CN105305660B - 一种非接触充电开路保护装置 - Google Patents
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Abstract
一种非接触充电开路保护装置，包括非接触电能发射单元(1)、非接触电能传输单元(2)和非接触电能接收单元(3)。第一控制单元通过无线通信与第二控制单元实时进行信息交互，第二控制单元实时监测非接触电能接收单元(3)开路电压V和电流A，第二控制单元检测到电流A发生变化，将信息通过无线通信反馈给第一控制单元，比较控制单元实时比较非接触电能接收单元(3)负载电压V+和参考电压，当非接触电能接收单元(3)负载出现开路故障时，比较器输出控制继电器Kp闭合，第一控制单元控制逆变器输出实现保护功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种非接触充电开路保护装置。
背景技术
20世纪90年来以来，非接触电能传输(Contactless Power Transfer,CPT)技术因其广阔的应用前景，受到了国内外越来越多学者及相关领域科研人员的关注。该技术可实现电源端与负载端的非电气连接进行电能的非接触传输，因此，在高温、高湿、高腐蚀、易爆等恶劣环境下及生物体内、家电、电动汽车等有便利供电要求领域占据独特的优势。
目前，小功率的非接触电能传输已经在便携式电子产品充电上取得了广泛的应用，非接触电能传输应用于便携式电子产品充电能带来极大的便利性，节约大量资源。目前业内普遍认为电动汽车的非接触充电能够取得广泛的应用，将非接触电能传输技术应用于电动汽车的非接触充电技术优势极大。
当非接触充电系统工作频率工作在较低的工作频率时，非接触充电系统的输出特性呈现电流源特性。实验表明，当非接触充电系统工作在额定频率时，在充电过程中断开负载，导致系统发生开路，系统输出电压将达到1000V以上，直接导致输出滤波电容发生击穿，产生危险。
目前在无线系统中，还没有申请过相关的开路保护专利。一般传统的开路保护电路都是利用检测电路检测开路状态，然后通过程序再控制继电器等开关单元进行切换操作，如中国专利：CN102238785A“一种开路保护电路”开路保护模检测开路保护模块所连接的两端之间的电压差值，判断所述电压差值小于预设差值阈值时，使此两端之间处于断路状态；判断所述电压差值不小于预设差值阈值时，使此两端之间处于短路状态。这种控制方式控制速度较慢，不能满足无线充电开路保护的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的非接触充电系统输出滤波电容发生击穿，产生危险的缺点，提供一种继电器输出控制单元的开路保护装置。本发明能够在非接触充电系统发生开路时，通过闭合保护继电器KP，短路副边接收线圈，降低系统输出电压，保护系统的输出端不发生过压危险。
本发明装置包括非接触电能发射单元、非接触电能传输单元和非接触电能接收单元。非接触电能发射单元的输出端连接非接触电能传输单元输入端，非接触电能传输单元的输出端连接非接触电能接收单元输入端。非接触电能发射单元将交流220V电源信号通过逆变转换为高频信号，经过非接触电能传输单元的输出端发送出去，非接触电能接收单元接收高频信号，将高频信号整流成直流信号给负载充电。
所述的非接触电能发射单元包括输入整流单元、逆变器单元和第一控制单元。输入整流单元将220V交流电源整流成直流信号，第一控制单元控制逆变器单元将直流信号逆变为高频交流信号。
所述的非接触电能传输单元由并联谐振补偿电容和发射线圈，以及并联谐振补偿电容和接收线圈构成，发射线圈和接收线圈均采用谐振补偿技术相互耦合传输电能。并联谐振补偿电容和发射线圈将高频交流信号转换为电磁信号发送出去，并联谐振补偿电容和接收线圈接收电磁信号，同时转化为高频交流信号。
所述的非接触电能接收单元包括输出整流单元、比较控制单元、第二控制单元和负载。输出整流单元将接收到的高频交流信号整流成直流信号，直流信号为输出开路电压V和直流电流A，比较控制单元实时比较非接触电能接收单元负载电压V+和参考电压，第二控制单元实时监测非接触电能接收单元开路电压V和电流A，第二控制单元控制，其中负载电压V+和开路电压V为同一电压值。
所述的比较控制单元包括继电器Kp，MOSFET管U1以及比较器U2。比较器U2和第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5，以及第六电阻R6构成滞回比较器结构。继电器KP的触点A和触点B分别跨接在非接触电能传输单元的输出侧的两端，负载电压V+经过第二电阻R2和第六电阻R6分压，接入比较器U2的11端口，5～12V弱电系统供电电源VCC为弱电系统供电，5～12V弱电系统供电电源VCC经过第三电阻R3和第五电阻R5分压后，接入比较器U2的10端口；比较器U2的输出端13连接MOSFET管U1的门极G，MOSFET管U1的源极S连接GND地，MOSFET管U1的漏极连接继电器KP的6端口，继电器Kp的触点5连接电源VCC。
