CN110048514B - 基于原边反馈控制器的无线功率传输系统 - Google Patents

基于原边反馈控制器的无线功率传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于原边反馈控制器的无线功率传输系统，包括DC‑AC电路、AC‑AC电路、AC‑DC电路、原边反馈控制器，原边的DC‑AC电路在前端接入到电源，实现直流到交流的变换；AC‑AC电路在DC‑AC电路和AC‑DC电路之间，通过磁场耦合线圈完成DC‑AC电路向AC‑DC电路的无线功率传输；副边的AC‑DC电路前端连接AC‑AC电路，后端连接负载，实现交流到直流的变换，向所述的负载充电。原边反馈控制器根据DC‑AC电路的输出电流和电压计算所述负载阻抗，并按照阻抗来调节DC‑AC电路，以控制负载的恒流或恒压。本发明的充电电流和电压精度可以达到1％，并可省去副边的控制电路以及原边和副边的无线通讯电路，让系统更加简洁和稳定，因此也更适合需要简洁和轻重量的无线功率接收器。

Description

基于原边反馈控制器的无线功率传输系统
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域。更具体地说，本发明涉及一种基于原边反馈控制器的无线功率传输系统。
背景技术
无线功率传输系统利用交变磁场传输功率，该技术被广泛应用于电动车、便携式电子设备和植入式生物医学设备。与传统的插入式充电相比，无线充电系统的优点是电气和物理上的隔离，在严格环境下更加安全和能够实现完全自动的充电。
用于电子设备供电的锂电池通常需要恒流恒压两种充电模式，在充电的初期，需要恒流模式充电，当电池电压上升到额定值，充电会进入恒压模式，充电电流会逐渐下降。当充电电流下降到预设值的十分之一的时候，充电会停止。
传统的用于无线功率传输系统的恒流恒压闭环控制器，包括原边控制电路、副边控制电路和两者之间的无线通讯电路三个部分，原边控制电路和副边控制电路通过无线通信电路来传递恒流和恒压的控制信号。这种恒流恒压控制器给接收端增加额外的副边控制电路(buck或boost转换器)，从而导致不能满足手机、无人机和植入式设备等对于简洁和轻重量的要求。并且，无线通讯容易受到外界环境干扰，容易导致原边和副边之间的控制器不稳定。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种无线功率传输系统，其恒源恒压控制器可省去副边的控制电路以及原边和副边的无线通讯电路，让系统更加简洁和稳定。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于原边反馈控制器的无线功率传输系统，包括DC-AC电路1、AC-AC电路2、AC-DC电路3、原边反馈控制器4，所述的DC-AC电路1为原边，所述的AC-DC电路3为副边；所述的DC-AC电路1前端接入到电源Ubus，实现直流到交流的变换；所述的AC-AC电路2在所述的DC-AC电路1和所述的AC-DC电路3之间，完成所述的DC-AC电路1向所述的AC-DC电路3的无线功率传输；所述的AC-DC电路3，前端连接所述的AC-AC电路2，后端连接负载Uo，实现交流到直流的变换，向所述的负载Uo充电。所述的原边反馈控制器4根据所述的DC-AC电路1的输出电流和电压计算所述负载Uo的阻抗，并按照计算的阻抗来调节所述的DC-AC电路1，以控制负载的恒流或恒压。
其中，所述的DC-AC电路1包括电容Cbus、MOS管Q1、Q2、Q3、Q4和MOS驱动；所述的MOS管Q1和所述的MOS管Q2串联，所述的MOS管Q1漏极连接到所述的电源Ubus正极，所述的MOS管Q1源极连接到所述的MOS管Q2的漏极，所述的MOS管Q2源极连接到所述的电源Ubus负极；所述的MOS管Q3和所述的MOS管Q4串联，所述的MOS管Q3漏极连接到电源Ubus正极，所述的MOS管Q3源极连接到所述的MOS管Q4漏极，所述的MOS管Q4源极连接到电源Ubus负极；所述电容Cbus并联在所述的电源Ubus两端；所述的MOS驱动接收来自所述的原边反馈控制器的4个PWM信号，并分别输出到所述的MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极，从而控制直流到交流的变换。
