CN104124863A

CN104124863A - 基于无线电能传输系统的功率因素校正的方法及系统

Info

Publication number: CN104124863A
Application number: CN201310156429.5A
Authority: CN
Inventors: 李聃; 龙海岸; 孙伟; 鄢海峰
Original assignee: Haier Group Corp; Haier Group Technology Research and Development Center
Current assignee: Haier Group Corp; Haier Group Technology Research and Development Center
Priority date: 2013-04-28
Filing date: 2013-04-28
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2033-04-28
Also published as: WO2014176859A1; CN104124863B

Abstract

本发明公开了一种基于无线电能传输系统的功率因素校正的方法及系统，所述方法包括：将输入的市电整流为正弦单向脉冲电压，并对所述正弦单向脉冲电压进行逆变处理，将逆变处理后的电压作为无线电能发射器的谐振电路的开关电源；把开关电源的开关频率与谐振电路的谐振频率调整成一致，使谐振电路工作在谐振状态。本发明提高了无线电能发射器的功率因素，降低无线电能传输产品对电网谐波的污染。同时使得线电能传输系统的电路体积小、成本较低且无噪声。

Description

基于无线电能传输系统的功率因素校正的方法及系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输领域，尤其涉及一种基于无线电能传输系统的功率因素校正的方法及系统。

背景技术

PFC（Power Factor Correction，功率因数校正）指的是有效功率除以总耗电量（视在功率）的比值，功率因素可以衡量电能被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电能利用率越高。

无线电能传输系统包括无线电能发射单元和无线电能接收单元，无线电能接收单元通过无线电能发射单元产生的磁场进行耦合，由拾取线圈将磁场能转化为电能，从而实现非接触式电能传输。由于无线电能发射单元与市电相接，为了减少无线电能传输产品对电网谐波的污染，因此要提高无线电能发射器的功率因素。

PFC电路用于提高功率因数，传统的PFC电路分为被动式（无源）PFC电路和主动式（无源）PFC电路，一般采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数。被动式PFC结构较为简单，功率因数只能达到0.7～0.8，但体积较大，结构笨重，工作时常会产生较大的噪音。主动式PFC电路由高频电感、开关管和电容等元件构成，通过专用IC（即集成电路）去调整电流的波形，对电流电压间的相位差进行补偿，功率因数可达0.98以上，但结构复杂，成本较高。

发明内容

本发明提供的一种基于无线电能传输系统的功率因素校正的方法及系统，使得无线电能传输系统的功率因素校正的成本较低、体积较小且无噪音。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明第一方面在于提供了一种基于无线电能传输系统的功率因素校正的方法，包括：

将输入无线电能发射器的市电整流为正弦单向脉冲电压，并对所述正弦单向脉冲电压进行逆变处理后作为无线电能发射器的谐振电路的开关电源；所述谐振电路包括设置在发射线圈前端的补偿电路和所述发射线圈；

将开关电源的开关频率与谐振电路的谐振频率调整成一致，使谐振电路工作在谐振状态或准谐振状态。

其中，所述将开关电源的开关频率与谐振电路的谐振频率调整成一致，使所述谐振电路工作在谐振状态具体为：

采集发射线圈的电压过零信号，得出所述谐振电路的谐振频率；

控制所述开关电源的开关频率跟踪所述谐振电路的谐振频率，当所述开关电源的开关频率与所述谐振电路的谐振频率一致时，锁定所述开关电源的开关频率，使所述谐振电路工作在谐振状态。

