CN101834473A - 谐振跟踪式非接触供电装置及供电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐振跟踪式非接触供电装置及方法，主要解决LC谐振式非接触供电因谐振点变化引起的传输效率、传输距离下降，以及感应电压对负载变化敏感的问题。通过可调开关电源(102)与半桥开关(103)，构成频率与幅度可调的激励源，施加于发射线圈(112)与谐振电容(113)构成的谐振回路，用电流采样器(104)获取谐振回路中的电流信号，通过比较器(105)、鉴相器(106)、可控振荡器(107)构成谐振频率自动跟踪环路，在谐振点变化时自动调节激励频率，并通过检波及滤波电路(109)、误差放大器(110)、可调开关电源(102)构成激励电压自动调节环路，在负载变化时自动调节激励电压，使得负载电压基本恒定。本发明能克服谐振频率变化、负载变化所带来的影响，可用于近距离、高效率非接触传输电能的场合。

Description

谐振跟踪式非接触供电装置及供电方法

技术领域

本发明属于电源/电力电子技术领域，涉及非接触式供电方法，可用于对旋转部件、机器关节、防水设备、厨浴电器、移动/便携设备和矿下设备的供电。

背景技术

非接触式供电作为一种新型的能量传输形式，具有无触点、无磨损、无火花、可全密封、防水隔爆等特性，正在逐步地应用于旋转部件、机器关节、防水设备、厨房/浴室电器、移动/便携设备和矿下设备等领域。

现有的非接触式供电一般利用磁性材料与线圈构成松耦合变压器作为能量传输通道，将激励电压施加在初级线圈，在空间激励出交变磁场，将磁场作为能量载体跨越空气间隙后从次级线圈耦合感应出电能给设备供电。现有的提供激励的方式主要有以下两类：

1)直接激励方式：将激励电压直接加在初级线圈上，由于松耦合变压器的耦合系数较低，只有部分磁力线耦合至次级，因此采用直接激励进行传输效率较低，且电能传输距离很近，应用范围较窄，仅用于低成本、小功率供电的场合，如电动牙刷等消费类产品。

2)LC谐振激励方式：将初级线圈与电容构成谐振回路，按照谐振回路的连接关系又分为串联谐振和并联谐振两种类型，这两种类型的谐振方式均是将激励源施加在谐振回路上，当激励源频率等于LC回路的固有谐振频率时，发射线圈上将因谐振获得高于激励源电压多倍的电压，同时未发射的能量会被电容回收，大幅提高了传输效率和传输距离。因此该方法主要应用于需要大功率、高效率的应用中，如机械旋转关节、大功率防水设备的供电、高效率无线充电器。目前，LC谐振激励方式应用较为广泛，但是在实际应用环境中仍然存在以下两个问题：

首先，在LC谐振激励方式的非接触式供电系统中，仅当激励频率等于LC谐振频率时，才能获得最高的效率和传输距离。而在实际中，系统的耦合系数会随着发射线圈与接收线圈之间距离及相对位置变化而改变。折合到发射线圈的等效电感、Q值等参数都会变化，引起LC谐振频率的变化。因此收发线圈的距离需要相对固定，限制了应用范围。

其次，由于耦合通道的耦合系数较低，当接收端负载大范围变化时，会引起接收端电压大范围变化。要求接收端负载相对恒定，同时增加了后级电源电路的设计难度和成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有LC谐振激励方式存在的缺点，提供一种不随在线圈位置关系及负载特性发生变化的谐振跟踪式非接触供电方法，以实现在耦合参数发生改变时能够自动地跟踪最佳谐振频率点，并且根据负载变化需求自动地调节激励电压，保证在耦合系数较低、线圈位置变化和负载特性变化情况下始终保持最佳传输效率。

为实现上述目的，本发明的非接触供电装置，包括以下两种技术方案：

技术方案一：

一种谐振跟踪式非接触供电装置，包括电能发射线圈、谐振电容、电能接收线圈、电流采样器、浮栅驱动器和MOS管半桥开关，该电能发射线圈与谐振电容串联构成谐振回路，其中：

MOS管半桥开关的供电端连接有可调开关电源电路，MOS管半桥开关的输出端连接有鉴相器；浮栅驱动器的输入端连接有压控振荡器，电流采样器的输出端依次连接有过零比较器、检波及滤波电路、误差放大器和参考电压源；

