CN103944215A - 基于电流反馈的谐振式充电控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于电流反馈的谐振式充电控制系统及其控制方法，包括外部控制电路和无线无源充电电路。其中外部控制电路包括电源、频率发生器、功率驱动模块、采样电阻、电流监控模块和初级线圈。无线无源充电电路包括次级线圈与谐振电容。电源为频率发生器和功率驱动模块供电，频率发生器通过输出频率可变的PWM波来驱动功率驱动模块，电流监控模块通过采样电阻实时检测初级线圈处的电流值，并把此电流值反馈给频率发生器，通过PID控制算法调整频率发生器的输出频率，使系统处于谐振状态，从而获得最大的功率传输，实现最大充电效率。本发明具有较高的可靠性和安全性，便于集成化，可以准确、快速的调节输出频率，对负载有良好的适应性，充电效率高，使用灵活。

Description

基于电流反馈的谐振式充电控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及无线充电领域，特别涉及一种基于电流反馈的谐振式充电控制系统及其控制方法。无线充电使用的共振原理是磁场共振，只在以同一频率共振的线圈之间传输，充电器与负载之间以电感耦合传送能量，它们之间不用电线连接。

背景技术

随着手机、电动自行车以及笔记本电脑等用电设备的广泛使用，方便、快捷地为用电设备充电成为当务之急。但传统的有线充电技术存在很多弊端，例如：在充电时必须提前安装好接电装置、需要加长电源引线以及存在某些不安全性，而且充电时间长，人工操作繁琐，不能满足当今社会快速高效的生活节奏。

中国发明专利“无线充电器”(公布号：CN103151851A，公布日：2013年6月12日)提供了一种无线充电装置，即通过对整个系统输入5V电压，为输出端的电子设备充电，实现电子设备充电的无线化。但是该充电器充电效率低，对负载的适应性差。

中国发明专利“无线充电的发送装置、无线充电系统及无线充电控制方法”(公布号：CN103457362A，公布日：2013年12月18日)提供了一种高效率的无线充电方案，即通过反馈充电状态调节LC谐振的谐振频率，从而可以提高充电系统的充电效率。但是该方案调频方式的调节速度慢，调节精确度低，无法实现频率的自动调节。

中国发明专利“基于自谐振电磁感应耦合的无线能量传输装置”(公布号：CN102255399A，公布日：2011年11月23日)提供了一种能量传输装置，即通过线圈自谐振来提高电磁感应耦合能量传输的效率。但是该方案仅仅采用单线圈自谐振，输出功率小，带负载能力差。

中国发明专利“无线充电的方法、装置及系统”(公布号：CN103236567A，公布日：2013年8月7日)提供了一种无线充电方案，即获取对端的耦合特征信息，根据对端耦合特征信息确定本端频率，以便本端频率与对端频率达到最佳匹配，以此提高充电效率。但是没有给出具体的能量转换的实现方式以及具体的频率调节方式。

中国发明专利“无线充电发射装置、无线充电系统以及无线充电控制方法”(公布号：CN102355035A，公布日：2012年2月15日)提供了一种无线充电方案，即通过反馈信号反馈回的电池的状态信息，实现按需求发送功率以及自动调节发送功率。但是该系统各部分电路功耗较大，能量利用率低，充电效率低。

发明内容

本发明提供了一种基于电流反馈的谐振式充电控制系统及其控制方法，解决了传统无线充电方式带来的充电效率低、操作复杂、不安全等问题。本发明不用电线连接，充电效率高，并且可以实现同时为多台设备充电，调节速度快、精确度高，应用范围广，使用灵活，并给出了具体实现方式，详见下文描述：

一种基于电流反馈的谐振式充电控制系统及其控制方法，其特征在于：包括外部控制电路和无线无源充电电路，其中无线无源充电电路是由次级线圈和谐振电容构成的次级端并联谐振电路；

所述外部控制电路包括：与上述次级线圈构成松耦合变压器的初级线圈；电源，所述电源为频率发生器和功率驱动模块供电；所述频率发生器通过输出频率可变的PWM波来驱动所述功率驱动模块；所述电流监控模块通过采样电阻实时检测所述初级线圈处的电流，并把此电流值反馈给所述频率发生器，调整所述频率发生器的输出频率。

