CN104333148A - 一种无线充电电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线充电电路及其控制方法；电路采用磁耦合式无线输电技术，主要包括直流电源、原边高频逆变单元、原边串联补偿单元、功率发射线圈、功率接收线圈、副边串联补偿单元，不控整流单元、负载和功率控制器单元。该发明以原边电流为反馈量，采用基于变步长扰动观察法的最大功率跟踪控制方法，自动调节电路工作频率，使得电路实时工作在电路频率分裂点上，从而实现传输功率的稳定输出。当功率收发线圈的偏移距离在一定传输范围内，此发明保证在原副边不通信的情况下，无线输电电路负载端能够获取稳定的最大功率，不受偏移位置的影响。此发明省去原副边实时通信的要求，控制方法简单可靠，有效提高了传输功率的稳定性，适用于电动汽车或手机充电等有一定偏移距离要求的无线充电电路。

Description

一种无线充电电路及其控制方法

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，涉及一种无线充电电路及其控制方法。

背景技术

近年来，无线电能传输技术取得了飞速发展，特别是磁耦合方式的无线输电技术。此方式通过功率收发线圈的磁场耦合传递能量，原副边加入补偿网络，提高传输功率和效率。磁耦合无线输电技术已经在小功率的便携式电子设备(例如手机和笔记本)和电动汽车无线充电场合得到成功应用。然而这些应用产品要求原副边实时双向通信，收发线圈必须有一定的对准操作，保证在较小偏移范围。这是因为现有无线输电电路的传输功率极易受到传输距离(或者偏移距离)变化的影响。由于磁耦合方式是通过发射和接收线圈之间的高频磁场耦合传递电能，当传输距离变化时，收发线圈的磁耦合程度会发生剧烈变化，从而影响电路的无线输电性能。因而传输功率容易随传输距离变化而剧烈波动，特别是当采取定频工作方式时，传输距离增加会使得传输功率大幅度下降。

这种相对距离和方位的限制以及原副边通信的要求极大削弱了现有无线充电技术带来的无线便捷优势。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种无线充电电路及其控制方法，旨在解决现有无线输电电路中传输功率容易随传输距离(或者偏移距离)变化而剧烈波动的问题。

本发明提供了一种无线充电电路，包括直流电源、高频逆变单元、原边补偿单元、副边补偿单元，不控整流单元和功率控制单元；所述高频逆变单元的输入端连接所述直流电源，用于将所述直流电源提供的稳定的直电压V_d逆变为高频电压方波，所述原边补偿单元的输入端连接至所述高频逆变单元的输出端，所述副边补偿单元的输出端连接至所述不控整流单元的输入端，所述不控整流单元的输出端用于连接负载；所述功率控制单元的输入端连接至所述原边补偿单元的电流反馈端，所述功率控制单元的输出端连接至所述高频逆变单元的控制端；所述原边补偿单元的输出端与所述副边补偿单元的输入端通过高频磁场耦合，电能从所述原边补偿单元的输出端传递到所述副边补偿单元的输入端。

其中，所述原边补偿单元包括依次串联连接的第一谐振电容C₁和功率发射线圈；所述副边补偿单元包括依次串联连接的第二谐振电容C₂和功率接收线圈；所述功率发射线圈与所述功率接收线圈通过高频磁场耦合，电能从原边传递到副边。

其中，所述原边补偿单元和所述副边补偿单元的自由谐振频率 $f_{\mathrm{res}}=1/2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}$ 保持相同。

其中，所述功率控制单元包含依次串联连接的电流采样电路、最大功率跟踪控制器和开关管驱动电路；所述电流采样电路用于采集原边电流I₁的当前值I₁(k)，最大功率跟踪控制器用于对原边电流的采样值进行处理并输出步长调频控制信号，所述开关管驱动电路用于根据所述步长调频控制信号输出开关管控制信号。

本发明还提供了一种基于上述的无线充电电路的控制方法，包括下述步骤：

S1：在每个控制周期T_s起始时刻，对原边电流I₁的幅值进行采样，获取原边电流I₁的当前值I₁(k)，并保存上个控制周期的原边电流的采样值I₁(k-1)；

S2：判断工作频率f(k)是否在(f_min，f_max)内，若是，则转入步骤S3；若否，则调频步长反向，即Δf_k+1＝-Δf_k，并进入到步骤S6；

其中，f_min为工作频率的下限值，f_max为工作频率的上限值，Δf_k为本次控制周期的调频步长，Δf_k+1为下次控制周期的调频步长；

S3：判断当前控制周期的原边电流的采样值I₁(k)是否大于上个控制周期的原边电流的采样值I₁(k-1)，若是，则调频步长Δf_k保持不变，即Δf_k+1＝Δf_k，并进入步骤S6；若否，则转入步骤S4；

