本發(fā)明涉及無線充電技術(shù)，具體涉及一種基于最佳效率跟蹤的自適應(yīng)無線供電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

無線供電技術(shù)也稱為非接觸式供電，是通過電磁感應(yīng)耦合將電能以無線的方式傳輸給負(fù)載，它無需任何物理上的連接，避免了摩擦，消除了觸電的危險，具有廣泛的應(yīng)用前景。

無線充電系統(tǒng)主要利用電磁感應(yīng)原理，在無線充電系統(tǒng)中設(shè)置有發(fā)送線圈用于將電源的能量發(fā)送出去，在待充電的負(fù)載端中設(shè)置有接收線圈，通過在發(fā)送線圈中施加變化的電流以產(chǎn)生變化的電磁場，則變化的電磁場耦合到接收線圈，于是接收線圈中產(chǎn)生了充電電流，從而實現(xiàn)對負(fù)載端的無線充電。但是采用現(xiàn)有的無線充電技術(shù)進(jìn)行充電時，無線充電效率較低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于最佳效率跟蹤的自適應(yīng)無線供電系統(tǒng)，能實現(xiàn)最佳效率跟蹤，且效率高，電路簡單，成本低。

本發(fā)明所述的基于最佳效率跟蹤的自適應(yīng)無線供電系統(tǒng)，包括發(fā)射端和接收端；

所述發(fā)射端包括BUCK-BOOST模塊、第一控制模塊、第一電壓電流檢測模塊、第一藍(lán)牙模塊和第一LC并聯(lián)諧振模塊，第一控制模塊分別與BUCK-BOOST模塊、第一電壓電流檢測模塊、第一藍(lán)牙模塊、第一LC并聯(lián)諧振模塊連接，BUCK-BOOST模塊與第一電壓電流檢測模塊連接，第一電壓電流檢測模塊與第一LC并聯(lián)諧振模塊連接；

所述接收端包括第二控制模塊、第二LC并聯(lián)諧振模塊、整流模塊、穩(wěn)壓模塊、第二電壓電流檢測模塊、第二藍(lán)牙模塊，第二控制模塊分別與整流模塊、穩(wěn)壓模塊、第二電壓電流檢測模塊、第二藍(lán)牙模塊連接，第二LC并聯(lián)諧振模塊與整流模塊連接，整流模塊與穩(wěn)壓模塊連接，穩(wěn)壓模塊與第二電壓電流檢測模塊連接；

所述BUCK-BOOST模塊用于調(diào)整發(fā)射端的電壓，使接收端的輸出電壓達(dá)到充電要求的電壓；

所述第一電壓電流檢測模塊用于測量BUCK-BOOST模塊輸出的電流及電壓，并將測量數(shù)據(jù)傳輸給第一控制模塊；

所述第一LC并聯(lián)諧振模塊與第二LC并聯(lián)諧振模塊采用磁場耦合，第一LC并聯(lián)諧振模塊用于將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能并發(fā)射出去，第二LC并聯(lián)諧振模塊接收第一LC并聯(lián)諧振模塊所發(fā)送的交流電能；

所述整流模塊用于將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能；

所述穩(wěn)壓模塊用于穩(wěn)定輸出電壓并輸出電源到負(fù)載模塊，為負(fù)載模塊充電；

所述第二電壓電流檢測模塊用于測量接收端的電壓及電流，并將測量數(shù)據(jù)傳輸給第二控制模塊；

所述第一藍(lán)牙模塊、第二藍(lán)牙模塊用于發(fā)送端與接收端建立藍(lán)牙通信連接；

所述第二控制模塊用于控制接收端輸出穩(wěn)定的充電電壓，并將第二電壓電流檢測模塊所檢測的電流信號通過所建立的藍(lán)牙連接反饋給第一控制模塊；

所述第一控制模塊根據(jù)第一電壓電流檢測模塊、第二電壓電流檢測模塊所檢測的數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整發(fā)射端的交流電能的頻率，并比對第一電壓電流檢測模塊、第二電壓電流檢測模塊所檢測的數(shù)據(jù)，在確保接收端輸出的電壓及電流穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，找出當(dāng)前位置狀態(tài)下的最小發(fā)射直流電流所對應(yīng)的頻率。