所述采样电阻将所述初级线圈处的电流值转换为电压值，并通过所述电流监控模块将此趋于正弦的电压信号转换为稳定的直流电压信号。

所述电流监控模块通过所述采样电阻实时检测所述初级线圈处的电流，并把此电流值反馈给所述频率发生器，调整所述频率发生器的输出频率具体为：

将所述电流监控模块输出的直流电压信号输入到所述频率发生器的AD转换接口转换为数字量，通过PID控制算法调整所述频率发生器的输出频率，使所述初级线圈处的电流值达到最大，即所述初级线圈处输出频率达到所述次级端并联谐振电路的谐振频率。

所述功率驱动模块将所述频率发生器输出的脉冲电平进行功率放大，转换为高电压的脉冲电平。

本发明提供的技术方案的优点是：

1)采用PID控制方式，可靠而稳定，适应性强，能够达到比较高的调节质量，调节速度快，有一套参数整定与设计方法，易于被掌握。

2)操作简单，对负载的适应能力强，充电效率高，可以进行无线电能的转换。

3)电流检测精确度高，实时性强，灵敏度高。

附图说明

图1为基于电流反馈的谐振式充电控制系统及其控制方法的电路示意图；

图2为实施例一与实施例三中的电流监控模块电路示意图；

图3为实施例二中的电流监控模块电路示意图；

图4为实施例一中的功率驱动模块电路示意图；

图5为实施例二中的功率驱动模块电路示意图；

图6为实施例三中的功率驱动模块电路示意图；

图7为PID算法流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：电源；               2：频率发生器；

3：功率驱动；           4：电流监控；

5：初级线圈；           6：次级线圈；

7：负载；               8：采样电阻；

9：谐振电容；           10：跟随放大器；

11：二阶低通滤波电路；  12：低端检测电路；

13：低通滤波电路；      14：补偿电容。

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明的技术方案、优点做进一步的详细描述。

实施例一：参见图1，一种基于电流反馈的谐振式充电控制系统及其控制方法，包括外部控制电路和无线无源充电电路，其中无线无源充电电路是由次级线圈6和谐振电容9构成的次级端并联谐振电路；

外部控制电路包括：与次级线圈6构成松耦合变压器的初级线圈5；电源1为频率发生器2和功率驱动模块3供电；频率发生器2通过输出频率可变的PWM波来驱动功率驱动模块3，从而控制初级线圈5输出的交流电的频率；电流监控模块4通过采样电阻8实时检测初级线圈5处的电流，并把此电流值反馈给频率发生器2，调整频率发生器2的输出频率，使初级线圈5的交流电的频率达到次级端并联谐振电路的谐振频率。

其中，初级线圈5和次级线圈6构成松耦合变压器，频率发生器2通过功率驱动模块3产生一定频率的交流电，当初级线圈5输入高频交流电时，由电磁感应原理可知，此时次级线圈6将产生感应电动势，从而为无线无源充电电路供电。

同时，为了保证初级线圈5电能输出的交流电的稳定性，提高充电效率，需要对变压器初级线圈5进行无功补偿，采用串联一个电容的方法，串联补偿电容14的电压降与初级线圈5的感抗压降相抵消，于是大大提高了能量传输的功率和效率。

其中，电流监控模块4通过采样电阻8实时检测初级线圈5处电流值，并把交流电流值转换为直流电压值，将此模拟信号输入到频率发生器2的AD转换接口转换为数字量，计算机通过PID控制算法调整频率发生器2的输出频率。

参见图2，电流监控模块4由跟随放大器10、二阶低通滤波电路11组成。采样电阻8将初级线圈5处的交流电流值转换为电压值V_m，经过跟随放大器10和二阶低通滤波电路11输出直流电压值，得到适合AD转换的电压V_out。跟随放大器具有极高的输入阻抗和极低的输出阻抗，不会吸收前级电路的功率，从而大大提高了电路的效率。同时，二阶有源低通滤波电路中引入具有信号放大作用的有源器件，以补偿信号的损失，可以使滤波器损耗小，性能好，体积小。

参见图4，功率驱动模块3采用单管电路。NMOS管导通电阻小、压降低、控制效率高，从控制源吸取极小的电流就可以控制很大的电流。

参见图7，PID算法流程图。首先设置PID参数和给定值，读入采样电压值，并计算采样电压值与给定值的偏差。若偏差为零，则控制输出量不变；若偏差不为零，依次求比例分量、积分分量、微分分量，得出控制输出量。当下一个采样周期到时，则重新执行程序，若下一个采样周期没有到，则结束程序或等待下一采样周期。

