CN111740510A - 基于移相调节控制的无线充电方法及系统 - Google Patents

基于移相调节控制的无线充电方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出基于移相调节控制的无线充电方法及系统，包括：无线发射步骤，用于通过一发射端将电网接入的交流电经整流滤波并经逆变之后产生的高频交流电激励发射线圈产生交变电磁场；无线接收步骤，用于通过一接收端的接收线圈利用磁场耦合作用从所述发射线圈产生的交变电磁场中拾取能量，并经整流和滤波转换成直流电供给负载；充电控制步骤，用于所述发射端MCU通过无线通信获取所述接收端采集自负载的采样充电电压或采样充电电流并根据该采样充电电压或采样充电电流控制调整逆变驱动信号的移相角，以保证充电电压或充电电流符合预设标准，实现恒压或恒流充电。本发明可以实现系统的高效率传输，同时降低系统的体积和成本。

Description

基于移相调节控制的无线充电方法及系统
技术领域
本发明属于无线充电技术领域，尤其涉及一种基于移相调节控制的无线充电方法及系统。
背景技术
目前，随着技术的不断成熟，移动机器人已经广泛地应用在各行各业中，用以代替原来人所有进行的工作。但是，当前移动机器人设备的充电问题，一直是一个影响其效能的关键制约，移动机器人的快速充电是典型的低压大电流应用。而传统的方式采用电极接触的方式，这种方式存在电火花、漏电、电极氧化等等诸多的缺点，尤其是在快速充电的情况下更为严重。为此，采用无线充电技术实现机器人的自动充电是一个理想的选择。但是由于对于采用谐振模式的无线电能传输系统而言，输出的阻抗匹配影响了系统的整体效率，为此不能让无线电能传输系统直接输出低压大电流给负载。为此，一些方案采用在无线电能传输系统后侧增加一级DC/DC电路来实现阻抗的匹配。但是这种做法由于增加了一级功率变换，系统的体积增加，效率降低且增加了系统成本。
目前的无线电能传输系统一般采用频率调节输出增益的方式，这种方式的优点是调节范围比较宽，控制方法简单。但是其缺点是靠近谐振点的区域，调节的增益变化比较陡，很小的频率变化，就会造成较大的输出电流的波动。同时，当系统处于轻载状态时，系统的工作频率远离谐振点，导致系统的工作效率降低。若采用调压控制方式，需要在逆变器的输入侧增加一级DC/DC，以调节和控制逆变器的输入电压，但这样也增加了系统的体积和成本。
发明内容
为解决上述的技术问题，本发明提供了一种基于移相调节控制的无线充电方法及系统，可以实现系统的高效率的同时，也降低了系统的体积和成本。
一方面，本发明公开了一种基于移相调节控制的无线充电方法，包括：
无线发射步骤，用于通过一发射端将电网接入的交流电经整流滤波并经逆变之后产生的高频交流电激励发射线圈产生交变电磁场；
无线接收步骤，用于通过一接收端的接收线圈利用磁场耦合作用从所述发射线圈产生的交变电磁场中拾取能量，并经整流和滤波转换成直流电供给负载；
充电控制步骤，用于所述发射端MCU根据无线通信获取所述接收端采集自负载的采样充电电压或采样充电电流并根据该采样充电电压或采样充电电流控制逆变驱动信号的移相角，以保证充电电压或充电电流符合预设标准，实现恒压或恒流充电。
进一步的，所述无线接收步骤还包括一高频交流升压或降压环节，所述接收端用一高频变压器将接收线圈拾取的高频交流电进行升压或降压变换并输出。
进一步的，所述充电控制步骤进一步包括：
接收充电指令步骤，用于发射端MCU接收到系统发出的充电指令；
发射端启动步骤，用于在发射端接收到所述充电指令信号后，所述发射端MCU通过一移相驱动电路产生逆变驱动信号，其中，所述逆变驱动信号为数字PWM信号，包括频率为F0的PWM2H、PWM2L、PWM3H、PWM3L，所述PWM2H与PWM3L、PWM2L与PWM3H两两之间的初始相位差为θ0，然后发射端MCU调整逆变器驱动频率F由F0到F1，F1为系统带载时的工作频率。θ0移相角较大，设置系统启动频率F0和初始相位差θ0目的是减小系统上电过程中的电流浪涌冲击，防止系统因电流过冲而损坏。
进一步的，所述充电控制步骤进一步包括：
获取调节参考量，通过所述发射端MCU获取预设充电电压V0、预设充电电流I0、采样充电电压V1及采样充电电流I1并获取调节参考量，其中，所述调节参考量包括Vd＝|V1-V0|、Id＝|I1-I0|。