所述發(fā)射端還包括電源去耦模塊，用于對輸入的直流信號進(jìn)行去耦處理，該電源去耦模塊與BUCK-BOOST模塊連接。

所述第一LC并聯(lián)諧振模塊包括電容C8、電容C9、電感L1和MOS管Q1，電容C8的一端接地，電容C8的另一端經(jīng)電容C9與MOS管Q1的漏極連接，MOS管Q1的源極接地，電感L1與電容C9并聯(lián)。

所述BUCK-BOOST模塊3包括電感L4、電容C27、MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5和MOS管Q6，電感L4的一端與MOS管Q3的源極和MOS管Q5的漏極連接，電感L4的另一端與MOS管Q4的源極和MOS管Q6的漏極連接，電容C27的陽極分別與MOS管Q4的漏極和VCC連接，電容C27的陰極、MOS管Q6的源極、MOS管Q5的源極均接地。

所述第二LC并聯(lián)諧振模塊包括電容C10、電容C11、電感L2和MOS管Q2，電容C10的一端接地，電容C10的另一端經(jīng)電容C11與MOS管Q2的漏極連接，MOS管Q2的源極接地，電感L2與電容C11并聯(lián)。

所述第一控制模塊包括單片機控制子模塊和單片機供電子模塊，所述單片機供電子模塊與單片機控制子模塊連接。

所述單片機控制子模塊包括單片機、電容C25、電容C26、電阻R6、電阻R7和發(fā)光二極管D7和發(fā)光二極管D8，所述單片機的4腳經(jīng)電容C25后接地，單片機的8腳經(jīng)電容C26后接地，單片機的13腳經(jīng)電阻R6、發(fā)光二極管D6后接VDD，單片機的15腳經(jīng)電阻R7、發(fā)光二極管D7后接VDD。

本發(fā)明的有益效果：根據(jù)第二控制模塊接收到的電流電壓數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙通訊來確定發(fā)射端的頻率，從而使其達(dá)到最佳并聯(lián)諧振頻率，其發(fā)射端電流最小，電流使無線傳輸能量效率達(dá)到最佳。并通過控制工作頻率來維持恒定的輸出電壓和電流。本發(fā)明采用閉環(huán)控制，以保持一個恒定的輸出電壓來抵消耦合和負(fù)載的變化，雖然系統(tǒng)會因等效負(fù)載阻抗偏離最佳點而發(fā)生效率退化，但它可以基于藍(lán)牙通信接收的電流數(shù)據(jù)來反饋補償退化的效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的原理框圖；

圖2為本發(fā)明中電源輸入去耦模塊的電路圖；

圖3為本發(fā)明中第一電壓電流檢測模塊的電路圖；

圖4為本發(fā)明中BUCK-BOOST模塊的電路圖；

圖5為本發(fā)明中第一LC并聯(lián)諧振模塊的電路圖；

圖6為本發(fā)明中第二LC并聯(lián)諧振模塊的電路圖；

圖7為本發(fā)明中整流模塊的電路圖；

圖8為本發(fā)明中第一藍(lán)牙模塊的電路圖；

圖9為本發(fā)明中第二藍(lán)牙模塊的電路圖；

圖10為本發(fā)明中第二電壓電流檢測模塊的電路圖；

圖11為本發(fā)明中穩(wěn)壓模塊的電路圖；

圖12為本發(fā)明中單片機供電子模塊的電路圖；

圖13為本發(fā)明中單片機控制子模塊的電路圖；

圖14為本發(fā)明的控制流程圖；

圖中：1、電源去耦模塊，2、第一電壓電流檢測模塊，3 、BUCK-BOOST模塊，4、第一LC并聯(lián)諧振模塊，5、第一控制模塊，6、第一藍(lán)牙模塊，7、第二LC并聯(lián)諧振模塊，8、整流模塊，9、穩(wěn)壓模塊，10、第二電壓電流檢測模塊，11、負(fù)載模塊，12、第二控制模塊，13、第二藍(lán)牙模塊。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示的基于最佳效率跟蹤的自適應(yīng)無線供電系統(tǒng)，包括發(fā)射端和接收端。

