CN110768389A - 一种无线充电系统及其频率跟踪控制方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线充电系统及其频率跟踪控制方法、装置，装置包括依次连接的电流采集器、控制器和驱动器，电流采集器用于采集无线充电系统中谐振回路上的电流，控制器用于采集谐振回路的电压，比较电压的初相和电流的初相，当电压的初相超前电流的初相时，控制驱动器增加输出驱动波形频率，当电压的初相滞后电流的初相时，控制驱动器减小输出驱动波形频率，直至电压和电流的初相相同，从而实现频率跟踪，本发明的硬件构成简单，且经济成本低。

Description

一种无线充电系统及其频率跟踪控制方法、装置

技术领域

本发明属于无线充电技术领域，具体涉及一种无线充电系统及其频率跟踪控制方法、装置。

背景技术

随着国家新能源电动汽车战略的稳步推进，新能源汽车呈现爆发式的增长，其中，主流的充电技术为有线充电技术，无线充电技术应用相对较少，随着无线充电技术的成熟，加上它本身具有的优势，可以节省很多资源，方便快捷、随走随充，省去了建充电站的成本，无线充电会成为未来发展的一个趋势，其中控制难点就有高频逆变单元的频率跟踪控制方式。

为了使无线充电中逆变器始终工作在功率因数接近或等于1的准谐振或谐振状态，以实现逆变器的输出最大功率，同时实现开关电源的零电压或零电流的开关，要求逆变电路(逆变器)具有频率跟踪的功能，以适应负载的变化。

频率跟踪是指某发生器具有自动调节频率的性能，也称自动频率跟踪。高频逆变电源的频率跟踪目前大多采用锁相环电路，采用模拟控制方式，输入补偿以及反馈补偿的方式实现相位调节，例如，公告号为CN202444333U的中国专利提供的“一种磁耦合共振式无线电能传输系统的频率跟踪控制装置”，如图1所示，包括依次串联的电流互感器、相位补偿比较器、锁相环和PWM驱动器，PWM驱动器连接谐振逆变器，电流互感器连接谐振回路，谐振回路连接谐振逆变器的输出端。这种控制方式的不足之处在于对硬件要求较高，并且需要增加相应的锁相环电路，同时需要匹配电路参数，选用合适的器件，还需配合相位补偿与设计死区，电路设计较为复杂、成本较高，准确性和快速性有待提升，并且电路设计随着频率的提高，对频率跟踪的快速性和准确性的要求相应的越高。

发明内容

本发明的目的是提供一种无线充电系统及其频率跟踪控制方法、装置，用于解决现有频率跟踪装置的硬件复杂、成本高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种无线充电系统的频率跟踪控制装置，包括依次连接的电流采集器、控制器和驱动器，电流采集器用于采集无线充电系统中谐振回路上的电流，控制器用于采集谐振回路的电压，比较电压的初相和电流的初相，当电压的初相超前电流的初相时，控制驱动器增加输出驱动波形频率，当电压的初相滞后电流的初相时，控制驱动器减小输出驱动波形频率，直至电压和电流的初相相同，实现频率跟踪，所述电压的初相为电压过零点的相位，所述电流的初相为电流过零点的相位。

本发明的频率跟踪控制装置不需要锁相环等硬件，仅需要电流采集器、控制器和驱动器就能实现频率跟踪，即仅通过采集谐振回路上的电流和电压，判断电压的初相是否超前电流的初相，当超前时增加输出驱动波形频率，当滞后时减小输出驱动波形频率，实现频率跟踪，本发明的硬件构成简单，且经济成本低。

进一步，所述电流采集器与控制器之间连接有调理电路，该调理电路包括依次连接的比例放大电路、整流滤波电路。

进一步，所述电流采集器为霍尔电流传感器，所述控制器为DSP，所述驱动器为PWM驱动器。

为解决上述技术问题，本发明还提出一种无线充电系统，包括无线充电电路和频率跟踪控制电路，无线充电电路包括逆变器和谐振回路，逆变器输出端连接谐振回路，频率跟踪控制电路包括依次连接的电流采集器、控制器和驱动器，驱动器与逆变器连接，电流采集器与谐振回路连接，电流采集器用于采集所述谐振回路上的电流，控制器用于采集所述谐振回路的电压，比较电压的初相和电流的初相，当电压的初相超前电流的初相时，控制驱动器增加输出驱动波形频率，当电压的初相滞后电流的初相时，控制驱动器减小输出驱动波形频率，直至电压和电流的初相相同，实现频率跟踪；所述电压的初相为电压过零点的相位，所述电流的初相为电流过零点的相位。

