CN104578441A - 无线电能发射端相位检测控制装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线电能发射端的相位检测控制装置及其方法，所述装置主要包括控制单元和相位检测单元；相位检测单元，用于对发射端的电流信号和驱动脉冲信号的波形进行相位检测及比较；控制单元，用于对经过所述检测单元处理后的信号进行频率调节。采用本发明，能够使发射端谐振电路的电压相位始终超前于电流相位，而不受元器件差异和实际工作状况异常等因素的影响，从而确保发射端始终工作于感性状态，提高系统的可靠性和稳定性。

Description

无线电能发射端相位检测控制装置及其方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术，尤其涉及一种无线电能发射端相位检测控制装置及其方法。

背景技术

无线电能传输技术，一般采用感应耦合进行电能传输，是一种通过电磁耦合以非接触式方式向负载传递能量的新技术。

图1为现有无线电能传输系统的原理框图。如图1所示，无线电能传输系统分为无线电能发射端（包含原边）以及无线电能接收端（包含副边）两大部分。所述的发射端包含初级电路；所述的接收端包含拾取电路。

发射端主要用于完成电能的变换与发送，接收端（回路）主要用于完成能量的拾取与稳压。无线电能传输系统利用原边发射线圈中的高频电流激发的高频磁场在副边拾取线圈中引起电磁感应产生感应电压的原理来完成能量的非接触传送。

在无线电能传输过程中，发射线圈和接收线圈通过耦合作用进行能量传输。发射端根据接收端的输出电压来调节其工作状态，如频率、占空比、相位等参数，以此控制接收端使其工作在一定的电压范围内，并控制无线电能传输系统的传输功率。

不同于一般的脉冲宽度调制（PWM）和相位调制的系统，无线电能传输系统采用调频的方式来实现系统的功率调节和稳定。在调频方式下，系统可能工作于感性或者容性状态。正常工作状态下，电路应工作于感性状态。当有异常情况发生时，电流相位超前于电压相位，此时谐振电路就进入容性工作状态。此时，若发射线圈输出的功率较大，由于电压相位滞后电流相位，在较大电流状态下关断功率逆变开关管，功率逆变开关管的功耗较大，会导致开关管瞬间局部过热而损坏，造成发射器烧毁，甚至引起火灾，因此存在极大的安全隐患。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种无线电能发射端的相位检测控制装置及其方法，使谐振电路的电压相位始终超前于电流相位，而不受元器件差异和实际工作状况异常等因素的影响，从而确保发射端始终工作于感性状态，以提高系统的可靠性和稳定性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

无线电能发射端的相位检测控制装置，包括控制单元和相位检测单元；其中，

相位检测单元，用于对发射端的电流信号和驱动脉冲信号的波形进行相位检测及比较；

控制单元，用于对经过所述检测单元处理后的信号进行频率调节。

其中，所述相位检测单元包含电流过零比较电路、逆变驱动信号发生器及相位比较电路；其中，

电流过零比较电路，用于对采样谐振线圈上的电流得到的第一电压采样信号ui1和第二电压采样信号ui2进行比较，得到电流采样方波信号ui；

逆变驱动信号发生器，用于输出逆变驱动信号CPU_PWM driver；及

相位比较电路，用于对所述电流采样方波信号ui和逆变驱动信号CPU_PWM driver进行相位比较，从而得到方波信号CPU。

所述电流过零比较电路，包含第一集成运算放大器。所述相位比较电路，包含第二集成运算放大器。

一种无线电能发射端的相位检测控制方法，包括如下步骤：

A、通过对谐振线圈上的电流进行采样，得到第一电压采样信号ui1和第二电压采样信号ui2，并进行比较，得到电流采样方波信号ui；

B、将逆变驱动信号CPU_PWM driver和所述电流采样方波信号ui通过相位比较电路进行相位比较，得到方波信号CPU；

C、将所述方波信号CPU输入控制单元，对所述方波信号CPU进行频率调节，并将所述经频率调节后的信号送入高频逆变单元。

本发明所提供的无线电能发射端的相位检测控制装置及其方法，具有以下优点：

无线电能传输系统的发射端以调频方式工作时，利用本发明的相位检测控制装置及其方法， 能够使谐振电路的电压相位始终超前于电流相位即确保系统始终工作于感性状态，这样，在输出功率较大时关断功率逆变开关管，即可避免功率逆变开关管功耗过大，从而防止功率逆变开关管瞬间局部过热而烧毁发射器，提高了开关器件的可靠性和系统的稳定性。

附图说明

图1为现有无线电能传输系统的原理框图；

图2为本发明的无线电能传输系统的功能框图；

图3为包含图2所示相位检测单元的相位检测控制装置的实施例一示意图；

图4为图3所示相位检测控制装置的相位检测电路实施例之一；

图5A、图5B、图5C为图3和图4所示相位检测电路的各测量点信号波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明的相位检测控制装置及方法作进一步详细的说明。

图2为本发明的无线电能传输系统的功能框图。本发明的无线电能传输系统的发射端以调频方式进行工作，通过在发射端增设相位检测控制装置，通过对相位进行检测并对频率进行调节使无线电能传输系统的变频部分始终工作在感性状态下。

