本發(fā)明屬于無線供電領(lǐng)域，尤其涉及一種采用磁場(chǎng)原理進(jìn)行對(duì)位的無線充電裝置及方法。

背景技術(shù)：

無線充電技術(shù)，源于無線電能傳輸技術(shù)，小功率無線充電常采用電磁感應(yīng)式，如對(duì)手機(jī)充電的Qi方式，目前有些電動(dòng)汽車無線充電方式采用的感應(yīng)式；大功率無線充電常采用諧振式，目前大部分電動(dòng)汽車充電采用此方式，通常由供電設(shè)備（比如充電器）將能量傳送至用電的裝置，該裝置使用接收到的能量對(duì)電池充電或者供其本身運(yùn)作之用。由于充電器與用電裝置之間以磁場(chǎng)傳送能量，兩者之間不用電線連接，因此充電器及用電的裝置都可以做到無導(dǎo)電接點(diǎn)外露。

相比于有線充電，利用無線充電的設(shè)備可做到隱形、設(shè)備磨損率低、應(yīng)用范圍廣、公共充電區(qū)域面積相對(duì)的減小，而且技術(shù)含量高，操作方便。由于無線充電具有非接觸、無電線、可移動(dòng)等優(yōu)勢(shì)，這種新興的技術(shù)越來越受歡迎，并開始廣泛應(yīng)用于手機(jī)、家用電器、醫(yī)療、電動(dòng)汽車、無人機(jī)等領(lǐng)域。

但就目前形勢(shì)來看，制約無線充電發(fā)展的瓶頸之一就是其效率不夠高。限制無線充電效率的因素是多方面的，其中的主要因素就是傳輸?shù)木嚯x以及發(fā)射線圈和接收線圈對(duì)位的準(zhǔn)確性。理論上來講，傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，兩線圈（發(fā)射線圈和接收線圈）的耦合系數(shù)會(huì)越來越小，傳輸?shù)男室矔?huì)越來越小。另一方面，若發(fā)射線圈和接收線圈兩者的對(duì)位不準(zhǔn)，也會(huì)導(dǎo)致其耦合系數(shù)減小，造成效率的降低。

為此，要想方法設(shè)法在無線充電的時(shí)候使發(fā)射線圈和接收線圈處在最佳位置。目前，各種應(yīng)用于各種無線充電對(duì)位的裝置層出不窮，但大多都是從機(jī)械裝置上做出改造，結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且改造起來很困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種采用磁場(chǎng)原理進(jìn)行對(duì)位的無線充電方法，解決在位置未對(duì)準(zhǔn)的情況下無線充電效率低下的問題，并且本發(fā)明提出一種采用磁場(chǎng)原理進(jìn)行對(duì)位的無線充電裝置，其設(shè)計(jì)合理、安裝工程量小、易于實(shí)現(xiàn)、節(jié)省成本、智能化程度高、靈敏度高，從而使無線充電裝置保持在高效率充電狀態(tài)。

為了最大限度的提升無線電能傳輸效率，本發(fā)明提供一種采用磁場(chǎng)原理進(jìn)行對(duì)位的無線充電裝置，包括電能發(fā)射端（1-1）、電能接收端（2-1），其特殊之處在于，

所述電能發(fā)射端包括發(fā)射線圈控制器（1）、發(fā)射線圈（2）、位置檢測(cè)裝置；

所述電能接收端包括接收線圈（7）、能量調(diào)理及轉(zhuǎn)換電路（8）、負(fù)載（9）；

所述發(fā)射線圈控制器（1）的輸出端與發(fā)射線圈（2）電連接，所述能量調(diào)理及轉(zhuǎn)換電路（8）的輸入端與接收線圈（7）電連接；所述能量調(diào)理及轉(zhuǎn)換電路（8）的輸出端與負(fù)載（9）相連，所述發(fā)射線圈（2）和接收線圈（7）之間通過間隙相對(duì)設(shè)置實(shí)現(xiàn)非接觸連接；

所述位置檢測(cè)裝置包括檢測(cè)電路（3）、位置感應(yīng)線圈（4）、處理電路（5）、信號(hào)輸出部分（6），其中位置感應(yīng)線圈（4）以“8”字形繞制在發(fā)射線圈（2）表面，其面積與發(fā)射線圈（2）的面積相同；

所述檢測(cè)電路（3）的輸出端與信號(hào)輸出部分（6）的輸入端之間通過處理電路（5）相連，所述檢測(cè)電路（3）的輸入端與位置感應(yīng)線圈（4）電連接。

進(jìn)一步地，所述負(fù)載（9）為直流負(fù)載，能量調(diào)理及轉(zhuǎn)換電路（8）包括高頻整流及濾波電路，所述高頻整流及濾波電路采用控制整流過程的快恢復(fù)二極管、用來控制直流電壓的DC-DC模塊。

