CN109193962A - 带降压式变换器谐振式无线电能传输系统的自动调压方法 - Google Patents

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段发阶
林昊然
蒋佳佳
傅骁
李旭
叶德超
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type

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  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
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Abstract

本发明涉及一种带降压式变换器谐振式无线电能传输系统的自动调压方法，所适用的系统包括原边和副边，原边包括功率电流源、逆变电路和串联接有静态谐振电容的发射线圈，副边包括串联接有静态谐振电容的接收线圈，AC‑DC整流桥的直流电压通过Buck变换器后得到可以驱动负载的恒压源，功率电源为数字可调式功率电源，在原边控制器添加控制器和无线输出接收模块，在副边添加有测量模块，AC‑DC整流桥输出电压通过高阻值电阻分压输入测量模块；控制方法如下：控制器根据整流桥输出电压使用PID控制算法，接入数字可调式功率电源控制原边的输入电压，控制算法中的预设值，定为比Buck变换器最低输入电压较高的值。

Description

带降压式变换器谐振式无线电能传输系统的自动调压方法
技术领域
本发明属于无线电能传输领域，尤其是涉及到一种对使用Buck变换器谐振式无线电能传输系统。
背景技术
谐振式无线电能传输是一种将电能通过非物理连接方式隔空传输到所需设备完成供电的技术，其凭借着传输距离相对较远、非辐射技术和穿透性良好等优点，在无线充电、医疗电子和旋转部件供电等方面得到了广泛研究和逐步应用。由于大多数负载需要在恒压源下工作，以及为了减少功率损耗增大系统效率，在副边接入负载之前要求使用Buck变换器进行开关稳压。一方面，要使得变换器正常工作，则要求输出电压和输出有一定的压差，否则会使输出低于预设值或者触发欠压保护。另一方面，由于系统总功率随着电源电压的增大而增大，过大的电源电压会导致系统效率极为低下。在实际工作过程中，由于环境问题，如外界震动等造成耦合系数发生变化，亦或是负载改变，都会对整流桥输出电压造成影响，使得系统无法正常工作或者效率低下。因此，有必要根据系统工作情况，调整电源电压以适应环境以及负载的变化。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是克服现有技术的不足，在经典的无线电能传输系统中加入无线数据传输的反馈系统，对Buck变换器两端电压进行测量反馈，调整电源电压，对所需负载提供稳定的恒压源，使系统正常且高效率工作。且系统仅包含基本元件的无线电能传输系统，便于小型化。本发明的技术方案如下：
一种带降压式变换器谐振式无线电能传输系统的自动调压方法的自动调压方法，所适用的无线电能传输系统，包括原边和副边，原边包括功率电流源、逆变电路和串联接有静态谐振电容的发射线圈L1，副边包括串联接有静态谐振电容的接收线圈L2，接收线圈L2接入AC-DC整流桥，AC-DC整流桥的直流电压通过Buck变换器后得到可以驱动负载的恒压源，其特征在于，
所述的功率电源为数字可调式功率电源，在原边控制器添加控制器和无线输出接收模块，在副边添加有测量模块，AC-DC整流桥输出电压通过高阻值电阻分压输入测量模块，测量模块通过调制电路和发射天线将测量模块将有关变换器输入电压的测量信号发送到原边的无线输出接收模块，无线输出接收模块通过接收天线和解调电路得到解调信号；控制器根据所接收到的解调信号控制数字可调式功率电源，控制方法如下：控制器根据整流桥输出电压使用PID控制算法，接入数字可调式功率电源控制原边的输入电压，控制算法中的预设值，定为比Buck变换器最低输入电压较高的值。
优选地，无线数据传输模块，采取FM模拟调制。
数字可调式功率电源为数字信号控制的DC-DC变换器，开关频率大于谐振式无线电能传输系统的谐振频率。数字可调式功率电源还可以选择线性稳压芯片，其反馈电阻选择数字电位器，达到数字控制电源输出电压的目的。
本发明的使用Buck变换器的自动调压谐振式无线电能传输系统，通过反馈Buck变换器两端电压调整电源电压，系统能在外界环境或者负载改变的情况下及时调整，避免出现工作异常或是低效率运行。本发明针对无线电能传输特点，与现有技术相比具有以下优点：
(1)为克服静态电源电压抗干扰能力差和效率低下的缺点，提供一种使用Buck变换器的自动调压谐振式无线电能传输系统，它采用无线数据传输反馈副边Buck变换器输入电压；
(2)系统仅包含谐振式无线电能传输系统的基本元器件，便于小型化，尤其适合用于高转速的旋转部件供电；
(3)电路简单，整体成本低廉。
附图说明
图1是一般的无线电能传输系统的原理框图。
图2是本发明所述系统的原理框图。
图3是本发明的电路结构示意图。
其中：1为系统原边，2为系统副边，3为逆变电路，4为数据接收处理模块，5为测量模块，6为调制电路和发射天线，7为接收天线和解调电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。
经典的串-串谐振无线电能传输模型，参见图1和图3的部分电路，其原边1和副边2有发射线圈L1和接收线圈L2，均串联接有静态谐振电容，其组成的谐振电路频率相等，同时调节逆变电路3使得输出信号的基波分量频率与之相等；副边接收线圈L2接入AC-DC整流桥和滤波电容CO得到直流电压，并接入Buck变换器得到可以驱动负载的恒压源；但这种方式在外界条件发生变化的时候，无法实时调整，保证系统正常且高效率的工作。
因此引入一种无线数据传输系统，如图2和图3所示，并将原边1中的功率电源改为数字可调式功率电源。副边有测量模块5，使用Buck变换器的输出作为供压源；整流桥输出电压通过高阻值电阻分压输入测量模块；测量模块通过调制电路和发射天线6将测量模块得到的数据发送到无线输出接收模块4，通过接收天线和解调电路7得到解调信号；解调后的信号接入控制器，控制器根据整流桥输出电压使用PID控制算法，接入数字可调式功率电源控制原边的输入电压；其中，对于控制算法中的预设值，应该定为Buck变换器最低输入电压略高的值，具体数据应该根据效率和可靠性平衡。其中，线圈耦合系数和重载时负载变化会对整流桥的输出电压会产生较大影响，因此，在环境稳定、系统满载相对较轻时预设值可以设置较低以保证效率，在线圈相对位置变化大、系统满载时相对较重时预设值应该留出较大裕度保证系统可靠性。特别的，所述无线数据传输模块，包括调制电路和发射天线6以及接收天线和解调电路7，采取FM模拟调制，以减小时延，避免控制算法出现超调；原边1选用的数字可调式功率电源可以选择数字信号控制的DC-DC变换器，但要求开关频率远大于谐振频率；也可以选择线性稳压芯片，其反馈电阻选择数字电位器，达到数字控制电源输出电压的目的。

