無線充電系統及方法

2023-10-25 17:03:17 1

無線充電系統及方法
【專利摘要】本發明提供了無線充電系統及方法，涉及無線充電領域，用以解決採用現有的無線充電技術進行充電時，無線充電效率較低的問題。系統包括：充電發射裝置，以及與充電發射裝置分別相連的充電發射天線和至少一個發射端寄生線圈，每一發射端寄生線圈可與充電發射天線產生磁諧振；充電接收裝置，以及與充電接收裝置分別相連的充電接收天線和至少一個接收端寄生線圈，每一接收端寄生線圈可與充電接收天線產生磁諧振。方法包：通過充電發射天線與發射端寄生線圈的磁諧振，充電發射裝置發出無線射頻信號■』通過充電接收天線與接收端寄生線圈的磁諧振，充電接收裝置接收充電發射裝置發出的無線射頻信號。
【專利說明】無線充電系統及方法 【【技術領域】】
[0001] 本發明涉及無線充電領域，尤其是無線充電系統及方法。 【【背景技術】】
[0002] 無線供電技術（Contactless Power Supply, CPS)，也稱為感應禍合電能傳輸技術 (InductiveCoupled Power Transmission, ICPT)，無接觸供電是指輸電線路和負載方在沒 有電氣連接和物理接觸，甚至在它們之問還有相對運動的情況下，完成電能的傳輸。無接觸 供電技術的理論依據是電磁感應原理，利用現代電力電了能量變換技術、磁場禍合技術，借 助於現代控制理論和微電了控制技術，實現能量從靜止設備向可行動裝置的傳輸。
[0003] 隨著工業化進程的日益推進，電動的交通工具越來越多，電動車已經廣泛的應用 在人們的生活中，電動汽車也逐步面向市場，電動汽車其動力普遍採用蓄電池供電方式，它 比傳統的汽車排放量小很多，對環境的影響非常小，在全球一致呼籲加強環保的今天，電動 汽車一定因其無汙染性和易擴展等優點而得到了迅猛發展和廣泛應用。如果採用傳統的供 電設備對車輛進行充電有很多不利的地方，包括過多導線的存在，危險性，還有戶外有線充 電樁的侵害。在汽車內部就需要針對這種電動設備需要一種新的充電技術來替代現有的供 電方式。無線充電就能很好的解決這些問題，無線充電只要有停車位就可以對電動汽車進 行充電，甚至可以在汽車行駛過程中就對汽車進行充電，這些優點都非常利於電動汽車的 普及推廣。
[0004] 但是採用現有的無線充電技術進行充電時，無線充電效率較低。 【
【發明內容】
】
[0005] 本發明提供了無線充電系統及方法，用以解決採用現有的無線充電技術進行充電 時，無線充電效率較低的問題。
[0006] 本發明的一種無線充電的發射系統，包括：充電發射裝置，以及與所述充電發射裝 置分別相連的充電發射天線和至少一個發射端寄生線圈，每一所述的發射端寄生線圈可與 充電發射天線產生磁諧振。
[0007] 其中，所述的充電發射天線以及每一發射端寄生線圈上分別並聯用於調整諧振頻 率的電容，所述充電發射裝置通過控制所述電容，調整相應的充電發射天線或發射端寄生 線圈的諧振頻率。
[0008] 其中，所述的充電發射天線以及每一發射端寄生線圈分別具備發射端位移裝置， 所述充電發射裝置通過控制所述發射端位移裝置，調整相應的充電發射天線或發射端寄生 線圈的位置。
[0009] 本發明的一種無線充電的接收系統，包括：充電接收裝置，以及與所述充電接收裝 置分別相連的充電接收天線和至少一個接收端寄生線圈，每一所述的接收端寄生線圈可與 充電接收天線產生磁諧振。
[0010] 其中，所述的充電接收天線以及每一接收端寄生線圈上分別並聯用於調整諧振頻 率的電容，所述充電接收裝置通過控制所述電容，調整相應的充電接收天線或接收端寄生 線圈的諧振頻率。
