CN105515218B - 一种用于电磁耦合无线充电装置的原副边对准检测控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于电磁耦合无线充电装置的原副边对准检测控制方法，针对基于电磁感应式的无线充电设备具有的普遍问题提出全新的控制策略以及软启动方式。实现利用电学参数表征原副边空间对准问题，其效果是可以准确的告知控制系统，松耦合变压器的原副边，是否完全符合工作要求，且本发明内容基于功率电路元件状态获得，无需添加任何辅助检测元件及装置。软启动可以保证电路电流不会在电路开启的瞬间过大，从而保证了系统的安全。

Description

一种用于电磁耦合无线充电装置的原副边对准检测控制方法

技术领域:

本发明涉及电学领域，尤其涉及无线充电技术，特别是一种用于电磁耦合无线充电装置的原副边对准检测控制方法。

背景技术:

基于电磁感应技术与电力电子技术的无线供电技术广泛应用于生活之中，实现了电能的无物理连接传输。无线供电系统将传统变压器的紧耦合磁路分开，利用原副边分离的松耦合变压器，通过磁场耦合完成电能传输。现有技术中,无线充电设备均采用电磁感应式无线电能传输，对松耦合变压器的原副边的空间位置和距离有着极其严苛的要求,不仅要求原副边需要距离近，并且要求原副边要对称，不能有空间上的错位，因此制造难度较大。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种用于电磁耦合无线充电装置的原副边对准检测控制方法，所述的这种用于电磁耦合无线充电装置的原副边对准检测控制方法要解决现有技术中松耦合变压器的原副边的空间位置的精确要求导致制造难度较大的技术问题。

本发明的这种用于电磁耦合无线充电装置的原副边对准检测控制方法，包括以下步骤：

步骤一，利用有限元仿真软件计算得到松耦合变压器原副边在至少两种相对位置下的耦合系数、自感、互感和漏感。

步骤二，利用逆变器输出设定频率的且以半个周期正负对称的双极性PWM波，所述的设定频率选择在松耦合变压器理想间距下原边漏感与串联谐振电容的谐振点上，

步骤三，利用无线充电装置的电路拓扑计算或电路仿真软件仿真，将步骤一中所获得的漏感参数代入，计算出松耦合变压器原副边在各种相对位置下的电路增益,

步骤四，绘制松耦合变压器原副边在各种相对位置下的电路增益表,通过原副边的电路要求确定出有效工作区域，

步骤五，将步骤四获得的电路增益表的数据写进控制电路,在控制电路收到原副边的对位完成信号后，软启动驱动电路，对电路的原副边进行电压检测，若原副边增益不在步骤四中确定的有效工作区域内，则要求驱动电路关闭驱动，原副边重新对位,收到新的对位完成信号后，再次软启动,若原副边电压增益在步骤四中确定的有效工作区域内，则进行供电工作,若原副边重新对位后电压增益依然不在工作区域内，则再次调整，直到符合要求为止。

步骤六，在电路正常工作后，实时监测原副边的电压。

进一步的，所述的对位完成信号是在人为对准后启动软启动按钮的信号，或者是利用设备自动对准后产生的信号。

进一步的，原边逆变电路拓扑选用全桥逆变电路，在收到启动驱动电路信号时，将对管的两个开关管的驱动信号的占空比由0开始逐渐增加到50％占空比。

本发明和现有技术相对比，其效果是积极和明显的。本发明本发明针对基于电磁感应式的无线充电设备具有的普遍问题提出全新的控制策略以及软启动方式。实现利用电学参数表征原副边空间对准问题，其效果是可以准确的告知控制系统，松耦合变压器的原副边，是否完全符合工作要求，且本发明内容基于功率电路元件状态获得，无需添加任何辅助检测元件及装置。软启动可以保证电路电流不会在电路开启的瞬间过大，从而保证了系统的安全。

附图说明：

图1是现有技术中的无线充电的电路拓扑。

图2为图1的无线充电的电路拓扑的T型去耦等效图。

图3为图2的核心部分的电路图。

图4为本发明一个实施例中电路增益与空间距离的关系图。

图5为本发明中采用的软件结构框图。

图6为本发明实施例中的开关管的软启动驱动信号图。

图7为本发明实施例中开关管软启动的电压增益曲线图。

具体实施方式:

实施例1：

图1为目前广为流行的基于电磁感应式的无线充电的拓扑结构。其中的松耦合变压器100与大部分的松耦合变压器一样，其原副边形状相同。部分特殊设计的松耦合变压器的原副边形状不同，但均对原副边的对准有着较为严苛的要求。

图2为图1的T型去耦等效电路图，直流输入电压经过逆变电路，得到一个方波的交流电压，而后通过原边谐振网络101，即原边谐振电容和松耦合变压器的原边漏感组成的串联谐振网络进行谐振，继而在原边线圈上产生高频电场，由高频电场产生出高频磁场，通过松耦合变压器的磁芯导引，磁场按设计路线由松耦合变压器的原边传至松耦合变压器副边。磁场在副边线圈耦合，产生感应电压。同样通过松耦合变压器的副边漏感和副边谐振电容组成的串联谐振网络102进行谐振。而后经过桥式整流电路整流成直流源供负载使用。