调节移相角，当调节参考量Vd≠0或Id≠0时，发射端MCU通过控制算法调节逆变驱动信号的移相角θ，直至使Vd＝0或Id＝0，实现恒压或恒流充电。
进一步的，所述充电控制步骤进一步包括：
逆变器输出采样监测，用于采样逆变器输出点的电压信号U和电流信号I，并发送至发射端MCU；
获取相位差，用于所述发射端MCU获取电压信号U和电流信号I的相位差的绝对值；
调节相位差，所述相位差的绝对值不为0时，所述发射端MCU通过控制算法调节逆变驱动信号的工作频率F，直至所述相位差为零，以使逆变器输出点的阻抗接近阻性。
另一方面，本发明公开了一种基于移相调节控制的无线充电系统，采用如上所述的无线充电方法，所述无线充电系统包括：
发射端，用于将电网接入的交流电经整流滤波并经逆变之后转换成的高频交流电激励发射线圈产生交变电磁场；
接收端，用于通过一接收线圈利用磁场耦合作用从所述发射线圈产生的交变电磁场中拾取能量，并经整流和滤波转换成直流电供给负载；
其中，所述接收端包括一充电采样电路，用于采集供给负载的采样充电电压V1或采样充电电流I1，并经无线通信发送至发射端MCU；所述发射端包括一充电控制电路，用于根据采样充电电压V1或采样充电电流I1通过移相调节控制的方式进行无线充电控制。通过控制算法调整逆变驱动信号的移相角以保证充电电压或充电电流符合预设标准，实现无线充电的恒压或恒流控制。
进一步的，所述发射端包括电性串接的整流滤波电路、逆变器、发射线圈，及一与所述充电控制电路电性连接的无线通信接收模块。
进一步的，所述充电控制电路进一步包括：发射端MCU及电性连接所述发射端MCU、逆变器的移相驱动电路。
进一步的，所述发射端进一步包括电压采样电路及电流采样电路，所述电压采样电路和电流采样电路均电性连接所述逆变器输出点和所述发射端MCU。
进一步的，所述发射端进一步包括一由DC/DC稳压器组成的发射端辅助供电模块，所述发射端辅助供电模块为所述发射端MCU、无线通信接收模块及移相驱动电路供电。
进一步的，所述接收端进一步包括：电性串接的接收线圈、整流电路及滤波电路，所述接收线圈电磁耦接所述发射端的发射线圈，所述滤波电路还连接一充电采样电路和一接收端辅助供电模块，所述充电采样电路、辅助供电模块均电性连接一接收端MCU，所述接收端MCU电性连接一无线通信发射模块，所述无线通信发射模块无线连接所述发射端的无线通信接收模块。
进一步的，所述接收端还包括一高频变压器，所述高频变压器电性连接所述接收线圈、整流电路。
进一步的，所述逆变器是由开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3及开关管Q4并联组成H桥式逆变器。
优选的，所述发射端整流滤波电路也可以包括功率因数校正电路(PFC电路)，所述功率因数校正电路主要是为满足各国电网对用电设备的功率因数的要求，或为满足各国电网不同的工频交流母线电压而设计的功能电路。
优选的，所述发射线圈和接收线圈也可以包括与发射线圈或接收线圈及与其相连接的补偿网络。补偿网络一般由一个或多个电容或电感组成的LC网络，用于调节系统的谐振频率。常用的补偿网络包括：SS、SP、LCC-S、LCC-LCC等。
优选地，所述滤波电路采用由电容C1、电感L2、电容C2组成的π型滤波电路，其中，电容C1和电容C2的一端连接在电感L2的两端，另一端接地。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明的无线充电系统去掉了无线电能传输级接收端的DC/DC级，因此对于负载的恒流或恒压控制只能通过控制发射端来实现。基于此，本发明提出了基于移相调节控制方式实现对负载的恒流或恒压控制，实现较小的增益变化波动，提高对无线充电系统所输出电信号的控制精度。
进一步的，通过采样反馈检测逆变器输出点的电流和电压相位，调整逆变驱动信号的频率，从而使系统始终工作在谐振点附近，从而保证系统无线能量传输的高效率，同时保证逆变器工作在软开关条件下，降低了系统的EMI干扰噪声。另外，系统的功率调节在发射端不需要增加额外的功率变换级，不会增加系统的体积和成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例无线充电系统的结构示意框图；
图2为本发明另一实施例无线充电系统的结构示意框图；
图3本发明实施例电压采样电路的原理示意图；
图4为本发明实施例逆变器的原理示意图；