[0011] 其中，所述的充電接收天線以及每一接收端寄生線圈分別具備接收端位移裝置， 所述充電接收裝置通過控制所述接收端位移裝置，調整相應的充電接收天線或接收端寄生 線圈的位置。
[0012] 本發明的一種無線充電系統，包括：充電發射裝置，以及與所述充電發射裝置分別 相連的充電發射天線和至少一個發射端寄生線圈，每一所述的發射端寄生線圈可與充電發 射天線產生磁諧振；充電接收裝置，以及與所述充電接收裝置分別相連的充電接收天線和 至少一個接收端寄生線圈，每一所述的接收端寄生線圈可與充電接收天線產生磁諧振。
[0013] 其中，每一所述的發射端寄生線圈還與所述的接收端寄生線圈和充電接收天線產 生磁諧振，以及每一所述的接收端寄生線圈還與所述的發射端寄生線圈和充電發射天線產 生磁諧振。
[0014] 其中，所述的充電發射天線、每一發射端寄生線圈、充電接收天線以及每一接收端 寄生線圈上分別並聯用於調整諧振頻率的電容，所述充電發射裝置通過控制所述電容，調 整相應的充電發射天線或發射端寄生線圈的諧振頻率，所述充電接收裝置通過控制所述電 容，調整相應的充電接收天線或接收端寄生線圈的諧振頻率。
[0015] 其中，所述的充電發射天線以及每一發射端寄生線圈分別具備發射端位移裝置， 所述充電發射裝置通過控制所述發射端位移裝置，調整相應的充電發射天線或發射端寄生 線圈的位置；所述的充電接收天線以及每一接收端寄生線圈分別具備接收端位移裝置，所 述充電接收裝置通過控制所述接收端位移裝置，調整相應的充電接收天線或接收端寄生線 圈的位置。
[0016] 其中，所述的充電發射裝置包括：充電控制模塊，以及與所述充電控制模塊分別相 連的充電發射模塊和充電檢測模塊；其中，充電控制模塊控制充電的過程，並且與電力系統 後臺控制系統連接，根據電力公司的後臺系統的要求對車輛進行充電；充電檢測模塊用於 反向檢測充電的效率和充電的頻率；充電發射模塊將電源信號轉化成無線射頻信號，並通 過所述的充電發射天線發射。
[0017] 本發明的一種無線充電方法，包括下列步驟：通過充電發射天線與發射端寄生線 圈的磁諧振，充電發射裝置發出無線射頻信號；通過充電接收天線與接收端寄生線圈的磁 諧振，充電接收裝置接收充電發射裝置發出的無線射頻信號；採用上述的無線充電系統實 施。
[0018] 本發明的無線充電系統及方法可以提高無線充電的效率。主要用在電動汽車無線 充電領域，便於電動汽車的推廣及普及。 【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0019] 圖1是本發明實施例1中的無線充電的發射系統結構示意圖；
[0020] 圖2是本發明實施例2中的無線充電的接收系統結構示意圖；
[0021] 圖3是本發明實施例3中的無線充電系統結構示意圖；
[0022] 圖4是本發明實施例3中的充電發射裝置31的內部模塊結構示意圖；
[0023] 圖5是本發明實施例3中充電發射裝置31的安裝示意圖；
[0024] 圖6是本發明實施例3的系統與現有技術效果對比圖；
[0025] 圖7是本發明實施例4中的無線充電方法的流程圖。 【【具體實施方式】】
[0026] 經發明人研究發現，充電發射天線和接收天線主要是線圈形式的天線，無線充電 的能量傳遞主要依靠兩個發射接收天線之間的耦合，達到能量傳遞的效果。整個能量傳遞 的效率跟兩個天線之間的耦合效果直接相關，因此研究兩個天線之間的耦合情況就非常必 要了。發明人考慮到，如果提供多線圈的天線耦合方案，將會比傳統的2線圈的天線耦合方 案的傳輸效率要高。每個線圈可包含可調的電容，可以收到發射端的控制調整諧振頻率。並 且發射部分的多線圈和接收部分的多線圈之間的相對距離關係可以受控調整，這樣可以調 整線圈間的距離，提高傳輸效率。以下通過實施例進行詳細說明.
