太陽能電動自行車無線充電系統及方法與流程
2023-06-25 15:41:06 16
本發明涉及智能交通技術領域，具體而言，涉及一種太陽能電動自行車無線充電系統及方法。
背景技術：
現有的電動自行車充電器大多都是有線充電器，有線連接的充電方式在一定程度上增加了電動自行車充電的麻煩，頻繁的插拔也有著潛在的安全隱患。隨著科學技術的發展，太陽能作為環保能源越來越多地應用於人們的生活中，因此太陽能的應用無疑具有廣闊的應用前景。傳統的用於無線傳輸的逆變技術存在較大的功率損耗，如半橋逆變和全橋逆變；由於磁耦合諧振的特點，傳輸距離的改變，對系統傳輸效率的影響很大，實際情況中，很難持續保持最大效率傳輸。並且結合太陽能的電動自行車無線充電還沒有具體的實現方法。
推挽式E類放大器在無線電能傳輸系統中佔有巨大的優勢，通過使用零電壓開通(ZVS)技術，理論轉換效率可達到100％，相對於傳統的半橋逆變以及全橋逆變，在效率上有很大的改善；使用超聲波傳感器一直檢測發射諧振體和接收諧振體之間的距離，當傳輸距離改變時，系統及時反饋改變諧振頻率，使兩個諧振體一直保持強耦合狀態，實現了持續最大效率傳輸；在不需要進行無線充電時，把太陽能儲存在一個備用蓄電池中，在夜晚或者光照條件不足的條件下，可以使用備用蓄電池進行供電，可以實現太陽能利用的最大化。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種太陽能電動自行車無線充電系統，以實現利用太陽能對電動自行車進行無線充電，從而為人們的生活提供極大的便利。
本發明的另一目的在於提供一種太陽能電動自行車無線充電方法，以實現利用太陽能對電動自行車進行無線充電，從而為人們的生活提供極大的便利。
為了實現上述目的，本發明實施採用的技術方案如下：
第一方面
一種太陽能電動自行車無線充電系統，應用於利用太陽能對電動自行車電池進行無線充電，包括太陽能無線充電樁部分和電動自行車無線充電器部分，
太陽能無線充電樁部分包括處理器、太陽能電池板、蓄電池、推挽式E類放大器、發射諧振體、超聲波傳感器
電動自行車無線充電器部分包括接收諧振體、電壓匹配電路；
所述太陽能電池板用於將接收到的太陽能轉換成直流電能，並將轉換後的所述直流電能輸入至所述推挽式E類放大器；
所述推挽式E類放大器用於將獲得的所述直流電能轉換為交流電能，並將所述交流電能輸入至所述發射諧振體，所述發射諧振體將所述交流電能轉化為電磁能發射至所述接收諧振體；
所述超聲波傳感器用於測量所述發射諧振體與所述接收諧振體之間的距離，並將測得的距離值發送至所述處理器；
所述處理器用於根據所述距離值得出當前諧振頻率，所述處理器還用於控制所述推挽式E類放大器產生所述當前諧振頻率的交流電能；
所述接收諧振體用於把接收到的電磁能轉化為交流電能，並將所述交流電能傳輸至所述電壓匹配電路；
所述電壓匹配電路用於對所述交流電能進行處理後對所述電動自行車進行充電。
第二方面
一種太陽能電動自行車無線充電方法，應用於太陽能電動自行車無線充電系統，且對電動自行車電池進行充電，所述系統包括太陽能無線充電樁部分和電動自行車無線充電器部分，所述太陽能無線充電樁部分包括處理器、推挽式E類放大器、太陽能電池板、超聲波傳感器和發射諧振體，所述電動自行車無線充電器部分包括接收諧振體和電壓匹配電路，所述方法包括：
使用所述推挽式E類放大器將所述太陽能電池板輸出的直流電能轉換為交流電能；
通過所述超聲波傳感器測得所述發射諧振體與所述接收諧振體的距離值；
所述處理器根據預存的所述距離值和諧振頻率值的映射關係計算得出所述距離值對應的諧振頻率值；
所述推挽式E類放大器根據所述諧振頻率值輸出交流電能至所述發射諧振體；
所述發射諧振體將所述交流電能傳輸至所述接收諧振體；
所述接收諧振體將接收的交流電能經所述電壓匹配電路調節後對所述電動自行車電池進行充電。