如圖1所示，本發(fā)明中，所述發(fā)射端包括電源去耦模塊1、第一電壓電流檢測模塊2、BUCK-BOOST模塊3，第一LC并聯(lián)諧振模塊4、第一控制模塊5和第一藍(lán)牙模塊6。

發(fā)射端的各模塊的連接關(guān)系如下：電源去耦模塊1與自動升降模塊3連接，BUCK-BOOST模塊3與第一電壓電流檢測模塊2連接，第一電壓電流檢測模塊2與第一LC并聯(lián)諧振模塊4連接，第一控制模塊5分別與第一電壓電流檢測模塊2、第一藍(lán)牙模塊6、BUCK-BOOST模塊3、第一LC并聯(lián)諧振模塊4連接。

如圖1所示，本發(fā)明中，所述接收端包括第二LC并聯(lián)諧振模塊7、整流模塊8、穩(wěn)壓模塊9、第二電壓電流檢測模塊10、第二控制模塊12、第二藍(lán)牙模塊13。

接收端的各模塊的連接關(guān)系如下：第二LC并聯(lián)諧振模塊7與整流模塊8連接，整流模塊8與穩(wěn)壓模塊9連接，穩(wěn)壓模塊9與第二電壓電流檢測模塊10連接，第二控制模塊12分別與整流模塊8、穩(wěn)壓模塊9、第二電壓電流檢測模塊10、第二藍(lán)牙模塊13連接。

本發(fā)明中，電源去耦模塊1用于對輸入的直流信號進(jìn)行去耦處理。所述BUCK-BOOST模塊3用于調(diào)整發(fā)射端的電壓，使接收端的輸出電壓達(dá)到充電要求的電壓。所述第一電壓電流檢測模塊2用于測量BUCK-BOOST模塊3輸出的電流及電壓，并將測量數(shù)據(jù)傳送給第一控制模塊5。 所述第一LC并聯(lián)諧振模塊4與第二LC并聯(lián)諧振模塊7采用磁場耦合，第一LC并聯(lián)諧振模塊4用于將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能并發(fā)射出去，第二LC并聯(lián)諧振模塊7接收第一LC并聯(lián)諧振模塊4所發(fā)送的交流電能。所述整流模塊8用于將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能。所述穩(wěn)壓模塊9用于穩(wěn)定輸出電壓并輸出電源到負(fù)載模塊11，為負(fù)載模塊11充電。所述第二電壓、電流檢測模塊10用于測量接收端的輸出電壓及電流，并將測量數(shù)據(jù)傳送給第二控制模塊12。所述第一藍(lán)牙模塊6、第二藍(lán)牙模塊13用于發(fā)送端與接收端建立藍(lán)牙通信連接。所述第二控制模塊12用于控制接收端輸出穩(wěn)定的充電電壓，并將第二電壓電流檢測模塊10所檢測的電流信號通過所建立的藍(lán)牙連接反饋給第一控制模塊5。所述第一控制模塊5根據(jù)第一電壓電流檢測模塊2、第二電壓電流檢測模塊10所檢測的數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整發(fā)射端的交流電能的頻率，并比對第一電壓電流檢測模塊2、第二電壓電流檢測模塊10所檢測的數(shù)據(jù)，在確保接收端輸出的電壓及電流穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，找出當(dāng)前位置狀態(tài)下的最小發(fā)射直流電流所對應(yīng)的頻率。

