CN111313567B - 阵列式移相控制无线电能传输系统及其控制方法 - Google Patents

阵列式移相控制无线电能传输系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种阵列式移相控制无线电能传输系统及其控制方法，系统包括发射端和接收端，发射端包括电源模块、原边DC/DC模块、第一检测模块、能量发射模块和第一控制模块，接收端包括能量接收模块、副边DC/DC模块、第二检测模块、输出接口和第二控制模块；能量发射模块按照M×N阵列式设置有多个LC发射单元，第一控制模块产生M×N路具有一定相位差的PWM信号分别控制M×N个LC发射单元中的开关元件，使其在一个周期内轮流发送电能；其效果是：能够有效减小电源电流峰值、改善电源电流波形，同时减小了系统的无功损耗，提高的无线充电效率。

Description

阵列式移相控制无线电能传输系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术，更具体地说，涉及一种阵列式移相控制无线电能传输系统及其控制方法。
背景技术
近年来，随着无线电能传输技术的不断发展，越来越多的领域采用了无线供电。无线电能传输技术可以分为3种基本形式：感应耦合无线电能传输、磁耦合谐振功率传输和微波无线电能传输。目前，感应耦合无线电能传输在实际中得到了较多应用，如电动汽车无线充电、植入式医疗设备、无尾家电、海洋勘探、地下矿山供电等。
如图1所示，现有的感应耦合无线电能传输多采用单管LC谐振电路，由单个开关管实现逆变，具有可靠性高、成本低、结构简单、可实现开关管的零电压开通等优点。但是单管LC谐振逆变电路谐振电压较高，运行中开关管两端承受的电压高达系统装置的几倍以上。因此限制了无线电能传输的功率。若要实现中功率，甚至大功率无线电能传输，就要对电能传输装置进行串联或者并联，若并联后采用同相控制，则电流电压纹波会进一步叠加。
发明内容
为解决上述问题，本发明首先提供一种可适用于中大功率的阵列式移相控制无线电能传输系统，可减小电源电流峰值、改善电源电流波形，同时减小了系统的无功损耗，提高了无线充电效率。
为实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
一种阵列式移相控制无线电能传输系统，包括发射端和接收端，其关键在于，所述发射端包括电源模块、原边DC/DC模块、第一检测模块、能量发射模块和第一控制模块，所述接收端包括能量接收模块、副边DC/DC模块、第二检测模块、输出接口和第二控制模块；
所述能量发射模块按照M×N阵列式设置有多个LC发射单元，所述第一控制模块连接所述电源模块、原边DC/DC模块、第一检测模块和能量发射模块，并产生M×N路具有一定相位差的PWM信号分别控制M×N个LC发射单元中的开关元件，使其在一个周期内轮流发送电能；
所述能量接收模块按照M×N阵列式设置有多个LC接收单元，每一个LC 接收单元连接一个副边DC/DC模块，所述第二控制模块连接所述能量接收模块、副边DC/DC模块和第二检测模块，所述第二控制模块通过控制M×N个副边DC/DC模块输出端的串并联状态来控制所述输出接口的输出电压和输出功率；
所述M和N均为正整数，且至少一个大于1。
可选地，所述第一控制模块和所述第二控制模块上分别连接有通信模块，二者通过无线通信。
可选地，所述通信模块为蓝牙模块。
可选地，所述能量发射模块中的LC发射单元包括发射线圈和谐振电容构成的并联谐振发射电路。
可选地，所述能量接收模块中的LC接收单元包括接收线圈和谐振电容构成的并联谐振接收电路、整流电路和谐振补偿电路。
可选地，所述第一检测模块为电流检测模块，所述第二检测模块为电压检测模块，所述第二控制模块通过通信模块将所述第二检测模块检测的电压值反馈至所述第一控制模块，所述第一控制模块根据所述第一检测模块检测的电流值和所述第二控制模块反馈的电压值调节所述原边DC/DC模块的输出电压。
基于上述系统，本发明还提出了一种阵列式移相控制无线电能传输系统的控制方法，其关键在于：所述第一控制模块跟根据所述能量发射模块中LC发射单元的个数设置移相角度
Figure BDA0002431700320000031
然后在每一个PWM周期内，按照预定的顺序依次移相角度α来设定每个LC发射单元中开关元件驱动信号的相位值。
