CN106602738A - 一种磁耦合谐振式无线供电系统 - Google Patents

Abstract

一种磁耦合谐振式无线供电系统。该系统在单相全桥高频逆变电路与发射回路之间连接有变压器来匹配负载；同直流电源端负极相连的两个功率器件VT2和VT4互补导通，直流电源正极连接VT1与VT3。VT1与VT4处于对角位置，VT2与VT3处于对角位置，VT4先于VT1导通，VT1先于VT4关断，VT2先于VT3开通，VT3先于VT2关断；添加了锁相环节；通过操作屏设置负载电压与电流并显示系统充电状态，适用频率范围为60‑350kHz。该系统抗干扰性好、电路结构简单，可以在保证系统可靠运行的情况下，提高系统的效率，并能匹配电压，具有很强的通用性。

Description

一种磁耦合谐振式无线供电系统

本发明涉及无线电能传输领域，特别是磁耦合谐振式无线电能传输。

背景技术

自从1840年发现电磁感应现象以来，电能得到了大规模的应用，但是其传输主要依赖于导线的直接进行传送。但是这种有线的充电方式存在诸多问题，如由于摩擦和腐蚀，线路老化，导致有线传输极易产生电火花等问题，不仅减少了使用寿命，而且降低了系统的安全性和可靠性，特别是在一些特殊场合，极易引发事故。新型无接触充电技术实现了电能的无线传输，克服了以上的问题。

根据电能的传输原理，无线电能传输主要分为三类：第一类为磁感应式，但是这种方式传输距离较近；第二类为电磁波，它虽然实现了远距离充电，但是传输损耗巨大，且对人体有较大伤害；第三种为磁耦合谐振式，该方式对人体无害，且传输功率、效率较高，传输距离也较远，属于中等距离。

综上可得，磁耦合谐振式充电方式有更大的潜力，它必将成为无线电能传输领域的一个重要发展方向。目前磁耦合谐振式无线能量传输的技术刚刚起步，其在系统稳定性、通用性、充电效率等方面还存在很多不足。

发明内容

本发明的目的在于针对于现有有线供电方式存在的缺陷，提出一种适用于中等距离的无线供电系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种中等距离磁耦合谐振式无线供电系统，包括发射部分和接收部分，其中发射部分包括直流电源端，功率调整，单相全桥高频逆变电路，高频变压器，发射回路，采样电路，控制与驱动电路，操作屏和发射侧通讯模块；接收部分包括接收回路，接收侧通讯模块，整流斩波电路和负载。

其中所述直流电源端将直流电经所述的功率调整将电能送入所述单相全桥高频逆变电路，所述控制与驱动电路输出驱动信号控制所述单相全桥高频逆变电路产生高频交流电，高频交流电经所述高频变压器送入所述发射回路，所述接收回路经磁耦合谐振接收所述发射回路发送过来的电能，接收到的电能经所述整流斩波电路调理后给所述负载进行供电。

所述单相全桥高频逆变电路由VT1、VT2、VT3、VT4四个功率器件组成H桥结构，同所述直流电源端负极相连的两个功率器件VT2和VT4互补导通，直流电源正极连接VT1与VT3。VT1与VT4处于对角位置，VT2与VT3处于对角位置，VT4先于VT1导通，VT1先于VT4关断，VT2先于VT3开通，VT3先于VT2关断；所述控制与驱动电路输出的驱动信号经光电耦合后送入所述单相全桥高频逆变电路对应的功率器件。

所述的发射回路内有发射线圈，所述的接收回路内有接收线圈。其中发射线圈比接收线圈外形尺寸大。

所述高频变压器连接在所述单相全桥高频逆变电路与所述发射回路之间，所述高频变压器变比在3:1-20:1之间。

所述控制与驱动电路控制所述单相全桥高频逆变电路中功率器件的开通与关断。高频交流电送入所述发射回路后，所述采样电路对发射回路进行采样并将采样送入所述控制与驱动电路，所述控制与驱动电路根据采样确定所述发射回路的谐振频率，所述控制与驱动电路根据所述发射回路的谐振频率经调理后控制所述单相全桥高频逆变电路的驱动脉冲，实现所述单相全桥高频逆变电路之功率器件的软开关。