其中，所述将开关电源的开关频率与谐振电路的谐振频率调整成一致，使所述谐振电路工作在准谐振状态具体为：

获取所述开关电源的开关频率；

调整谐振电路的电路元件的参数，使所述谐振电路的谐振频率与所述开关电源的开关频率一致，使所述谐振电路工作在准谐振状态。

根据谐振电路的电路元件的参数计算出所述谐振电路的谐振频率；

设定所述开关电源的开关频率使其与所述谐振电路的谐振频率一致，使所述谐振电路工作在准谐振状态。

其中，所述补偿电路包含一谐振电容；

所述谐振电路由所述补偿电路与发射线圈并联组成。

其中，所述谐振电路由所述补偿电路与发射线圈串联组成。

本发明第二方面在于提供一种基于无线电能传输系统的功率因素校正的系统，包括：

整流模块，用于将输入无线电能发射器的市电整流为正弦单向脉冲电压，并对所述正弦单向脉冲电压进行逆变处理后作为无线电能发射器的谐振电路的开关电源；所述谐振电路包括设置在发射线圈前端的补偿电路和所述发射线圈；

调整模块，用于将开关电源的开关频率与谐振电路的谐振频率调整成一致，使谐振电路工作在谐振状态或准谐振状态。

其中，所述调整模块具体包括：

第一调整单元，用于采集发射线圈的电压过零信号，得出所述谐振电路的谐振频率；控制所述开关电源的开关频率跟踪所述谐振电路的谐振频率，当所述开关电源的开关频率与所述谐振电路的谐振频率一致时，锁定所述开关电源的开关频率，使所述谐振电路工作在谐振状态；或者，

第二调整单元，用于获取所述开关电源的开关频率；调整谐振电路的电路元件的参数，使所述谐振电路的谐振频率与所述开关电源的开关频率一致，使所述谐振电路工作在准谐振状态；或者，

第三调整单元，用于根据谐振电路的电路元件的参数计算出所述谐振电路的谐振频率；设定所述开关电源的开关频率，使其与所述谐振电路的谐振频率一致，使所述谐振电路工作在准谐振状态。

其中，所述补偿电路包含一谐振电容。

其中，所述谐振电路由所述补偿电路与发射线圈并联组成，或者所述谐振电路由所述补偿电路与发射线圈串联组成。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明实施例利用谐振电路的特点，通过将输入的市电整流为正弦单向脉冲电压，使所述谐振电路对输入的市电电源而言呈现出纯阻抗的特点，使得输入的市电的电流和电压的相位相同，谐振电路工作在准谐振状态，提高无线电能发射器的功率因素，降低无线电能传输产品对电网谐波的污染。同时，由于无需增加现有技术中的PFC电路，使得线电能传输系统的电路体积小、成本较低且无噪声。

附图说明

图1是本发明一种基于无线电能传输系统的功率因素校正的方法的一实施方式的流程图。

图2是本发明正弦单向脉冲电压的示意图。

图3是本发明一种基于无线电能传输系统的谐振电路的示意图。

图4A是本发明一种基于无线电能传输系统的功率因素校正的方法的另一实施方式的流程图。

图4B是本发明一种基于无线电能传输系统的功率因素校正的方法的又一实施方式的流程图。

图4C是本发明一种基于无线电能传输系统的功率因素校正的方法的再一实施方式的流程图。

图5是本发明一种基于无线电能传输系统的功率因素校正的系统的一实施方式的示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本发明具体实施的方案，无线电能传输系统包含无线电能发射器和无线电能接收器。其中，无线电能接收器的拾取线圈放置于无线电能发射器的发射线圈的正上方，通过无线电能发射器的发射线圈产生的磁场进行耦合，由拾取线圈将磁场能转化为电能，从而实现非接触式电能传输。

其中，无线电能发射器中包括：EMI（Electro Magnetic Interference，电磁干扰）电路、整流滤波电路、高频逆变器等。所述EMI电路用于滤除市电的各种干扰信号，防止电源开关电路形成的高频扰窜。市电经过干扰滤除后交由所述整流滤波电路进行整流滤波，较佳的，本实施例中将输入市电整流滤波为一正弦单向脉冲电压，再经由高频逆变器逆变为正弦单向脉冲载波下的一定频率的电压信号。