在一個開環(huán)的WPT（無線能量傳輸）系統(tǒng)中，電壓和效率會隨著系統(tǒng)的耦合系數(shù)及負(fù)載條件變化而變化。耦合系數(shù)和負(fù)載條件會隨著環(huán)境變化而變化。例如，在智能手機充電過程中，充電電池的負(fù)載條件發(fā)生變化是由于智能手機的位置擺放不同使其兩線圈的最佳諧振頻率發(fā)生改變，耦合系數(shù)也發(fā)生了改變。當(dāng)充電百分比不同的時候，例如充電到40%，80%，最佳諧振頻率也會發(fā)生變化。最佳諧振頻率：輸出電壓有兩個單獨的峰值頻率在“耦合”區(qū)域。一般來說，無線供電系統(tǒng)需要一個以盡可能最高效率精確的輸出電壓和電流。

本發(fā)明提出了基于最佳效率跟蹤的自適應(yīng)負(fù)載無線供電系統(tǒng)，首先根據(jù)負(fù)載的不同，在發(fā)射端提供一個初始電壓，第二電壓電流檢測模塊10將檢測的結(jié)果反饋給發(fā)射端，如果電壓不能達(dá)到發(fā)載的供電要求，將提高發(fā)射端電壓，當(dāng)電壓達(dá)到供電要求后，通過調(diào)整諧振頻率來減小輸出電流，當(dāng)輸出電流最小時，此時效率最大。

如圖2所示，所述電源輸入去耦模塊包括電容C1、電容C2、電容C3、電容C4和電容C5，電容C1、電容C2、電容C3、電容C4和電容C5的一端均與USB座的3腳連接，電容C1、電容C2、電容C3、電容C4和電容C5的另一端均接地。

如圖3所示，所述第一電壓電流檢測模塊2包括芯片U1（型號為ACS712）、電容C6、電容C7，芯片U1的1腳和2腳接VCC，芯片U1的3腳和4腳接VCC1，芯片U1的8腳經(jīng)電容C7接地，芯片U1的6腳經(jīng)電容C6后接地，芯片U1的5腳接地。

如圖4所示，所述BUCK-BOOST模塊3包括電感L4、電容C27、MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5和MOS管Q6，電感L4的一端與MOS管Q3的源極和MOS管Q5的漏極連接，電感L4的另一端與MOS管Q4的源極和MOS管Q6的漏極連接，電容C27的陽極分別與MOS管Q4的漏極和VCC連接，電容C27的陰極、MOS管Q6的源極、MOS管Q5的源極均接地。

如圖5所示，所述第一LC并聯(lián)諧振模塊4包括電容C8、電容C9、電感L1和MOS管Q1，電容C8的一端接地，電容C8的另一端經(jīng)電容C9與MOS管Q1的漏極連接，MOS管Q1的源極接地，電感L1與電容C9并聯(lián)。

如圖6所示，所述第二LC并聯(lián)諧振模塊7包括電容C10、電容C11、電感L2和MOS管Q2，電容C10的一端接地，電容C10的另一端經(jīng)電容C11與MOS管Q2的漏極連接，MOS管Q2的源極接地，電感L2與電容C11并聯(lián)。

如圖7所示，所述整流模塊8包括電阻R1、電容C12、二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4，電阻R1與電容C12并聯(lián)，二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4組成整流橋，其中，二極管D1與二極管D3的連接點接地，電阻R1與電容C12的其中一個連接點和二極管D3與二極管D4的連接點連接，電阻R1與電容C12的另一個連接點和二極管D1與二極管D2的連接點連接。

如圖8和圖9所示，第一藍(lán)牙模塊6和第二藍(lán)牙模塊13的電路圖。

如圖10所示，所述第二電壓電流檢測模塊10包括芯片U2（型號為ACS712）、電容C13、電容C14，芯片U2的1腳和2腳接OUT，芯片U2的3腳和4腳接VCC，芯片U2的8腳經(jīng)電容C14接地，芯片U2的6腳經(jīng)電容C13后接地，芯片U2的5腳接地。