其中，所述的AC-AC电路2包括发射端和接收端；所述的AC-AC电路2的发射端包括电容C1，电阻R1，发射线圈L1；所述的MOS管Q1和所述的MOS管Q2之间的节点连接所述的电阻R1一端，所述的MOS管Q3和所述的MOS管Q4之间的节点连接到所述的电容C1的一端，所述的电阻R1和所述的电容C1通过所述的发射线圈L1串联在一起。所述的AC-AC电路2接收端包括接收线圈L2、电阻R2，所述的接收线圈L2和所述的电阻R2串联；所述的发射线圈L1通过磁场耦合向所述的接收线圈L2传输无线功率。
其中，所述的AC-DC电路3包括二极管D1、D2、D3、D4，电感Lo，电容Co，负载Uo，电容C2；所述的电容Co并联在所述的负载Uo上；所述的电感Lo一端连接到所述的二极管D1和所述的二极管D4的阴极，另一端连接到负载Uo；所述的二极管D1和所述的二极管D2串联，所述的二极管D1阴极连接到所述的电感Lo，所述的二极管D1阳极连接到所述的二极管D2的阴极，所述的二极管D2阳极连接到所述的负载Uo的负极；所述的二极管D3和所述的二极管D4串联，所述的二极管D4阴极连接到所述的电感Lo，所述的二极管D4阳极连接到所述的二极管D3的阴极，所述的二极管D3阳极连接到所述的负载Uo的负极；所述的电容C2串联在所述的电阻R2和所述的二极管D1和所述的二极管D2之间的节点之间，实现补偿功能。
其中，所述的AC-DC电路3包括二极管D1、D2、D3、D4，电感Lo，电容Co，负载Uo，电容C2；所述的电容Co并联在所述的负载Uo上；所述的电感Lo一端连接到所述的二极管D1和所述的二极管D4的阴极，另一端连接到负载Uo；所述的二极管D1和所述的二极管D2串联，所述的二极管D1阴极连接到所述的电感Lo，所述的二极管D1阳极连接到所述的二极管D2的阴极，所述的二极管D2阳极连接到所述的负载Uo的负极；所述的二极管D3和所述的二极管D4串联，所述的二极管D4阴极连接到所述的电感Lo，所述的二极管D4阳极连接到所述的二极管D3的阴极，所述的二极管D3阳极连接到所述的负载Uo的负极；所述的电容C2并联在和所述的二极管D1和所述的二极管D2之间的节点和所述的二极管D3和所述的二极管D4之间的节点之间，实现补偿功能。
其中，所述的原边反馈控制器4包括恒压恒流控制模块41和负载鉴定模块42；所述的恒压恒流控制模块41包括4个PWM信号模块411、相移角模块412、电流电压感应器413、PI控制器414；所述的电流电压感应器413监测所述的DC-AC电路1的输出电压和电流，所述的负载鉴定模块42根据所述的电流电压感应器413的输出信号得到负载阻抗Ro的估值，并将所述的负载阻抗Ro的估值输出到所述的PI控制器413，所述的PI控制器413根据所述的电压电流感应器413的输出和所述的负载阻抗的估值Ro得到相移，相移角模块412根据所述的相移设置PWM信号的相移，所述的4个PWM信号模块411根据所述的相移角模块412的输出得到4个PWM信号并将信号输出到所述MOS驱动11。
在一个实施例中，如图2所示，所述PI控制器414包括计算单元4131，所述的计算单元4131根据所述负载阻抗Ro的估值算出当前的充电电压电流Uo_est、Io_est，并与参考电压电流Uo_ref、Io_ref比较，从而产生差值信号ΔUo、ΔIo；所述的PI控制器414根据所述差值信号调节4个PWM信号的相移角，用以控制所述DC-AC电路输出的电流电压u1(t)、i1(t)，从而进一步控制所述的AC-DC电路3的所述的负载Uo的电压或电流。
通常系统频率的选择会是在系统性能，例如效率、功耗和热损耗，和元器件选择，利兹线、功率元器件、磁性元件的尺寸等，之间一个平衡。该技术方案选用的系统频率为85.5kHz，经过测试证明在此频率下，能保证使用较少和较小外围元件，并且效率大于90％。
该技术方案采用了原边反馈控制结构、负载鉴定技术和串联-串联或串联-并联补偿技术。从而省去了为了实时调整充电电压或电流的接收端和发射端的无线通讯；
该技术方案能够同时适合恒流和恒压两个充电模式。
该技术方案的负载鉴定技术采用了反射阻抗原理和正交变换算法来计算有源功率，从而评估出负载充电电池的等效阻抗。最终，通过基于PI控制器的相移H桥逆变器来实现负载的恒流或恒压充电。该系统的充电电流和电压精度可以达到1％以内，也更适合一些需要简洁和轻重量的无线功率接收器。
