一种用于电动割草机的无线充电系统

技术领域

本发明涉及电路技术领域，具体为一种用于电动割草机的无线充电系统。

背景技术

传统的割草机动力来源于柴油发动机或汽油发动机，因其消耗不可再生的化石能源并且产生污染环境的有害气体，正逐渐被价格低廉、维护简单、重量轻的电动机割草机所替代。常规的磁感应式无线充电器，全桥LC谐振网络采用变频的控制方式，如图21和图22所示，工作区域均偏离于谐振状态（f>fr,如图24），并非真正意义上的谐振。这是因为发射和接收线圈之间充电距离远，接收端反射回发射端的阻抗非常小，可忽略不计，当谐振时的容抗和感抗相互抵消，只有线圈的绕线内阻，电阻阻抗本身非常小，谐振时的电流非常大，非常容易烧毁MOSFET、谐振电容等器件。所以，常规的磁感应式无线充电器通常工作于感性区（f>fr时，XL>XC），通过感抗抑制谐振槽的电流，防止谐振时的电流过大损坏元器件（如图26）。然而，这种在非谐振点的谐振网络输入电抗（绕线内阻与感抗的和）过大，会造成无线能量传输时的效率非常低、能量传输距离近的不利影响，目前市场上的电动割草机普遍是需要人工拆卸电池包为电池充电，或者是通过充电器拉出一根电线插入割草机为其提供电能，充电过程比较繁琐，不利于长时间使用频繁充电的割草机。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于电动割草机的无线充电系统，以解决上述背景技术中提出的现如今充电过程比较繁琐的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于电动割草机的无线充电系统，无线充电系统用移项控制的全桥LC谐振逆变网络，包括TX发射端、RX接收端和BMS锂电池保护电路，TX发射端包括TX输入电压/电流检测模块、TX VCC供电模块、TX MCU控制模块、TX发射功率控制模块和TX谐振网络监控模块，RX接收端包括RX能量接收模块、RX充电开通关断控制、充电电流检测模块和RX充电控制模块，BMS锂电池保护电路包括BMS锂电池充放电保护模块。

作为优选，TX输入电压/电流检测模块用于检测输入电压、电流，TX VCC供电模块的工作电压为3.3V、驱动电压为10V。

作为优选，TX MCU控制模块用于产生驱动信号、控制蓝牙通信、工作状态检测以及保护信号。

作为优选，TX发射功率控制模块包括驱动IC电路、驱动变压器和全桥MOSFET。

作为优选，TX谐振网络监控模块用于电流检测变压器T1/T4实时检测谐振网络的电流。

作为优选，RX能量接收模块包括电感L1、RX端谐振阻抗匹配网络和桥式整流电路。

作为优选，RX充电开通关断控制、充电电流检测模块包括RX控制端和U5。

作为优选，RX充电控制模块用于检测电池的电压、温度状态，RX充电控制模块包括蓝牙模块U3或2.4G射频发射模块。

作为优选，BMS锂电池充放电保护模块用于检测每一节电池的电压状态、电池包的温度状态和充放电电流。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本用于电动割草机的无线充电系统可根据无线充电距离、无线充电功率来设计发射和接收线圈，使无线能量传输效率最大化、传输距离最远的同时做到尺寸最小。该无线充电系统包含能量发射模块TX、能量接收模块RX、锂电池保护模块BMS，同时适用于电动工具、电动自行车、智能机器人等中功率用电产品设备。满足小型化，低成本，便于生产、安全可靠的要求，能为人们的日常生活带来极大的便利性。

2、当割草机的接收端被推入到充电桩的发射端的可充电范围（100mm以内），割草机无线充电接收端接收能量达到正常工作条件，MCU控制蓝牙模块（或射频模块）与充电桩发射端进行匹配校验，发射端进行谐振网络检测，检测校验完毕后进入预充电模式。发射端根据接收端发射过来的电池电压、温度等状况选择涓流、恒流、恒压等充电模式。无线充电系统采用电磁感应原理，经过发射线圈和接收线圈之间的耦合进行能量的传送。输入直流电压经过全桥功率逆变电路变换成高频交流电供给发射线圈。接收线圈接收的能量经桥式整流电路转换成直流电为电池包充电，电池包获得电能后即可为割草机供电，BMS锂电池保护电路实时监测电池电压、电流、温度等状态，负责充放电过程中过充电保护、过放电保护、过温度保护、过电流保护、短路保护、电池单节均衡电压检测。