并且，无线电能发射器中还包括无线信号接收电路，用于和无线电能接收器进行无线通信；无线电能发射器可通过采集到的线圈感应电流或电压推断无线电能接收器端的负载的工作状态，以作出对应的发射端工作参数的调整。

所述发射线圈前端设置有一补偿电路，所述补偿电路中包含一谐振电容，以使所述补偿电路与所述发射线圈连接成一个谐振电路。

基于上述无线电能传输系统，请参见图1，本发明一种基于无线电能传输系统的功率因素校正的方法包括步骤S1-S2。

步骤S1，将输入的市电整流为正弦单向脉冲电压，并对所述正弦单向脉冲电压进行逆变处理，将逆变处理后的电压作为无线电能发射器的谐振电路的开关电源。

本实施例中，所述补偿电路包含一谐振电容，通过感抗和容抗相互抵消，可使谐振电路对输入的电源而言呈现出纯阻抗的特点。

所述谐振电路可由所述补偿电路与发射线圈并联组成，也可由所述补偿电路与发射线圈串联组成。具体可根据接收器的负载的特点确定，以最佳性能和最大化的节省电路空间为准。

具体地，将市电整流滤波为如图2所示的正弦单向脉冲电压（又称麦当劳波）后，再被逆变处理为一高频电压，即所述谐振电路的开关电源。

步骤S2，将开关电源的开关频率与谐振电路的谐振频率调整成一致，使谐振电路工作在谐振状态或准谐振状态。

所述谐振电路工作在谐振频率时，市电的输入电流和电压能完全同相位，且同为正弦波，从而提高无线电能发射器的功率因素，提高电能的利用程度。

如图3（a）所示，对于串联的谐振电路，当所述谐振电路的实际频率与所述谐振频率一致时，谐振电路相对输入的电源而言呈现出纯阻抗的特点，其阻抗值为：

Z : = (j \cdot 2 \cdot π \cdot f \cdot L + \frac{1}{j \cdot 2 \cdot π \cdot f \cdot C}) + R;

f : \frac{1}{2 \cdot π \sqrt{L \cdot C}} .

其中，L为发射线圈的感抗，C为补偿电路的容抗。

如图3（b）所示，对于并联的谐振电路，当所述谐振电路的实际频率与所述谐振频率一致时，谐振电路相对输入的电源而言呈现出纯阻抗的特点，其阻抗值为：

Z : = \frac{1}{\frac{1}{R} + (\frac{1}{j \cdot 2 \cdot π \cdot f \cdot L} - j \cdot 2 \cdot π \cdot f \cdot C)};

f : = \frac{1}{2 \cdot π \sqrt{L \cdot C}} .

其中，L为发射线圈的感抗，C为补偿电路的容抗。

请参见图4A，本发明还提供了一种基于无线电能传输系统的功率因素校正的方法的另一实施方式，包括步骤L1-L3,具体为：

步骤L1，将输入的市电整流为正弦单向脉冲电压，并对所述正弦单向脉冲电压进行逆变处理，将逆变处理后的电压作为无线电能发射器的谐振电路的开关电源。

步骤L2，采集发射线圈的电压过零信号，得出所述谐振电路的谐振频率。

所述谐振电路工作在谐振频率时，其输入电压和输入电流相位一致。

步骤L3，控制所述开关电源的开关频率跟踪所述谐振电路的谐振频率，当所述开关电源的开关频率与所述谐振电路的谐振频率一致时，锁定所述开关电源的开关频率，使所述谐振电路工作在谐振状态。此时市电的输入电流和电压能完全同相位，且同为正弦波，从而使无线电能发射器的功率因素接近1，提高电能的利用程度。

其中，步骤L1的具体实施方式可参阅上述实施例步骤S1，在此不再赘述。

请参见图4B，本发明还提供了一种基于无线电能传输系统的功率因素校正的方法的又一实施方式，包括步骤M1-M3,具体为：

步骤M1、将输入的市电整流为正弦单向脉冲电压，并对所述正弦单向脉冲电压进行逆变处理，将逆变处理后的电压作为无线电能传输系统的谐振电路的开关电源。具体实施方式参阅上述实施例步骤S1，在此不再赘述。