图5为本发明实施例的接收端原理示意图；
图6为本发明另一实施例的接收端原理示意图；
图7为本发明另一实施例的接收端原理示意图；
图8为本发明另一实施例的接收端原理示意图；
图9为本发明实施例无线充电方法的示意图；
图10为本发明实施例的无线充电方法优选充电控制步骤流程图；
图11为本发明另一实施例的无线充电方法的优选充电控制步骤流程图。
其中：
1、发射端；11、整流滤波电路；12、逆变器；13、发射线圈；14、移相驱动电路；15、发射端MCU；16、发射端辅助供电模块；17、无线通信接收模块；18、电压采样电路；19、电流采样电路；
2、接收端；21、接收线圈；22、高频变压器；23、整流电路；24、滤波电路；25、充电采样电路；26、接收端MCU；27、接收端辅助供电模块；28、无线通信发射模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。
具体实施例一：
参考图1所示为基于移相调节控制的无线充电系统，包括无线连接的发射端1和接收端2。
发射端1包括：电性串接的整流滤波电路11、逆变器12、发射线圈13及电性连接的无线通信接收模块17和充电控制电路，无线通信接收模块17与接收端2无线连接，充电控制电路包括：发射端MCU15及电性连接发射端MCU15、逆变器12的移相驱动电路14；电网输入的交流电通过一由DC/DC稳压器组成的发射端辅助供电模块16为发射端MCU15、无线通信接收模块17及移相驱动电路14供电。
图4为本发明实施例逆变器的原理示意图，如图4所示，逆变器12是由开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3及开关管Q4并联组成H桥式逆变器，本实施例的开关管可采用MOSFET或IGBT。
接收端2包括：电性串接的接收线圈21、高频变压器22、整流电路23及滤波电路24，接收线圈21电磁耦接发射端1的发射线圈13，滤波电路24还连接充电采样电路25和接收端辅助供电模块27，充电采样电路25、接收端辅助供电模块27均电性连接接收端MCU26，接收端MCU26电性连接无线通信发射模块28，无线通信发射模块28无线连接发射端1的无线通信接收模块17。
图5为本发明实施例的接收端原理示意图；如图5所示，接收线圈L1与高频变压器22初级侧形成环路，整流电路23采用由二极管D1、二极管D2组成的全波整流电路，二极管D1、二极管D2的正极分别连接高频变压器22次级侧的两端，负极连接后接入滤波电路24，高频变压器22采用带中心抽头绕组，高频变压器22的中心抽头接入电容C1的连接端，变压器匝比为N:M:M，其中N:M为初级侧与次级侧的电压变比，高频变压器22的初级阻抗与发射端1的阻抗相匹配，次级阻抗与负载的阻抗匹配，解决了电能传输两端的阻抗变换对传输效率的影响。此时整流二极管上的耐压为2倍的输出电压；滤波电路24采用由电容C1、电感L2、电容C2组成的π型滤波电路，其中，电容C1和电容C2的一端并联连接在电感L2两端，另一端接地。
本实施例的无线充电系统工作时，电网系统接入的交流通过发射端辅助供电模块16为发射端MCU15、移相驱动电路14及无线通信接收模块17供电；发射端MCU15接收到系统的充电指令后，输出PWM1、PWM2、PWM3、PWM4分别经过移相驱动电路14输出四路逆变驱动信号PWM2H、PWM2L、PWM3H、PWM3L，分别驱动逆变器12的四个开关管Q1、Q2、Q3、Q4，逆变器12根据逆变驱动信号将输入的直流电转换成高频交流电激励发射线圈13产生交变电磁场。
相应的，接收端2的接收线圈21通过磁耦合作用从发射线圈13产生的交变电磁场中拾取能量，高频变压器22将接收到的高频交流电升压或降压后经整流电路23和滤波电路24整流滤波后转换为直流电输出给负载，此处的负载可以为机器人电池等，但并不限于为机器人电池，也可用于无人机、电动汽车等电池的充电。
另一方面，参考图9所示，本发明公开了一种基于移相调节控制的无线充电方法，包括：
S100：无线发射步骤，用于通过发射端1将电网接入的交流电经整流滤波并经逆变之后转换成的交流电，产生的高频交流电激励发射端1的发射线圈13产生交变电磁场；
S200：无线接收步骤，用于通过接收端2的接收线圈21利用磁场耦合作用从发射线圈13产生的交变电磁场中拾取能量，并经高频变压器22升压或降压后，再经整流和滤波转换成直流电供给负载；