[0027] 實施例1、本實施例的無線充電的發射系統，參見圖1所示，包括：充電發射裝置 11，以及與充電發射裝置11分別相連的充電發射天線12和至少一個發射端寄生線圈13,每 一發射端寄生線圈13可與充電發射天線12產生磁諧振。上述的充電發射天線12以及每 一發射端寄生線圈13上分別並聯用於調整諧振頻率的電容14,充電發射裝置11通過控制 所述電容14,可調整相應的充電發射天線12或發射端寄生線圈13的諧振頻率。另外，充 電發射天線12以及每一發射端寄生線圈13分別具備發射端位移裝置15,充電發射裝置11 通過控制所述發射端位移裝置15,可調整相應的充電發射天線12或發射端寄生線圈13的 位置。
[0028] 實施例2、本實施例的無線充電的接收系統，與實施例1的無線充電的發射系統相 應，參見圖2所示，包括：充電接收裝置21，以及與充電接收裝置21分別相連的充電接收天 線22和至少一個接收端寄生線圈23,每一接收端寄生線圈23可與充電接收天線22產生磁 諧振。上述的充電接收天線22以及每一接收端寄生線圈23上分別並聯用於調整諧振頻率 的電容24,充電接收裝置21通過控制所述電容24,可調整相應的充電接收天線22或接收 端寄生線圈23的諧振頻率。另外，充電接收天線22以及每一接收端寄生線圈23分別具備 接收端位移裝置25,充電接收裝置21通過控制所述接收端位移裝置25,可調整相應的充電 接收天線22或接收端寄生線圈23的位置。
[0029] 實施例3、本實施例的無線充電系統，可以採用上述實施例1的發射系統以及實施 例2的接收系統的組合，參見圖3所示，包括：充電發射裝置31，以及與充電發射裝置31分 別相連的充電發射天線32和至少一個發射端寄生線圈33,每一發射端寄生線33圈可與充 電發射天線32產生磁諧振；充電接收裝置34,以及與充電接收裝置34分別相連的充電接 收天線35和至少一個接收端寄生線圈36,每一接收端寄生線圈36可與充電接收天線35產 生磁諧振。上述的充電發射天線32、每一發射端寄生線圈33、充電接收天線35以及每一接 收端寄生線圈36上分別並聯用於調整諧振頻率的電容37,充電發射裝置31通過控制本端 的所述電容37,可調整相應的充電發射天線32或發射端寄生線圈33的諧振頻率，充電接 收裝置34通過控制本端的所述電容37,可調整相應的充電接收天線35或接收端寄生線圈 36的諧振頻率。另外，充電發射天線32以及每一發射端寄生線圈33分別具備發射端位移 裝置38,充電發射裝置通31過控制所述發射端位移裝置38,可調整相應的充電發射天線32 或發射端寄生線圈33的位置；充電接收天線35以及每一接收端寄生線圈36分別具備接收 端位移裝置39,充電接收裝置34通過控制所述接收端位移裝置39,可調整相應的充電接收 天線35或接收端寄生線圈36的位置。
[0030] 更為具體的，充電發射裝置31的內部模塊結構可參見圖4所示，包括：充電控制 模塊311，以及與充電控制模塊311分別相連的充電發射模塊312和充電檢測模塊313。其 中，充電控制模塊311控制著充電的整個過程，並且與電力系統後臺控制系統連接，根據電 力公司的後臺系統的要求對車輛進行充電。充電檢測模塊313接收反饋信號，用於檢測充 電的效率、充電的頻率及通信信號，檢測充電裝置上方是否是被充電設備。充電發射模塊 312將電源信號轉化成無線射頻信號，通過充電發射天線32發射出去。