所述鉴相器的输入端设为两路，一路与MOS管半桥开关的输出端连接，另一路通过过零比较器与电流采样器连接，鉴相器的输出端依次通过压控振荡器、浮栅驱动器连接至MOS管半桥开关的输入端，构成激励频率自动调节环路；

所述误差放大器的输入端设为两路，一路与参考电压源连接，另一路通过检波及滤波电路与电流采样器连接，误差放大器的输出端连接至可调开关电源的电压控制端，构成激励电压自动调节环路。

技术方案二：

一种谐振跟踪式非接触供电装置，包括电能发射线圈、谐振电容、电能接收线圈、电流采样器、浮栅驱动器和MOS管半桥开关，该电能发射线圈与谐振电容串联构成谐振回路，其中：

MOS管半桥开关的供电端连接有可调开关电源电路，MOS管半桥开关的控制端依次连接有单片机系统、按键、显示器；电流采样器的输出端连接有过零比较器、检波及滤波电路；所述的单片机系统包含微处理器、A/D转换器、脉宽调制信号发生器、可变频率方波发生器和中断IO口；所述的微处理器包含相位差测量模块、幅度测量模块、调整量计算模块、可变频率方波发生模块、激励电压调节模块；

所述的中断IO口通过过零比较与电流采样器连接，单片机系统输出的可变频率方波信号通过浮栅驱动器连接至MOS管半桥开关的输入端；微处理器通过相位差测量模块测量谐振回路中电压与电流相位差，再根据相位差由调整量计算模块计算频率调整量，再由可变频率方波发生模块根据频率调整量改变激励频率，使谐振回路中电压与电流相位差保持为零，构成激励频率自动调节环路；

所述的A/D转换器的输入端通过检波及滤波电路与电流采样器连接，单片机系统输出的脉宽调制信号连接至开关电源的电压控制端；微处理器通过幅度测量模块测量谐振回路中的电流幅度，并与电流设定值进行比较，求出电流设定值与实际电流的误差，再根据幅度误差由调整量计算模块计算激励电压调整量，再由激励电压调节模块根据激励电压调整量改变开关电源的输出电压，使谐振回路的电流与设定值保持相等，构成激励幅度自动调节环路。

为实现上述目的，本发明的谐振跟踪式非接触供电方法，包括如下步骤：

(1)利用开关电源，产生幅度可控的可调电压源；利用频率可控振荡器产生高频信号，控制电子开关对该电压源进行斩波，产生高频大功率的方波激励信号；

(2)将步骤(1)所产生的高频大功率方波激励信号加在谐振回路两端；

(3)利用电流取样器件不断对谐振回路的电流进行取样，根据电流取样信号同时进行以下步骤(4)的频率自动调整过程以及步骤(5)的幅度自动调整过程；

(4)利用过零比较器对取样的电流信号进行整形，变为与电流信号同相位的方波，作为电流相位信号，再通过微处理器测量方波激励信号与电流相位信号之间的相位差，根据相位差采用积分算法计算频率调整量，不断改变频率可控振荡器的输出频率，若电压超前于电流，则根据调整量降低频率，反之根据调整量升高频率，使谐振回路的电压与电流保持同相位；

(5)通过对电流进行取样信号进行检波、放大和滤波，得到谐振回路中的交流电流的幅度，并与设定的参考值比较求得幅度误差，根据幅度误差采用比例-积分算法计算激励电压调整量，不断调整可调电压源的电压值，若谐振回路电流幅度高于设定值，则根据激励电压调整量降低激励电压值，反之升高激励电压值，使谐振回路的电流幅度恒定；

(6)将经过步骤(4)及步骤(5)调整后的谐振回路电流，通过电能发射线圈转换成磁场能，跨越空气间隙后被电能接收线圈耦合，转换成电能，经整流、滤波及稳压后提供给负载；

本发明相比传统无线供电装置，具有如下优点：

1.本发明由于采用电流采样器与过零比较器获取了谐振回路电流相位信息，并通过鉴相器及可控振荡器所构成了频率自动调节环路，使得在电磁耦合特性变化，如线圈相对位置改变，及负载特性变化，如负载容性、感性变化，引起LC谐振频率变化时，能将激励的频率自动调节至谐振频率，从而保证无线供电装置始终具有最大效率和传输距离，实现了谐振频率自动跟踪功能。

2.由于采用了电流采样器对谐振回路的电流进行检测，并通过误差放大器及开关电源对激励电压幅度进行调节，在负载电流大幅度变化的情况下，能够保证感应电压基本恒定，降低了后级电路的设计难度和成本。

