的整流信號一路經DC/DC電路接負載，此時若DC/DC變換電路閉合，無線電能接收端正常工作，則可實現對負載的正常充電；接收端整流濾波電路的另一路輸出經整流信號採樣模塊傳輸至接收端微控制器，接收端微控制器將該信號傳輸至移動終端微控制器，移動終端微控制器內置調整算法，根據調整算法計算生成調整指令，用於控制移動裝置，以使移動終端執行移動動作或轉動動作。移動終端的移動可使接收線圈位置水平移動或豎直移動，移動終端的轉動可是接收線圈跟隨其轉動。
無線電能發射端固定設置，無線電能接收端配置在移動終端上；移動終端設置有移動終端控制器和移動裝置，移動終端控制器與接收端微控制器通信，移動裝置接收移動終端控制器的控制信號，以帶動移動終端移動或轉動。
具體到本實施例，移動終端為移動機器人，無線電能接收端的負載為移動機器人的充電器，移動終端微控制器為內置在機器人內部的機器人微控制器，也就是說，接收線圈經接收端整流濾波電路和DC/DC變換電路與移動機器人的充電器相連，為機器人充電。即提供一種將無線電能接收端配置於移動機器人上，並為移動機器人進行無線充電的方法。
移動機器人電量即將耗盡時，將自動運動到靠近無線電能發射端處。到位後，接收端與發射端之間的水平間距z，且該間距就固定不變，接收端與發射端之間無金屬隔離。
發射線圈和接收線圈工作在特定的工作距離z，由於接收線圈1的位置會受移動機器人運動的影響，此時，發射線圈2和接收線圈1會存在X向、Y向或θ軸向偏差，即存在多維度不對準的可能性。圖3所示，以X向偏差為例，圖3左圖所示，移動機器人到位後，接收線圈1和發射線圈2間X向未對準；圖3右圖所示，接收線圈1和發射線圈2對準後，電能傳輸效率更佳。圖4所示，以θ軸向偏差偏差為例，圖4左圖所示，移動機器人到位後，接收線圈1和發射線圈2間θ軸向未對準，存在夾角α，圖4右圖所示，接收線圈1和發射線圈2對準後，電能傳輸效率更佳。Y向未對準原理同X向未對準，不在贅述。
本發明進一步提供一種無線充電方法，充電控制的目的是控制接收線圈1和發射線圈2在X向、Y向和θ軸向對準，以獲得最佳的電能傳輸效率。
無線充電方法包括發射線圈和接收線圈間θ軸向角度對準，步驟包括：
無線電能接收端移動到近無線電能發射端處，閉鎖無線電能發射端DC/DC變換電路；
t0時刻，控制發射線圈與接收線圈間實現電能傳輸，接收端整流濾波電路輸出電壓Vt0；接收端微控制器採集整流濾波電路輸出的電壓Vt0，將該信號傳遞到移動終端控制器，並控制移動終端沿預設轉動方向、預設轉動步長轉動；
轉動結束後，繼續控制發射線圈與接收線圈間實現電能傳輸；
tn時刻，接收端整流濾波電路輸出電壓Vtn，並將該信號傳遞到移動終端控制器；移動終端控制器對Vtn與Vtn-1比較，若Vtn＞Vtn-1，移動終端控制器將繼續控制移動終端沿預設轉動方向、預設轉動步長繼續轉動，直至，Vtn≥Vtn+1，移動終端控制器控制移動終端轉動到tn時刻角度；若Vtn＜Vtn-1，移動終端控制器將控制移動終端沿與預設轉動方向相反的方向、預設轉動步長轉動，直至Vtn≥Vtn+1，移動終端控制器控制移動終端轉動到tn時刻角度；
閉鎖DC/DC變換電路，無線電能傳輸系統開始正常電能傳輸。
如圖5所示，為θ軸向調整算法流程圖，舉例具體說明。
