CN105871213B - 一种非接触电能传输系统中的控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非接触电能传输系统中的控制方法和装置；所述装置，包括：源侧电流采样电路，用于实时检测系统当前的电流输入信号并发送至复合控制器；复合控制调节电路，用于根据当前的电流输入信号，确定系统的负载状态，并根据负载状态，控制锁相调制电路和移相PWM控制电路的工作；电流相位检测电路，用于检测逆变器桥臂中点电流的相位信息，并发送至锁相调制电路；电压相位检测电路，用于检测逆变器桥臂中点电压的相位信息，并发送至锁相调制电路；锁相调制电路，用于根据电流的相位信息和电压的相位信息进行变频PLL控制；移相PWM控制电路，用于进行移相PWM控制；驱动电路，用于驱动逆变器工作。

Description

一种非接触电能传输系统中的控制方法和装置

技术领域

本发明涉及电能变换领域，尤其涉及一种非接触电能传输系统中的控制方法和装置。

背景技术

非接触电能供电技术即采用一个原副边完全分离、无电气连接的变压器，利用两者互相之间的磁场耦合实现电能透过空气在原副边之间进行传输。由于可以实现电能发送端与接收端无物理连接，其在一些特殊场合，如人工植入设备充电，矿井、油田、水下供电等，已经得到了应用，使相关操作变得更为安全、方便。同时，手机无线充电、无尾家用电器等非接触供电技术在日常生活中的应用为人类提供了更为舒适便捷的生活方式。

非接触电能传输系统控制策略的主要目的是稳定输出电压或电流并保证系统高效率。根据控制对象和结果不同，其控制策略主要可以分为以下几种：

⑴定频脉宽调制控制(Pulse Width Modulation,PWM)。即在固定频率下，利用脉宽调制实现输出电压不变。然而非接触变换装置在不同气隙、负载条件下，变换器特性将出现较大变化，固定频率很难满足其在所有气隙、负载范围内皆能实现软开关，从而导致某些工作点系统效率较低。同时，若想实现输出电压恒定，需加入输出电压无线反馈电路，增大了电路的复杂性。且现有输出电压无线反馈实时性较差，存在“掉线”“失联”的可能，利用输出电压无线反馈控制输出电压的存在可靠性的隐患。

⑵锁相变频控制(Phase Lock Loop,PLL)。通过检测不同气隙、负载条件下逆变桥电压电流的相位关系，实时改变系统工作频率，控制逆变桥输入阻抗为弱感性，使得开关管在变气隙、宽负载条件下实现软开关，降低电路无功损耗进而达到高效率。由于锁相控制是通过调节非接触变换器中逆变桥的输入阻抗保证系统高效率，对输出电压不控，而非接触变压器的输出电压增益会随气隙、负载和工作频率的变化而改变，实际应用时通常需要在系统中加入一级直流/直流(DC/DC)变换电路实现输出电压恒定。尽管这样可以满足输出稳定和调节的需要，但是轻载时采用锁相控制，谐振网络会因为欠阻尼而输出电压增益过高，使得增加的DC/DC变换器优化设计困难，影响系统效率，严重时甚至影响器件的安全工作。

⑶锁相+脉宽调制(PLL+PWM)。将锁相变频控制与脉宽调制相结合，用PWM调节实现输出电压恒定、靠PLL控制实现开关管的软开关。相对于单纯的锁相控制，该方案少了一级DC/DC电路，但系统中必须加入输出电压无线反馈电路，来实现输出稳定，这会降低系统的可靠性；此外，当功率较大负载变化范围较宽时，占空比变化范围较大，采用PLL控制在小占空比时为实现开关管软开关必须使桥臂中点电流滞后于相应开关管驱动电压，这将导致桥臂中点的基波电流远滞后于桥臂中点的基波电压，非接触变换器中逆变桥的无功环流损耗较大，影响系统效率。

现有技术中，为实现在变载条件下对非接触电能传输系统输出电压的实时控制，采集副边侧输出电压信号反馈到原边侧，并通过变频方式调控输出电压。如前所述，此种控制方式虽能实时调节非接触电能传输系统的输出电压，但副边反馈电路的引入增加了电路的复杂度，并且在如电动汽车等大气隙条件下该方案实施不便且存在可靠性的隐患。传统LLC谐振变换器为实现宽负载条件输出电压的稳定控制，通常也是利用反馈电路，采样副边输出电压信号反馈到原边侧。例如，通过输出反馈，结合变频+PWM混合控制策略实现宽负载变化时对输出电压的控制。现有应用于非接触电能传输系统中基于wifi、蓝牙和红外等方式的无线反馈电路均存在原副边失联的可能，反馈信号的丢失将直接导致输出电压的失控，影响系统可靠性。