可选地，所述第一控制模块还以n个PWM周期作为一个大周期，在同一大周期内，每个PWM周期中LC发射单元移相的顺序不同，n为大于1的自然数。
可选地，当负载电流变化时，所述第二控制模块先控制副边DC/DC模块来改变电压输出；当副边DC/DC模块输出电压无法维持稳定时，所述第二控制模块发送信息至所述第一控制模块，所述第一控制模块再控制所述原边 DC/DC模块来提高发射端输出功率。
可选地，在接收端接入时，所述第一控制模块通过扫频方式改变LC发射单元的PWM驱动信号频率，使其达到最佳谐振状态。
本发明的显著效果是：
电路结构简单，控制方便，能够有效减小电源电流峰值、改善电源电流波形，同时减小了系统的无功损耗，提高的无线充电效率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为现有单管LC谐振电路原理图；
图2为本发明的电路原理框图；
图3为实施例中接收端串并联组合连接的等效电路图；
图4为实施例中第一个PWM周期相位延迟路径示意图；
图5为实施例中第二个PWM周期相位延迟路径示意图；
图6为实施例中第三个PWM周期相位延迟路径示意图；
图7为实施例中第四个PWM周期相位延迟路径示意图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图2所示，本实施例提供的一种阵列式移相控制无线电能传输系统，包括发射端和接收端，发射端包括电源模块1、原边DC/DC模块2(图中表示为 DC/DC模块1)、电流检测模块3、能量发射模块4(本例中采用M×N阵列式 LC发射模块)和第一控制模块9，在第一控制模块9上连接有第一蓝牙模块 10；接收端包括能量接收模块5(本例中采用M×N阵列式LC接收模块)、副边DC/DC模块6(图中表示为DC/DC模块2)、电压检测模块7、输出接口8 和第二控制模块12，在第二控制模块12上连接有第二蓝牙模块11。
发射端和接收端之间通过能量发射模块4和能量接收模块5进行能量传输，同时通过第一蓝牙模块10和第二蓝牙模块11实现信号传输，蓝牙通信主要用于第一控制模块9与第二控制模块12交换信息，传递控制信号。
通过图2可以看出，发射端的电源模块1用于提供直流电源，第一控制模块9基于发射端的电流检测模块3和接收端的电压检测模块7可以有效控制原边DC/DC模块2来调节原边的输出功率，能量发射模块4中的LC发射单元包括发射线圈和谐振电容构成的并联谐振发射电路，第一控制模块9通过产生 M×N路具有一定相位差的PWM信号来分别控制M×N个LC发射单元中的开关元件，使其在一个周期内轮流发送电能。
从图3可以看出，能量接收模块5按照M×N阵列式设置有多个LC接收单元，每一个LC接收单元连接一个副边DC/DC模块6，第二控制模块12连接能量接收模块5、副边DC/DC模块6和电压检测模块7，第二控制模块12 通过控制M×N个副边DC/DC模块6输出端的串并联状态来控制所述输出接口的输出电压和输出功率。
基于图3提供的实施方式可以看出，能量接收模块5中的LC接收单元包括接收线圈和谐振电容构成的并联谐振接收电路、整流电路和谐振补偿电路，副边DC/DC模块6输出端串联可以增大输出电压，并联则可以增大输出电流，因此，基于负载需求，也可以通过改变多个LC接收单元的串并联状态来调整输出功率。比如，以2×3阵列式发射接收，每个副边DC/DC模块输出5V、2A 的功率。共6个LC发射接收模块。将此6个接收端模块可以分成2组，一组 3个副边DC/DC模块串联，构成输出电压15V、输出电流2A的功率模块。再将这两组进行并联，得到输出电压达到15V，输出电流达到4A的模块，此时整个接收端输出功率60W，从而达到增大了输出功率的目的。
图3中单个LC接收单元其接收线圈感应出的交流电压经快恢复二极管整流，再由LC滤波电路滤波后，由副边DC/DC模块对其进行升降压调节输出电压，达到恒压输出的目的。
在本实施例中，电流检测模块3主要用于检测原边DC/DC模块2输出电流，并将测量结果输入给第一控制模块9，第一控制模块9通过扫频算法以确定系统工作的最小电流，采样电流最小值所对应的频率就是最佳工作频率，通过调节原边DC/DC模块2输出电压来实现充电功率的控制。