進(jìn)一步地，所述負(fù)載（9）為交流負(fù)載，能量調(diào)理及轉(zhuǎn)換電路（8）包括變頻及變壓電路，所述變頻及變壓電路為AC-DC-AC模塊。

進(jìn)一步地，所述位置感應(yīng)線圈（4）為單匝或者多匝線圈，且位置感應(yīng)線圈（4）的外形和發(fā)射線圈（2）的外形一致。

進(jìn)一步地，所述檢測(cè)電路（3）采用電壓峰值檢測(cè)電路和差分放大電路降低外界因素對(duì)裝置檢測(cè)穩(wěn)定性的影響。

進(jìn)一步地，所述發(fā)射線圈控制器（1）與電源相連，包括為發(fā)射線圈提供高頻交流信號(hào)的整流電路和逆變電路。

進(jìn)一步地，所述處理電路（5）包括ARM單片機(jī)、外圍電路。

進(jìn)一步地，所述信號(hào)輸出部分（6）為報(bào)警裝置或顯示器。

本發(fā)明提供一種采用磁場(chǎng)原理進(jìn)行對(duì)位的無線充電方法，采用本發(fā)明中的無線充電裝置，其特殊之處在于，在發(fā)射線圈與接收線圈之間產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)時(shí)，根據(jù)位置感應(yīng)線圈的輸出電壓進(jìn)行對(duì)位精確性的判斷，利用位置感應(yīng)線圈輸出電壓的大小判斷發(fā)射線圈與接收線圈之間的距離，利用位置感應(yīng)線圈輸出電壓的正負(fù)判斷接收線圈相對(duì)于發(fā)射線圈移動(dòng)的方向。

進(jìn)一步地，根據(jù)位置感應(yīng)線圈的輸出電壓進(jìn)行對(duì)位精確性的判斷，具體采用以下步驟：

步驟1、對(duì)位置感應(yīng)線圈的輸出電壓進(jìn)行初始化；

步驟2、讀取輸出電壓進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后的轉(zhuǎn)換值，并進(jìn)行數(shù)字濾波，得到輸出電壓的實(shí)際輸出值；

步驟3、將輸出電壓的實(shí)際輸出值與輸出電壓的基準(zhǔn)值比較，得到兩者差值；

步驟4、若差值絕對(duì)值大于閾值，則判斷發(fā)射線圈與接收線圈之間未成功對(duì)位并進(jìn)行對(duì)位調(diào)整，根據(jù)差值的大小判斷發(fā)射線圈與接收線圈之間的距離，根據(jù)的正負(fù)判斷接收線圈相對(duì)于發(fā)射線圈移動(dòng)的方向，執(zhí)行完調(diào)整后返回步驟2繼續(xù)實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出電壓；若否則返回步驟2繼續(xù)實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出電壓。

進(jìn)一步地，在步驟2中位置檢測(cè)裝置對(duì)于位置感應(yīng)線圈的輸出電壓處理，具體采用如下步驟：

步驟21、檢測(cè)位置感應(yīng)線圈的輸出電壓的初始值；

步驟22、根據(jù)發(fā)射線圈與接收線圈之間的磁場(chǎng)強(qiáng)度，位置感應(yīng)線圈感應(yīng)出的電勢(shì)差，經(jīng)過檢測(cè)電路進(jìn)行差分放大、整流濾波、峰值檢測(cè)，以及處理電路的AD轉(zhuǎn)換后，電勢(shì)差輸入至MPU；

步驟23、MPU根據(jù)電勢(shì)差與初始值之間的差值輸出接收線圈的偏移方向和偏移距離，并對(duì)輸出電壓進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換，在信號(hào)輸出部分給出提示信號(hào)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明從電磁場(chǎng)角度出發(fā)，分析了無線充電裝置發(fā)射線圈與接收線圈未對(duì)準(zhǔn)情況下磁場(chǎng)分布不均的原理，僅僅采用單一的位置感應(yīng)線圈，并配合相應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)電路，就檢測(cè)并分辨出了發(fā)射線圈和接收線圈二者位置的相對(duì)性，與其他位置檢測(cè)裝置相比，本裝置具有設(shè)計(jì)合理、工程量小、易于實(shí)現(xiàn)、節(jié)省成本、智能化程度高、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，并有效地保證充電效率。

2、本發(fā)明所公開的采用磁場(chǎng)原理進(jìn)行對(duì)位的無線充電裝置，可以應(yīng)用于無線充電應(yīng)用的各個(gè)場(chǎng)合。例如，在現(xiàn)在正在普及的手機(jī)無線充電上加入該裝置之后，充電時(shí)若對(duì)位不準(zhǔn)，可直接在手機(jī)屏幕上顯示提示信息，甚至顯示引導(dǎo)路徑引導(dǎo)用戶該如何將手機(jī)和發(fā)射線圈對(duì)準(zhǔn)；在采用無線充電的電動(dòng)汽車上，采用此裝置之后可將偏移信息顯示在司機(jī)的手機(jī)或者汽車屏幕上，引導(dǎo)司機(jī)將汽車泊在合適的位置上。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2-1是本發(fā)明實(shí)施例一的位置感應(yīng)線圈示意圖。