附图说明
图1是本发明的基于原边反馈控制器的无线功率传输系统图；
图2是本发明的原边反馈闭环控制结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做详细说明，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在一个实施例中，如图1所示，基于原边反馈控制器的无线功率传输系统包括DC-AC电路1、AC-AC电路2、AC-DC电路3、原边反馈控制器4，所述的DC-AC电路1为原边，所述的AC-DC电路3为副边；所述的DC-AC电路1前端接入到电源Ubus，实现直流到交流的变换；所述的AC-AC电路2在所述的DC-AC电路1和所述的AC-DC电路3之间，完成所述的DC-AC电路1向所述的AC-DC电路3的无线功率传输；所述的AC-DC电路3，前端连接所述的AC-AC电路2，后端连接负载Uo，实现交流到直流的变换，向所述的负载Uo充电。所述的原边反馈控制器4根据所述的DC-AC电路1的输出电流和电压计算所述负载Uo的阻抗，并按照计算的阻抗来调节所述的DC-AC电路1，以控制负载的恒流或恒压。
其中，所述的DC-AC电路1包括电容Cbus、MOS管Q1、Q2、Q3、Q4和MOS驱动；所述的MOS管Q1和所述的MOS管Q2串联，所述的MOS管Q1漏极连接到所述的电源Ubus正极，所述的MOS管Q1源极连接到所述的MOS管Q2的漏极，所述的MOS管Q2源极连接到所述的电源Ubus负极；所述的MOS管Q3和所述的MOS管Q4串联，所述的MOS管Q3漏极连接到电源Ubus正极，所述的MOS管Q3源极连接到所述的MOS管Q4漏极，所述的MOS管Q4源极连接到电源Ubus负极；所述电容Cbus并联在所述的电源Ubus两端；所述的MOS驱动接收来自所述的原边反馈控制器的4个PWM信号，并分别输出到所述的MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极，从而控制直流到交流的变换。
其中，所述的AC-AC电路2包括发射端和接收端；所述的AC-AC电路2的发射端包括电容C1，电阻R1，发射线圈L1；所述的MOS管Q1和所述的MOS管Q2之间的节点连接所述的电阻R1一端，所述的MOS管Q3和所述的MOS管Q4之间的节点连接到所述的电容C1的一端，所述的电阻R1和所述的电容C1通过所述的发射线圈L1串联在一起。所述的AC-AC电路2接收端包括接收线圈L2、电阻R2，所述的接收线圈L2和所述的电阻R2串联；所述的发射线圈L1通过磁场耦合向所述的接收线圈L2传输无线功率。
其中，所述的AC-DC电路3包括二极管D1、D2、D3、D4，电感Lo，电容Co，负载Uo，电容C2；所述的电容Co并联在所述的负载Uo上；所述的电感Lo一端连接到所述的二极管D1和所述的二极管D4的阴极，另一端连接到负载Uo；所述的二极管D1和所述的二极管D2串联，所述的二极管D1阴极连接到所述的电感Lo，所述的二极管D1阳极连接到所述的二极管D2的阴极，所述的二极管D2阳极连接到所述的负载Uo的负极；所述的二极管D3和所述的二极管D4串联，所述的二极管D4阴极连接到所述的电感Lo，所述的二极管D4阳极连接到所述的二极管D3的阴极，所述的二极管D3阳极连接到所述的负载Uo的负极；所述的电容C2串联在所述的电阻R2和所述的二极管D1和所述的二极管D2之间的节点之间，实现补偿功能。
其中，所述的AC-DC电路3包括二极管D1、D2、D3、D4，电感Lo，电容Co，负载Uo，电容C2；所述的电容Co并联在所述的负载Uo上；所述的电感Lo一端连接到所述的二极管D1和所述的二极管D4的阴极，另一端连接到负载Uo；所述的二极管D1和所述的二极管D2串联，所述的二极管D1阴极连接到所述的电感Lo，所述的二极管D1阳极连接到所述的二极管D2的阴极，所述的二极管D2阳极连接到所述的负载Uo的负极；所述的二极管D3和所述的二极管D4串联，所述的二极管D4阴极连接到所述的电感Lo，所述的二极管D4阳极连接到所述的二极管D3的阴极，所述的二极管D3阳极连接到所述的负载Uo的负极；所述的电容C2并联在和所述的二极管D1和所述的二极管D2之间的节点和所述的二极管D3和所述的二极管D4之间的节点之间，实现补偿功能。