第一控制单元根据第二控制单元的反馈信息，控制非接触电能发射单元中的逆变单元输出。比较控制单元实时比较非接触电能接收单元负载电压V+和参考电压，当非接触电能接收单元负载出现开路故障时，负载电压V+迅速升高，当负载电压V+大于比较器参考电压高电压阈值UH时比较器输出高电平，MOSFET管导通，驱动继电器Kp闭合；当负载开路状态故障解除后，负载电压V+小于比较器参考电压低电压阈值UL时，比较器输出低电平，MOSFET管关断，继电器Kp断开，非接触充电开路保护装置恢复正常。能够实现非接触充电开路保护装置自恢复功能。
第二控制单元实时监测非接触电能接收单元的开路电压V和电流A，第二控制单元检测到电流A发生畸变，将信息通过无线通信反馈给第一控制单元，第一控制单元控制逆变器输出实现保护功能。
与现有的保护装置相比，本发明具有如下优点：
1.输出控制继电器闭合，保护速度快。
2.硬件和软件配合保护，保护可靠性高。
3.成本低，可用性高。本装置能够通过利用保护继电器，比较器，以及简单的采样控制单元实现保护功能，操作简单，易于电路实现。
4.负载开路故障时能够保护系统，负载开路故障解除后能够自动恢复。
附图说明
图1是非接触充电开路保护装置整体结构图，图中：1非接触电能发射单元、2非接触电能传输单元、3非接触电能接收单元。
图2是比较控制单元的结构图。
具体实施方式
以下结合附图对具体实施方式进一步说明本发明。
本发明装置包括非接触电能发射单元1、非接触电能传输单元2和非接触电能接收单元3。非接触电能发射单元1的输出端连接非接触电能传输单元2的输入端，非接触电能传输单元2的输出端连接非接触电能接收单元3的输入端。非接触电能发射单元1将交流220V电源信号通过逆变转换为高频信号，经过非接触电能传输单元2的输出端发送出去，非接触电能接收单元3接收高频信号，将高频信号整流成直流信号给负载充电。
非接触电能发射单元1包括输入整流单元、逆变器单元和第一控制单元。220V交流信号连接整流单元的输入端接，整流单元的输出端连接逆变器单元的输入端，逆变器单元的输出端连接非接触电能传输单元2的输入端，第一控制单元连接逆变器单元的控制端。输入整流单元将220V交流电源整流成直流信号，第一控制单元控制逆变器单元将直流信号逆变为高频交流信号。
非接触电能传输单元2由并联连接的谐振补偿电容C1和发射线圈L0、并联连接的谐振补偿电容C2和接收线圈L1构成，发射线圈L0和接收圈L1均采用谐振补偿技术相互耦合传输电能。并联谐振补偿电容和发射线圈将高频交流信号转换为电磁信号发送出去，并联谐振补偿电容和接收线圈接收电磁信号，同时转化为高频交流信号。非接触电能传输单元中的发射线圈和接收线圈通过感应耦合方式实现无线电能传输。
非接触电能接收单元3包括输出整流单元、比较控制单元、第二控制单元和负载。比较控制单元的继电器Kp的触点A和触点B的两端连接输出整流单元的输入端，输出整流单元的输出端连接负载，第二控制单元的负载电压检测端与负载并联连接，比较控制单元的负载电压检测端与负载并联连接，第二控制单元的负载电流检测端与负载串联连接。输出整流单元将接收到的高频交流信号整流成直流信号，直流信号为输出开路电压V和直流电流A，比较控制单元实时比较非接触电能接收单元负载电压V+和参考电压，第二控制单元实时监测非接触电能接收单元开路电压V和电流A，第二控制单元控制，其中负载电压V+和开路电压V为同一电压值。
所述的比较控制单元主要包括继电器KP，MOSFET管U1以及比较器U2。比较器U2和电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6构成滞回比较器结构。继电器Kp的触点A和触点B分别跨接在非接触电能传输单元3输出侧的两端，负载电压V+经过第二电阻R2和第六电阻R6分压，接入比较器U2的11端口，VCC为弱电系统供电电压，VCC经过第三电阻R3和第五电阻R5分压后接入比较器U2的10端口。比较器U2的输出端口13连接MOSFET管U1的门极G，MOSFET管U1的源极S连接GND地，MOSFET管U1的漏极连接继电器KP的触点6，继电器Kp的触点5连接电源VCC。
第二控制单元2实时监测非接触电能接收单元3的开路电压V和电流A，第二控制单元检测到电流A发生变化，将信息通过无线通信反馈给第一控制单元，第一控制单元控制逆变器输出实现保护功能。当非接触电能接收单元3负载由开路状态恢复正常后，继电器Kp断开，非接触充电开路保护装置恢复正常工作。能够实现非接触充电开路保护装置自恢复功能。
第一控制单元1通过无线通信与第二控制单元2实时进行信息交互，第二控制单元2实时监测非接触电能接收单元开路电压V和电流A，第二控制单元2检测到电流A发生变化，将信息通过无线通信反馈给第一控制单元1，第一控制单元1控制逆变器输出，实现保护功能。