具体实现时，PID算法的参数整定以及给定值根据实际应用中的需要进行设定，本发明实施例对此不做限制。

为了降低功耗、提高转换精度，频率发生器选择低功耗单片机。

当频率发生器的型号为MC9S12XS128时，1)自带1个8通道脉冲宽度调制模块，可以输出频率可变的PWM波。2)自带16通道A／D转换模块，可以将0～5V的模拟量转换为数字量。

实施例二：参见图1，一种基于电流反馈的谐振式充电控制系统及其控制方法，包括外部控制电路和无线无源充电电路，其中无线无源充电电路是由次级线圈6和谐振电容9构成的次级端并联谐振电路；

外部控制电路包括：与次级线圈6构成松耦合变压器的初级线圈5；电源1为频率发生器2和功率驱动模块3供电；频率发生器2通过输出频率可变的PWM波来驱动功率驱动模块3，从而控制初级线圈5输出的交流电的频率；电流监控模块4通过采样电阻8实时检测初级线圈5处的电流，并把此电流值反馈给频率发生器2，调整频率发生器2的输出频率，使初级线圈5的交流电的频率达到次级端并联谐振电路的谐振频率。

其中，初级线圈5和次级线圈6构成松耦合变压器，频率发生器2通过功率驱动模块3产生一定频率的交流电，当初级线圈5输入高频交流电时，由电磁感应原理可知，此时次级线圈6将产生感应电动势，从而为无线无源充电电路供电。

同时，为了保证初级线圈5电能输出的交流电的稳定性，提高充电效率，需要对变压器初级线圈5进行无功补偿，采用串联一个电容的方法，串联补偿电容14的电压降与初级线圈5的感抗压降相抵消，于是大大提高了能量传输的功率和效率。

其中，电流监控模块4通过采样电阻8实时检测初级线圈5处电流值，并把交流电流值转换为直流电压值，将此模拟信号输入到频率发生器2的AD转换接口转换为数字量，计算机通过PID控制算法调整频率发生器2的输出频率。

参见图3，电流监控模块4由低端检测电路12和低通滤波电路13组成。采样电阻8将初级线圈5处的交流电流值转换为电压值V_m，依次经过低端检测电路12和低通滤波电路13输出稳定直流电压，得到适合AD转换的电压V_out。低端检测电路可以有效抑制共模信号，精度较高且体积小，高端检测电路则要处理较大的共模信号，且输入电阻相对较低，需要用精密运放和精密电阻电容，因此本实施例采用低端检测电路。

低端检测电路输出电压与输入差模信号的关系为：

$V_0=\frac{R_4}{R_1}(V_2-V_1)+V_{\mathrm{REF}}$

参见图5，功率驱动模块3采用半桥电路。半桥电路只用两支NMOS管，上下桥臂不共地，其抗不平衡能力强，驱动电路简单。

参见图7，PID算法流程图。首先设置PID参数和给定值，读入采样电压值，并计算采样电压值与给定值的偏差。若偏差为零，则控制输出量不变；若偏差不为零，依次求比例分量、积分分量、微分分量，得出控制输出量。当下一个采样周期到时，则重新执行程序，若下一个采样周期没有到，则结束程序或等待下一采样周期。

具体实现时，PID算法的参数整定以及给定值根据实际应用中的需要进行设定，本发明实施例对此不做限制。

为了降低功耗、提高转换精度，频率发生器选择低功耗单片机。

当频率发生器的型号为MC9S12XS128时，1)自带1个8通道脉冲宽度调制模块，可以输出频率可变的PWM波。2)自带16通道A／D转换模块，可以将0～5V的模拟量转换为数字量。

实施例三：参见图1，一种基于电流反馈的谐振式充电控制系统及其控制系统，包括外部控制电路和无线无源充电电路，其中无线无源充电电路是由次级线圈6和谐振电容9构成的次级端并联谐振电路；

外部控制电路包括：与次级线圈6构成松耦合变压器的初级线圈5；电源1为频率发生器2和功率驱动模块3供电；频率发生器2通过输出频率可变的PWM波来驱动功率驱动模块3，从而控制初级线圈5输出的交流电的频率；电流监控模块4通过采样电阻8实时检测初级线圈5处的电流，并把此电流值反馈给频率发生器2，调整频率发生器2的输出频率，使初级线圈5的交流电的频率达到次级端并联谐振电路的谐振频率。