[0031] 在具體實現中，充電發射裝置31安裝在停車位的前端，地面充電裝置借用現有的 電力公司網絡，由電力公司供電線纜供電，對停車位進行改造，安裝無線充電設備使其具有 無線充電的功能。參見圖5所示，充電發射裝置31和充電發射天線32通過線纜連接，充電 發射天線32和發射端寄生線圈33之間通過空間耦合進行能量傳遞。充電發射裝置31的 表殼米用硬質的非金屬材質製成（面向汽車的一面），便於電磁波的投射，方便無線充電。 電路部分製作在殼體之內，保護電路不受外部破壞，並且防水防腐蝕。充電發射天線32、發 射端寄生線圈33採用外置的天線，圍繞在充電發射裝置31外圍，充電發射天線12採用直 徑較粗的銅管的方式，銅管表面塗有三防漆，圍成3維線圈的方式，通過多圈的線圈繞制提 高天線的輻射能力，可用於長期室外工程。充電發射天線32、發射端寄生線圈33和電路部 分再使用外殼包裝起來安裝在充電發射裝置31的表面下方，使之一體化。充電發射裝置31 可以和其他充電方式配合，進行聯合充電，這樣並行操作，提高無線充電的效率。充電發射 裝置31連接電力公司網絡，可以對充電量進行統計。用戶通過手機控制車載充電設備，與 充電裝置配合完成無線充電。用戶通過手機電子支付的方式，方便快捷，便於無線充電網絡 的推廣普及。
[0032] 在實際使用時，當電發射裝置31驅動充電發射天線32時，充電發射天線32和發 射端寄生線圈33產生磁諧振，充電發射天線32成為一個LC儲能容器，可以提高線圈的Q 值，提高傳遞的能量。同樣地，兩個寄生線圈的功能類似，也會發射諧振現象，能夠有效的將 能量進行傳遞。同理，充電接收天線35也是一個LC儲能容器，充電接收天線35和接收端 寄生線圈36發生磁諧振，可以提高線圈的Q值，提高傳遞的能量。磁諧振現象主要發生在 兩個高Q值的LCR諧振線圈之間。充電發射天線32與充電接收天線35間的互感Μ是兩個 線圈位置與距離的函數。諧振系統的另一個重要特性就是藕合係數決定了能量的傳輸總 量。對於雙線圈電磁耦合電路，其源線圈有相當的磁通量逸散到空間當中，而耦合到負載線 圈的磁通量主要由兩線圈間的耦合係數所決定，即雙線圈電磁耦合傳輸電路的最大傳輸效 率由兩線圈間的耦合係數所決定。所以如果想要提高系統的能量就需要提高兩個線圈的耦 合係數，比如將兩線圈問的距離減小，或者在兩線圈間加入磁芯等方法。並且要求兩個線圈 的必須很好的諧振在同一頻率上，這樣傳輸效率才比較高。而當採用多線圈的天線方式時， 磁通能量能夠更好的傳遞在線圈中間，逸散到線圈外的能量比較少，這樣傳遞的效率就比 較高，並且可通過發射端位移裝置38和接收端位移裝置39調整的線圈間的距離，以及通過 電容37調整諧振頻率，調整參數比較多，這樣可以達到更高的無線充電效率。參見圖6所 示，橫坐標代表頻率，縱坐標代表發射和接收端耦合的能量，單位dB。對於同樣天線指標的 情況下，多線圈方式的能量傳遞效率更高。為了進一步的便於能量傳遞，還可以使每一發射 端寄生線圈33與接收端寄生線圈36和充電接收天線35產生磁諧振，以及還可以使每一接 收端寄生線圈36與發射端寄生線圈33和充電發射天線32產生磁諧振。
[0033] 實施例4、本實施例的無線充電方法，可採用實施例3的無線充電系統實施，參見 圖7所示，包括下列主要步驟：
[0034] S41、通過充電發射天線與發射端寄生線圈的磁諧振，充電發射裝置發出無線射頻 信號。
[0035] S42、通過充電接收天線與接收端寄生線圈的磁諧振，充電接收裝置接收充電發射 裝置發出的無線射頻信號。