因此，如何设计一种适用于非接触电能传输系统的大气隙工作条件、无需输出侧无线反馈电路的简单、可靠的控制策略，来实现能量的高效变换并避免轻载输出电压过高，成为非接触电能传输系统中控制系统设计的难点。

发明内容

本发明提供一种非接触电能传输系统中的控制方法和装置，要解决的技术问题是如何保证重载时能量的高效变换，同时避免轻载时输出增益过大，减小全负载范围的电压波动。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种非接触电能传输系统中的控制装置，包括源侧电流采样电路、电流相位检测电路、电压相位检测电路、锁相PLL调制电路、复合控制调节器、移相定频脉宽调制PWM控制电路及驱动电路，其中：源侧电流采样电路，用于实时检测系统当前的电流输入信号并发送至复合控制器；复合控制调节电路，用于根据当前的电流输入信号，确定系统的负载状态，并根据所述负载状态，控制锁相调制电路和移相PWM控制电路的工作；电流相位检测电路，用于检测逆变器桥臂中点电流的相位信息，并发送至锁相调制电路；电压相位检测电路，用于检测逆变器桥臂中点电压的相位信息，并发送至锁相调制电路；锁相调制电路，用于根据所述电流的相位信息和所述电压的相位信息进行变频PLL控制；移相PWM控制电路，用于进行移相PWM控制；驱动电路，用于根据复合控制调节电路对移相PWM控制电路的控制结果和锁相调制电路的输出结果，驱动逆变器工作。

其中，所述复合控制调节电路包括：比较电路，用于将采样源侧输入电流信号得到I_{in_f}，与第一电流基准信号I_ref1和第二基准信号I_ref2进行比较；开关电路，与移相PWM控制电路和逻辑电路相连；第一二极管，正极与所述开关电路相连，负极与所述驱动电路相连，第二二极管，正极与所述驱动电路相连，负极与所述开关电路相连；第三二极管，正极与所述锁相调制电路相连，负极与所述驱动电路相连；逻辑电路，用于若I_{in_f}＞I_ref2，第一二极管D₁导通，第二二极管D₂和第三二极管D₃截止且开关电路断开，系统进行变频锁相控制；若I_ref1＜I_{in_f}＜I_ref2，第一二极管D₁和第三二极管D₃截止第二二极管D₂导通且开关电路导通，系统进行移相PWM控制；若I_{in_f}＜I_ref1，第一二极管D₁和第二二极管D₂截止，第三二极管D₃导通且开关电路导通，系统进行恒频定占空比控制。

其中，系统由移相PWM控制方式切换至变频PLL控制方式时以满占空比方式进行变频调节，由变频PLL控制方式退至移相PWM控制方式时保持切载前频率不变进入移相PWM调制。

其中，所述源侧电流信号采样电路的采样点位于逆变器直流输入侧或逆变器桥臂中点输出侧。

其中，源电流采样电路的采样方式为直流电流霍尔、分流计或电阻分压所得。

其中，电流相位检测电路的采样方式为交流霍尔或电流互感器。

其中，电压相位检测电路直接电压检测，或者，利用采集逆变器相应开关管驱动信号来同步桥臂中点电压信号，以表征相位信息。

其中，所述装置还包括：信号调理电路，与所述电流相位检测电路和锁相调制电路相连，用于对电流相位检测电路输出的信号进行调整，并将调整后的信号发送给锁相调制电路。

一种非接触电能传输系统中的控制方法，包括：检测源侧的输入电流，得到电流信号；将所述电流信号与预先设置的第一阈值和第二阈值进行比较，得到比较结果，其中所述第一阈值小于所述第二阈值；根据所述比较结果，控制非接触供电系统输出的电压增益的频率和相位。

其中，所述根据所述比较结果，确定控制非接触供电系统轻载时的输出电压增益的频率信息和相位信息，包括：如果所述比较结果为所述电流信号小于所述第一阈值，则控制非接触供电系统输出的电压增益工作于恒定频率和恒定占空比的模式下；如果所述比较结果为所述电流信号大于所述第一阈值且小于所述第二阈值，则控制非接触供电系统输出的电压增益工作于恒定频率和变占空比的模式下；如果所述比较结果为所述电流信号大于所述第二阈值，则控制非接触供电系统输出的电压增益工作于变频锁相的模式下。