S4：判断|I₁(k)-I₁(k-1)|>ΔI_set，若是，则将调频步长调节为Δf_k+1＝-sign(Δf_k)×Δf₀/2，并进入步骤S6，若否，则转入步骤S5；

其中，ΔI_set为设定的电流波动阀值，Δf₀为初始调频步长，sign(Δf_k)表示取Δf_k正负符号操作；

S5：判断|Δf_k|≤Δf_min，若是，则保持最小调频步长并反向，Δf_k+1＝-sign(Δf_k)×Δf_min；若否，则调频步长Δf_k减半并改变调频方向，即Δf_k+1＝-Δf_k/2，并转入步骤S6；

其中，Δf_min为最小调频步长；

S6：在控制周期T_s结束时刻，调节工作频率f(k+1)＝f(k)+Δf_k+1；返回至步骤S1并进入下一个控制周期。

其中，ΔI_set为设定的电流波动阀值，其值表明在传输距离发生了剧烈变化瞬间对应的原边电流I₁变化量，一般设定为原边电流I₁额定值的五分之一。

本发明中，充分利用了原边电流和输出功率在频率分裂点附近同时达到峰值这一频率分裂特性。它不需要获取副边负载电压信息，而是直接调频跟踪原边电流的峰值点，从而实现最大输出功率跟踪。由于控制过程不需要副边采样信息，因此原副边不需进行通信，原副边做到正真分离；原副边不需要进行通信，原边电流幅值检测硬件相对容易，控制方法简单。另外，充分利用磁耦合电路的频率分裂特性。虽然频率分裂点会随着传输距离即互感耦合系数变化而变化，但是在频率分裂点上，电压增益总是保持一定值小范围内波动。因此只要电路搜寻到并工作在频率分裂点，电压增益就会基本保持不变，电路输出稳定功率，不受传输距离影响而剧烈波动。在一定的传输偏移范围内，在不明显降低效率的情况下，能保持输出功率基本恒定，基本不受传输偏移距离的影响。

附图说明

图1为本发明实施例的电路拓扑和控制器示意图；

图2为本发明实施例的控制框图；

图3为本发明实施例的互感耦合系数k随收发线圈偏移距离的变化曲线图；

图4为本发明实施例的原边电流I₁、输出电压Vo和传输效率随工作频率f变化关系图；

图5为本发明实施例的不同互感耦合系数k下输出电压Vo随工作频率变化曲线图；

图6为本发明实施例的最大输出功率跟踪的示意图；

图7为本发明实施例的最大功率跟踪控制过程的仿真波形。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明适用于传输距离有一定偏移范围而传输功率有一定稳定性要求的无线充电场合。本发明针对现有技术的不足之处，提出了一种不需要原、副边通信，简单可行的无线充电电路及其控制方法，解决现有无线输电电路中传输功率容易随传输偏移距离变化而剧烈波动的问题。

本发明提出一种最大功率跟踪的无线充电电路及其控制方法。其所基于的电路采用磁耦合式无线输电技术，主要包括直流电源、原边高频逆变单元、原边串联补偿单元、功率发射线圈、功率接收线圈、副边串联补偿单元，不控整流单元、负载和功率控制器单元。原边高频逆变单元产生激励整个电路的高频电压方波，其频率即为电路工作频率f。通过功率收发线圈的高频耦合磁场，电能从原边无线传递到副边。无线输电电路采用原、副边串联补偿拓扑，其传输特性表现为：当耦合距离在有效传输范围内时，电路会出现频率分裂现象，即电压增益(输出电压V₀/输入直流电压V_d)随工作频率f变化，出现两个峰值点，如图4所示。而工作在频率分裂点上，则输出功率或输出电压基本恒定，并且不随传输距离变化而剧烈波动，表现出：在变距离下输出恒定功率的特性，而原边电流在频率分裂点附近也达到最大值。最大功率跟踪控制方法即利用此频率分裂特性，采用原边电流幅值作为判断条件，将工作频率f实时锁定在频率分裂点上，从而实现最大输出功率跟踪。

在本发明实施例中，以原边电流为反馈量，采用基于变步长扰动观察法的最大功率跟踪控制方法，自动调节电路工作频率f，使得电路实时工作在电路频率分裂点上，从而实现传输功率的稳定输出。