圖2-2是本發(fā)明實(shí)施例二的位置感應(yīng)線圈示意圖。

圖2-3是本發(fā)明實(shí)施例二的部分結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明位置感應(yīng)線圈實(shí)現(xiàn)無線充電對(duì)位的流程圖一。

圖4是本發(fā)明位置感應(yīng)線圈實(shí)現(xiàn)無線充電對(duì)位的流程圖二。

標(biāo)記說明：1、發(fā)射線圈控制器，1-1、電能發(fā)射端，2、發(fā)射線圈，2-1、電能接收端，3、檢測(cè)電路，4、位置感應(yīng)線圈，5、處理電路，6、信號(hào)輸出部分，7、接收線圈，8、能量調(diào)理及轉(zhuǎn)換電路，9、負(fù)載。

具體實(shí)施方式

以下參照附圖1至附圖4，給出本發(fā)明的具體實(shí)施方式，用來對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1：

如圖1所示，本實(shí)施例中的無線充電裝置包括電能發(fā)射端1-1和電能接收端2-1。電能發(fā)射端1-1包括發(fā)射線圈控制器1、發(fā)射線圈2、位置檢測(cè)裝置，其中發(fā)射線圈控制器1的輸入端與220V市電相連，輸出端與發(fā)射線圈2相連，發(fā)射線圈控制器1內(nèi)部包括整流電路、濾波電路、逆變電路等部分，通過整流、濾波為發(fā)射線圈提供高頻交流信號(hào)。

當(dāng)要進(jìn)行無線充電的時(shí)候，首先給發(fā)射端1-1供電，發(fā)射線圈控制器里的整流、濾波部分將220V交流電變成穩(wěn)定直流，再經(jīng)過逆變部分將此直流變成頻率為kHz或者M(jìn)Hz的高頻交流，此交流電通過發(fā)射線圈的時(shí)候會(huì)感生出一個(gè)高頻交變磁場(chǎng)，此時(shí)，完成電場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)能量向外發(fā)射的過程。

電能接收端包括接收線圈7、能量調(diào)理及轉(zhuǎn)換電路8、負(fù)載9。能量調(diào)理及轉(zhuǎn)換電路8的輸入端與接收線圈7電連接；能量調(diào)理及轉(zhuǎn)換電路8的輸出端與負(fù)載9相連，發(fā)射線圈2和接收線圈7之間通過間隙相對(duì)設(shè)置實(shí)現(xiàn)非接觸連接。

如若此時(shí)接收線圈處在合適的位置和合適的距離，接收線圈會(huì)在發(fā)射線圈產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)中感應(yīng)出電流，此電流同樣是kHz或者M(jìn)Hz的高頻交流電，此時(shí)要對(duì)負(fù)載供電，就必須進(jìn)行相關(guān)的能量調(diào)理及轉(zhuǎn)換，而能量調(diào)理及轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將接收線圈的輸出跟負(fù)載匹配。

在本實(shí)施例中負(fù)載需要的是電壓為一定值的直流電，所以負(fù)載9為直流負(fù)載，能量調(diào)理及轉(zhuǎn)換電路8則包括高頻整流及濾波電路，此時(shí)高頻整流電路必須采用快恢復(fù)二極管，使整流過程中二極管來得及關(guān)斷，若還需要控制直流電壓，則必須添加DC-DC模塊。

電能發(fā)射端1-1的位置檢測(cè)裝置包括檢測(cè)電路3、位置感應(yīng)線圈4、處理電路5、信號(hào)輸出部分6。檢測(cè)電路3的輸出端與信號(hào)輸出部分6的輸入端之間通過處理電路5相連，所述檢測(cè)電路3的輸入端與位置感應(yīng)線圈4電連接。在本實(shí)施例中檢測(cè)電路3采用電壓峰值檢測(cè)電路和差分放大電路有效降低外界因素對(duì)裝置檢測(cè)穩(wěn)定性的影響，提高檢測(cè)的精度。處理電路5包括ARM單片機(jī)、外圍電路，功能強(qiáng)大，處理速度快；在本實(shí)施例中處理電路為MCU。信號(hào)輸出部分6可以是簡單的報(bào)警，也可以是輸出對(duì)位的提示信號(hào)，在本實(shí)施例中采用的具有報(bào)警功能的報(bào)警裝置。