本发明提供实施例，根据负载状态，控制系统输出的电压增益，充分发挥非接触供电系统输出的电压增益。

通过检测源侧电流信号确定负载状况，轻载时自动进入到定频PWM控制方式，通过PWM调节降低输出电压增益；重载时无缝切换至PLL变频控制方式，让非接触谐振变换器中逆变桥的输入阻抗为弱感性，保证逆变桥开关管的软开关和低导通损耗，实现系统能量的高效变换并避免轻载时非接触谐振变换器的输出电压过高。本发明所提出的装置无需输出信息反馈，适用于非接触变换系统的大气隙工作条件，解决了现有控制策略在无输出反馈电路时无法兼顾轻载时非接触谐振变换器输出电压控制和重载时保证系统高效率的缺点。

附图说明

图1为现有技术中非接触电能传输系统主电路的结构示意图；

图2为本发明提供的非接触电能传输系统中的控制装置的结构示意图；

图3为图2所示装置中PLL调制电路的示意图；

图4为系统启动时控制方法的流程图；

图5为系统负载突变时控制方法的流程图；

图6为输出功率为3kW时前级实验的波形图；

图7为输出功率为7.2kW时前级实验的波形图；

图8为输出功率为17kW时前级实验的波形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

图1为现有技术中非接触电能传输系统主电路的结构示意图。图1所示示意图中，系统主电路包括前级非接触功率变换单元101级联后级DC/DC变换器102组成，其中逆变器101A、非接触变压器101B和整流电路101C依次连接组成非接触功率变换单元101。本发明针对前级非接触功率变换单元101提出了一种基于源侧电流前馈的复合控制装置。

图2为本发明提供的非接触电能传输系统中的控制装置的结构示意图。

图2所示装置包括相位检测电路201(电流采样电路201A、过零比较器201B)、信号调理电路202、PLL调制电路203(电压相位检测电路203A、相位比较器203B和频率调节器203C)、电流采样电路204、复合控制调节器205、PWM移相电路206以及驱动电路207组成。其具体工作原理如下：电流采样电路204采样源侧输入电流信号得到I_{in_f}，与电流基准信号I_ref1和I_ref2(I_ref1＜I_ref2)比较来判断系统此时的负载状态，若I_{in_f}＞I_ref2，误差信号v₁＞0、v₂＞0，二极管D₁导通D₂ D₃截止且开关S₁断开，系统进行变频锁相控制；若I_ref1＜I_{in_f}＜I_ref2，误差信号v₁＞0、v₂＜0，二极管D₁ D₃截止D₂导通且开关S₁导通，系统进行移相PWM控制；若I_{in_f}＜I_ref1，误差信号v₁＜0、v₂＜0，二极管D₁ D₂截止D₃导通且开关S₁导通，系统进行恒频定占空比控制。其中，误差信号v₁＝I_{in_f}-I_ref1；v₂＝I_{in_f}-I_ref2.。需要说明的是，误差信号可以通过逻辑运算得到，也可以利用比较器的功能直接比较便可直接控制后面的逻辑，即只要能够比较出输入的电流I_{in_f}与电流基准信号I_ref1和I_ref2之间的大小即可。

电流采样电路201A采样逆变器的正弦输出电流经过零比较器201B转化为方波电压信号，此方波电压信号经信号调理电路202送至相位比较器203B，并与电压相位检测电路203A测得的逆变器桥臂中点电压的相位信息进行比较，由频率调节器203C实时调节系统的工作频率以保证逆变器桥臂中点的电压电流相位锁定。

图3为图2所示装置中PLL调制电路的示意图。图3所示电路主要由相位比较器203B、电压相位检测电路203C、低通滤波器302、压控振荡器303和驱动电路208组成。其具体工作原理如下：电流相位检测电路201输出信号V_i连接至相位比较器的输入端，并与电压相位检测电路203C得到的比较信号V_c做相位比较，从相位比较器输出的误差电压信号V_ψ反映出两者的相位差，V_ψ经低通滤波器302滤波后得到控制电压信号V_d并加至压控振荡器303的输入端，调整压控振荡器的输出频率f₂，使f₂迅速逼近信号频率f₁，直至f₂＝f₁，V_i和V_c相位差为一定值，实现相位锁定。