本发明实施例提供的无线充电电路的控制方法，包括如下具体步骤：

(1)预先设定时间步长T_s即控制周期，初始调频步长Δf₀，最小调频步长Δf_min，工作频率变化限定范围(f_min，f_max)，初始工作频率f₀。

其中初初始调频步长Δf₀一般取较大值，例如2kHz，使得开始的扫频速度较快，电路可以更快跟踪到频率分裂点；最小调频步长Δf_min则小于Δf₀，例如0.5kHz，保证在搜寻到频率分裂点后，电路工作频率在小范围内波动，输出电压亦在小范围波动。

其中工作频率变化限定范围(f_min，f_max)应包含最大和最小的频率分裂点，即传输距离最近时的两频率分裂点，其分别对应最大和最小频率分裂点。当电路硬件设计完毕时，可以从理论估算或者实验扫频测试上获取最大和最小频率分裂点。初始工作频率f₀选定在(f_min，f_max)之间任意一个点，一般设定f₀＝f_max，即高频启动，可以避免启动时刻电流过冲。启动无线输电电路，一段时间后进入稳态；

(2)在每个控制周期T_s起始时刻，对原边电流I₁的幅值采样，获取电流I₁当前值I₁(k)，同时保存上个控制周期的原边电流采样值I₁(k-1)；

(3)判断工作频率f(k)是否在(f_min，f_max)内。如果工作频率f(k)不在(f_min，f_max)范围内，则调频步长反向，即Δf_k+1＝-Δf_k，并进入到步骤(7)。若f_min<f(k)<f_max，则进入下一步骤。

(4)判断原边电流I₁变化趋势。当I₁(k)>I₁(k-1)时，则调频步长Δf_k保持不变，即Δf_k+1＝Δf_k，并进入步骤(7)；当I₁(k)<I₁(k-1)时，则进入下一步骤。

(5)进一步判断电流I₁幅值有无剧烈波动。如果|I₁(k)-I₁(k-1)|>ΔI_set，则说明传输距离发生了剧烈变化，这时将调频步长调节为：Δf_k+1＝-sign(Δf_k)×Δf₀/2，并进入步骤(7)，此操作用以在传输距离突变时加快最大功率点搜寻速度，减小搜寻时间。其中ΔI_set为设定的电流波动阀值，sign(Δf_k)表示取Δf_k正负符号操作。如果|I₁(k)-I₁(k-1)|≤ΔI_set，则说明电流I₁幅值无剧烈波动，无需增大调频步长幅度。则进入到下一步骤。

(6)此时进一步判断调频步长幅度是否足够小，如果|Δf_k|≤Δf_min，说明调频步长幅值已经减小到最小值，保持最小调频步长并反向，Δf_k+1＝-sign(Δf_k)×Δf_min；否则调频步长Δf_k减半并改变调频方向，即Δf_k+1＝-Δf_k/2。并进入步骤(7)；

(7)在控制周期T_s结束时刻，调节工作频率f(k+1)＝f(k)+Δf_k+1；返回至步骤(2)并进入下一个控制周期；

与现有的无线充电电路及其控制方法相比，本发明有如下优点：

(1)原副边不需要进行通信，原边电流幅值检测硬件相对容易，控制方法简单。

此控制方法充分利用了原边电流和输出功率在频率分裂点附近同时达到峰值这一频率分裂特性。它不需要获取副边负载电压信息，而是直接调频跟踪原边电流的峰值点，从而实现最大输出功率跟踪。由于控制过程不需要副边采样信息，因此原副边不需进行通信，原副边做到正真分离。

(2)在一定的传输偏移范围内，在不明显降低效率的情况下，能保持输出功率基本恒定，基本不受传输偏移距离的影响。

这也是充分利用磁耦合电路的频率分裂特性。虽然频率分裂点会随着传输距离即互感耦合系数变化而变化，但是在频率分裂点上，电压增益总是保持一定值小范围内波动。因此只要电路搜寻到并工作在频率分裂点，电压增益就会基本保持不变，电路输出稳定功率，不受传输距离影响而剧烈波动。

本发明提出的最大功率跟踪的无线充电电路及其控制方法，以原边电流幅值为反馈量，避免了原副边通信的要求，信号调理环节和最大功率跟踪控制方法简单，不需要精细的控制参数设计，即使在在收发线圈有一定偏移距离的情况下，也可实现功率稳定传输。

下面结合附图对本发明的技术方案进一步说明其详细实施方式：

本发明所提出的无线充电电路及其控制方法，其所基于的无线充电电路如图1所示。该电路主要包括直流电源1、高频逆变单元2、原边补偿单元3、功率发射线圈8和功率接收线圈9、副边补偿单元4，不控整流单元5、负载6和功率控制单元7。