其中，初级线圈5和次级线圈6构成松耦合变压器，频率发生器2通过功率驱动模块3产生一定频率的交流电，当初级线圈5输入高频交流电时，由电磁感应原理可知，此时次级线圈6将产生感应电动势，从而为无线无源充电电路供电。

同时，为了保证初级线圈5电能输出的交流电的稳定性，提高充电效率，需要对变压器初级线圈5进行无功补偿，采用串联一个电容的方法，串联补偿电容14的电压降与初级线圈5的感抗压降相抵消，于是大大提高了能量传输的功率和效率。

其中，电流监控模块4通过采样电阻8实时检测初级线圈5处电流值，并把交流电流值转换为直流电压值，将此模拟信号输入到频率发生器2的AD转换接口转换为数字量，计算机通过PID控制算法调整频率发生器2的输出频率。

参见图2，电流监控模块4由跟随放大器10、二阶低通滤波电路11组成。采样电阻8将初级线圈5处的交流电流值转换为电压值V_m，经过跟随放大器10和二阶低通滤波电路11输出直流电压值，得到适合AD转换的电压V_out。跟随放大器具有极高的输入阻抗和极低的输出阻抗，不会吸收前级电路的功率，从而大大提高了电路的效率。同时，二阶有源低通滤波电路中引入具有信号放大作用的有源器件，以补偿信号的损失，可以使滤波器损耗小，性能好，体积小。

参见图6，功率驱动模块3采用的是全桥的H桥驱动电路，输出电压电流波形趋于正弦，谐波成分减小。全桥的H桥驱动电路选用的是四个N型的MOS管，可以大大提高充电效率，缩短充电时间。

参见图7，PID算法流程图。首先设置PID参数和给定值，读入采样电压值，并计算采样电压值与给定值的偏差。若偏差为零，则控制输出量不变；若偏差不为零，依次求比例分量、积分分量、微分分量，得出控制输出量。当下一个采样周期到时，则重新执行程序，若下一个采样周期没有到，则结束程序或等待下一采样周期。

具体实现时，PID算法的参数整定以及给定值根据实际应用中的需要进行设定，本发明实施例对此不做限制。

为了降低功耗、提高转换精度，频率发生器选择低功耗单片机。

当频率发生器的型号为MC9S12XS128时，1)自带1个8通道脉冲宽度调制模块，可以输出频率可变的PWM波。2)自带16通道A／D转换模块，可以将0～5V的模拟量转换为数字量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于电流反馈的谐振式充电控制系统，其特征在于：包括外部控制电路和无线无源充电电路，其中无线无源充电电路是由次级线圈和谐振电容构成的次级端并联谐振电路；

所述外部控制电路包括：与上述次级线圈构成松耦合变压器的初级线圈；电源，所述电源为频率发生器和功率驱动模块供电；所述频率发生器通过输出频率可变的PWM波来驱动所述功率驱动模块；所述电流监控模块通过采样电阻实时检测所述初级线圈处的电流，并把此电流值反馈给所述频率发生器，调整所述频率发生器的输出频率。

2.根据权利要求1所述的谐振式充电控制系统，其特征在于，所述采样电阻将所述初级线圈处的电流值转换为电压值，并通过所述电流监控模块将此趋于正弦的电压信号转换为稳定的直流电压信号。

3.根据权利要求1所述的谐振式充电控制系统，其特征在于，所述功率驱动模块将所述频率发生器输出的脉冲电平进行功率放大，转换为高电压的脉冲电平。

4.一种基于电流反馈的谐振式充电控制方法，所述控制方法采用权利要求1～3中任一项所述的控制系统，其特征在于，所述电流监控模块通过所述采样电阻实时检测所述初级线圈处的电流，并把此电流值反馈给所述频率发生器，调整所述频率发生器的输出频率具体为：

将所述电流监控模块输出的直流电压信号输入到所述频率发生器的AD转换接口转换为数字量，通过PID控制算法调整所述频率发生器的输出频率，使所述初级线圈处的电流值达到最大，即所述初级线圈处输出频率达到所述次级端并联谐振电路的谐振频率。