电压检测模块7用于检测副边DC/DC模块7的输出电压，并将测量结果输入给第二控制模块12，再通过蓝牙传递给第一控制模块9。第一控制模块9 通过PI算法对原边DC/DC模块2进行控制，动态改变能量发射模块4的输入电压。
在具体实施时，本发明还提供了上述阵列式移相控制无线电能传输系统的控制方法，所述第一控制模块跟根据所述能量发射模块中LC发射单元的个数设置移相角度
Figure BDA0002431700320000061
然后在每一个PWM周期内，按照预定的顺序依次移相角度α来设定每个LC发射单元中开关元件驱动信号的相位值。
如图4所示，本实施例以3×3阵列式LC发射模块和接收模块为例做详细解释。
通过图4可以看出，在进行相位控制时，其移相角度α为40度，假设以中心发射端E为起始点，A为终点。在一个控制周期内，预定的顺序为E、D、 G、H、I、F、C、B、A，则控制时，以发射端E为相位零点，经过D、G、H、 I、F、C、B、A时PWM相位依次延迟40度，最终到达发射端A延迟360度。如此循环反复，发射能量，通过移相的控制方案，达到减小电源电流峰值、改善电源电流波形，同时减小系统的无功损耗，提高无线充电效率的目的。
为了进一步提升移相角度，控制时，第一控制模块还以n个PWM周期作为一个大周期，在同一大周期内，每个PWM周期中LC发射单元移相的顺序不同，n为大于1的自然数。
以图4-图7所示，本例以n＝4为例，在第一个周期内，按照图4所示的顺序进行；在第二个PWM控制周期内，这按照图5所示的顺序进行，即预定的顺序修改为E、H、I、F、C、B、A、D、G，此时同样是以发射端E为起点，假定此时发射端E的PWM相位为0度，则经过H、I、F、C、B、A、D、G 时PWM相位依次延迟40度，最终到达发射端G延迟360度。
继续地，在第三个PWM控制周期内，按照图6所示的顺序进行以，即发射端E为起点，假定此时发射端E的PWM相位为0度，则经过F、C、B、A、 D、G、H、I时PWM相位依次延迟40度，最终到达发射端I延迟360度。
继续地，在第四个PWM控制周期内，按照图7所示的顺序进行以，还是以发射端E为起点，假定此时发射端E的PWM相位为0度，则经过B、A、 D、G、H、I、F、C时PWM相位依次延迟40度，最终到达发射端C延迟360 度。
本实施例以单个PWM周期为小周期，以发射端E为发射起点，四个顶点分别为移相终点，构成一个大周期。如此循环反复，发射能量，通过移相的控制方案，减小电源电流峰值、改善电源电流波形，同时减小了系统的无功损耗，提高的无线充电效率。
基于本发明提供的系统结构，在控制时，还涉及到调压控制，即：
当负载电流变化时，所述第二控制模块先控制副边DC/DC模块来改变电压输出；当副边DC/DC模块输出电压无法维持稳定时，所述第二控制模块发送信息至所述第一控制模块，所述第一控制模块再控制所述原边DC/DC模块来提高发射端输出功率。
当负载电流变化时，副边DC/DC模块6输出电压变化，通过调整第二控制模块12产生的PWM占空比来调节副边DC/DC模块6输出电压稳定其输出电压。其具体方式如下：电压检测模块7对副边DC/DC模块6输出电压进行检测，将信号传输给第二控制模块12，第二控制模块12将其与目标电压值进行比较，经过PI算法调整第二控制模块12输出的PWM信号占空比，进而稳定接收端副边DC/DC模块6电压输出。
当副边DC/DC模块6输出电压无法维持其稳定输出时，意味着发射端发射功率不足，接收端负载电压将会降落。为了解决这个问题，第二控制模块 12将电压信号经第二蓝牙模块11传输给第一控制模块9并与目标电压值进行比较，当负载电压降落超出理想稳定电压5％时，将会经过PI算法调整第一控制模块9输出的PWM信号占空比，改变原边DC/DC模块2输出电压，从而提高发射端输出功率，保证原边DC/DC模块2输出电压能够稳定输出。
此外，基于本发明提供的系统结构，在控制时，还涉及到调频控制，即：
对于发射端而言，当没有接收端时，其工作在谐振状态，当接收端即负载接入时，由发射端与接收端互感的作用，此时发射端与接收端未处于谐振状态，此时将通过扫频的方式来控制谐振状态。其具体方式如下：电流检测模块3 对发射端电流进行检测，将信号传输给第一控制模块9，第一控制模块9利用并联谐振发射端电流最小这一特征，通过一定的算法改变谐振发射模块的 PWM驱动信号频率，使谐振发射模块达到最佳谐振状态，优化电流波形。