其中，所述直流电源1的作用是为高频逆变单元2提供稳定的直电压V_d；所述高频逆变单元2将直流电逆变为高频电压方波，其结构为由四个开关管组成的全桥逆变电路，输出端a、b连接原边补偿单元3；所述原边补偿单元3由谐振电容C₁和功率发射线圈8串联组成，其功能用来补偿线圈漏感，提高传输功率容量和效率；功率发射线圈8与功率接收线圈9通过高频磁场耦合，电能从原边传递到副边；所述副边补偿单元4与原边补偿单元3的参数设置一致，由谐振电容C₂和功率接收线圈9串联组成；其输出端c、d与不控整流单元5输入端相连。所述不控整流单元5由整流二极管和滤波电容C₀构成，将接收到的高频交流电变换为直流电，供给负载R_L。

其中，功率控制单元包含电流采样电路、最大功率跟踪控制器和开关管驱动电路。电流采样电路对原边电流I₁的幅值采样，作为反馈量，然后由最大功率跟踪控制器算得控制量即电路工作频率f，通过开关管驱动电路，驱动原边高频逆变单元2输出频率为f的高频方波电压。原副边LC串联补偿单元3、4的自由谐振频率保持相同。当控制器调控电路工作频率f，使得原边电流I₁幅值达到最大值时，则电路输出功率同时达到最大值区域。

如图3所示，给出了一对典型的功率收发线圈8、9之间互感耦合系数k随线圈之间传输偏移距离的变化曲线。当收发线圈对准时，k达到最大0.16，当偏移距离达到±20cm时，k将小于0.08。本发明提出的功率控制方法即可保证在0到±20cm偏移距离范围内，时刻保持输出功率稳定。

假设LC补偿单元3、4的自由谐振频率f_res＝200kHz，L＝L₁＝L₂＝105uH，C＝C₁＝C₂＝6.03nF，R_L＝15Ω，互感耦合系数k＝0.15。扫描电路工作频率f得到的电压增益Gv(输出电压V₀/输入直流电压V_d)、原边电流I₁和传输效率曲线，对比如下图4所示。从扫频结果可看出，在频率分裂点，电压增益和原边电流I₁基本达到最大，同时保持了较高传输效率。因此可以利用原边电流I₁进行频率分裂点跟踪，从而实现最大功率点跟踪。

图5为不同互感耦合系数下(k＝0.1,、0.12、0.15)的电压增益Gv扫频对比曲线。频率分裂随着耦合系数k增加而增大。在频率分裂点处，电压增益达到最大值。同时比较不同k值下的最大电压增益基本不变，因此跟踪频率分裂点，不仅可以获得最大输出功率，而且在传输距离变化时，传输功率亦不会剧烈变化，而是维持并稳定输出较高功率。

基本控制方法如流程图2所示。在第k时刻，对原边电流I₁幅值采样得I₁(k)，比较I₁(k)与上一时刻的I₁(k-1)的大小。当I₁电流增大，则保持工作频率f变化方向不变；当I₁减小，则说明搜寻到一次极值点位置，则减小调频步长Δf，并改变调频方向，直到步长幅值|Δf|减小到最小调频步长Δf_min，在小范围内抖动，从而降低输出电压的波动，使得电路时刻跟踪到最大功率对应的频率点附近摆动。

结合实施例图6说明本方法的基本控制过程如下：

(1)图中两条曲线为电压增益G_V或者原边电流I₁幅值随工作频率变化曲线，其中一条虚线对应传输距离较远情形，另一条实线对应传输距离较近情形。假设电路初始状态对应传输距离较近的曲线，从高频即A点开始，以最大步长Δf₀扫频。

(2)工作频率减小到B点，由于I₁电流增大，故扫频方向不变，工作频率继续以最大步长Δf₀减小。

(3)以最大步长Δf₀扫频，经过C点，到D点时，I₁电流幅值减小，搜寻到第一个拐点，因此扫频方向改变，步长减半。

(4)继续扫频，经过E点，多次搜寻拐点，步长减小至最小调频步长Δf_min，直到在F点附近微小范围内摆动，寻找到最大输出功率点。

(5)假设此时传输距离突然增大，电路工作状态对应到传输距离较远的曲线，即由F点跳变为G点。由于I₁电流幅值急剧变化，扫频步长则由Δf_min增大为Δf₀/2，开始重新搜寻，重复(2)-(4)步骤类似过程。经过工作点H、I，重新搜寻到最大功率点I。