附图说明

图1是本发明的无线充电原理示意图；

图2是本发明TX发射端的电路示意图；

图3是本发明TX MCU控制模块的电路示意图；

图4是本发明TX输入电压/电流检测模块的电路示意图；

图5是本发明TX VCC供电模块的电路示意图；

图6是本发明TX发射功率控制模块的电路示意图；

图7是本发明TX谐振网络监控模块的电路示意图；

图8是本发明RX接收端的电路示意图；

图9是本发明RX能量接收模块的电路示意图；

图10是本发明RX充电开通关断控制、充电电流检测模块的电路示意图；

图11是本发明RX充电控制模块的电路示意图；

图12是本发明BMS锂电池保护电路的电路示意图；

图13是本发明BMS锂电池充放电保护模块之一的电路示意图；

图14是本发明BMS锂电池充放电保护模块之二的电路示意图；

图15是本发明BMS锂电池充放电保护模块之三的电路示意图；

图16是本发明BMS锂电池充放电保护模块之四的电路示意图；

图17是本发明的模块组成示意图；

图18是本发明无线充电系统效率测试表之一；

图19是本发明无线充电系统效率测试表之二；

图20是本发明无线充电系统效率测试表；

图21是本发明的全桥LC谐振网络电路图；

图22是本发明的全桥LC谐振网络的变频控制脉冲图；

图23是本发明的全桥LC谐振网络的移项控制脉冲图；

图24是本发明的全桥LC谐振网络增益频率曲线示意图；

图25是本发明的谐振网络的电流检测模块的电路图；

图26是本发明谐振网络工作在非谐振点时的示意图；

图27是本发明谐振网络工作在谐振点时的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-27，本发明提供以下技术方案：

一种用于电动割草机的无线充电系统，如图21和图23所示，无线充电系统用移项控制的全桥LC谐振逆变网络，通过电流检测变压器检测谐振槽的电流的幅值和频率，随后主控制器调节开关频率与谐振频率相等的前提下，通过控制Vin的有效占空比，使谐振网络工作于谐振状态的同时能够限制电流大小，如图27所示，防止损坏MOSFET、谐振电容等元器件。电流检测变压器（如图25中T1）实时检测谐振槽的电流，能够确保网络工作在谐振状态。

如图1和图17所示，包括TX发射端、RX接收端和BMS锂电池保护电路，如图2所示，TX发射端包括TX输入电压/电流检测模块、TX VCC供电模块、TX MCU控制模块、TX发射功率控制模块和TX谐振网络监控模块，如图8所示，RX接收端包括RX能量接收模块、RX充电开通关断控制、充电电流检测模块和RX充电控制模块，BMS锂电池保护电路包括BMS锂电池充放电保护模块。

如图4所示，TX输入电压/电流检测模块用于检测输入电压、电流，通过检测输入电压、电流可以实时监控电路工作状态，提供OVP/OCP/FOD/欠耦合保护等，防止元器件损坏。

如图5所示，TX VCC供电模块的工作电压为3.3V、驱动电压为10V，通过Buck降压线路为MCU的正常工作提供3.3V工作电压及10V驱动电压。

如图3所示，TX MCU控制模块用于产生驱动信号、控制蓝牙通信、工作状态检测以及保护信号，TX MCU主控制电路，产生驱动信号、控制蓝牙通信、工作状态（电压、电流、温度）检测、保护信号。

如图6所示，TX发射功率控制模块包括驱动IC电路、驱动变压器和全桥MOSFET，由MCU产生4组驱动信号：PWM1L/PWM1H/PWM2L/PWM2H，经过驱动IC（U5/U6）、驱动变压器(T2/T3)控制全桥MOSFET（Q1/Q2/Q3/Q4），为谐振网络（L2,C30B,C31B,C32B，C28C）提供能量。