S300：充电控制步骤，用于发射端MCU15通过无线通信获取接收端2采集自负载的采样充电电压V1或采样充电电流I1并根据该采样充电电压V1或采样充电电流I1通过控制算法控制逆变驱动信号的移相角，以保证充电电压或充电电流符合预设标准，实现恒压或恒流充电
图10为本发明基于移相调节控制的无线充电控制方法的优选充电控制步骤流程图，参考图10，本实施例的无线充电控制包括：
S310：接收充电指令步骤，用于发射端MCU15接收到系统发出的充电指令；
S320：发射端启动步骤，用于在发射端1接收到系统的充电指令后，发射端MCU15通过一移相驱动电路14产生逆变驱动信号，其中，逆变驱动信号为数字PWM信号，包括频率为F0的PWM2H、PWM3L、PWM2L、PWM3H两两之间的初始移相角为θ0，然后发射端MCU15调整逆变器工作频率F由F0到F1，F1为系统带载时的工作频率。θ0移相角较大，F0是系统启动的初始频率，设置系统启动频率F0和初始相位差θ0目的是减小系统上电过程中的浪涌电流冲击，防止系统因电流过冲而损坏。
S330：获取调节参考量，通过发射端MCU15获取预设充电电压V0、预设充电电流I0、采样充电电压V1及采样充电电流I1并获取调节参考量，其中，调节参考量包括Vd＝|V1-V0|、Id＝|I1-I0|。
S340：调节移相角，当调节参考量Vd≠0或Id≠0时，发射端MCU15通过控制算法调节逆变驱动信号的移相角θ，使Vd＝0或Id＝0，以保证充电电压或充电电流符合预设标准，实现恒压或恒流充电。
本实施例的无线充电系统去掉了无线电能传输级接收端2的DC/DC级，因此对于输出到负载的恒流或恒压控制只能通过发射端1的控制来实现，基于此，本实施例提出了基于移相调节控制方式实现对负载的恒流或恒压控制，实现较小的增益变化波动，提高了无线充电系统所输出电压和电流的控制精度。
具体实施例二：
图6为本发明另一实施例的接收端原理示意图。以下仅描述与实施例一不同之处，相同之处不在赘述，参考图6，本实施例与具体实施例一不同之处在于：
整流电路23采用由二极管D1、二极管D2、二极管D3及二极管D4组成的全桥整流电路，二极管D4与二极管D1、二极管D2与二极管D3两两串接后并接形成“桥式”结构。相应的，高频变压器22采用不带中心抽头绕组，变压器匝比为N:M，其中N:M为初级侧与次级侧的电压变比。这种方法需要四个整流二极管，所用到的器件数量多，但器件所需要的耐压值较低。
具体实施例三：
如图7、8所示为本发明另一实施例的接收端原理示意图，本实施例与具体实施例一、二相比，不同之处在于：
接收端2采用LCC谐振拓扑的谐振网络，谐振电路由接收线圈L1两端并联连接谐振电容C3、C11后再串联谐振电感L4组成。
具体实施例四：
如图2、11所示为本发明另一实施例的无线充电系统及无线充电方法的优选充电控制步骤流程图，参考图2、11，本实施例的无线充电系统与上述实施例的不同之处在于：
本实施例的无线充电系统的发射端进一步包括电压采样电路18及电流采样电路19，电压采样电路18和电流采样电路19均电性连接逆变器12输出点和发射端MCU15，其中，如图3所示，电压采样电路18包括串联连接的电压互感器、超前相位补偿电路及波形整形电路，超前相位补偿电路由电容C6、电阻R3、R4和R5组成，前端并联有分压电阻R8、R2；逆变器12输出点电压信号经过电压互感器降压，随后经超前相位补偿网络补偿硬件采样引起的相位延时，再经过两级比较器进行波形整形，再将信号发送给发射端MCU15进行信号调节，以使逆变输出点阻抗呈阻性。
本实施例的无线充电方法，与上述实施例不同之处在于，充电控制步骤进一步包括：
S321：逆变器输出采样监测，用于采样逆变器12输出点的电压信号U和电流信号I，并发送至发射端MCU15；
S350：获取相位差：用于发射端MCU15获取电压信号U和电流信号I的相位差的绝对值；
S360：调节相位差：用于当相位差的绝对值不为0时，发射端MCU15通过控制算法调节逆变驱动信号的工作频率F，直至相位差绝对值为0，以使逆变器13输出点的阻抗接近阻性。
