CN110768388A - 非接触式能量传输系统输出功率的控制装置及控制方法 - Google Patents

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刘玉明
刁利军
李兵
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张智杰
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梅伟耀
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Abstract

本发明非接触式能量传输系统输出功率的控制方法及装置，省去非接触式能量传输系统中二次侧调压电路、在线监测二次侧输出到负载的电压和电流、基于负载电压和电流大小直接在一次侧调节、可实现逆变主电路开关器件软开关从而简化电路结构、降低系统损耗、提高系统电能传输效率。

Description

非接触式能量传输系统输出功率的控制装置及控制方法
技术领域
本发明属于非接触式能量传输领域，具体涉及一种非接触式能量传输系统输出功率的控制装置及控制方法。
背景技术
目前，借助高频电磁场实现电能发射端向负载端无线供电的非接触式能量传输技术因其便利性已成功应用于电动汽车充电、家用电器无线充电等场合。现阶段采用的非接触式能量传输系统方案，充电回路一次侧高频交流输入电压需经过整流器变换为直流电压，然后经过逆变电路变换为高频交流电压加在一次侧线圈两侧，实现对电池能量的补给。所实施控制方法无法调节逆变电路输出的电压大小导致一次侧无法实现对输出功率的控制，只能在二次侧整流后增加一级DC/DC调压电路，以此实现非接触式能量传输系统的输出功率控制。上述方案，一方面，会大大增加系统的体积、成本和发热量，无论在技术角度还是经济角度都不是最优的方案；另一方面，DC/DC调压电路中的器件都会产生损耗，尤其开关器件的损耗很大，从而会降低系统的传输效率。因此，传统的输出功率控制装置已无法满足非接触式能量传输系统的高效率、小型化、经济化的需求，成为制约该系统适应不同负载需求的主要因素。
发明内容
本发明提供了能够提高非接触式能量传输系统的传输效率，降低损耗、减小体积的非接触式能量传输系统输出功率的控制装置及控制方法。
本发明一种非接触式能量传输系统输出功率的控制方法，在线监测非接触式能量传输系统二次侧输出到负载的电压和电流，基于负载电压和电流大小，在非接触式能量传输系统一次侧进行调节，实现非接触式能量传输系统输出功率的控制。
作为优选方案，通过调节非接触式能量传输系统一次侧高频交流输入电压转换电路的输入电压，实现非接触式能量传输系统输出功率的控制。
本发明一种非接触式能量传输系统输出功率的控制装置，包括传感器单元、信号调理电路、数字信号处理器、驱动电路和开关器件单元；
所述开关器件单元包括至少四个开关器件，通过开通或断开开关器件，对非接触式能量传输系统一次侧高频交流输入电压转换电路的输入电压进行控制；
所述传感器单元，采集非接触式能量传输系统二次侧整流电路输出到负载的电压的第一模拟信号和输出到负载的电流的第二模拟信号；并将所述第一模拟信号和所述第二模拟信号发送给所述信号调理电路；
所述信号调理电路，用于接收所述传感器单元输出的所述第一模拟信号和所述第二模拟信号，并将所述第一模拟信号和所述第二模拟信号调理为所述数字信号处理器可处理的第三模拟信号和第四模拟信号；
所述数字信号处理器，用于将所述第三模拟信号和第四模拟信号转换为对应的负载电压的第一数字信号和负载电流的第二数字信号；并对所述第一数字信号和所述第二数字信号进行处理得到对应负载功率的第三数字信号，将所述第三数字信号的值与预设值进行比较和判断，再按设定的控制方式输出控制信号并将所述控制信号发送给所述驱动电路；
所述驱动电路，用于根据所述控制信号确定每个开关器件对应的驱动信号，并向所述每个开关器件分别输出对应的驱动信号，其中，所述驱动信号用于控制所述开关器件的开通或断开。
作为优选方案，所述信号调理电路包括，偏置放大电路、滤波电路和抗干扰电路；所述第一模拟信号和第二模拟信号通过偏置放大电路进行适当的偏置放大转换，再经过滤波电路进行滤波，去除上述信号中的噪声，最后经过抗干扰电路，增强上述信号的抗干扰能力，得到第三模拟信号和第四模拟信号。
作为优选方案，非接触式能量传输系统输出功率的控制装置包括电源模块，所述电源模块向非接触式能量传输系统输出功率的控制装置供电。
作为优选方案，所述数字信号处理器产生控制信号的逻辑，具体为：
当所述第三数字信号的值小于预设值时，所述数字信号处理器减小同时导通或关断的开关器件的控制信号的移相角；
当所述第三数字信号的值大于预设值时，所述数字信号处理器增大中同时导通或关断的开关器件的控制信号的移相角；
当所述第三数字信号的值等于预设值时，所述数字信号处理器保持同时导通或关断的开关器件的控制信号的移相角不变。
作为优选方案，开关器件单元主要包括场效应管。
本发明提出的一种非接触式能量传输系统输出功率的控制方法及装置，省去非接触式能量传输系统中二次侧调压电路、在线监测二次侧输出到负载的电压和电流、基于负载电压和电流大小直接在一次侧调节、可实现逆变主电路开关器件软开关从而简化电路结构、降低系统损耗、提高系统电能传输效率。
附图说明
图1为本发明控制装置的结构示意图；
图2为本发明信号调理电路的结构示意图；
图3为本发明应用于非接触式能量传输系统实施方式的结构示意图。
具体实施方式
目前非接触式能量传输系统中调节输出给负载的电压和电流的方法是在二次侧整流后增加一级DC/DC调压电路，从而改变系统的输出功率。这样会大大增加系统的体积、成本和发热量，而且DC/DC调压电路中的器件都会产生损耗，尤其开关器件的损耗很大，从而降低系统的传输效率。