如图7所示，TX谐振网络监控模块用于电流检测变压器T1/T4实时检测谐振网络的电流，由电流检测变压器（current sense transformer）T1/T4实时检测谐振网络的电流，为FOD异物检测、输入过电流保护提供控制信号。

如图9所示，RX能量接收模块包括电感L1、RX端谐振阻抗匹配网络和桥式整流电路，L1接收TX发射端传递过来的能量，经过RX端谐振阻抗匹配网络，再经过桥式整流将正弦交流电转换为直流电，为电池端提供充电电能。

如图10所示，RX充电开通关断控制、充电电流检测模块包括RX控制端和U5，RX端的MCU控制Q1&Q2的导通、关断来控制充电;U5负责检测充电时的电流，为MCU提供电流反馈信号。

如图11所示，RX充电控制模块用于检测电池的电压、温度状态，RX充电控制模块包括蓝牙模块U3，检测电池的电压、温度状态，通过蓝牙模块U3将RX端的信号传递到TX端，为涓流、恒流、恒压控制反馈信号；MCU根据电池状态控制充电的开通关断。

值得说明的是，蓝牙模块U3还可以采用2.4G射频发射模块替代，也能检测电池的电压、温度状态，通过2.4G射频发射模块将RX端的信号传递到TX端，为涓流、恒流、恒压控制反馈信号。

如图12-图16所示，BMS锂电池充放电保护模块用于检测每一节电池的电压状态、电池包的温度状态和充放电电流，检测电池包的每一节电池的电压状态，电池包的温度状态、充放电电流，通过控制MOSFET(Q3/Q4/Q5/Q6)的开通关断，为锂电池的充放电提供过充电压保护、过放电压保护、过放电流保护、负载短路保护、充电过温保护、充电低温保护、放电过温保护等。

如图18-图20所示，通过阶梯式充电电流进行快速充电，能防止电池虚压，充满10串1并的锂电池包只需要2个小时，在一定范围内，发射线圈和接收线圈的距离越近效率越高，两个线圈相距68mm效率可达88.87%。

值得说明的是，本实施例的无线充电系统采用移项控制的全桥LC谐振逆变网络。通过电流检测变压器（current sense transformer）检测谐振槽的电流的幅值和频率，随后主控制器调节开关频率与谐振频率相等的前提下，通过控制Vin的有效占空比，使谐振网络工作于谐振状态的同时能够限制电流大小，防止损坏MOSFET、谐振电容等元器件。电流检测变压器实时检测谐振槽的电流，能够确保网络工作在谐振状态。

本实施例的用于电动割草机的无线充电系统具体工作原理为：当割草机的接收端被推入到充电桩的发射端的可充电范围（100mm以内），割草机无线充电接收端接收能量达到正常工作条件，MCU控制蓝牙模块（或2.4G射频发射模块）与充电桩发射端进行匹配校验，发射端进行谐振网络检测，检测校验完毕后进入预充电模式。发射端根据接收端发射过来的电池电压、温度等状况选择涓流、恒流、恒压等充电模式。无线充电系统采用电磁感应原理，经过发射线圈和接收线圈之间的耦合进行能量的传送。输入直流电压经过全桥功率逆变电路变换成高频交流电供给发射线圈。接收线圈接收的能量经桥式整流电路转换成直流电为电池包充电，电池包获得电能后即可为割草机供电，BMS锂电池保护电路实时监测电池电压、电流、温度等状态，负责充放电过程中过充电保护、过放电保护、过温度保护、过电流保护、短路保护、电池单节均衡电压检测等。

本发明的用于电动割草机的无线充电系统可根据无线充电距离、无线充电功率来设计发射和接收线圈，使无线能量传输效率最大化、传输距离最远的同时做到尺寸最小。该无线充电系统包含能量发射模块TX、能量接收模块RX、锂电池保护模块BMS，同时适用于电动工具、电动自行车、智能机器人等中功率用电产品设备。满足小型化，低成本，便于生产、安全可靠的要求，能为人们的日常生活带来极大的便利性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。