图7为本发明所述控制方法所实施的一例控制过程波形，包含了工作频率f的调节过程和输出电压Vo波形。在时间段t＝0-0.04s时，互感耦合系数k＝0.15，在时间段t＝0.04-0.08s时，互感耦合系数变为k＝0.1，表示传输距离变远。频率f在搜寻到电流I₁极值点处时，则调频步长减半，最后调频步长减小到设定的最小调频步长0.5kHz。从Vo波形可看出，虽然传输距离增加导致互感耦合系数从0.15降为0.1，但是输出电压Vo基本维持在40V上。因此本发明控制方法在传输距离变化情况下，能保证传输功率稳定输出，非常适合传输距离有一定偏移范围而传输功率有一定稳定性要求的无线充电场合。

本领域的技术人员容易理解，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 (6)

1.一种无线充电电路，其特征在于，包括直流电源(1)、高频逆变单元(2)、原边补偿单元(3)、副边补偿单元(4)，不控整流单元(5)和功率控制单元(7)；

所述高频逆变单元(2)的输入端连接所述直流电源(1)，用于将所述直流电源(1)提供的稳定的直电压V_d逆变为高频电压方波；

所述原边补偿单元(3)的输入端连接至所述高频逆变单元(2)的输出端；

所述副边补偿单元(4)的输出端连接至所述不控整流单元(5)的输入端，所述不控整流单元(5)的输出端用于连接负载(6)；

所述功率控制单元(7)的输入端连接至所述原边补偿单元(3)的电流反馈端，所述功率控制单元(7)的输出端连接至所述高频逆变单元(2)的控制端；

所述原边补偿单元(3)的输出端与所述副边补偿单元(4)的输入端通过高频磁场耦合，电能从所述原边补偿单元(3)的输出端传递到所述副边补偿单元(4)的输入端。

2.如权利要求1所述的无线充电电路，其特征在于，所述原边补偿单元(3)包括依次串联连接的第一谐振电容C₁和功率发射线圈(8)；所述副边补偿单元(4)包括依次串联连接的第二谐振电容C₂和功率接收线圈(9)；所述功率发射线圈(8)与所述功率接收线圈(9)通过高频磁场耦合，电能从原边传递到副边。

3.如权利要求2所述的无线充电电路，其特征在于，所述原边补偿单元(3)和所述副边补偿单元(4)的自由谐振频率保持相同。

4.如权利要求1所述的无线充电电路，其特征在于，所述功率控制单元(7)包含依次串联连接的电流采样电路、最大功率跟踪控制器和开关管驱动电路；所述电流采样电路用于采集原边电流I₁的当前值I₁(k)，最大功率跟踪控制器用于对原边电流的采样值进行处理并输出步长调频控制信号，所述开关管驱动电路用于根据所述步长调频控制信号输出开关管控制信号。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述的无线充电电路的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：在每个控制周期T_s起始时刻，对原边电流I₁的幅值进行采样，获取原边电流I₁的当前值I₁(k)，并保存上个控制周期的原边电流的采样值I₁(k-1)；

S2：判断工作频率f(k)是否在(f_min，f_max)内，若是，则转入步骤S3；若否，则调频步长反向，即Δf_k+1＝-Δf_k，并进入到步骤S6；

其中，f_min为工作频率的下限值，f_max为工作频率的上限值，Δf_k为本次控制周期的调频步长，Δf_k+1为下次控制周期的调频步长；

S3：判断当前控制周期的原边电流的采样值I₁(k)是否大于上个控制周期的原边电流的采样值I₁(k-1)，若是，则调频步长Δf_k保持不变，即Δf_k+1＝Δf_k，并进入步骤S6；若否，则转入步骤S4；

S4：判断|I₁(k)-I₁(k-1)|>ΔI_set，若是，则将调频步长调节为Δf_k+1＝-sign(Δf_k)×Δf₀/2，并进入步骤S6，若否，则转入步骤S5；

其中，ΔI_set为设定的电流波动阈值，Δf₀为初始调频步长，sign(Δf_k)表示取Δf_k正负符号操作；

S5：判断|Δf_k|≤Δf_min，若是，则保持最小调频步长并反向，Δf_k+1＝-sign(Δf_k)×Δf_min；若否，则调频步长Δf_k减半并改变调频方向，即Δf_k+1＝-Δf_k/2，并转入步骤S6；

其中，Δf_min为最小调频步长；

S6：在控制周期T_s结束时刻，调节工作频率f(k+1)＝f(k)+Δf_k+1；返回至步骤S1并进入下一个控制周期。

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，ΔI_set为设定的电流波动阈值，其值表明在传输距离(或者偏移距离)发生了剧烈变化瞬间对应的原边电流I₁变化量，一般设定为原边电流I₁额定值的五分之一。