进一步，所述电流采集器与控制器之间连接有调理电路，该调理电路包括依次连接的比例放大电路、整流滤波电路。

进一步，所述电流采集器为霍尔电流传感器，所述控制器为DSP，所述驱动器为PWM驱动器。

为解决上述技术问题，本发明还提出一种无线充电系统的频率跟踪控制方法，包括以下步骤：

1)采集无线充电系统中谐振回路上的电流，采集谐振回路的电压；

2)比较电压的初相和电流的初相，当电压超前电流时，控制驱动器增加输出驱动波形频率，当电压滞后电流时，控制驱动器减小输出驱动波形频率，直至电压和电流的初相相同，实现频率跟踪；所述电压的初相为电压过零点的相位，所述电流的初相为电流过零点的相位。

附图说明

图1是现有技术的频率跟踪控制装置示意图；

图2是一种无线充电电路示意图；

图3是本发明的一种无线充电系统示意图；

图4是一种无线充电系统的频率跟踪控制方法流程图；

图5是无线充电系统中逆变器和副边接收端电路示意图；

图6是无线充电系统的频率跟踪控制装置中的调理电路示意图；

图7-1是串联谐振方式下无线充电系统的等效电路图；

图7-2是无线充电系统模型等效电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明的一种无线充电系统，包括无线充电电路和频率跟踪控制电路(即频率跟踪控制装置)，无线充电电路如图2所示，包括依次连接的三相电源、PFC功率因数矫正装置、逆变器、谐振回路(包括串联的谐振电感和谐振电容)、副边接收端电路、整流器、电池，通过检测车辆状态，结合整车控制器可以控制系统的开启和关断，实现对电池充电。

频率跟踪控制电路如图3所示，包括依次连接的电流采集器(如霍尔电流传感器)、控制器(如DSP)和PWM驱动器，PWM驱动器与逆变器连接，电流采集器与谐振回路连接，电流采集器用于采集谐振回路上的电流，控制器用于采集谐振回路的电压，比较电压的初相和电流的初相，电压的初相为电压过零点的相位，电流的初相为电流过零点的相位，当电压的初相超前电流的初相时，控制PWM驱动器增加输出驱动波形频率，当电压的初相滞后电流的初相时，控制PWM驱动器减小输出驱动波形频率，直至电压和电流的初相相同，实现频率跟踪。

上述无线充电系统是通过串联谐振方式向后级输出能量，串联谐振方式下无线充电系统的等效电路图如图7-1所示。将变压器的互感模型作为共振式两线圈系统的等效电路模型。原边为电能发射线圈，副边为接受线圈。其中，Uin为高频电源，R1为电源内阻与发射线圈上的内阻，R2为接收线圈上的内阻，RL为负载电阻，L1、L2分别为发射线圈与接收线圈的电感，C1、C2分别为发射线圈与接收线圈串联的电容，M为发射线圈与接收线圈之间的互感系数。

将副边电路折算成原边等效阻抗Req，可以简化模型，在分析整个系统过程中，将副边输出整流部分和容性滤波电路可折算到初级等效电阻Req，整个无线充电系统模型等效电路如图7-2所示。

图7-2中，Req为副边等效电阻，Lr为等效的谐振电感，Cr为等效的谐振电容，Re为原边等效电阻。系统要想实现频率跟踪就是使电压相位和电流相位重合，系统整体呈现为阻性，可以将整个系统等效电阻为Z＝Re+Req+jwLr+1/(jwCr)。wLr是整个系统的感性部分，1/(wCr)是整个系统的容性部分，其中j表示虚数部分，w＝2лf，f为驱动频率，f增大，w也越大，系统感性成分增加，容性成分减小，同理，f减小，w也越小，系统感性成分减少，容性成分增加，电压超前电流时，整个系统呈现感性，可以减少系统频率，电流超前电压时，整个系统呈现容性，可以增加系统频率，最终可以实现通过调节驱动频率使整体系统处于谐振状态，也就是纯阻性状态，此时电压相位和电流相位正好重合。

具体的逆变器和副边接收端电路如图5所示，逆变器是主要由四个功率开关器件S1、S2、S3、S4，谐振电容Cr和原边发射线圈Lr(即谐振电感)构成，副边接收端电路主要有接收线圈Ld、谐振电容Cd以及后级整流电路构成，RL为负载。其中S1、S2、S3、S4开通是由DSP发出的驱动波形进行控制，其中控制开通S1和S4时，在Lr和Cr上形成正向的波形，当开通S3和S2时，Lr和Cr上形成负向的波形，按照设定的占空比控制就形成了正负相间的电压波形，通过DSP发出驱动波形可以分析电压波形过零点的时序，与后续检测电流过零点波形进行对比。