在t0時刻，控制發射線圈與接收線圈間實現電能傳輸，接收端整流濾波電路輸出電壓Vt0；由於t0時刻沒有作為比較的基準電壓，因此接收端微控制器採集整流濾波電路輸出的電壓Vt0後，將該信號傳遞到移動終端控制器，移動終端控制器內部設定一個預設轉動方向和預設轉動步長，在沒有基準比較電壓的前提下，移動終端控制器直接控制移動終端沿預設轉動方向、預設轉動步長轉動一定的角度。
由於轉動方向和轉動步長均是預先設定好的，轉動後實現的效果有兩種，一種效果是接收端整流濾波電路輸出電壓增大，這種情況下，表明按預設方向轉動時正確的；另一種效果是端整流濾波電路輸出電壓減小，這種情況下，表明按預設方向轉動時錯誤的，需要調整轉動策略。
因此，從t1時刻起，調整算法將在判斷轉動策略是否正確的前提下，做出相應的調整策略。
具體的說，t0時刻接收端整流濾波電路輸出電壓Vt0將作為基準比較電壓暫存在移動終端控制器內。移動終端控制器接收到t1時刻接收端整流濾波電路輸出電壓Vt1後，首先與Vt0進行比較，若Vt1＞Vt0，說明轉動後輸出電壓在增大，則按預先設定方向轉動時正確的，下一步移動終端控制器將繼續控制移動終端沿預設轉動方向、預設轉動步長繼續轉動，轉動結束後，將Vt1作為下一步基準比較電壓，存儲在移動終端控制器內，並依此執行轉動控制，直至Vtn≥Vtn+1，表明在tn時刻已經獲得最佳的傳輸效率，進一步控制接收線圈向與設定方向相反的方向轉動，即回到tn時刻的位置。
與以上情況不同，若Vt1＜Vt0，則說明默認的轉動方向是錯誤的，沒有實現期望達到的使輸出電壓增大的效果，此時需要及時調整接收線圈的轉動策略。將Vt1作為下一步基準比較電壓，並從t2時刻起，將控制接收線圈按與預設方向相反的方向轉動。直至Vtn≥Vtn+1，表明在tn時刻已經獲得最佳的傳輸效率，進一步控制接收線圈向與設定方向相反的方向轉動，即回到tn時刻的位置。
進一步的，還包括發射線圈和接收線圈之間的方向對準，其目的是實現發射線圈和接收線圈X向和Y向的方向對準，步驟包括：
T0時刻，控制發射線圈與接收線圈間實現電能傳輸，接收端整流濾波電路輸出電壓VT0；接收端微控制器採集整流濾波電路輸出的電壓VT0，將該信號傳遞到移動終端控制器，並控制移動終端沿預設平移方向、預設移動步長平移；
平移結束後，繼續控制發射線圈與接收線圈間實現電能傳輸；
T0時刻，接收端整流濾波電路輸出電壓VTn，並將該信號傳遞到移動終端控制器；移動終端控制器對VTn與VTn-1比較，若VTn＞VTn-1，移動終端控制器將繼續控制移動終端沿預設移動方向、預設移動步長繼續平移，直至，VTn≥VTn+1，移動終端控制器控制移動終端移動到Tn時刻位置；若VTn＜VTn-1，移動終端控制器將控制移動終端沿與預設移動方向相反的方向、預設移動步長平移，直至VTn≥VTn+1，移動終端控制器控制移動終端移動到Tn時刻位置；
閉鎖DC/DC變換電路，無線電能傳輸系統開始正常電能傳輸。
其實現及調整方法與θ軸向算法相同，此處不再舉例贅述。
需要說明的是，發射線圈和接收線圈之間θ軸向、X向和Y向的對準調整順序不分先後，根據充電需求，可進行一個方向或多個方向的對準調整。
設計過程中，可將配置在機器人上的接收線圈和固定設置的發射線圈高度設計為相同，因此，不再需要進行Y向的調整，θ軸向和X向調整結束後，即實現了發射線圈和接收線圈之間的對準。