本發明實施提供的一種太陽能電動自行車無線充電系統及方法，所述太陽能電動自行車無線充電方法應用於該太陽能電動自行車無線充電系統。所述太陽能電動自行車無線充電系統包括兩部分：太陽能無線充電樁部分和電動自行車無線充電器部分；
太陽能無線充電樁部分包括處理器、太陽能電池板、蓄電池、推挽式E類放大器、發射諧振體、超聲波傳感器
電動自行車無線充電器部分包括接收諧振體、電壓匹配電路、以及電動自行車電池；
所述太陽能電池板用於將接收到的太陽能轉換成直流電能，並將轉換後的所述直流電能輸入至所述推挽式E類放大器；
所述推挽式E類放大器用於將獲得的所述直流電能轉換為交流電能，並將所述交流電能輸入至所述發射諧振體，所述發射諧振體將所述交流電能轉化為電磁能發射至所述接收諧振體；
所述超聲波傳感器用於測量所述發射諧振體與所述接收諧振體之間的距離，並將測得的距離值發送至所述處理器；
所述處理器用於根據所述距離值得出當前諧振頻率，所述處理器還用於控制所述推挽式E類放大器產生所述當前諧振頻率的交流電能；
所述接收諧振體用於把接收到的電磁能轉化為交流電能，並將所述交流電能傳輸至所述電壓匹配電路；
所述電壓匹配電路用於對所述交流電能進行處理後對所述電動自行車進行充電。
通過本發明實現了利用太陽能對電動自行車進行無線充電，使用蓄電池能夠更充分的利用太陽能，一定程度上，避免了光照條件不足的情況；結合了零電壓開通特性的推挽式E類放大器的應用，也將大大增加系統傳輸效率；根據磁耦合諧振的特性，當發射諧振體和接收諧振體處的距離處於強耦合範圍內時，系統諧振頻率會表現出頻率分裂的特性，即系統的傳輸效率會在兩個不同的頻率點出現峰值，當然這兩個峰值也不是完全相等的。隨著傳輸距離由近到遠變化，兩個諧振頻率點會相互靠近，直到最後重合到一起，此時的傳輸距離也就是最大傳輸距離。由於在實際應用中，不同用戶不能保證進行無線充電時傳輸距離都相同，因此系統通過檢測實際發射諧振體與接收諧振體之間的距離，處理器根據實際的傳輸距離查找對應的諧振峰值點，控制改變推挽式E類放大器的驅動信號頻率，來動態的改變交流電源的頻率適應不同距離的無線傳輸，實現諧振頻率追蹤，保證最大效率傳輸。頻率追蹤方法的應用，使無線充電系統傳輸效率更高，且變得更加靈活。本發明再能源利用和用電安全方面具有重要的意義。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附附圖，作詳細說明如下。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。
圖1示出了本發明實施例提供的一種太陽能電動自行車無線充電系統的結構示意圖。
圖2示出了本發明實施例提供的推挽式放大器的電路原理圖。
圖3示出了本發明實施例提供的一種太陽能電動自行車無線充電系統的電壓匹配電路的結構示意圖。
圖4示出了本發明實施例提供的接收諧振體、電壓匹配電路的電路原理圖。
圖5示出了本發明實施例提供的充電電流檢測的電路原理圖。
圖6示出了本發明實施例提供的一種太陽能電動自行車無線充電方法的流程示意圖。
圖示：10-太陽能電動自行車無線充電系統；110-太陽能電池板；120-蓄電池；140-處理器；150-推挽式E類放大器；170-超聲波傳感器；180-發射諧振體；190-接收諧振體；200-充電管理模塊；210-電動自行車電池；201-整流橋；202-接收端DC-DC轉換器；220-儲能端DC-DC變換器；230-電壓匹配電路；240-變壓器。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本發明的範圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基於本發明的實施例，本領域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，都屬於本發明保護的範圍。
在實際生活中，電動自行車常常通過有線連接充電樁，進而充電樁利用市電220V對電動自行車進行充電，因此本發明實施例提供的太陽能電動自行車無線充電系統10也可以應用於充電樁和電動自行車。