电流采集器与控制器之间连接的调理电路如图6所示，该调理电路包括依次连接的比例放大电路、整流滤波电路。图6中，IF为电流采集器采样的电流，经过比例放大电路进入U7运放，跟踪电流波形，然后进入U8A后进行整流滤波，当IF为正向波是经过U8A输出高电平，当IF为负向波经过U8A输出低电平，检测点ib形成高低电平波形，输送到DSP中，可以检测电流的过零点，经过DSP分析电流过零点和电压过零点对比，可以判断电压超前电流还是电流超前电压，当电压超前电流时，DSP发送驱动波形的频率适当降低，当电流超前电压时，DSP发送驱动波形的频率可以适当增加，当电流和电压过零点重合时，这时处于谐振状态(电压与电流相位重合)，输出能力最大。

无线充电系统的频率跟踪控制流程如图4所示，通过电流采集器，采取输入端上谐振电感Lr和谐振电容Cr上的回路的电流IF，IF进入霍尔采样电路，把采样电流传送到DSP端口进行检测，同时DSP固定输出驱动波形的PWM波，采样谐振电感Lr和谐振电容Cr电压的过零点，与DSP采样经过谐振电感Lr和谐振电容Cr电流过零点进行比对，如果DSP检测电压波形超前电流波形则DSP减少驱动波形频率fr，如果电流波形超前电压波形，则增加相应DSP驱动波形频率fr，最终形成电压波形与电流波形过零点结合，从而实现频率跟踪，达到或接近谐振状态可以实现输出能量最大。

本发明的硬件最少仅需要DSP、霍尔电流传感器和PWM驱动器，能够减少相应硬件锁相环电路，节省相应成本，采用硬件和软件结合控制方式，可以整合软件精准和硬件稳定性高的共同优点。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种无线充电系统的频率跟踪控制装置，其特征在于，包括依次连接的电流采集器、控制器和驱动器，电流采集器用于采集无线充电系统中谐振回路上的电流，控制器用于采集谐振回路的电压，比较电压的初相和电流的初相，当电压的初相超前电流的初相时，控制驱动器增加输出驱动波形频率，当电压的初相滞后电流的初相时，控制驱动器减小输出驱动波形频率，直至电压和电流的初相相同，实现频率跟踪，所述电压的初相为电压过零点的相位，所述电流的初相为电流过零点的相位。

2.根据权利要求1所述的无线充电系统的频率跟踪控制装置，其特征在于，所述电流采集器与控制器之间连接有调理电路，该调理电路包括依次连接的比例放大电路、整流滤波电路。

3.根据权利要求1所述的无线充电系统的频率跟踪控制装置，其特征在于，所述电流采集器为霍尔电流传感器。

4.根据权利要求1所述的无线充电系统的频率跟踪控制装置，其特征在于，所述控制器为DSP，所述驱动器为PWM驱动器。

5.一种无线充电系统，包括无线充电电路和频率跟踪控制电路，无线充电电路包括逆变器和谐振回路，逆变器输出端连接谐振回路，其特征在于，频率跟踪控制电路包括依次连接的电流采集器、控制器和驱动器，驱动器与逆变器连接，电流采集器与谐振回路连接，电流采集器用于采集所述谐振回路上的电流，控制器用于采集所述谐振回路的电压，比较电压的初相和电流的初相，当电压的初相超前电流的初相时，控制驱动器增加输出驱动波形频率，当电压的初相滞后电流的初相时，控制驱动器减小输出驱动波形频率，直至电压和电流的初相相同，实现频率跟踪；所述电压的初相为电压过零点的相位，所述电流的初相为电流过零点的相位。

6.根据权利要求5所述的无线充电系统，其特征在于，所述电流采集器与控制器之间连接有调理电路，该调理电路包括依次连接的比例放大电路、整流滤波电路。

7.根据权利要求5所述的无线充电系统，其特征在于，所述电流采集器为霍尔电流传感器。

8.根据权利要求5所述的无线充电系统，其特征在于，所述控制器为DSP，所述驱动器为PWM驱动器。

9.一种无线充电系统的频率跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采集无线充电系统中谐振回路上的电流，采集谐振回路的电压；

2)比较电压的初相和电流的初相，当电压超前电流时，控制驱动器增加输出驱动波形频率，当电压滞后电流时，控制驱动器减小输出驱动波形频率，直至电压和电流的初相相同，实现频率跟踪；所述电压的初相为电压过零点的相位，所述电流的初相为电流过零点的相位。

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