所述操作屏，用于设定负载供电电压，供电电流等参数，也用于显示充电完成或者充电故障等信息。

所述的发射侧通讯模块连接到所述控制与驱动电路；所述的接收侧通讯模块连接到所述负载并获取负载供电电压和负载供电电流信号。所述发射侧通讯模块与所述接收侧通讯模块互相通讯，将所述的负载运行工况送入所述控制与驱动电路，所述控制与驱动电路根据负载运行工况控制所述功率调整，调节所述负载供电电压大小或关断供电。

本发明适用频率为60-350kHz。

本发明的有益效果是，能够实时跟踪谐振频率，驱动电路稳定可靠，通用性更好，能根据负载工况匹配负载电压使得系统处于最优供电或充电的状态。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构框图。

图2是本发明的控制流程图。

图3是本发明的一种采样电路。

图4是本发明实施例的第一种控制与驱动电路硬件结构图。

图5是本发明实施例的第一种控制与驱动电路内部脉冲图。

图6是本发明实施例的第一种控制与驱动电路使用的RC延迟电路图。

图7是本发明实施例的第一种控制与驱动电路中防止功率器件VT1、VT2同时导通的保护电路。

图8是图7保护电路内部的波形。其中，图8（a）为触发脉冲M1、M2不出现同时导通情况时的脉冲情况，图8（b）为触发脉冲M1、M2出现同时导通情况时的脉冲情况。

图9是本发明实施例的第二种控制与驱动电路结构图。

图10是本发明实施例的第二种控制与驱动电路的工作流程图。

图11是本发明中控制与驱动电路和主电路采用的光电隔离结构图。

具体实施方式

本发明的结构框图如图1所示，其中发射部分包括直流电源端01，功率调整02，单相全桥高频逆变电路03，高频变压器04，发射回路05，采样电路09，控制与驱动电路010，操作屏013和通讯模块011；接收部分包括接收回路06，通讯模块012，整流斩波电路07和负载08。

直流电源端01经功率调整02将直流电送入单相全桥高频逆变电路03，控制与驱动电路010输出驱动信号控制单相全桥高频逆变电路03产生高频交流电，高频交流电经高频变压器04送入发射回路05；接收回路06经磁耦合谐振接收发射回路05发送过来的电能，经整流斩波电路07调理后发送给负载08；采样电路09从发射回路05中获取电信号并送入控制与驱动电路010，控制与驱动电路010根据采样电路09送来的信号经过锁相后确定单相全桥逆变电路03的驱动信号的触发频率，使之与发射端谐振频率一致；控制与驱动电路010通过操作屏013控制，通过操作屏013可设定系统工作有关的相关参数，可以显示系统的运行状况和故障情况；系统给负载08供电时，控制与驱动电路010通过功率调整02使负载供电电压和供电电流在负载要求范围内，满足系统供电要求；当系统出现故障时，控制与驱动电路010通过功率调整02调节处理，保护系统；通讯模块011连接控制与驱动电路010，通讯模块012连接负载08，控制与驱动电路010通过通讯模块011与通讯模块012实时获取负载08的信息，若负载08充电达到设定阈值或相关参数发生异常，负载08将信息通过通讯模块012和通讯模块011发送给控制与驱动电路010，控制与驱动电路010根据获得的信息关闭触发脉冲的输出，停止系统供电，并在操作屏013上显示充电完成或故障。此段逻辑顺序再顺一下。

为匹配电压，在单相全桥高频逆变电路03与发射回路05之间连接有高频变压器04。高频变压器04变比为3:1。

发射回路05内有发射线圈，接收回路06内有接收线圈。其中发射线圈比接收线圈外形尺寸大。

本发明的工作流程图如图2所示，操作屏013发送充电命令，经控制与驱动电路010将输出控制信号至功率调整02，使功率调整02工作并调整发射功率大小；控制与驱动电路010输出频率为f0的驱动信号，控制单相全桥高频逆变电路03按照频率f0的驱动信号输出高频交流电；采样电路09从发射回路05中获取电信号并送入控制与驱动电路010；控制与驱动电路010根据采样电路09送来的信号确定发射回路05的谐振频率f1，然后输出频率为f1的驱动信号给单相全桥高频逆变电路03；检测是否充电完成和是否系统有故障，若有，则控制与驱动电路010发送信号至功率调整02使得功率输出为零而停止完成充电过程或故障停机，当检测到系统有故障时，在操作屏013上显示故障信息，若没有故障同时还没有充完电，控制与驱动电路010继续依据采样电路09从发射回路05中获取电信号送来的触发单相全桥高频逆变电路03给负载提供电能，继续充电，如此周而复始。