其中，所述的原边反馈控制器4包括恒压恒流控制模块41和负载鉴定模块42；所述的恒压恒流控制模块41包括4个PWM信号模块411、相移角模块412、电流电压感应器413、PI控制器414；所述的电流电压感应器413监测所述的DC-AC电路1的输出电压和电流，所述的负载鉴定模块42根据所述的电流电压感应器413的输出信号得到负载阻抗Ro的估值，并将所述的负载阻抗Ro的估值输出到所述的PI控制器413，所述的PI控制器413根据所述的电压电流感应器413的输出和所述的负载阻抗的估值Ro得到相移，相移角模块412根据所述的相移设置PWM信号的相移，所述的4个PWM信号模块411根据所述的相移角模块412的输出得到4个PWM信号并将信号输出到所述MOS驱动11。
在一个实施例中，如图2所示，所述PI控制器414包括计算单元4131，所述的计算单元4131根据所述负载阻抗Ro的估值算出当前的充电电压电流Uo_est、Io_est，并与参考电压电流Uo_ref、Io_ref比较，从而产生差值信号ΔUo、ΔIo；所述的PI控制器414根据所述差值信号调节4个PWM信号的相移角，用以控制所述DC-AC电路输出的电流电压u1(t)、i1(t)，从而进一步控制所述的AC-DC电路3的所述的负载Uo的电压或电流。
其中，所述PI控制器414用以调节所述4个PWM信号的相移角的差值信号ΔUo、ΔIo的计算方法如下：
第一，所述的有源功率计算器421测量所述的DC-AC电路1输出的的电流电压u1(t)、i1(t)，并计算有源功率P1和I1_RMS
第二，所述的负载阻抗估值器422根据素数的P1和I1_RMS计算等效负载Ro，
串联-串联补偿模式：
Figure BDA0001975466680000051
Figure BDA0001975466680000052
B＝(ωM)2
C＝R2
Figure BDA0001975466680000053
第三，所述的计算单元4131按照公式(3)和(4)对所述的Ro和I1_RMS进行组合计算得到
串联-串联补偿模式：
Figure BDA0001975466680000054
串联-并联补偿模式：
Figure BDA0001975466680000055
第四，所述的PI控制器414计算得到电压差或电流差，
ΔUo＝Uo_ref-Uo_est
ΔIo＝Io_ref-Io_est
在一个实施例中，所述的基于原边反馈控制器的无线功率传输系统，其系统频率为85.5kHz。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于原边反馈控制器的无线功率传输系统，其特征在于，包括：
DC-AC电路（1）、AC-AC电路（2）、AC-DC电路（3）、原边反馈控制器（4），所述的DC-AC电路（1）为原边，所述的AC-DC电路（3）为副边；
所述的DC-AC电路（1）前端接入到电源Ubus，实现直流到交流的变换；
所述的AC-AC电路（2）在所述的DC-AC电路（1）和所述的AC-DC电路（3）之间，完成所述的DC-AC电路（1）向所述的AC-DC电路（3）的无线功率传输；
所述的AC-DC电路（3），前端连接所述的AC-AC电路（2），后端连接负载Uo，实现交流到直流的变换，向所述的负载Uo充电；
所述的原边反馈控制器（4）根据所述的DC-AC电路（1）的输出电流和电压计算所述负载Uo的阻抗，并按照计算的阻抗来调节所述的DC-AC电路（1），以控制负载的恒流或恒压，所述的原边反馈控制器（4）包括恒压恒流控制模块（41）和负载鉴定模块（42）；所述的恒压恒流控制模块（41）包括4个PWM信号模块（411）、相移角模块（412）、电流电压感应器（413）、PI控制器（414）；所述的电流电压感应器（413）监测所述的DC-AC电路（1）的输出电压和电流，所述的负载鉴定模块（42）根据所述的电流电压感应器（413）的输出信号得到负载阻抗的估值，并将所述的负载阻抗的估值输出到所述的PI控制器（414），所述的PI控制器（414）根据所述的电压电流感应器（413）的输出和所述的负载阻抗的估值得到相移，相移角模块（412）根据所述的相移设置PWM信号的相移，所述的4个PWM信号模块（411）根据所述的相移角模块（412）的输出得到4个PWM信号并将信号输出到MOS驱动（11），所述PI控制器（414）包括计算单元（4131），所述的计算单元（4131）根据所述负载阻抗的估值算出当前的充电电压电流Uo_est、Io_est，并与参考电压电流Uo_ref、Io_ref比较，从而产生差值信号∆Uo、∆Io；所述的PI控制器（414）根据所述差值信号调节4个PWM信号的相移角，用以控制所述DC-AC电路输出的电流电压u1(t)、i1（t），从而进一步控制所述的AC-DC电路（3）的所述的负载Uo的电压或电流。