附图说明

图1是本发明谐振跟踪式非接触供电装置的第一实施例图。

图2是本发明谐振跟踪式非接触供电装置的第二实施例图。

图3是本发明谐振跟踪式非接触供电方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

参照图1，本发明实施例一由直流电源101、开关电源电路102、MOS管半桥开关103、电流采样器104、过零比较器105、鉴相器106、压控振荡器107、浮栅驱动器108、检波及滤波电路109、误差放大器110、参考电压111、电能发射线圈112、谐振电容113、电能接收线圈114、整流及稳压电路115、负载116组成。其中开关电源102采用同步降压模式，且幅度0～100％可调，其输入端来自直流电源101，输出连接至MOS管半桥开关103，构成大功率激励源；MOS管半桥开关103的输出通过谐振电容113、发射线圈112串联构成谐振回路；电流采样器104采用无感电阻或高频铁氧体磁芯的互感器，对谐振回路的电流进行取样；接收线圈114通过整流及稳压电路115与负载116相连；鉴相器106的输入端分别与过零比较器105的输出和半桥开关103输出的激励电压信号相连，鉴相器106的输出端与压控振荡器107连接，构成激励频率自动调节环路；误差放大器110的输入端分别与参考电压111和检波及滤波电路109的输出端相连，输出连接至开关电源102的电压控制端，构成激励电压自动调节环路。

该实施例的非接触供电装置工作原理如下：

电源101经过同步降压模式的开关电源102产生0～100％幅度可变的直流电压源，加在MOS管构成的半桥开关电路103的电源端，通过浮栅驱动器108交替驱动开关管导通，产生大功率激励方波电压。该大功率激励方波电压通过谐振电容113与发射线圈112构成串联谐振回路，在电能发射线圈112中获得正弦电流信号，所激励的磁场跨越磁隙，在接收线圈114中获得感应电压，经过整流、滤波和稳压电路115后，为负载116供电。通过电流取样器104获得发射线圈112所在的谐振回路中的两路电流取样信号，其中：

一路取样信号经过过零检测电路105后变为与发射线圈112电流同频同相的方波，作为电流相位信号。该电流相位信号与激励电压信号一起送入鉴相器106，获得两者之间的相位差。该相位差输出信号与压控振荡器107相连，根据相位差改变激励信号的频率，若电压超前于电流，则降低频率，反之升高频率，构成反馈环路，反馈的结果是谐振回路中电流信号与激励电压信号之间的相位差始终为零，即谐振回路始终工作于谐振频率。

另一路电流取样信号经过高频检波及滤波电路109后作为激励电流幅度信号，连接至误差放大器110，将激励电流幅度与参考电压111比较，比较的结果用于控制开关电源102的输出电压，从而实现激励电压的自动调节，使得发射电流的幅度恒定。在不同负载条件下发射线圈都能产生相同的交变磁场强度，即电能接收线圈能获得接近恒定的电压。通过改变参考电压111，可改变次级的耦合电压，从而设定负载电压。

参照图2，本发明实施例二由直流电源201、开关电源202、MOS管半桥开关203、浮栅驱动器204、电流采样器205、过零比较器206、检波及滤波电路207、单片机系统208、按键209、显示器210、电能发射线圈211、谐振电容212、电能接收线圈213、整流及稳压电路214、负载215组成。其中开关电源202采用同步降压模式，且幅度0～100％可调，其输入端来自直流电源201，开关电源202输出连接至MOS管半桥开关203，构成大功率激励源；MOS管半桥开关203的输出通过谐振电容212、发射线圈211构成谐振回路；电流采样器205采用无感电阻或高频铁氧体磁芯的互感器，对谐振回路的电流进行取样；电能接收线圈213通过整流及稳压电路214与负载215相连；浮栅驱动器204的激励信号来自于单片机系统208，该单片机系统根据激励信号与过零比较器206的输出之间的相位差来改变激励频率，构成频率自动调节环路；检波与滤波电路207的输出端与单片机系统208的A/D转换器相连，单片机系统根据电流测量值与设定值之间的误差来调节开关电源202的输出电压，构成激励电压自动调节环路。