本发明一种非接触式能量传输系统输出功率的控制方法，省去非接触式能量传输系统中二次侧调压电路，在线监测非接触式能量传输系统二次侧输出到负载的电压和电流，基于负载电压和电流大小，在非接触式能量传输系统一次侧进行调节，实现非接触式能量传输系统输出功率控制。优先选择调节非接触式能量传输系统一次侧高频交流输入电压转换电路的输入电压，实现非接触式能量传输系统输出功率控制。
如图1所示，非接触式能量传输系统输出功率的控制装置包括：传感器单元101、信号调理电路102、数字信号处理器103、驱动电路104；传感器单元101分别与二次侧整流电路和信号调理电路102电性连接；信号调理电路102与数字信号处理器103电性连接；数字信号处理器103与驱动电路104电性连接；驱动电路104通过开关器件单元与被控电路105电性连接；开关器件单元包括至少四个开关器件。被控电路105为非接触式能量传输系统一次侧高频交流输入电压转换电路和二次侧整流电路。
传感器单元101，用于采集非接触式能量传输系统中负载电压的第一模拟信号和负载电流的第二模拟信号；并将第一模拟信号和第二模拟信号发送给信号调理电路102。
具体的，传感器单元采集非接触式能量传输系统输出到负载的电压的第一模拟信号UL_a和负载的电流的第二模拟信号IL_a。
信号调理电路102，用于接收传感器单元101输出的第一模拟信号和第二模拟信号，并将第一模拟信号和第二模拟信号调理为数字信号处理器103可处理的第三模拟信号和第四模拟信号，并将第一模拟信号和第二模拟信号发送到数字信号处理器103。
具体的，传感器单元将采集的非接触式能量传输系统输出到负载的电压的第一模拟信号UL_a和负载的电流的第二模拟信号IL_a发送到信号调理电路进行调理，然后信号调理电路分别将上述第一模拟信号UL_a和第二模拟信号IL_a调理为数字信号处理器可处理的第三模拟信号UL_b和第四模拟信号IL_b，并发送到数字信号处理器。
如图2所示，信号调理电路102包括：偏置放大电路1021、滤波电路1022和抗干扰电路1023，偏置放大电路1021与滤波电路1022电性连接，滤波电路1022与抗干扰电路1023电性连接。
上述第一模拟信号UL_a和第二模拟信号IL_a在信号调理电路中进行调理时，先通过偏置放大电路进行适当的偏置放大转换，将信号调理为0-3.3V范围内的直流信号，再经过滤波电路进行滤波，去除上述信号中的噪声，最后经过抗干扰电路，增强上述信号的抗干扰能力，得到第三模拟信号UL_b和第四模拟信号IL_b，然后将调理后的信号发送到数字信号处理器。
数字信号处理器103，用于将第三模拟信号和第四模拟信号转换为对应的负载电压的第一数字信号和负载电流的第二数字信号；并对上述第一数字信号和第二数字信号进行处理得到第三数字信号，将第三数字信号的值与预设值进行比较、判断，再按设定的控制方式输出控制信号并将控制信号发送给驱动电路104；
具体的，上述第三模拟信号UL_b和第四模拟信号IL_b在数字信号处理器内转换为对应的负载电压的第一数字信号UL_d和负载电流的第二数字信号IL_d。对上述第一数字信号UL_d和第二数字信号IL_d进行处理得到对应负载功率的第三数字信号PL_d，将第三数字信号PL_d的值与预设值进行比较、判断，再按设定的控制方式输出控制信号并将控制信号发送给驱动电路。
数字信号处理器产生控制信号的逻辑，具体为：
当所述第三数字信号的值小于预设值时，所述数字信号处理器减小同时导通或关断的开关器件的控制信号的移相角；
当所述第三数字信号的值大于预设值时，所述数字信号处理器增大同时导通或关断的开关器件的控制信号的移相角；
当所述第三数字信号的值等于预设值时，所述数字信号处理器保持同时导通或关断的开关器件的控制信号的移相角不变。
上述数字信号处理器产生控制信号的逻辑，通过增大或减小开关器件的控制信号的移相角，从而产生控制信号并经驱动电路输出到每个开关器件，使所述第三数字信号PL_d的值与预设值相等，达到控制非接触式能量传输系统输出功率的目的。
驱动电路104，用于根据控制信号确定每个开关器件对应的驱动信号，并向每个开关器件分别输出对应的驱动信号，其中，驱动信号用于控制所述开关器件的开通或断开。
非接触式能量传输系统输出功率的控制装置还可以包括电源模块；电源模块，用于给该装置进行供电。
如图3所示，被控电路主要为非接触式能量传输系统一次侧高频交流输入电压转换电路和二次侧整流电路。非接触式能量传输系统输出功率的控制装置包括调理电路、控制器和辅助电源，其中，调理电路由传感器单元和信号调理电路组成，控制器由数字信号处理器和驱动电路组成，辅助电源给调理电路和控制器供电。其中，一次侧高频交流输入电压转换电路包括有传输线圈一次侧直流输入电压UDC、电容CT、电阻RT、二极管D1、D2、D3、D4、电容C1、C2、C3、C4。二次侧整流电路包括有电容CR、电阻RR以及四个整流二极管D5、D6、D7、D8，负载电路包括电容C0、电阻RL。开关器件单元主要包括四个场效应管Q1、Q2、Q3、Q4。每个场效应管反并联二极管D1、D2、D3、D4和并联电容C1、C2、C3、C4。
非接触式能量传输系统输出功率的控制装置采集输出到负载的电压UL和负载的电流的IL，调理电路将采集到的信号经过调理后发送到控制器，控制器输出上述实施例中的驱动信号g1、g2、g3、g4，其中，驱动信号g1控制场效应管Q1的开通和断开，驱动信号g2控制场效应管Q2的开通和断开，驱动信号g3控制场效应管Q3的开通和断开，驱动信号g4控制场效应管Q4的开通和断开。
通过控制场效应管Q4的开通和关断，对一次侧高频交流输入电压转换电路的输入电压进行控制，达到控制非接触式能量传输系统输出功率的目的。