步骤M2、获取所述开关电源的开关频率。

步骤M3，调整谐振电路的电路元件的参数以使所述谐振电路的谐振频率与所述开关电源的开关频率一致，使所述谐振电路工作在准谐振状态。较佳地，所述电路元件包括电容和电感。

通过本实施例，即使考虑到反射阻抗的影响，谐振电路仍可处于准谐振状态，此时无线电能发射器的功率因素仍然可达0.85以上，电能的利用程度较高。

请参见图4C，本发明还提供了一种基于无线电能传输系统的功率因素校正的方法的再一实施方式，包括步骤T1-T3,

步骤T1、将输入的市电整流为正弦单向脉冲电压，并对所述正弦单向脉冲电压进行逆变处理后作为无线电能发射器的谐振电路的开关电源。具体实施方式参阅上述实施例步骤S1，在此不再赘述。

步骤T2、根据谐振电路的电路元件的参数计算出所述谐振电路的谐振频率。

较佳地，所述电路元件包括电容和电感。

步骤T3，设定所述开关电源的开关频率使其与所述谐振电路的谐振频率一致，使所述谐振电路工作在准谐振状态。

基于本发明实施例的基于无线电能传输系统的功率因素校正的方法，通过将市电整流为正弦单向脉冲电压为谐振电路充电，通过频率跟踪的方式或预先将无线电能发射器的电路各元件的参数设定在谐振点附近，使得谐振电路工作在谐振或准谐振的状态，达到功率因素校正的目的。

基于上述实施例，参见图5，本发明还提供了一种基于无线电能传输系统的功率因素校正的系统的实施例，所述系统包括：

整流模块，用于将输入的市电整流为正弦单向脉冲电压，并对所述正弦单向脉冲电压进行逆变处理后作为无线电能发射器的谐振电路的开关电源；所述谐振电路包括设置在发射线圈前端的补偿电路和所述发射线圈。

其中，所述补偿电路包含一谐振电容。

调整模块，用于把开关电源的开关频率与谐振电路的谐振频率调整成一致，使谐振电路工作在谐振状态或准谐振状态。使得市电的输入电流和电压能完全同相位，且同为正弦波，从而使无线电能发射器的功率因素接近1，提高电能的利用程度。

较佳地，所述调整模块具体包括以下单元中任意一个：

第一谐振单元，用于采集发射线圈的电压过零信号，得出所述谐振电路的谐振频率；控制所述开关电源的开关频率跟踪所述谐振电路的谐振频率，当所述开关电源的开关频率与所述谐振电路的谐振频率一致时，锁定所述开关电源的开关频率，使所述谐振电路工作在准谐振状态。通过第一谐振单元的控制，可使市电的输入电流和电压能完全同相位，且同为正弦波，从而使无线电能发射器的功率因素接近1，提高电能的利用程度。

第二谐振单元，用于获取所述开关电源的开关频率；调整谐振电路的电路元件的参数，使所述谐振电路的谐振频率与所述开关电源的开关频率一致，使所述谐振电路工作在准谐振状态。通过第二谐振单元的控制，即使考虑到反射阻抗的影响，谐振电路仍可处于准谐振状态，此时无线电能发射器的功率因素仍然可达0.85以上，电能的利用程度较高。

第三调整单元，用于根据谐振电路的电路元件的参数计算出所述谐振电路的谐振频率；设定所述开关电源的开关频率，使其与所述谐振电路的谐振频率一致，使所述谐振电路工作在准谐振状态。此时即使考虑到反射阻抗的影响，谐振电路仍可处于准谐振状态，此时无线电能发射器的功率因素仍然可达0.85以上，电能的利用程度较高。