图4为系统启动时控制方法的流程图。图4所示具体流程如下：电流采样电路204实时检测源侧输入电流，得到电流信号I_{in_f}并与电流基准信号I_ref1和I_ref2(I_ref1＜I_ref2)比较来判断系统工作在轻载模式、中间载模式还是重载模式。若I_ref1＞I_{in_f}，判断此时系统工作在轻载模式，采用移相PWM控制方式，此时移相角为软起结束后的固定相角θ₀，通过预设不同的θ₀值可自由调节逆变器中点电压的导通时间，以控制非接触供电系统轻载时的输出电压增益；若I_ref1≥I_{in_f}≥I_ref2，判断此时系统工作在中间载模式，亦采用移相PWM控制方式，但该负载条件下会实时调节移相角的大小从而使逆变桥中点电压的导通时间随负载加重而增加，从而达到调节输出电压的目的；若I_{in_f}＞I_ref2，判断此时系统工作在重载模式，采用变频PLL控制方式，电流相位检测电路201检测逆变器输出电流的相位信息，同时电压采样电路203A采样逆变器桥臂中点电压基波相位，将采样得到的电压与电流相位差与预设的相位差作比较，频率调节器203C实时改变系统工作频率直到电压电流相位差与预设相位差相等，以达到锁相目的。图5为系统负载突变时控制方法的流程图，如图所示，若系统此时工作在变频PLL控制方式，工作频率为f₂,当负载发生突变系统由重载变为中间载或轻载时，系统控制方式将无缝切换至移相PWM控制方式，工作频率仍为f₂。

结合图6、图7和图8所示，本发明给出了图1前级非接触功率变换单元的稳态实验波形，本次实验以输出功率3kW和9kW两个节点来判断系统工作于轻载模式、中间载模式还是重载模式。当输出功率小于3kW时，判断系统工作于轻载模式，采用移相PWM控制方式，工作频率为40.8kHz，逆变器中点电压导通时间为75％的完全导通时间；当输出功率大于3kW小于9kW时，判断系统工作于中间载模式，采用移相PWM控制方式，工作频率为40.8kHz，此时逆变器中点电压导通时间随负载加重而增加；当输出功率大于等于9kW时，判断系统工作于重载模式，此时逆变器中点电压完全导通，采用变频PLL控制方式，锁相角为20°。图中由上至下分别是逆变器中点电压v_p、逆变器中点电流i_p、非接触变压器副边输出电压v_cs的实验波形。其中图6、图7为输出功率3kW和7.2kW时前级实验波形，此时采用移相PWM控制方式；图8为输出功率17kW时前级实验波形，此时采用变频PLL控制方式，工作频率为40.96kHz。对比图6、图7和图8可以看出逆变器中点电压v_p的导通时间随负载加重而增加，输出功率等于17kW时v_p为完全开通的方波电压。下表1为图5三组实验波形对应的实验数据，与PLL控制方式下同功率级实验数据对比发现采用本发明所提出的控制方法能够解决非接触谐振变换器轻载输出电压增益高的问题，同时兼顾全负载范围内系统高效率。在轻载条件下，本实施例效率略有降低，是因为原边开关管没有完全实现软开关。但是采用本发明的控制策略输入基波电压减小，非接触变压器铁损会下降，若输入电压略低，效率反而还会抬升。

表1两种不同控制方式实验数据对比

另外，需要补充说明的是以上所提到的判断系统负载条件的功率节点、系统工作于轻载条件时逆变桥中点电压的初始导通时间以及逆变器中点电压导通时间的变化率都可以在程序中进行灵活改变，同时该控制策略可以在轻载模式、中间载模式以及重载模式之间自由切换，在系统切载情况下能保证控制环路的稳定性。

本发明提供的非接触电能传输系统中的控制方法，包括：

步骤601、检测源侧的输入电流，得到电流信号；

步骤602、将电流信号与预先设置的第一阈值和第二阈值进行比较，得到比较结果，其中第一阈值小于第二阈值；

步骤603、根据比较结果，控制非接触供电系统输出的电压增益的频率和相位。

与现有技术相比，本发明提供的方法，根据负载状态，控制系统输出的电压增益，充分发挥非接触供电系统输出的电压增益。

其中，根据比较结果，确定控制非接触供电系统轻载时的输出电压增益的频率信息和相位信息，包括：

如果比较结果为电流信号小于第一阈值，则控制非接触供电系统输出的电压增益工作于恒定频率和恒定占空比的模式下；

如果比较结果为电流信号大于第一阈值且小于第二阈值，则控制非接触供电系统输出的电压增益工作于恒定频率和变占空比的模式下；

如果比较结果为电流信号大于第二阈值，则控制非接触供电系统输出的电压增益工作于变频锁相的模式下。

综上所述，本发明提出的适用于非接触电能传输系统中基于源侧电流反馈的复合控制策略具有如下优点：

1.能够显著抑制非接触功率变换单元轻载条件下的输出电压增益，降低输出电压波动范围；重载时实现逆变器开关管的软开关，保证变换器的能量高效变换。

2.采用前馈的控制方式，采样信号完全在原边侧，无须采样输出电压，避免原副边进行无线通讯，控制电路简单可靠。

3.PWM和PLL两种控制方式可在系统大气隙、宽负载范围内实现无缝切换，控制参数灵活可调。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的全部或部分步骤可以使用计算机程序流程来实现，所述计算机程序可以存储于一计算机可读存储介质中，所述计算机程序在相应的硬件平台上(如系统、设备、装置、器件等)执行，在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用集成电路来实现，这些步骤可以被分别制作成一个个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