2.根据权利要求1所述的基于原边反馈控制器的无线功率传输系统，其特征在于，所述的DC-AC电路（1）包括电容Cbus、MOS管Q1、Q2、Q3、Q4和MOS驱动（11）；
所述的MOS管Q1和所述的MOS管Q2串联，所述的MOS管Q1漏极连接到所述的电源Ubus正极，所述的MOS管Q1源极连接到所述的MOS管Q2的漏极，所述的MOS管Q2源极连接到所述的电源Ubus负极；
所述的MOS管Q3和所述的MOS管Q4串联，所述的MOS管Q3漏极连接到电源Ubus正极，所述的MOS管Q3源极连接到所述的MOS管Q4漏极，所述的MOS管Q4源极连接到电源Ubus负极；
所述电容Cbus并联在所述的电源Ubus两端；
所述MOS驱动（11）接收来自所述的原边反馈控制器的4个PWM信号，并分别输出到所述的MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极，从而控制直流到交流的变换。
3.根据权利要求2所述的基于原边反馈控制器的无线功率传输系统，其特征在于，所述的AC-AC电路（2）包括发射端和接收端；
所述的AC-AC电路（2）的发射端包括电容C1，电阻R1，发射线圈L1；
所述的MOS管Q1和所述的MOS管Q2之间的节点连接所述的电阻R1一端，所述的MOS管Q3和所述的MOS管Q4之间的节点连接到所述的电容C1的一端，所述的电阻R1和所述的电容C1另一端通过所述的发射线圈L1串联在一起；
所述的AC-AC电路（2）接收端包括接收线圈L2、电阻R2，所述的接收线圈L2和所述的电阻R2串联；
所述的发射线圈L1通过磁场耦合向所述的接收线圈L2传输无线功率。
4.根据权利要求3所述的基于原边反馈控制器的无线功率传输系统，其特征在于，所述的AC-DC电路（3）包括二极管D1、D2、D3、D4，电感Lo，电容Co，负载Uo，电容C2；
所述的电容Co并联在所述的负载Uo上；
所述的电感Lo一端连接到所述的二极管D1和所述的二极管D4的阴极，另一端连接到负载Uo；
所述的二极管D1和所述的二极管D2串联，所述的二极管D1阴极连接到所述的电感Lo，所述的二极管D1阳极连接到所述的二极管D2的阴极，所述的二极管D2阳极连接到所述的负载Uo的负极；
所述的二极管D3和所述的二极管D4串联，所述的二极管D4阴极连接到所述的电感Lo，所述的二极管D4阳极连接到所述的二极管D3的阴极，所述的二极管D3阳极连接到所述的负载Uo的负极；
所述的电容C2串联在所述的电阻R2和所述的二极管D1和所述的二极管D2之间的节点之间，实现补偿功能。
5.根据权利要求3所述的基于原边反馈控制器的无线功率传输系统，其特征在于，所述的AC-DC电路（3）包括二极管D1、D2、D3、D4，电感Lo，电容Co，负载Uo，电容C2；
所述的电容Co并联在所述的负载Uo上；
所述的电感Lo一端连接到所述的二极管D1和所述的二极管D4的阴极，另一端连接到负载Uo；
所述的二极管D1和所述的二极管D2串联，所述的二极管D1阴极连接到所述的电感Lo，所述的二极管D1阳极连接到所述的二极管D2的阴极，所述的二极管D2阳极连接到所述的负载Uo的负极；
所述的二极管D3和所述的二极管D4串联，所述的二极管D4阴极连接到所述的电感Lo，所述的二极管D4阳极连接到所述的二极管D3的阴极，所述的二极管D3阳极连接到所述的负载Uo的负极；
所述的电容C2并联在和所述的二极管D1和所述的二极管D2之间的节点和所述的二极管D3和所述的二极管D4之间的节点之间，实现补偿功能。
6.根据权利要求1所述的基于原边反馈控制器的无线功率传输系统，其特征在于，其系统频率为85.5kHz。
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