如图2所示，所述相位检测控制装置，主要包括相位检测单元和控制单元。所述相位检测单元，对发射端的电流信号和驱动脉冲信号的波形进行相位检测及比较。所述控制单元，对经过所述检测单元处理后的信号进行频率调节。

该包含所述相位检测控制装置的无线电能传输系统的工作原理如下：

无线电能发射端对所述无线电能接收端进行无线供电时，利用相位检测单元对相位进行跟踪，无线电能发射端通过输出相位检测信号，改变控制单元的输出，并最终控制开关逆变器的脉冲宽度调制（PWM）信号的频率。

首先，通过相位检测单元的采样线圈电流波形与驱动脉冲信号波形（驱动脉冲信号的门限电压与功率逆变开关管的电压波形相位一致），并对其相位波形通过相位比较电路进行比较，将经过所述相位比较电路处理后的信号送入控制单元调节输出频率，直到采样回来的谐振电流输出脉冲信号稳定后再停止调节，即达到相位检测并最终使变频调节的系统工作于感性状态的目的，以此为依据来判断发射端是否正常工作。

图3为包含图2所示相位检测单元的相位检测控制装置的实施例一示意图。下面以图3为例结合图4对相位检测的过程进行说明：

如图3所示，电流采样模块通过采样谐振线圈上的电流得到第一电压采样信号ui1和第二电压采样信号ui2，经电流过零比较电路后得到电流采样方波信号ui；逆变驱动（脉冲电压）信号CPU_PWM driver和所述方波信号ui经过相位比较电路得到一个方波信号CPU，然后将其送至控制单元进行频率调节，以此作为控制增加或减小信号频率的依据。当无线供电发射端逆变单元进入容性工作状态时，方波信号CPU脉宽信号变窄，控制单元输出信号的频率增加，限制输出功率的增加，直至逆变单元进入正常的感性工作状态为止，这样即可使电压相位始终超前于电流相位，也就是说，确保了谐振电路始终工作于感性状态。

这里，即便在输出功率较大时关断功率逆变开关管，功率逆变开关管的功耗也不会过大，因而可以防止功率逆变开关管瞬间局部过热，从而提高了开关器件的可靠性和系统的稳定性。

如图4所示，所述电流过零比较电路，最简单的实施方案，可以是一个包含第一集成运算放大器的电压比较器。所述相位检测电路，最简单的实施方案，可以是一个包含第二集成运算放大器（其他元件未示）的电路。

图5A、图5B、图5C为图3和图4所示相位检测单元及相位检测电路的各测量点信号波形示意图。

图5A中，通道CH1显示的是ui1的信号波形，通道CH2显示的是ui2的信号波形，通道CH3显示的是ui的信号波形。

图5B中，通道CH1显示的是方波信号CPU的波形，通道CH2显示的是ui点的信号波形，通道CH3显示的是CPU PWM driver的信号波形。

图5C中，通道CH1显示的是方波信号CPU的波形，通道CH2显示的是ui点的信号波形，通道CH3显示的是CPU PWM driver的信号波形。

对比上述图5B、图5C中的各点的信号波形不难看出，当发射端逆变单元进入容性状态时，方波信号CPU脉宽信号变窄，控制单元输出信号的频率增加，限制输出功率的增加，电压相位始终超前于电流相位，即确保了谐振电路始终工作于感性状态。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (5)

1.无线电能发射端的相位检测控制装置，其特征在于，包括控制单元和相位检测单元；其中，

相位检测单元，用于对发射端的电流信号和驱动脉冲信号的波形进行相位检测及比较；

控制单元，用于对经过所述检测单元处理后的信号进行频率调节。

2.根据权利要求1所述无线电能发射端的相位检测控制装置，其特征在于，所述相位检测单元包含电流过零比较电路、逆变驱动信号发生器及相位比较电路；其中，

电流过零比较电路，用于对采样谐振线圈上的电流得到的第一电压采样信号ui1和第二电压采样信号ui2进行比较，得到电流采样方波信号ui；

逆变驱动信号发生器，用于输出逆变驱动信号CPU_PWM driver；

相位比较电路，用于对所述电流采样方波信号ui和逆变驱动信号CPU_PWM driver进行相位比较，从而得到方波信号CPU。

3.根据权利要求2所述无线电能发射端的相位检测控制装置，其特征在于，所述电流过零比较电路，包含第一集成运算放大器。

4.根据权利要求2所述无线电能发射端的相位检测控制装置，其特征在于，所述相位比较电路，包含第二集成运算放大器。

5.一种无线电能发射端的相位检测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、通过对谐振线圈上的电流进行采样，得到第一电压采样信号ui1和第二电压采样信号ui2，并进行比较，得到电流采样方波信号ui；

B、将逆变驱动信号CPU_PWM driver和所述电流采样方波信号ui通过相位比较电路进行相位比较，得到方波信号CPU；

C、将所述方波信号CPU输入控制单元，对所述方波信号CPU进行频率调节，并将所述经频率调节后的信号送入高频逆变单元。