上述实施例中的各装置/功能模块/功能单元可以采用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，也可以分布在多个计算装置所组成的网络上。

上述实施例中的各装置/功能模块/功能单元以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述提到的计算机可读取存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种非接触电能传输系统中的控制装置，其特征在于，包括源侧电流采样电路、电流相位检测电路、电压相位检测电路、锁相PLL调制电路、复合控制调节器、移相定频脉宽调制PWM控制电路及驱动电路，其中：

源侧电流采样电路，用于实时检测系统当前的电流输入信号并发送至复合控制调节器；

复合控制调节器，用于根据当前的电流输入信号，确定系统的负载状态，并根据所述负载状态，控制锁相PLL调制电路和移相定频PWM控制电路的工作；

电流相位检测电路，用于检测逆变器桥臂中点电流的相位信息，并发送至锁相PLL调制电路；

电压相位检测电路，用于检测逆变器桥臂中点电压的相位信息，并发送至锁相PLL调制电路；

锁相PLL调制电路，用于根据所述电流的相位信息和所述电压的相位信息进行变频PLL控制；

移相定频PWM控制电路，用于进行移相定频PWM控制；

驱动电路，用于根据复合控制调节器对移相定频PWM控制电路的控制结果和锁相PLL调制电路的输出结果，驱动逆变器工作；

其中，系统由移相定频PWM控制方式切换至变频PLL控制方式时以满占空比方式进行变频调节，由变频PLL控制方式退至移相定频PWM控制方式时保持切载前频率不变进入移相定频PWM调制。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述复合控制调节器包括：

比较电路，用于将采样源侧输入电流信号得到I_{in_f}，与第一电流基准信号I_ref1和第二基准信号I_ref2进行比较；

开关电路，与移相定频PWM控制电路和逻辑电路相连；

第一二极管，正极与所述开关电路相连，负极与所述驱动电路相连；

第二二极管，正极与所述驱动电路相连，负极与所述开关电路相连；

第三二极管，正极与所述锁相PLL调制电路相连，负极与所述驱动电路相连；

逻辑电路，用于若I_{in_f}＞I_ref2，第一二极管D₁导通，第二二极管D₂和第三二极管D₃截止且开关电路断开，系统进行变频PLL控制；若I_ref1＜I_{in_f}＜I_ref2，第一二极管D₁和第三二极管D₃截止，第二二极管D₂导通且开关电路导通，系统进行移相定频PWM控制；若I_{in_f}＜I_ref1，第一二极管D₁和第二二极管D₂截止，第三二极管D₃导通且开关电路导通，系统进行恒频定占空比控制。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述源侧电流采样电路的采样点位于逆变器直流输入侧或逆变器桥臂中点输出侧。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述源侧电流采样电路的采样方式为直流电流霍尔、分流计或电阻分压所得。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，电流相位检测电路的采样方式为交流霍尔或电流互感器。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，电压相位检测电路直接电压检测，或者，利用采集逆变器相应开关管驱动信号来同步桥臂中点电压信号，以表征相位信息。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

信号调理电路，与所述电流相位检测电路和锁相PLL调制电路相连，用于对电流相位检测电路输出的信号进行调整，并将调整后的信号发送给锁相PLL调制电路。

8.一种非接触电能传输系统中的控制方法，其特征在于，包括：

检测源侧的输入电流，得到电流信号；

将所述电流信号与预先设置的第一阈值和第二阈值进行比较，得到比较结果，其中所述第一阈值小于所述第二阈值；

如果所述比较结果为所述电流信号小于所述第一阈值，则控制非接触电能传输系统输出的电压增益工作于恒定频率和恒定占空比的模式下；

如果所述比较结果为所述电流信号大于所述第一阈值且小于所述第二阈值，则控制非接触电能传输系统输出的电压增益工作于恒定频率和变占空比的模式下；

如果所述比较结果为所述电流信号大于所述第二阈值，则控制非接触电能传输系统输出的电压增益工作于变频锁相的模式下。

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