逆变电路采用全桥逆变电路，Q₁和Q₄的驱动是同步的，Q₂和Q₃的驱动是同步的，他们之间是互补的，但是需要留有一定的死区时间给IGBT反向恢复。

如图3所示，L_r1为松耦合变压器的原边漏感，C_r1为原边谐振电容，L_r2为松耦合变压器的副边漏感，C_r2为副边谐振电容，Lm为激磁电感。输入电压的频率由谐振网络中的4个谐振元件，L_r1、C_r1、L_r2、C_r2决定。我们首先通过有限元仿真软件计算出在正常工作范围内的原副边漏感，再由工作的谐振频率计算出谐振电容的大小，通常来说工作频率就是所选开关管的性能上限，即工作频率越高越好。由于原副边采用全对称的方式设计，所以C_r1＝C_r2；L_r1＝L_r2；所以这里取谐振频率即为L_r1和C_r1的串联谐振时的频率。当谐振网络发生谐振时，L_r1、C_r1、L_r2、C_r2的阻抗为：

由上式可知，此时阻抗为0。即103相当于短路。此时电路的增益为1。当改变原副边空间距离后，漏感值会发生变化。而此时工作频率和谐振电容大小不变，所以可以通过计算或者电路仿真软件得到非谐振点时的电路增益。经过对不同空间位置进行仿真后可以得到一组不同的漏感值，而将不同的漏感值代入电路中计算或者仿真即可得到不同的增益。

当得到不同的空间位置所获得的不同的增益的表或曲线后，即可通过电源的输入和负载输入的要求确定出可以工作的增益范围。本实施例中的电路运用中，负载输入要求电压为220-350V，而输入电压为固定的300V，所以只需要增益在0.73以上的空间位置，都应当为可以工作的区域。图4为本实施例中增益与原副边距离的关系图。

图5为本发明采用的控制方法的软件流程图。如图5所示，控制电路收到对位完成信号后，开始对逆变电路的开关管软启动。软启动完成后，检测电路原边副边电压。若原副边电压处于之前设定的工作区域之外，则应当立即停机，对外给出未定位成功信号，此时原副边应当重新定位，待定位完成后再次软启动，检测电路增益。若原副边电压增益处于之前设定的工作区域内，则继续工作，期间需要不停检测电路增益，防止充电过程中原副边空间位置的变化。循环检测过程，如若一切正常，即可等待充电完成后，停机，给外界充电完成信号。

图6为本发明实施例的软启动驱动信号图。本发明实施例中，逆变电路采用的是全桥逆变，其逆变电路的驱动信号Q1和Q4的驱动是同步的，Q2和Q3的驱动是同步的，如图6所示，S0时，没有收到启动电路的信号，所有开关管的驱动信号均置低。S1时，收到启动电路信号，但是驱动信号并没有直接达到期望的占空比而是由0开始逐渐上升。S2-S4为占空比逐渐上升的示意图。S5时完全达到目标工作要求的占空比。图7表示了本发明实施例中开关管软启动的电压增益曲线。

本发明的控制方法，不仅仅给与了人们判断原副边对准情况的一个准确指示，并对无线充电的智能化控制给出了一个全新的方案，对众多设备的嵌入式开发提供了可行、实用的入口。

以上详细描述了本发明的一个具体实施例，但是应当说明的是，本发明的实施方式并不仅限于此，此实施例仅用于帮助理解本发明。对本发明所作的各种变化实例，都应包含在本发明的范围内。本发明的专利保护应当有所附权利要求书限定。

Claims (1)

1.一种用于电磁耦合无线充电装置的原副边对准检测控制方法，其特征在于，

包括以下步骤：

步骤一，利用有限元仿真软件计算得到松耦合变压器原副边在至少两种相对位置下的耦合系数、自感、互感和漏感；

步骤二，利用逆变器输出设定频率的且以半个周期正负对称的双极性PWM波，所述的设定频率选择在松耦合变压器理想间距下原边漏感与串联谐振电容的谐振点上；

步骤三，利用无线充电装置的电路拓扑计算或电路仿真软件仿真，将步骤一中所得的漏感参数代入，计算出松耦合变压器原副边在各种相对位置下的电路增益；

步骤四，绘制松耦合变压器原副边在各种相对位置下的电路增益表，通过原副边的电路要求确定出有效工作区域；

步骤五，将步骤四获得的电路增益表的数据写进控制电路，在控制电路收到原副边的对位完成信号后，软启动驱动电路，对电路的原副边进行电压检测，若原副边增益不在步骤四中确定的有效工作区域内，则要求驱动电路关闭驱动，原副边重新对位，收到新的对位完成信号后，再次软启动，若原副边电压增益在步骤四中确定的有效工作区域内，则进行供电工作，若原副边重新对位后电压增益依然不在工作区域内，则再次调整，直到符合要求为止；

所述的对位完成信号是在人为对准后启动软启动按钮的信号，或者是利用设备自动对准后产生的信号；

原边逆变电路拓扑选用全桥逆变电路，在收到启动驱动电路信号时，将对管的两个开关管的驱动信号的占空比由0开始逐渐增加到50％占空比；

步骤六，在电路正常工作后，实时监测原副边的电压。

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