如圖11所示，所述穩(wěn)壓模塊8包括芯片MP2307、電容C15、電容C16、電容C17、電容C18、電容C19、電容C20、電容C21、電容C22、電容C23、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5和穩(wěn)壓二極管D5，其中，電容C15、電容C16、電容C17、電容C18并聯(lián)，電容C15、電容C16、電容C17、電容C18的負(fù)極接地，電容C15、電容C16、電容C17、電容C18的正極經(jīng)電阻R3與芯片MP2307的5腳連接，電阻R4與電阻R3并聯(lián)；芯片MP2307的6腳經(jīng)電容C22、電阻R5后接地，芯片MP2307的6腳還經(jīng)電容C23后接地；芯片MP2307的7腳經(jīng)電阻R2、電容C21、電容C20與芯片MP2307的8腳連接，芯片MP2307的1腳經(jīng)電容C19、穩(wěn)壓二極管D5后接地。

所述第一控制模塊5包括單片機控制子模塊和單片機供電子模塊，所述單片機供電子模塊與單片機控制子模塊連接。

如圖12所示，所述單片機供電子模塊包括芯片U3（型號為LM1117MP-3.3）、二極管D6、電容C24，芯片U3的2腳經(jīng)二極管D6與芯片U3的3腳連接，芯片U3的2腳還經(jīng)電容C24與芯片U3的1腳連接。

如圖13所示，所述單片機控制子模塊包括單片機（STM8）、電容C25、電容C26、電阻R6、電阻R7和發(fā)光二極管D7和發(fā)光二極管D8，所述單片機的4腳經(jīng)電容C25后接地，單片機的8腳經(jīng)電容C26后接地，單片機的13腳經(jīng)電阻R6、發(fā)光二極管D7后接VDD，單片機的15腳經(jīng)電阻R7、發(fā)光二極管D8后接VDD。

如圖14所示，本發(fā)明的控制流程圖，系統(tǒng)上電后進(jìn)入初始化，接收端的單片機（即第一控制模塊）將發(fā)射端BUCK-BOOST模塊3輸出的電壓調(diào)整為4V，之后系統(tǒng)則進(jìn)入休眠模式，以減少待機耗電；當(dāng)發(fā)射端檢測到總電流有較大增量時，打開藍(lán)牙進(jìn)行通信，確認(rèn)是否為接收設(shè)備接入；在確認(rèn)接收設(shè)備接入后，提高發(fā)射端的BUCK-BOOST模塊3的輸出電壓；接收端讀取當(dāng)前的負(fù)載電壓和電流，判斷負(fù)載電壓和電流是否滿足負(fù)載充電要求；若不滿足，則接收端的單片機（即第二控制模塊）通過所建立的藍(lán)牙連接告知發(fā)射端，使其提高發(fā)射端的BUCK-BOOST模塊3的輸出電壓；如滿足要求，則發(fā)射端單片機在保證接收端負(fù)載電壓和電流不變的情況下，調(diào)節(jié)諧振頻率，找到最佳諧振頻率點；當(dāng)檢測到已經(jīng)達(dá)到充電完成時，系統(tǒng)則進(jìn)入休眠，并減少發(fā)射端的能量輸出，從而保護(hù)負(fù)載。

本發(fā)明主要設(shè)計最佳頻率跟蹤技術(shù)。基于最佳效率跟蹤的自適應(yīng)無線供電系統(tǒng)所傳輸?shù)男实拇笮∈峭ㄟ^調(diào)節(jié)發(fā)射端的工作頻率來實現(xiàn)的。設(shè)定系統(tǒng)的諧振頻率為150KHz，當(dāng)系統(tǒng)開始傳輸電能后，其工作頻率一般在 112KHz 到 205KHz 之間，頻率偏離諧振點越遠(yuǎn)，傳輸?shù)碾娔芫驮叫?。在改變系統(tǒng)工作頻率的過程中，系統(tǒng)的占空比保持50%不變，只有當(dāng)工作頻率達(dá)到205KHz時，才會通過減小占空比來減少能量的傳輸。