請參照圖1，是本發明實施例提供的一種太陽能電動自行車無線充電系統10的結構示意圖。該太陽能電動自行車無線充電系統10用於對電動自行車電池210進行充電。該太陽能電動自行車無線充電系統10包括太陽能無線充電樁部分和電動自行車無線充電器部分，該太陽能無線充電樁部分包括太陽能電池板110、處理器140、推挽式E類放大器150、超聲波傳感器170、發射諧振體180，該電動自行車無線充電器部分包括接收諧振體190、充電管理模塊200以及電壓匹配電路230。
該太陽能電池板110、推挽式E類放大器150和發射諧振體180依次連接，處理器140與推挽式E類放大器150和超聲波傳感器170均連接。該發射諧振體180和接收諧振體190無線連接，接收諧振體190、電壓匹配電路230以及電動自行車電池210依次連接，充電管理模塊200與電壓匹配電路230以及電動自行車電池210均連接。
該太陽能電池板110用於將接收到的太陽能轉換成直流電能，並將轉換後的直流電能發送至推挽式E類放大器150。
該推挽式放大器150用於將接收到的直流電能轉換為交流電能。該推挽式放大器150在滿足ZVS(zero-voltage switching,零電壓開關)的條件時，傳輸效率可達100％。該ZVS指當開關從關斷狀態轉變為導通狀態時，集電極或者漏極的電壓等於零。同時，在輸入相同直流電壓下，推挽式放大器150的輸出功率是普通E類放大器的輸出功率的4倍左右(隨實際參數的變化會有所不同)，容易理解的，當輸出功率一定時，推挽式放大器150需要輸入的直流電壓將比單E類放大器需要輸入的直流電壓更低，進而與推挽式放大器150連接的元器件所承受的電壓應力也相應地降低，大大降低了對器件參數的要求，元器件負擔更小。
如圖2所示，是本發明實施例提供的推挽式放大器150的電路原理圖。推挽式放大器150是一種基於E類放大器的新型逆變器。將兩個E類放大器對稱的組合在一起，L1、L2為高頻扼流電感，C1、C2為旁路電容，L為諧振電感，C為諧振電容，開關管S1與S2共同承擔諧振電壓的峰峰值，交替為負載提供高頻電流，可實現更大的輸出功率，該電路的直流電壓源Vd直接由太陽能電池板110提供。推挽式放大器150將直流電能轉換為交流電能後，將該交流電能傳輸至發射諧振體180。
超聲波傳感器170用於測量發射諧振體180與接收諧振體190之間的距離得到距離值，即當電動自行車停靠於太陽能無線充電樁時，發射諧振體180與接收諧振體190之間的距離。同時，超聲波傳感器170將該距離值發送至處理器140。
處理器140根據接收到的距離值查找對應的諧振頻率值，具體為，處理器140內預存儲有預設距離值及該預設距離值對應的諧振頻率值，如預設距離值為5cm，對應的諧振頻率為100Hz，預設距離值為3cm，對應的諧振頻率值為200Hz。處理器140將接收到的距離值與預設距離值進行比較，當所述距離值與預設距離值一致時，則處理器140根據該預設距離值對應的諧振頻率值控制推挽式E類放大器150發出交流電能至發射諧振體180，發射諧振體180將接收到的交流電能傳輸至接收諧振體190。如，接收到的距離值為5cm，此時接收到的距離值與預設距離值5cm一致且預設距離值5cm對應的諧振頻率值為100Hz，則處理器140根據該諧振頻率值100Hz控制推挽式E類放大器150按照100Hz的諧振頻率向發射諧振體180傳輸交流電能。
其中，發射諧振體180將接收到的交流電能轉換為電磁能，採用磁耦合諧振式將電磁能傳輸至接收諧振體190，磁耦合諧振式的傳輸結構為4線圈結構，兩端的線圈為匹配線圈，中間兩個線圈為諧振線圈，當高頻交流電源頻率與發射諧振體的自諧振頻率和接收諧振體的自諧振頻率相同時，所述發射諧振體和所述接收諧振體將產生諧振，此時傳輸效率最大。