位置感應(yīng)線圈4是單匝或者多匝線圈，在本實(shí)施例中用單匝線圈進(jìn)行說明。位置感應(yīng)線圈4以“8”字形繞制在發(fā)射線圈表面，其面積與發(fā)射線圈相同。位置檢測(cè)裝置的位置感應(yīng)線圈4的形狀不是確定的，隨發(fā)射線圈的形狀變化而變化；在本實(shí)施例中采用如附圖2-1中的方形，也可以選用附圖2-2中的圓形。方形的位置檢測(cè)線圈和圓形的位置檢測(cè)線圈在結(jié)構(gòu)和功能上是一致的。

利用本實(shí)施例無線充電裝置的進(jìn)行對(duì)位的方法參考附圖3-4，具體為：

無線充電時(shí)，在發(fā)射、接收線圈對(duì)準(zhǔn)的情況下，發(fā)射線圈中通入高頻交變電壓，會(huì)在發(fā)射、接收線圈之間產(chǎn)生均勻的高頻交變磁場(chǎng)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，該高頻磁場(chǎng)會(huì)在兩個(gè)差動(dòng)連接的接收線圈中感生出兩個(gè)反相、同頻、等幅的電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)這兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)能夠相互抵消，位置感應(yīng)線圈的輸出幾乎為0。

當(dāng)收發(fā)線圈沒有對(duì)準(zhǔn)時(shí)，兩個(gè)差動(dòng)連接的接收線圈處的磁場(chǎng)強(qiáng)度不同，感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)的幅值不一樣，平衡被打破，產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差，此時(shí)位置感應(yīng)線圈輸出端有一定電壓，此電壓經(jīng)過差分放大、整流濾波、峰值檢測(cè)、AD轉(zhuǎn)換等電路輸入MPU，MPU根據(jù)設(shè)定好的算法對(duì)比數(shù)據(jù)并輸出相應(yīng)的偏移方向和偏移距離。在本實(shí)施例中MPU就是微處理器單元，也就是單片機(jī)。

具體來講，首先在MPU中設(shè)定一個(gè)閾值，此閾值的設(shè)置是為了消除干擾，因?yàn)橛捎诟蓴_等原因位置感應(yīng)線圈即便是在發(fā)射線圈和接收線圈對(duì)準(zhǔn)的情況下輸出也不會(huì)是絕對(duì)的0，設(shè)置合適的閾值便可以防止誤動(dòng)作；MPU在合適的時(shí)間間隔中實(shí)時(shí)比較位置感應(yīng)線圈的輸出和閾值的關(guān)系，一旦位置感應(yīng)線圈的輸出大于閾值，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)提示設(shè)備使用者位置未對(duì)準(zhǔn)，并根據(jù)位置感應(yīng)線圈輸出的正負(fù)判斷接收線圈該移動(dòng)的方向，根據(jù)位置感應(yīng)線圈輸出的大小判斷接收線圈該移動(dòng)的距離大小，在使用者移動(dòng)接收線圈的過程中MPU實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)位置感應(yīng)線圈的輸出，直到其輸出小于設(shè)定的閾值。

跟其他類似的裝置相比，本發(fā)明從電磁場(chǎng)角度出發(fā)，分析了無線充電裝置發(fā)射線圈與接收線圈未對(duì)準(zhǔn)情況下磁場(chǎng)分布不均的原理，設(shè)計(jì)了采用磁場(chǎng)原理進(jìn)行對(duì)位的無線充電裝置，該裝置具有設(shè)計(jì)合理、工程量小、實(shí)現(xiàn)方式簡單、節(jié)省成本、智能化程度高、穩(wěn)定可靠、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，并有效地保證充電效率。

實(shí)施例2：

在本實(shí)施例中采用的無線充電裝置及無線充電方法，類似于實(shí)施例1，不同的地方是，本實(shí)施例中，負(fù)載需要的是電壓為工頻交流電，負(fù)載9為交流負(fù)載，其中能量調(diào)理及轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將接收線圈的輸出跟負(fù)載匹配；能量調(diào)理及轉(zhuǎn)換電路8則包括變頻及變壓電路，變頻變壓模塊可以選擇AC-DC-AC模塊。

在本實(shí)施例中位置檢測(cè)線圈采用如附圖2-2中的圓形，發(fā)射線圈、接收線圈均采用圓形，在本實(shí)施例中位置檢測(cè)線圈、發(fā)射線圈、接收線圈的連接關(guān)系如附圖2-3所示，圓形的位置檢測(cè)線圈和方形的位置檢測(cè)線圈在結(jié)構(gòu)和功能上是一致的。

在本實(shí)施例中信號(hào)輸出部分6通過顯示器輸出對(duì)位的提示信號(hào)，將對(duì)位過程中位置感應(yīng)線圈的輸出值、接收線圈該移動(dòng)的方向、接收線圈該移動(dòng)的距離大小等信息給予提示，方便設(shè)備使用者判斷定位過程。

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。