[0036] 當電發射裝置驅動充電發射天線時，充電發射天線和發射端寄生線圈產生磁諧 振，充電發射天線成為一個LC儲能容器，兩個線圈可以看成是一個調諧過的升壓變換器。 同樣地，兩個寄生線圈的功能類似，也會發射諧振現象，能夠有效的將能量進行傳遞。同理， 充電接收天線也是一個LC儲能容器，充電接收天線和接收端寄生線圈發生磁諧振，兩個線 圈可以看成是一個降壓變換器。磁諧振現象主要發生在兩個高Q值的LCR諧振線圈之間。 充電發射天線與充電接收天線間的互感Μ是兩個線圈位置與距離的函數。諧振系統的另一 個重要特性就是藕合係數決定了能量的傳輸總量。對於雙線圈電磁耦合電路，其源線圈有 相當的磁通量逸散到空間當中，而耦合到負載線圈的磁通量主要由兩線圈間的耦合係數所 決定，即雙線圈電磁耦合傳輸電路的最大傳輸效率由兩線圈間的耦合係數所決定。所以如 果想要提高系統的能量就需要提高兩個線圈的耦合係數，比如將兩線圈問的距離減小，或 者在兩線圈間加入磁芯等方法。並且要求兩個線圈的必須很好的諧振在同一頻率上，這樣 傳輸效率才比較高。而當採用多線圈的天線方式時，磁通能量能夠更好的傳遞在線圈中間， 逸散到線圈外的能量比較少，這樣傳遞的效率就比較高，並且可通過發射端位移裝置和接 收端位移裝置調整的線圈間的距離，以及通過電容調整諧振頻率，調整參數比較多，這樣可 以達到更高的無線充電效率。
[0037] 綜上所述，本發明專利的優點如下：
[0038] 1、採用了無線充電裝置的方式，借用現有的電力網絡線路，安裝在停車位的前方， 工程改造比較小，經濟實惠，便於無線充電的推廣普及。
[0039] 2、當普通的金屬放置在充電天線上時，它對充電天線電壓的影響和線圈天線的影 響是不同的，我們通過反向檢測這些反饋影響的不同從而判斷是否是充電線圈天線，檢測 車輛停放位置是否合適。
[0040] 3、針對不同的被充設備，我們通過檢測電壓的變化，從而通過通信控制模塊控制 充電電壓，進而調整發射功率。
[0041] 4、通過電壓轉化模塊的控制，我們可以調整線圈天線的諧振頻率，進而可以和車 載部分的充電天線形成共振匹配，利於提高無線充電的效率。並且多線圈中的每個線圈都 存在可調的電容，可以調整對應的頻率。
[0042] 5、採用多線圈的無線充電方式時，磁通能量能夠更好的傳遞在線圈中間，逸散到 線圈外的能量比較少，這樣傳遞的效率就比較高，並且可調整的線圈間的頻率，調整參數比 較多，這樣可以達到更高的無線充電效率。
[0043] 6、採用多線圈的無線充電方式時，發射部分的多線圈和接收部分的多線圈之間的 相對距離關係可以受到控制電路的機械調整，這樣可以調整線圈間的距離，從而改變相互 之間的耦合情況，提高傳輸效率。
[0044] 這裡本發明的描述和應用都只是說明性和示意性的，並非是想要將本發明的範圍 限制在上述實施例中。這裡所披露的實施例的變形和改變是完全可能的，對於那些本領域 的普通技術人員來說，實施例的替換和等效的各種部件均是公知的。本領域技術人員還應 該清楚的是，在不脫離本發明的精神或本質特徵的情況下，本發明可以以其它形式、結構、 布置、比例，以及用其它組件、材料和部件來實現，以及在不脫離本發明範圍和精神的情況 下，可以對這裡所披露的實施例進行其它變形和改變。
【權利要求】
1. 一種無線充電的發射系統，其特徵在於，包括：充電發射裝置，以及與所述充電發射 裝置分別相連的充電發射天線和至少一個發射端寄生線圈，每一所述的發射端寄生線圈可 與充電發射天線產生磁諧振。
2. 如權利要求1所述的無線充電的發射系統，其特徵在於，所述的充電發射天線以及 每一發射端寄生線圈上分別並聯用於調整諧振頻率的電容，所述充電發射裝置通過控制所 述電容，調整相應的充電發射天線或發射端寄生線圈的諧振頻率。