接收諧振體190將接收到電磁能轉換為交流電能後傳輸至電壓匹配電路230，電壓匹配電路230對交流電能進行處理後傳輸至電動自行車電池210，對電動自行車210進行充電。其中，充電管理模塊200與電壓匹配電路230和電動自行車電池210均連接，充電管理模塊200用於採集電動自行車電池210的充電電壓和充電電流，並將採集到的充電電壓和電流反饋至電壓匹配電路230，以便於電壓匹配電路230能根據電動自行車電池210的實時電壓和電流進行調節。具體為，請參照圖3，是本發明實施例提供的電壓匹配電路230的結構示意圖。
該電壓匹配電路230包括整流橋201和接收端DC-DC轉換器202，該整流橋201與接收諧振體190和接收端DC-DC轉換器202均連接，該接收端DC-DC轉換器202與電動自行車電池210連接。
整流橋201將接收諧振體190傳輸的交流電能轉換為直流電能並將該直流電能傳輸至接收端DC-DC轉換器202。接收端DC-DC轉換器202將接收的直流電能轉換為電動自行車電池210的額定電壓對電動自行車電池210進行充電。
請參照圖4，是本發明實施例提供的接收諧振體190、電壓匹配電路230的電路原理圖。接收諧振體190的電壓為高頻交流電，經過整流橋201整流，電容C1濾波之後得到直流電壓，得到的直流電壓直接輸入變壓器240的一次側，使用R1、C2和D1組成了RCD漏感吸收電路，當開關器件開通時，變壓器240存儲能量，負載能量由電容C3放電提供；當開關器件關斷時，變壓器240二次側釋放能量，輸出連接D2，經過電容C3濾波輸出到電動自行車電池210，其中D2和D3都是防止電流逆流。在電動自行車電池210處設置了充電電流檢測點，通過檢測充電電流大小才能實現閉環恆流充電。同時，電路負載處也設置了充電電壓檢測點，通過檢測當前充電電壓實現閉環恆壓充電。
請參照圖5，是本發明實施例提供的充電電流檢測點的電路原理圖。該電路的輸入信號為充電電流監測點的輸入電壓，電路的輸出信號為電路當前充電電流大小。
太陽能電池板110通常在天氣晴朗的情況下接收太陽能轉換為直流電能的效率較高，進而對電動自行車的電池210進行充電。但是在下雨或是陰天情況下，由於太陽能較少，因此太陽能電池板110正常工作效率低，因此有必要在太陽能充足的情況下，及時儲備電能，以使得在沒有太陽的天氣，該太陽能電動自行車無線充電系統10也能正常使用。
該太陽能電動自行車無線充電系統10還包括蓄電池120和儲能端DC-DC轉換器220。處理器140與太陽能電池板110和蓄電池120均連接，蓄電池120、儲能端DC-DC轉換器220、太陽能電池板110依次連接。
在太陽能電池板110沒有對電動自行車電池210充電的情況下，太陽能電池板110將太陽能轉換成直流電能傳輸至蓄電池120進行存儲。具體為，處理器140用於檢測蓄電池120的電壓，當蓄電池120的實際電壓與蓄電池120的額定電壓相差大於1V時，表明蓄電池120不是滿電量。處理器140還用於檢測太陽能電池板110是否處於放電狀態，若太陽能電池板110沒有處於放電狀態且蓄電池120不是滿電量時，處理器140控制太陽能電池板110為蓄電池120充電，直到蓄電池120的實際電壓等於額定電壓後停止充電。當處理器140控制太陽能電池板110給蓄電池120進行充電時，儲能端DC-DC轉換器220用於調節太陽能電池板110的輸出電壓，使得太陽能電池板110的輸出電壓略大於蓄電池120的電壓以便於對蓄電池120進行充電。
該蓄電池120還與推挽式E類放大器150連接，推挽式E類放大器150與太陽能電池板110連接並用於對電動自行車電池210充電時，推挽式E類放大器150與蓄電池120之間斷開，且處理器140檢測太陽能電池板110的輸出電壓和輸出電流並計算得出輸出功率，當發現太陽能電池板110的輸出功率小於電動自行車電池210充電所需最大功率值時，表明太陽能電池板110輸出功率不足，處理器140控制蓄電池120與推挽式E類放大器150連接，同時推挽式E類放大器150與太陽能電池板110之間斷開。處理器140檢測蓄電池120的輸出功率，如果蓄電池120的輸出功率小於電動自行車電池210充電所需最大功率值，表明蓄電池120輸出功率不足。處理器140控制切斷蓄電池120與推挽式E類放大器150的連接並產生提示信息，提示用戶該充電樁暫時不能用於充電，