无线电能发射器的控制电路与所述整流模块、调整模块连接，用于协调控制各模块的工作。

其中，所述谐振电路可由所述补偿电路与发射线圈并联组成，也可由所述补偿电路与发射线圈串联组成。具体可根据实际情况确定，以最大化的节省电路空间为准。

如图3（a）所示，对于串联的谐振电路，当所述谐振电路的实际频率与所述谐振频率一致时，谐振电路相对输入电源而言呈现出纯阻抗的特点，其阻抗值为：

Z : = (j \cdot 2 \cdot π \cdot f \cdot L + \frac{1}{j \cdot 2 \cdot π \cdot f \cdot C}) + R;

f : = \frac{1}{2 \cdot π \cdot \sqrt{L \cdot C}} .

其中，L为发射线圈的感抗，C为补偿电路的容抗。

如图3（b）所示，对于并联的谐振电路，当所述谐振电路的实际频率与所述谐振频率一致时，谐振电路相对输入电源而言呈现出纯阻抗的特点，其阻抗值为：

Z : = \frac{1}{\frac{1}{R} + (\frac{1}{j \cdot 2 \cdot π \cdot f \cdot L} - j \cdot 2 \cdot π \cdot f \cdot C)};

f : = \frac{1}{2 \cdot π \cdot \sqrt{L \cdot C}} .

其中，L为发射线圈的感抗，C为补偿电路的容抗。

本发明实施例利用谐振电路的特点，通过将输入的市电整流为正弦单向脉冲电压，使所述谐振电路对输入的电源而言呈现出纯阻抗的特点，使得输入的市电的电流和电压的相位相同，谐振电路工作在准谐振状态，提高无线电能发射器的功率因素，降低无线电能传输产品对电网谐波的污染。同时，由于无需增加现有技术中的PFC电路，使得线电能传输系统的电路体积小、成本较低且无噪声.

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于无线电能传输系统的功率因素校正的方法，其特征在于，包括：

将输入无线电能发射器的市电整流为正弦单向脉冲电压，并对所述正弦单向脉冲电压进行逆变处理后作为所述无线电能发射器的谐振电路的开关电源；所述谐振电路包括发射线圈和设置在发射线圈前端的补偿电路；

将所述开关电源的开关频率与谐振电路的谐振频率调整成一致，使谐振电路工作在谐振状态或准谐振状态。

2.根据权利要求1所述的基于无线电能传输系统的功率因素校正的方法，其特征在于，所述将开关电源的开关频率与谐振电路的谐振频率调整成一致，使所述谐振电路工作在谐振状态具体为：

3.根据权利要求1所述的基于无线电能传输系统的功率因素校正的方法，其特征在于，所述将开关电源的开关频率与谐振电路的谐振频率调整成一致，使所述谐振电路工作在准谐振状态具体为：

获取所述开关电源的开关频率；

调整谐振电路的电路元件的参数以使所述谐振电路的谐振频率与所述开关电源的开关频率一致，使所述谐振电路工作在准谐振状态。

4.根据权利要求1所述的基于无线电能传输系统的功率因素校正的方法，其特征在于，所述将开关电源的开关频率与谐振电路的谐振频率调整成一致，使所述谐振电路工作在准谐振状态具体为：

5.根据权利要求1所述的基于无线电能传输系统的功率因素校正的方法，其特征在于，所述补偿电路包含一谐振电容；

所述谐振电路由所述补偿电路与发射线圈并联组成。

6.根据权利要求5所述的基于无线电能传输系统的功率因素校正的方法，其特征在于，所述谐振电路由所述补偿电路与发射线圈串联组成。

7.一种基于无线电能传输系统的功率因素校正的系统，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述调整模块具体包括：

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，其中，所述补偿电路包含一谐振电容。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述谐振电路由所述补偿电路与发射线圈并联组成，或者所述谐振电路由所述补偿电路与发射线圈串联组成。