本发明的单相全桥高频逆变电路03的电路图如图1所示。其中VT1、VT2、VT3和VT4为电力MOSFET，型号取为IRFP460。VT1、VT2、VT3和VT4的驱动信号分别为G1、G2、G3、G4。其中，同直流电源端负极相连的两个功率器件VT2和VT4互补导通，直流电源正极连接VT1与VT3。VT1与VT4处于对角位置，VT2与VT3处于对角位置，VT4先于VT1导通，VT1先于VT4关断，VT2先于VT3开通，VT3先于VT2关断。U1为直流输入电压,U2为交流输出电压。

本发明实施例使用的一种采样电路如图3所示，由电流互感器091和过零比较器092组成，其中电流互感器091采用TA1526-1，过零比较器092采用LM311。电流互感器091从发射回路采得电流信号I1并转化为电压信号U3，过零比较器092输出与电压信号U3同频同相位的方波信号0。方波信号0被送入控制与驱动电路010的控制器。控制与驱动电路010的控制器将调理产生同方波信号0同频率的方波信号。

本发明实施例使用的控制与驱动电路010有两种，都是由一路方波信号1最终产生四路驱动信号G1、G2、G3、G4。

在本实施例的第一种控制与驱动电路中，控制器K1为DSP，型号采用TMS320F2812；采用CD4081的与门电路；采用CD4011的与非门电路。

图4为本实施例的第一种控制与驱动电路的硬件结构图。其中信号的产生过程如下：

（1）控制器产生方波信号1,将其送入逻辑电路；

（2）方波信号1经RC延迟电路YC1得到信号M2；

（3）信号M2经RC延迟电路YC2得到信号2；

（4）信号2与方波信号1经过与门电路Y1，得到信号M3；

（5）信号M2接入与非门YF1，YF1的输入端连在一起，输出信号M4；

（6）方波信号1接入与非门YF2，YF2的输入端连在一起，输出信号3，信号2接入与非门YF3，YF3输入端连在一起，输出信号4。

（7）信号3和信号4经过与门Y2，得到信号M1。

图4电路产生的方波信号如图5所示。得到M2、M4互补导通。M3在M2的导通时间内导通，且在M2导通的上升沿到来之后和下降沿到来之前导通；M1在M4的导通时间内导通，且在M4导通的上升沿到来之后和下降沿到来之前导通。

RC延迟电路YC1与YC2的电路图如图6所示，可以通过调整R1和C1的参数来改变死区时间。

为防止同桥臂的功率器件同时导通，设计了保护电路，防止功率器件VT1、VT2同时导通，防止功率器件VT3、VT4同时导通。以防止功率器件VT1、VT2同时导通的保护电路为例，如图8所示,M1与M2经与非门YF5产生信号5，信号5同M1经过与门Y3得到信号A1、信号5同M2经过与门Y4得到信号A2。得到的A1、A2不会同时导通。图7所示的保护电路的输出信号如图8所示，其中图8（a）为M1、M2不出现同时导通时的情况，图8（b）为M1、M2出现同时导通时的情况。

同理，M3、M4经过同样的保护电路，分别输出不会同时导通的信号A3、A4。

在本实施例的第二种控制与驱动电路中，采用DSP与FPGA产生四路脉冲。DSP用来控制计算输出脉冲的占空比；FPGA用来输出控制脉冲。

图9为本实施例的第二种控制与驱动电路的结构图，其中控制器K2为FPGA，型号采用Xilinx Spartan 3E XC3S500E；控制器K3为DSP，型号采用TMS320F2812。该电路的工作过程如图10所示。控制器K2产生方波信号A2，对A2进行逻辑取反，产生信号A4；计算一个A2周期内的时钟个数N；控制器K3将需要的占空比D送入控制器K2,控制器K2根据D计算每个周期内信号A1、A3保持的高电平时间T=N×D×CLK,死区时间TD=N×（1-D）×CLK；当A2的下降沿到来后，A3保持TD时间的低电平后置为高电平，在保持T时间的高电平后置为低电平；当A4的下降沿到来后，A1保持TD时间的低电平后置为高电平，在保持T时间的高电平后置为低电平。

