CN109823206A - 一种基于双边移相和调频的软开关高效率无线充电方法 - Google Patents

一种基于双边移相和调频的软开关高效率无线充电方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双边移相和调频的软开关高效率无线充电方法。在无线充电系统的发送端变流器和接收端变流器的直流侧分别串入一个软开关辅助支路，通过合理地控制辅助开关管的开通关断，在开关管开通之前将桥臂电压谐振到零，来实现所有发送端开关器件和接收端开关器件的零电压开通。同时，软开关双边移相控制系统通过调频的方法，使得开关频率始终与谐振频率相同，可以避免由于失谐导致的无功产生的损耗问题，进一步提高效率。本发明结构简单，实现方便，既保证了无线充电系统功率变流器的软开关工作，提高变流器部分的效率，又通过调频加移相控制的方式实现原边和副边线圈的低无功损耗。

Description

一种基于双边移相和调频的软开关高效率无线充电方法
技术领域
本发明涉及一种高效率无线充电方法，尤其是一种基于双边移相和调频的软开关高效率无线充电方法，该方法不仅可用于电动汽车的无线充电，也可以用于其他无线充电系统。
背景技术
随着电动汽车和消费电子等领域的快速发展，无线电能传输技术因其可以使得用户摆脱线缆的束缚，开始得到广泛的关注。在无线电能传输中，效率是最为重要的指标之一。为了提高无线充电系统的效率，国外专家提出了双边移相无线电能传输电路，并证实其具有高效率的特点(Diekhans T,De Doncker R W.A Dual-Side Controlled InductivePower Transfer System Optimized for Large Coupling Factor Variations andPartial Load[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30(11):6320-6328)。如图1所示，双边移相无线电能传输电路包括原边逆变器(102)，副边整流器(103)，无线电能传输线圈及其补偿网络(105)；其控制系统包括原边和副边驱动器(201)和(202)，无线通信环节(203)，移相控制器(204)，采样环节(205)。但是在双边移相无线电能传输电路中，开关管处在硬开关状态，限制了其在高频和大功率场合下的应用。虽然通过调整电压电流相位差，可以使开关管处于软开关状态(F.Liu,W.Lei,T.Wang,C.Nie and Y.Wang,"Aphase-shift soft-switching control strategy for dual active wireless powertransfer system,"2017IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),Cincinnati,OH,2017,pp.2573-2578)，但是这将导致无功分量增大，增加对变换器的伏安要求、降低效率。在本发明中，通过引入辅助电路的方法实现了软开关。
根据已有的理论分析表明(Berger A,Agostinelli M,Vesti S,et al.AWireless Charging System Applying Phase-Shift and Amplitude Control toMaximize Efficiency and Extractable Power[J].IEEE Transactions on PowerElectronics,2015,30(11):6338-6348)，保持副边电压电流相位差为零可以取得最高效率。但是在实际应用中，由于线圈、电容等的参数变化，这一条件常常难以满足。故而在本发明的控制系统中增加了相位控制环节以控制副边电压电流相位相同。考虑到线圈设计一般是对称的，为了分析方便，假设原边的电压电流相位相同。同时，为了取得最优的线圈传输效率，移相控制器将分别对原边移相角和副边移相角进行控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于双边移相和调频的软开关高效率无线充电方法，该电路解决了双边移相电路的硬开关问题，可以达到更高的效率。
本发明采用的技术方案是：
在无线充电系统的发送端变流器和接收端变流器的直流侧分别串入一个软开关辅助支路，通过合理地控制辅助开关管的开通关断，在开关管开通之前将桥臂电压谐振到零，来实现所有发送端开关器件和接收端开关器件的零电压开通。同时，软开关双边移相控制系统通过调频的方法，使得开关频率始终与谐振频率相同，可以避免由于失谐导致的无功产生的损耗问题，进一步提高效率。所述的软开关辅助支路可以是由一个并联有二极管和谐振电容的辅助开关管与箝位电容串联后，再与一谐振电感并联构成。
所述的无线充电系统其主电路可以包括：原边直流侧电容、原边有源谐振支路、原边全桥电路、副边全桥电路、副边有源谐振支路、无线电能传输线圈及其补偿网络，副边直流侧电容。辅助谐振支路的作用是在开关管硬开关的边沿将桥臂电压谐振至零，从而实现器件的零电压开通。