第一控制单元1根据第二控制单元2的反馈信息，通过控制策略控制逆变器输出。主要控制策略是：比较控制单元实时比较非接触电能接收单元负载电压V+和参考电压，当非接触电能接收单元3负载出现开路故障时，负载电压迅速升高，当负载电压V+大于比较器参考电压高电压阈值UH时比较器输出高电平，MOSFET管U1导通，驱动继电器Kp闭合；当驱动继电器KP闭合后，非接触电能传输单元2的输出侧A端和B端为短路状态，电流A会发生畸变。当第二控制单元2检测到电流A的畸变后，把信息反馈给第一控制单元1，第一控制单元1控制逆变器停止输出。当接触电能接收单元3负载的开路故障解除后，负载电压V+小于比较器参考电压低电压阈值UL时，比较器U2输出低电平，MOSFET管U1关断，继电器Kp断开，非接触充电开路保护装置恢复正常工作。UH和UL计算公式为：
其中V+为开路电压V，UH为比较器参考电压高电压阈值，UL为比较器参考电压低电压阈值，VCC为5～12V弱电系统供电电源。
Claims (3)
1.一种非接触充电开路保护装置，其特征在于：所述的非接触充电开路保护装置包括非接触电能发射单元(1)、非接触电能传输单元(2)和非接触电能接收单元(3)；非接触电能发射单元(1)的输入端连接220V交流电源，非接触电能发射单元(1)的输出端连接非接触电能传输单元(2)的输入端，非接触电能传输单元(2)的输出端连接非接触电能接收单元(3)的输入端；非接触电能发射单元(1)将交流220V电源信号通过逆变转换为高频信号，经过非接触电能传输单元(2)的输出端发送出去，非接触电能接收单元(3)接收高频信号，将高频信号整流成直流信号给负载充电，非接触电能传输单元(2)的输出端连接非接触电能接收单元(3)的输入端；
所述的非接触电能发射单元(1)包括输入整流单元、逆变器单元和第一控制单元；220V交流信号连接输入整流单元的输入端，输入整流单元的输出端连接逆变器单元的输入端，逆变器单元的输出端连接所述非接触电能传输单元(2)的输入端，第一控制单元连接逆变器单元的控制端；输入整流单元将220V交流电源整流成直流信号，第一控制单元控制逆变器单元将直流信号逆变为高频交流信号；
所述的非接触电能传输单元(2)由并联连接的谐振补偿电容(C1)和发射线圈(L0)、并联连接的谐振补偿电容(C2)和接收线圈(L1)构成；发射线圈(L0)和接收线圈(L1)均采用谐振补偿技术相互耦合传输电能；
所述的非接触电能接收单元(3)包括输出整流单元、比较控制单元、第二控制单元和负载；比较控制单元的继电器Kp的触点A和触点B连接输出整流单元的输入端；输出整流单元的输出端连接负载；第二控制单元的负载电压检测端与负载并联连接；比较控制单元的负载电压检测端与负载并联连接；第二控制单元的负载电流检测端与负载串联连接；
所述的比较控制单元包括继电器Kp，MOSFET管U1以及比较器U2，比较器U2和第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5，以及第六电阻R6构成滞回比较器结构；继电器KP的触点A和触点B分别跨接在非接触电能传输单元的输出侧的两端，负载电压V+经过第二电阻R2和第六电阻R6分压接入比较器U2的11端口，VCC为弱电系统供电电压，VCC经过第三电阻R3和第五电阻R5分压后，接入比较器U2的10端口；比较器U2的输出端13连接MOSFET管U1的门极G，MOSFET管U1的源极S连接GND地，MOSFET管U1的漏极连接继电器Kp的触点6，继电器Kp的触点5连接电源VCC。
2.根据权利要求1所述的非接触充电开路保护装置，其特征在于：所述的第一控制单元通过无线通信与第二控制单元实时进行信息交互，第二控制单元实时监测非接触电能接收单元(3)开路电压V和电流A，第二控制单元检测到电流A发生变化，将信息通过无线通信反馈给第一控制单元，第一控制单元控制逆变器输出，实现保护功能。
3.根据权利要求2所述的非接触充电开路保护装置，其特征在于：所述的第一控制单元根据第二控制单元的反馈信息控制逆变器的输出：比较控制单元实时比较非接触电能接收单元(3)负载电压V+和参考电压，当非接触电能接收单元(3)负载出现开路故障时，负载电压迅速升高，当负载电压V+大于比较器U2参考电压高电压阈值UH时，比较器U2输出高电平，MOSFET管U1导通，驱动继电器Kp闭合；当驱动继电器Kp闭合后，非接触电能传输单元(2)的输出侧A端和B端为短路状态，电流A会发生畸变，当第二控制单元检测到电流A的畸变后，把信息反馈给第一控制单元，第一控制单元控制逆变器停止输出；当负载开路状态故障解除后，负载电压V+小于比较器参考电压低电压阈值UL时，比较器U2输出低电平，MOSFET管U1关断，继电器Kp断开，非接触充电开路保护装置恢复正常；UH和UL计算公式为：
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其中：V+为开路电压V，UH为比较器参考电压高电压阈值，UL为比较器参考电压低电压阈值，VCC为5～12V弱电系统供电电源。
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