系统在工作过程中，通过电压采样电路18及电流采样电路19采样监测逆变器12输出点的电压信号和电流信号，发射端MCU15实时的监测逆变器12输出点的电压信号和电流信号相位，通过调整逆变驱动信号的频率，可以保证系统始终工作在谐振频率附近，系统的效率较高。本实施例的逆变器输出的移相角调节和相位调节为整个系统的两个独立的控制环，相位调节速度较快，移相调节速度较慢。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.基于移相调节控制的无线充电方法，其特征在于，包括：
无线发射步骤，用于通过一发射端将电网接入的交流电经整流滤波并经逆变之后产生的高频交流电激励发射线圈产生交变电磁场；
无线接收步骤，用于通过一接收端的接收线圈利用磁场耦合作用从所述发射线圈产生的交变电磁场中拾取能量，并经整流和滤波转换成直流电供给负载；
充电控制步骤，用于所述发射端MCU通过无线通信获取所述接收端采集自负载的采样充电电压或采样充电电流并根据该采样充电电压或采样充电电流通过控制算法控制逆变驱动信号的移相角，以保证充电电压或充电电流符合预设标准，实现恒压或恒流充电。
2.如权利要求1所述的基于移相调节控制的无线充电方法，其特征在于，所述无线接收步骤还包括一高频交流升压或降压环节，所述接收端用一高频变压器将接收线圈拾取的高频交流电进行升压或降压变换并输出。
3.如权利要求1或2所述的基于移相调节控制的无线充电方法，其特征在于，所述充电控制步骤进一步包括：
获取调节参考量，用于获取预设充电电压V0、预设充电电流I0、采样充电电压V1及采样充电电流I1并获取调节参考量，其中，所述调节参考量包括Vd＝|V1-V0|、Id＝|I1-I0|；
调节移相角，用于当调节参考量Vd≠0或Id≠0时，通过控制算法调节逆变驱动信号的移相角θ，使Vd＝0或Id＝0，以保证充电电压或充电电流符合预设标准，实现恒压或恒流充电。
4.如权利要求3所述的基于移相调节控制的无线充电方法，其特征在于，所述充电控制步骤进一步包括：
逆变器输出采样监测，用于采样逆变器输出点的电压信号U和电流信号I；
获取相位差，用于获取所述电压信号U和电流信号I的相位差的绝对值；
调节相位差，用于当所述相位差绝对值不为0时，通过控制算法调节逆变驱动信号的工作频率F，直至所述相位差绝对值为0，以使逆变器输出点的阻抗接近阻性。
5.基于移相调节控制的无线充电系统，采用如权利要求1-4任一项所述的无线充电方法，所述无线充电系统包括：
发射端，用于将电网接入的交流电经整流滤波并经逆变之后产生的高频交流电激励发射线圈产生交变电磁场；
接收端，用于通过一接收线圈利用磁场耦合作用从所述发射线圈产生的交变电磁场中拾取能量，并经整流和滤波转换成直流电供给负载；
其中，所述接收端包括一充电采样电路，用于采集供给负载的采样充电电压V1或采样充电电流I1，并经无线通信发送至发射端MCU；
所述发射端包括一充电控制电路，用于根据所述采样充电电压V1或采样充电电流I1通过控制算法调整逆变驱动信号的移相角以保证充电电压或充电电流符合预设标准，实现无线充电的恒压或恒流控制。
6.如权利要求5所述的基于移相调节控制的无线充电系统，其特征在于，所述发射端包括：电性串接的整流滤波电路、逆变器、发射线圈，及一与所述充电控制电路电性连接的无线通信接收模块。
7.如权利要求6所述的基于移相调节控制的无线充电系统，其特征在于，所述充电控制电路进一步包括：发射端MCU及电性连接所述发射端MCU、逆变器的移相驱动电路。
8.如权利要求7所述的基于移相调节控制的无线充电系统，其特征在于，所述发射端进一步包括电压采样电路及电流采样电路，所述电压采样电路和电流采样电路均电性连接所述逆变器输出点和所述发射端MCU。
9.如权利要求8所述的基于移相调节控制的无线充电系统，其特征在于，所述接收端包括：电性串接的接收线圈、整流电路及滤波电路，所述接收线圈电磁耦接所述发射端的发射线圈，所述滤波电路还连接所述充电采样电路，所述充电采样电路电性连接一接收端MCU，所述接收端MCU电性连接一无线通信发射模块，所述无线通信发射模块无线连接所述发射端的无线通信接收模块。
10.如权利要求9所述的基于移相调节控制的无线充电系统，其特征在于，所述接收端还包括一高频变压器，所述高频变压器电性连接所述接收线圈、整流电路。
CN202010565410.6A 2020-06-19 2020-06-19 基于移相调节控制的无线充电方法及系统 Active CN111740510B (zh)

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