如圖6所示，是本發明實施例提供的太陽能電動自行車無線充電方法的流程圖，該太陽能電動自行車無線充電系統方法應用於太陽能電動自行車無線充電系統10，所述系統包括太陽能無線充電樁部分和電動自行車無線充電器部分，所述太陽能無線充電樁部分包括處理器140、推挽式E類放大器150、太陽能電池板110、超聲波傳感器170和發射諧振體180，所述電動自行車無線充電器部分包括接收諧振體190和電壓匹配電路230以及電動自行車電池210，所述方法包括
步驟S120，使用所述推挽式E類放大器將所述太陽能電池板輸出的直流電能轉換為交流電能。
在本發明實施例中，步驟S120可以由推挽式E類放大器150執行。
步驟S130，通過所述超聲波傳感器測得所述發射諧振體與所述接收諧振體的距離值。
在本發明實施例中，步驟S130可以由超聲波傳感器170執行。
步驟S140，所述處理器根據預存的所述距離值和諧振頻率值的映射關係計算得出所述距離值對應的諧振頻率值。
在本發明實施例中，步驟S140可以由處理器140執行。
步驟S150，所述推挽式E類放大器根據所述諧振頻率值輸出交流電能至所述發射諧振體。
在本發明實施例中，步驟S150可以由推挽式E類放大器150執行。
步驟S160，所述發射諧振體將所述交流電能傳輸至所述接收諧振體。
在本發明實施例中，步驟S160可以由發射諧振體180執行。
步驟S170，所述接收諧振體將接收的交流電能經所述電壓匹配電路調節後對所述電動自行車電池進行充電。
在本發明實施例中，步驟S170可以由接收諧振體190執行。
該太陽能電動自行車無線充電系統10還包括蓄電池120，該太陽能電動自行車無線充電方法還包括：
步驟S110，所述處理器用於檢測所述太陽能電池板是否處於放電狀態以及所述蓄電池是否處於滿電量的狀態，當所述太陽能電池板不處於放電狀態且所述蓄電池不處於滿電量狀態，所述處理器控制所述太陽能電池板對所述蓄電池進行充電
在本發明實施例中，步驟S110可以由處理器140執行。
綜上所述，本發明實施例提供了一種電動自行車無線充電系統級方法，該電動自行車無線充電方法應用於該電動自行車無線充電系統，該電動自行車無線充電系統包括太陽能電池板、蓄電池、電池管理模塊、處理器、推挽式放大器、發射諧振體、接收諧振體、控制端、超聲波傳感器、充電管理模塊和電池。
太陽能電池板用於接收太陽能並將太陽能轉換為直流電能，一方面將多餘的太陽能轉換為直流電能後存儲於蓄電池以在沒有太陽的情況下使用蓄電池對電池進行充電。同時，電池管理模塊實時監測蓄電池的電量，在蓄電池的電量不足的情況下向處理器發送提示信號，處理器響應該提示信號檢測太陽能電池板是否處於放電狀態，當太陽能電池板沒有處於放電狀態時，處理器則控制太陽能電池板對蓄電池進行充電。
另一方面太陽能電池板將太陽能轉換為直流電能後，主要發送至推挽式放大器，推挽式放大器將接收到的直流電能轉換為交流電能，並將該交流電能發送至發射諧振體。超聲波傳感器檢測發射諧振體和接收諧振體之間的距離，並將該距離值發送至控制端，控制端根據該距離值查找對應的諧振頻率值，進而控制端根據該諧振頻率值控制發射諧振體按照此諧振頻率值傳輸交流電能接收諧振體。接收諧振體將接收的交流電能傳輸至充電管理模塊，充電管理模塊包括整流橋和調節模塊，整流橋將交流電能轉換為直流電能，調節模塊調節該直流電能對電池進行充電。進而完成了對電動自行車無線充電，極大地方便了人們的生活。
需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關係或者順序。而且，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。