Claims (4)

1.一种带降压式变换器谐振式无线电能传输系统的自动调压方法的自动调压方法，所适用的无线电能传输系统，包括原边和副边，原边包括功率电流源、逆变电路和串联接有静态谐振电容的发射线圈L1，副边包括串联接有静态谐振电容的接收线圈L2，接收线圈L2接入AC-DC整流桥，AC-DC整流桥的直流电压通过Buck变换器后得到可以驱动负载的恒压源，其特征在于，
所述的功率电源为数字可调式功率电源，在原边控制器添加控制器和无线输出接收模块，在副边添加有测量模块，AC-DC整流桥输出电压通过高阻值电阻分压输入测量模块，测量模块通过调制电路和发射天线将测量模块将有关变换器输入电压的测量信号发送到原边的无线输出接收模块，无线输出接收模块通过接收天线和解调电路得到解调信号；控制器根据所接收到的解调信号控制数字可调式功率电源，控制方法如下：控制器根据整流桥输出电压使用PID控制算法，接入数字可调式功率电源控制原边的输入电压，控制算法中的预设值，定为比Buck变换器最低输入电压较高的值。
2.根据权利要求1所述的自动调压方法，其特征在于，无线数据传输模块，采取FM模拟调制。
3.根据权利要求1所述的自动调压方法，其特征在于，数字可调式功率电源为数字信号控制的DC-DC变换器，开关频率大于谐振式无线电能传输系统的谐振频率。
4.根据权利要求1所述的自动调压方法，其特征在于，数字可调式功率电源选择线性稳压芯片，其反馈电阻选择数字电位器，达到数字控制电源输出电压的目的。
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