本实施例的非接触供电装置工作原理如下：

电源201经过同步降压模式的开关电源202产生幅度0～100％可变的直流电压，加在MOS管构成的半桥开关电路203的电源端，再由单片机系统208输出的方波激励信号，通过浮栅驱动器204交替驱动开关管导通，产生大功率激励方波电压，该大功率激励方波电压通过谐振电容212与发射线圈211所构成串联谐振回路，在电能发射线圈211中获得正弦电流信号，所激励的磁场跨越磁隙，在接收线圈214中获得感应电压，经过整流、滤波和稳压电路214后，为负载215供电。通过电流取样器205，获得发射线圈211所在的谐振回路中的两路电流取样信号，其中：

一路电流取样信号经过过零检测电路206后变为与发射线圈211电流同频同相的方波，作为电流相位信号。该电流相位信号送入单片机系统208的中断引脚，由微处理器通过相位差测量模块测量谐振回路中电压与电流相位差，再根据相位差由调整量计算模块计算频率调整量，再由可变频率方波发生模块根据频率调整量改变激励频率，使谐振回路中电压与电流相位差保持为零，即谐振回路始终工作于谐振频率点。

另一路电流取样信号经过高频检波及滤波电路207后作为激励电流幅度信号，连接至单片机系统208的A/D转换器上，由微处理器通过幅度测量模块测量谐振回路中的电流幅度，并与电流设定值进行比较，求出电流设定值与实际电流的误差，再根据幅度误差由调整量计算模块计算激励电压调整量，再由激励电压调节模块根据激励电压调整量改变开关电源202的输出电压，从而实现激励电压的自动调节，使得发射电流的幅度恒定，在不同负载条件下发射线圈都能产生相同的交变磁场强度，即电能接收线圈能获得接近恒定的电压。通过按键209和显示器210可以对参考值进行设定，从而实现设定负载电压的功能。

参照图3，本发明的供电方法包括如下步骤：

步骤1，利用同步降压模式的开关电源，产生幅度0～100％可调电压源，施加于半桥开关电路的电源端；再利用频率可控振荡器产生高频信号，通过半桥开关电路对该电压源进行斩波，产生高频大功率的方波激励信号，该激励信号的幅度受控于可调电源，频率受控于可控振荡器。

步骤2，将电能发射线圈与谐振电容串联构成谐振回路，再将步骤(1)所产生的高频大功率方波激励信号加在谐振回路的两端。

步骤3，利用电流取样器件不断对谐振回路的电流进行取样。

根据电流取样信号，同时进行以下步骤4的频率调整，以及步骤5的幅度调整两个调整过程：

步骤4，频率调整，包括：

步骤4a，利用过零比较器对取样的电流信号进行整形，变为与电流信号同相位的方波，作为电流相位信号。

步骤4b，测量谐振回路激励信号与电流相位信号之间的相位差。

步骤4c，根据相位差采用积分算法计算频率调整量，再根据相位差不断改变频率可控振荡器的输出频率，若电压超前于电流，则根据调整量降低频率，反之根据调整量升高频率，使谐振回路的电压与电流保持同相位。

步骤5，幅度调整，包括：

步骤5a，通过对电流取样信号进行检波、放大和滤波，得到谐振回路中的交流电流的幅度。

步骤5b，将谐振回路中的电流的幅度与设定值比较，求得电流幅度误差。

步骤5c，根据电流幅度误差采用比例-积分算法计算激励电压调整量，不断调整可调电压源的电压值，若谐振回路电流幅度高于设定值，则根据激励电压调整量降低激励电压值，反之升高激励电压值，使谐振回路的电流幅度恒定；

步骤6，将经过步骤(4)及步骤(5)调整后的谐振回路电流，通过电能发射线圈转换成磁场能，跨越空气间隙后被电能接收线圈耦合，转换成电能，经整流、滤波及稳压后提供给负载。

Claims (6)

1.一种谐振跟踪式非接触供电装置，包括电能发射线圈(112)、谐振电容(113)、电能接收线圈(114)、电流采样器(104)、浮栅驱动器(108)和MOS管半桥开关(103)，该电能发射线圈与谐振电容串联构成谐振回路，其特征在于：

MOS管半桥开关(103)的供电端连接有可调开关电源电路(102)，MOS管半桥开关(103)的输出端连接有鉴相器(106)；浮栅驱动器(108)的输入端连接有压控振荡器(107)，电流采样器(104)的输出端依次连接有过零比较器(105)、检波及滤波电路(109)、误差放大器(110)和参考电压源(111)；