基于上述系统和方法，申请人还搭建4×4阵列式的系统电路进行实验测试，其电源供电12V，在电源电压、开关频率不变的情况下，通过移相控制发射端和同时发射，测量发射端电源电流波形及发射端谐振波形。通过测试发现，按传统模式将发射端同时同相发射时，其电源电流峰峰值为18A；按照本发明提出的移相发射时，其电源电流峰峰值为0.4A，可以看出，在不加接收端的情况下，采取移相控制方案，可大大减小电源电流，从而减小M×N阵列式无线充电的静态损耗，从而提高无线传输效率。
综上所述，本发明提出的阵列式移相控制无线电能传输系统及其控制方法，能够有效减小电源电流峰值、改善电源电流波形，同时减小了系统的无功损耗，提高的无线充电效率。
最后要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种阵列式移相控制无线电能传输系统，包括发射端和接收端，其特征在于，所述发射端包括电源模块、原边DC/DC模块、第一检测模块、能量发射模块和第一控制模块，所述接收端包括能量接收模块、副边DC/DC模块、第二检测模块、输出接口和第二控制模块；
所述能量发射模块按照M×N阵列式设置有多个LC发射单元，所述第一控制模块连接所述电源模块、原边DC/DC模块、第一检测模块和能量发射模块，并产生M×N路具有一定相位差的PWM信号分别控制M×N个LC发射单元中的开关元件，使其在一个周期内轮流发送电能；
所述能量接收模块按照M×N阵列式设置有多个LC接收单元，每一个LC接收单元连接一个副边DC/DC模块，所述第二控制模块连接所述能量接收模块、副边DC/DC模块和第二检测模块，所述第二控制模块通过控制M×N个副边DC/DC模块输出端的串并联状态来控制所述输出接口的输出电压和输出功率；
所述M和N均为正整数，且至少一个大于1；
每个所述LC发射单元包括发射线圈L和谐振电容C2构成的串联支路，在所述串联支路的两端还并联有滤波电容C1，在所述谐振电容C2的两端连接所述开关元件；
所述第一控制模块还以n个PWM周期作为一个大周期，在同一大周期内，每个PWM周期中LC发射单元移相的顺序不同，n为大于1的自然数。
2.根据权利要求1所述的阵列式移相控制无线电能传输系统，其特征在于：所述第一控制模块和所述第二控制模块上分别连接有通信模块，二者通过无线通信。
3.根据权利要求2所述的阵列式移相控制无线电能传输系统，其特征在于：所述通信模块为蓝牙模块。
4.根据权利要求1-3任一所述的阵列式移相控制无线电能传输系统，其特征在于：所述能量发射模块中的LC发射单元包括发射线圈和谐振电容构成的并联谐振发射电路。
5.根据权利要求4所述的阵列式移相控制无线电能传输系统，其特征在于：所述能量接收模块中的LC接收单元包括接收线圈和谐振电容构成的并联谐振接收电路、整流电路和谐振补偿电路。
6.根据权利要求1或2所述的阵列式移相控制无线电能传输系统，其特征在于：所述第一检测模块为电流检测模块，所述第二检测模块为电压检测模块，所述第二控制模块通过通信模块将所述第二检测模块检测的电压值反馈至所述第一控制模块，所述第一控制模块根据所述第一检测模块检测的电流值和所述第二控制模块反馈的电压值调节所述原边DC/DC模块的输出电压。
7.如权利要求1-6任一所述阵列式移相控制无线电能传输系统的控制方法，其特征在于：所述第一控制模块根据所述能量发射模块中LC发射单元的个数设置移相角度
Figure RE-FDA0003021936950000021
然后在每一个PWM周期内，按照预定的顺序依次移相角度α来设定每个LC发射单元中开关元件驱动信号的相位值。
8.如权利要求7所述阵列式移相控制无线电能传输系统的控制方法，其特征在于：当负载电流变化时，所述第二控制模块先控制副边DC/DC模块来改变电压输出；当副边DC/DC模块输出电压无法维持稳定时，所述第二控制模块发送信息至所述第一控制模块，所述第一控制模块再控制所述原边DC/DC模块来提高发射端输出功率。
9.如权利要求8所述阵列式移相控制无线电能传输系统的控制方法，其特征在于：在接收端接入时，所述第一控制模块通过扫频方式改变LC发射单元的PWM驱动信号频率，使其达到最佳谐振状态。
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