所述的原边变流器和副边变流器采用的调频加移相控制电路包括鉴相器，移相控制器，无线信号传输环节，采样环节，第一驱动器，第二驱动器，第一谐振控制环节，第二谐振控制环节。输出电压电流传感器连接采样环节的输入端，采样环节的输出端连接到移相控制器的第一输入端。整流器的输入电流传感器连接鉴相器的输入端，鉴相器的输出端连接到移相控制器的第二输入端。移相控制器的第一输出端连接到第二谐振控制器的输入端和第二驱动器的第一输入端，移相控制器的第二输出端连接到无线信号传输环节的输入端，无线信号传输环节中包括若干无线通信单元，各无线通信单元之间通过无线信号传输数据。无线信号传输环节的第一输出端连接到第一驱动器的第一输入端，第二输出端连接到第一谐振控制器。第一谐振控制器和第二谐振控制器的输出端分别连接到第一驱动器和第二驱动器的第二输入端。
采样环节采样输出电压和电流，并将其送入移相控制器，移相控制器计算出原副边的移相角度，副边移相角度送入第二驱动器，原边移相角度送入无线通信环节，再送入第一驱动器。考虑到线圈参数将随着线圈相对位置、外界环境变化而变动，增加鉴相器，鉴相器采样副边整流器电流，并实时调节副边电压的基波相位，保证电压和电流同相。谐振控制环节在开关管硬开关的边沿将桥臂电压谐振至零，从而实现软开关。
本发明的有益效果如下：本发明既实现了器件的零电压开通，降低了器件产生的能耗，又通过控制工作于谐振状态，降低了功率传输线圈中的无功分量，降低了系统中产生的无功能耗，提升了效率。同时，对称的电路结构给生产和制造也带来了方便。
附图说明
图1是已有技术的双边移相无线电能传输电路原理图。
图2是本发明的调频加双边移相的软开关无线充电电路及其控制框图。
图3是本发明的调频加双边移相的软开关无线充电电路工作波形图。
具体实施方式
图2所示是采用本发明方法的调频加双边移相的软开关无线充电电路及其控制框图，包括主电路1和控制系统2。
其中主电路1包含原边辅助支路101，原边全桥电路102，副边全桥电路103，副边辅助支路104，传输线圈及其补偿网络105,原边直流侧电容106,副边直流侧电容107。控制系统2包括鉴相器206，移相控制器204，无线信号传输环节203，采样环节205，第一驱动器201，第二驱动器202，第一谐振控制环节208，第二谐振控制环节207。输出电压电流传感器连接采样环节205的输入端，采样环节205的输出端连接到移相控制器204的第一输入端。整流器输入电流传感器连接鉴相器206的输入端，鉴相器206的输出端连接到移相控制器204的第二输入端。移相控制器204的第一输出端连接到第二谐振控制器207的输入端和第二驱动器202的第一输入端，移相控制器204的第二输出端连接到无线信号传输环节203的输入端，无线信号传输环节中包括若干无线通信单元，各无线通信单元之间通过无线信号传输数据。无线信号传输环节203的第一输出端连接到第一驱动器201的第一输入端，第二输出端连接到第一谐振控制器208。第一谐振控制器208和第二谐振控制器207的输出端分别连接到第一驱动器201和第二驱动器202的第二输入端。
移相控制器204根据控制模式(如恒压、恒流、恒功率等)对输出电压和电流进行反馈控制，同时将使得整流器输入电压相位与输入电流相位相同，这样就保证副边无功分量最小，可以降低对整流器的伏安要求，降低损耗。
移相控制器204的输出量分为原边移相角和副边移相角，副边移相角将直接送入第二驱动器202并直接作用在副边全桥电路103上。原边移相角将送入无线传输环节203，并被发送至原边，送入原边的第一驱动器201，作用在原边全桥电路102上。
第一谐振控制器208和第二谐振控制器207对辅助谐振支路进行控制，电路工作波形如图3所示。以接收端的第二谐振控制环节207为例，当控制副边电压和电流同相位时，根据分析，需要在开关管S6和S7切换时实现软开关。因此，应控制桥臂电压在开关管切换时谐振到零，为了保证这一点，需要控制辅助开关管的死区时间tdeadr和tdeadf以保证有充足的时间来使得桥臂电压谐振到零。这可以根据电路分析结果计算得出，考虑到实时计算的困难，在这里给出的实施方式中，取tdeadr和tdeadf为一个大于最大谐振时间的固定值。
为了控制谐振电感电流幅值，在桥臂开关管驱动脉冲加入短路脉冲，其时间长度为tsc。谐振电感电流可以近似为三角波，则短路脉冲长度tsc可以根据以下公式计算得出：
其中Imax和Imin的取值取决于系统的工作状态，同时具有一个参数设计自由度。其取值对系统的效率有较大影响，在本发明中不涉及具体的参数计算细节，仅对控制系统的实现方式进行保护。Vbat是副边直流电压，一般是与副边整流器输出相连的电池电压。Lr1为副边辅助支路电感。
本发明的设计思想：在典型的双边移相控制电路中加入调频控制和加入两个有源谐振支路，并在其控制系统中增加相应的谐振支路控制环节，在开关管开关之前将桥臂电压谐振到零，实现零电压软开关，从而克服了典型的双边移相控制电路的硬开关问题。为了克服线圈参数变动导致的线圈失谐问题，在控制系统中增加了鉴相器环节，对副边电流进行相位采集，并控制副边电压与电流相位相同，从而保证线圈传输效率最高。本发明的电路结构对称，所需额外元件少，传输效率高。