进一步的，为正常控制功率器件的通断和实现控制与驱动电路010与主电路的隔离，需要将信号升压和进行光耦隔离。以产生驱动信号G1的电路为例，如图11所示，光耦合器GD1采用FOD3180，升压电路J1采用BS170。信号A1送入升压电路J1，产生较大的电压信号，电压信号经光电耦合器GD1输出驱动信号G1，送入图1中VT1的栅极。驱动信号G2、G3、G4按同样方式产生。

通过操作屏013，可以设定负载07的供电电压，供电电流。控制与驱动电路010根据操作屏013的设定值改变输出的驱动脉冲，控制主电路输出。

通讯模块011连接控制与驱动电路010；通讯模块012连接负载08。当负载08的充电电压和电流达到设定阈值，或者温度等参数发生异常时，信息通过通讯模块011、通讯模块012送入控制与驱动电路010，控制与驱动电路010控制主开关02断开主电路，并在操作屏013上显示充电完成或发生故障。

上述磁耦合谐振式充电系统频率处于60-350kHz,且只能在有限的范围内进行。当发射回路和接收回路之间的距离超过一定范围后，上述磁耦合谐振式无线充电将无法实现。

综上所述，本发明提供的磁耦合谐振式无线充电系统，不但使抗干扰性更好、驱动稳定能实时跟踪系统频率，而且能够简化电路结构，减少外围器件，更易于布线并提高系统效率，具有很强的通用性。

虽然本发明已经将实施例描述如上，但并非是用来限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此，本发明的保护范围应当以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种磁耦合谐振式无线供电系统，其特征在于：包括发射部分和接收部分，其中发射部分包括直流电源端，功率调整，单相全桥高频逆变电路，高频变压器，发射回路，采样电路，控制与驱动电路，操作屏和发射侧通讯模块；接收部分包括接收回路，接收侧通讯模块，整流斩波电路和负载。

2.根据权利要求1所述的磁耦合谐振式无线供电系统，其特征在于：在所述高频变压器连接在所述单相全桥高频逆变电路与所述发射回路之间。

3.根据权利要求1所述的磁耦合谐振式无线供电系统，其特征在于：所述单相全桥高频逆变电路由VT1、VT2、VT3、VT4四个功率器件组成H桥结构，同所述直流电源端负极相连的两个功率器件VT2和VT4互补导通，直流电源正极连接VT1与VT3。

4.VT1与VT4处于对角位置，VT2与VT3处于对角位置，VT4先于VT1导通，VT1先于VT4关断，VT2先于VT3开通，VT3先于VT2关断；所述控制与驱动电路输出的驱动信号经光电耦合后送入所述单相全桥高频逆变电路对应的功率器件。

5.根据权利要求1所述的磁耦合谐振式无线供电系统，其特征在于：所述采样电路对发射回路进行采样并将采样送入所述控制与驱动电路，所述控制与驱动电路根据采样确定所述发射回路的谐振频率，所述控制与驱动电路根据所述发射回路的谐振频率经调理后控制所述单相全桥高频逆变电路的驱动脉冲。

6.根据权利要求1所述的磁耦合谐振式无线供电系统，其特征在于：所述操作屏，用于设定负载供电电压，供电电流等参数，也用于显示充电完成或者充电故障等信息。

7.根据权利要求1所述的磁耦合谐振式无线供电系统，其特征在于：所述磁耦合谐振式无线供电系统频率范围为：60-350kHz。

8.根据权利要求1所述的磁耦合谐振式无线供电系统，其特征在于：所述高频变压器变比在3:1-20:1之间。

9.根据权利要求1所述的磁耦合谐振式无线供电系统，其特征在于：所述的发射回路内有发射线圈，所述的接收回路内有接收线圈。

10.根据权利要求8所述的磁耦合谐振式无线供电系统，其特征在于：发射线圈比接收线圈外形尺寸大。