Claims (7)

1.非接触式能量传输系统输出功率的控制方法，在线监测非接触式能量传输系统二次侧输出到负载的电压和电流，基于负载电压和电流大小，在非接触式能量传输系统一次侧进行调节，实现非接触式能量传输系统输出功率的控制。
2.根据权利要求1所述的非接触式能量传输系统输出功率的控制方法，其特征在于，通过调节非接触式能量传输系统一次侧高频交流输入电压转换电路的输入电压，实现非接触式能量传输系统输出功率的控制。
3.非接触式能量传输系统输出功率的控制装置，包括传感器单元、信号调理电路、数字信号处理器、驱动电路和开关器件单元；
所述开关器件单元包括至少四个开关器件，通过开通或断开开关器件，对非接触式能量传输系统一次侧高频交流输入电压转换电路的输入电压进行控制；
所述传感器单元，采集非接触式能量传输系统二次侧整流电路输出到负载的电压的第一模拟信号和输出到负载的电流的第二模拟信号；并将所述第一模拟信号和所述第二模拟信号发送给所述信号调理电路；
所述信号调理电路，用于接收所述传感器单元输出的所述第一模拟信号和所述第二模拟信号，并将所述第一模拟信号和所述第二模拟信号调理为所述数字信号处理器可处理的第三模拟信号和第四模拟信号；
所述数字信号处理器，用于将所述第三模拟信号和第四模拟信号转换为对应的负载电压的第一数字信号和负载电流的第二数字信号；并对所述第一数字信号和所述第二数字信号进行处理得到对应负载功率的第三数字信号，将所述第三数字信号的值与预设值进行比较和判断，再按设定的控制方式输出控制信号并将所述控制信号发送给所述驱动电路；
所述驱动电路，用于根据所述控制信号确定每个开关器件对应的驱动信号，并向所述每个开关器件分别输出对应的驱动信号，其中，所述驱动信号用于控制所述开关器件的开通或断开。
4.根据权利要求3所述的非接触式能量传输系统输出功率的控制装置，其特征在于，所述信号调理电路包括，偏置放大电路、滤波电路和抗干扰电路；所述第一模拟信号和第二模拟信号通过偏置放大电路进行适当的偏置放大转换，再经过滤波电路进行滤波，去除上述信号中的噪声，最后经过抗干扰电路，增强上述信号的抗干扰能力，得到第三模拟信号和第四模拟信号。
5.根据权利要求3所述的非接触式能量传输系统输出功率的控制装置，其特征在于，非接触式能量传输系统输出功率的控制装置包括电源模块，所述电源模块向非接触式能量传输系统输出功率的控制装置供电。
6.根据权利要求3所述的非接触式能量传输系统输出功率的控制装置，其特征在于，所述数字信号处理器产生控制信号的逻辑，具体为：
当所述第三数字信号的值小于预设值时，所述数字信号处理器减小同时导通或关断的开关器件的控制信号的移相角；
当所述第三数字信号的值大于预设值时，所述数字信号处理器增大中同时导通或关断的开关器件的控制信号的移相角；
当所述第三数字信号的值等于预设值时，所述数字信号处理器保持同时导通或关断的开关器件的控制信号的移相角不变。
7.根据权利要求3所述的非接触式能量传输系统输出功率的控制装置，其特征在于，开关器件单元主要包括场效应管。
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