Claims (4)

1.一种基于双边移相和调频的软开关高效率无线充电方法，其特征在于，在无线充电系统原边变流器和直流侧电容之间串联一个软开关辅助支路，在无线充电系统副边变流器和直流侧电容之间也串联一个软开关辅助支路，副边变流器采用调频加移相控制使得副边线圈电压和电流相位差为零。
2.根据权利要求1所述的一种基于双边移相和调频的软开关高效率无线充电方法，其特征在于：所述的无线充电系统，其主电路(1)包括原边有源谐振支路(101)、原边全桥电路(102)、副边全桥电路(103)、副边有源谐振支路(104)、无线电能传输线圈及其补偿网络(105)，原边直流侧电容(106)，副边直流侧电容(107)。
3.根据权利要求1所述的一种基于双边移相和调频的软开关高效率无线充电方法，其特征在于：所述的原边变流器和副边变流器采用调频加移相控制系统(2)包括：鉴相器(206)，移相控制器(204)，无线信号传输环节(203)，采样环节(205)，第一驱动器(201)和第二驱动器(202)，第一谐振控制环节(208)和第二谐振控制环节(207)；采样环节(205)采样输出电压和电流，并将其送入移相控制器(204)，移相控制器(204)计算出原副边的移相角度，副边移相角度送入第二驱动器(202)作用在副边全桥电路上，原边移相角度送入无线信号传输环节(203)，再送入第一驱动器(201)，鉴相器(206)采样副边整流器电流，并实时调节副边电压的基波相位，保证电压和电流同相，第一、二谐振控制环节(208、207)用于对原、副边的软开关辅助支路进行控制，在开关管硬开关的边沿将桥臂电压谐振至零，从而实现软开关。
4.根据权利要求1所述的一种基于双边移相和软开关的高效率无线充电方法，其特征在于：该方法可以用于电动汽车的无线充电，也可以用于其他的无线充电系统。
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