3. 如權利要求1所述的無線充電的發射系統，其特徵在於，所述的充電發射天線以及 每一發射端寄生線圈分別具備發射端位移裝置，所述充電發射裝置通過控制所述發射端位 移裝置，調整相應的充電發射天線或發射端寄生線圈的位置。
4. 一種無線充電的接收系統，其特徵在於，包括：充電接收裝置，以及與所述充電接收 裝置分別相連的充電接收天線和至少一個接收端寄生線圈，每一所述的接收端寄生線圈可 與充電接收天線產生磁諧振。
5. 如權利要求4所述的無線充電的接收系統，其特徵在於，所述的充電接收天線以及 每一接收端寄生線圈上分別並聯用於調整諧振頻率的電容，所述充電接收裝置通過控制所 述電容，調整相應的充電接收天線或接收端寄生線圈的諧振頻率。
6. 如權利要求4所述的無線充電的接收系統，其特徵在於，所述的充電接收天線以及 每一接收端寄生線圈分別具備接收端位移裝置，所述充電接收裝置通過控制所述接收端位 移裝置，調整相應的充電接收天線或接收端寄生線圈的位置。
7. -種無線充電系統，其特徵在於，包括：充電發射裝置，以及與所述充電發射裝置分 別相連的充電發射天線和至少一個發射端寄生線圈，每一所述的發射端寄生線圈可與充電 發射天線產生磁諧振；充電接收裝置，以及與所述充電接收裝置分別相連的充電接收天線 和至少一個接收端寄生線圈，每一所述的接收端寄生線圈可與充電接收天線產生磁諧振。
8. 如權利要求7所述的無線充電系統，其特徵在於，每一所述的發射端寄生線圈還與 所述的接收端寄生線圈和充電接收天線產生磁諧振，以及每一所述的接收端寄生線圈還與 所述的發射端寄生線圈和充電發射天線產生磁諧振。
9. 如權利要求7所述的無線充電系統，其特徵在於，所述的充電發射天線、每一發射端 寄生線圈、充電接收天線以及每一接收端寄生線圈上分別並聯用於調整諧振頻率的電容， 所述充電發射裝置通過控制所述電容，調整相應的充電發射天線或發射端寄生線圈的諧振 頻率，所述充電接收裝置通過控制所述電容，調整相應的充電接收天線或接收端寄生線圈 的諧振頻率。
10. 如權利要求7所述的無線充電系統，其特徵在於，所述的充電發射天線以及每一 發射端寄生線圈分別具備發射端位移裝置，所述充電發射裝置通過控制所述發射端位移裝 置，調整相應的充電發射天線或發射端寄生線圈的位置；所述的充電接收天線以及每一接 收端寄生線圈分別具備接收端位移裝置，所述充電接收裝置通過控制所述接收端位移裝 置，調整相應的充電接收天線或接收端寄生線圈的位置。
11. 如權利要求7所述的無線充電系統，其特徵在於，所述的充電發射裝置包括：充電 控制模塊，以及與所述充電控制模塊分別相連的充電發射模塊和充電檢測模塊； 其中，充電控制模塊控制充電的過程，並且與電力系統後臺控制系統連接，根據電力公 司的後臺系統的要求對車輛進行充電； 充電檢測模塊用於反向檢測充電的效率和充電的頻率； 充電發射模塊將電源信號轉化成無線射頻信號，並通過所述的充電發射天線發射。
12. -種無線充電方法，其特徵在於，包括下列步驟： 通過充電發射天線與發射端寄生線圈的磁諧振，充電發射裝置發出無線射頻信號； 通過充電接收天線與接收端寄生線圈的磁諧振，充電接收裝置接收充電發射裝置發出 的無線射頻信號； 上述步驟採用權利要求7至11任一項所述的系統實施。
【文檔編號】H02J17/00GK104218688SQ201410401038
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月14日 優先權日:2014年8月14日
【發明者】陳業軍 申請人:陳業軍