所述鉴相器(106)的输入端设为两路，一路与MOS管半桥开关(103)的输出端连接，另一路通过过零比较器(105)与电流采样器(104)连接，鉴相器(106)的输出端依次通过压控振荡器(107)、浮栅驱动器(108)连接至MOS管半桥开关(103)的输入端，构成激励频率自动调节环路；

所述误差放大器(110)的输入端设为两路，一路与参考电压源(111)连接，另一路通过检波及滤波电路(109)与电流采样器(104)连接，误差放大器(110)的输出端连接至可调开关电源(102)的电压控制端，构成激励电压自动调节环路。

2.根据权利要求1所述的非接触供电装置，其特征在于开关电源电路输出电压在0～100％幅度范围可控，且采用同步降压方式保证在低电压输出时仍具有高效率。

3.根据权利要求1所述的非接触供电装置，其特征在于电流采样器采用无感电阻或高频铁氧体芯互感器。

4.一种谐振跟踪式非接触供电装置，包括电能发射线圈(211)、谐振电容(212)、电能接收线圈(213)、电流采样器(205)、浮栅驱动器(204)和MOS管半桥开关(203)，该电能发射线圈与谐振电容串联构成谐振回路，其特征在于：

MOS管半桥开关(203)的供电端连接有可调开关电源电路(202)，MOS管半桥开关(203)的控制端依次连接有单片机系统(208)、按键(209)、显示器(210)；电流采样器(205)的输出端连接有过零比较器(206)、检波及滤波电路(207)；所述的单片机系统(208)包含微处理器、A/D转换器、脉宽调制信号发生器、可变频率方波发生器和中断IO口，该IO口通过过零比较与电流采样器连接，单片机系统输出的可变频率方波信号通过浮栅驱动器(204)连接至MOS管半桥开关(203)的输入端，构成激励频率自动调节环路；该A/D转换器的输入端通过检波及滤波电路(207)与电流采样器(205)连接，单片机系统输出的脉宽调制信号连接至开关电源(202)的电压控制端，构成激励电压自动调节环路。

5.根据权利要求4所述的非接触供电装置，其特征在于微处理器包括：

相位差测量模块：用于测量谐振回路中电压与电流的相位差；

幅度测量模块：用于读取A/D测量结果并计算谐振回路中的电流幅度，并与电流设定值进行比较，求出电流设定值与实际电流的误差；

调整量计算模块：用于计算激励频率及激励幅度的调整量，包括根据相位差采用积分算法计算频率调整量，以及根据幅度误差采用比例-积分算法计算激励电压调整量两个部分；

可变频率方波发生模块：用于产生可程控频率的方波信号，根据频率调整量改变大功率激励方波信号的频率值，使谐振回路中电压与电流相位差保持为零，实现谐振频率自动跟踪功能；

激励电压调节模块：用于调节激励电源电压幅度，根据激励电压调整量控制开关电源的输出电压，从而调节谐振回路的电流，使谐振回路的电流与设定值保持相等，实现激励幅度自动调节功能；

6.一种谐振跟踪式非接触供电方法，包括如下步骤：

(1)利用开关电源，产生幅度可控的可调电压源；利用频率可控振荡器产生高频信号，控制电子开关对该电压源进行斩波，产生高频大功率的方波激励信号；

(2)将步骤(1)所产生的高频大功率方波激励信号加在谐振回路两端；

(3)利用电流取样器件不断对谐振回路的电流进行取样，根据电流取样信号同时进行以下步骤(4)的频率自动调整过程以及步骤(5)的幅度自动调整过程；

(4)利用过零比较器对取样的电流信号进行整形，变为与电流信号同相位的方波，作为电流相位信号，再通过微处理器测量方波激励信号与电流相位信号之间的相位差，根据相位差采用积分算法计算频率调整量，不断改变频率可控振荡器的输出频率，若电压超前于电流，则根据调整量降低频率，反之根据调整量升高频率，使谐振回路的电压与电流保持同相位；

(5)通过对电流取样信号进行检波、放大和滤波，得到谐振回路中的交流电流的幅度，并与设定的参考值比较求得幅度误差，根据幅度误差采用比例-积分算法计算激励电压调整量，不断调整可调电压源的电压值，若谐振回路电流幅度高于设定值，则根据激励电压调整量降低激励电压值，反之升高激励电压值，使谐振回路的电流幅度恒定；

(6)将经过步骤(4)及步骤(5)调整后的谐振回路电流，通过电能发射线圈转换成磁场能，跨越空气间隙后被电能接收线圈耦合，转换成电能，经整流、滤波及稳压后提供给负载。

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