CN112886816A - 用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器及其控制方法，涉及电路控制领域。该用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器包括续流电容、Buck电路、输入电流检测电路、输入电压检测电路、开关控制电路；输入电流检测电路用于获取无线电能传输系统接收端的输入电流；输入电压检测电路用于获取无线电能传输系统接收端的输入电压；开关控制电路用于根据输入电流、输入电压、无线电能传输系统的最大传输效率对应的最优负载值输出开关控制信号，开关控制信号用于控制Buck电路中的开关器件；解决了目前无线电能传输系统的传输效率不高的问题，保证电源端的最大输出功率，提高无线电能传输系统的传输效率。

Description

用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器及其控制方法
技术领域
本申请涉及电路控制领域，具体涉及一种用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器及其控制方法。
背景技术
随着电动汽车充电技术的不断发展，磁耦合谐振式无线电能传输技术(MagneticResonance Coupling Wirless Power Transfer,MCR-WPT)受到国内外越来越多的关注和研究。在目前MCR-WPT系统中，系统传输效率会随着系统线圈传输距离变化或电动汽车电池在充放电过程中端阻抗变化而变化，因此，电池吸收的功率也会大大损耗。
目前，用于MCP-WPT系统的直流/直流(DC/DC)匹配网络主要由级联boost-buck结构实现,如图1所示。Boost电路和buck电路分别由2个开关管控制。由于开关电源的半导体开关、磁性元件和布线等的寄生电阻及开关操作都会产生损耗，多级结构级联的DC/DC匹配网络无法提升MCP-WPT系统的传输效率。
发明内容
本申请的目的在于提供一种用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器及其控制方法，来维持无线电能传输系统的阻抗匹配状态，提升无线电能传输系统的传输效率。
为达到上述目的，本申请提供如下技术方案：
第一方面，本申请提供了一种用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器，包括续流电容、Buck电路、输入电流检测电路、输入电压检测电路、开关控制电路；
续流电容与无线电能传输系统连接，续流电容与Buck电路的输入端连接，Buck电路的输出端与可变负载连接；
输入电流检测电路，用于获取无线电能传输系统接收端的输入电流；
输入电压检测电路，用于获取无线电能传输系统接收端的输入电压；
开关控制电路，用于根据输入电流、输入电压、无线电能传输系统的最大传输效率对应的最优负载值输出开关控制信号，开关控制信号用于控制Buck电路中的开关器件。
进一步地，开关控制电路包括放大电路、作差电路、PI调节电路、基础波电路、比较电路；
放大电路，用于获取输入电流，并将输入电流方法预定倍数，预定倍数为无线电能传输系统的最大传输效率对应的最优负载值；
作差电路，用于获取输入电压和放大后的输入电流，并获取输入电压与放大后的输入电流的差值信号；
PI调节电路，用于获取差值信号并进行PI调节；
基础波电路，用于提供基础波信号；
比较电路，用于比较基础波信号和经过PI调节的差值信号，并根据比较结果输出开关控制信号。
进一步地，基础波信号为三角波信号。
进一步地，其特征在于，开关控制信号为PWM信号。
第二方面，本申请提供了一种用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器的控制方法，应用于如第一方面所示的用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器中，该方法包括：
通过Buck电路提供负载电压，负载电压为可变负载充电；
通过输入电流检测电路获取无线电能传输系统接收端的输入电流；
通过输入电压检测电路获取无线电能传输系统接收端的输入电压；
通过开关控制电路根据输入电流、输入电压、无线电能传输系统的最大传输效率对应的最优负载值输出开关控制信号，开关控制信号用于控制Buck电路中的开关器件。
进一步地，开关控制电路包括放大电路、作差电路、PI调节电路、基础波电路、比较电路；
通过开关控制电路根据输入电流、输入电压、无线电能传输系统的最大传输效率对应的最优负载值输出开关控制信号，包括：
通过放大电路获取输入电流，并将输入电流方法预定倍数，预定倍数为无线电能传输系统的最大传输效率对应的最优负载值；
通过作差电路获取输入电压和放大后的输入电流，并获取输入电压与放大后的输入电流的差值信号；
通过PI调节电路获取差值信号并进行PI调节；
通过比较电路比较基础波电路输出的基本波信号和经过PI调节的差值信号，并根据比较结果输出开关控制信号。
进一步地，基础波信号为三角波信号。
进一步地，开关控制信号为PWM信号。
本申请的有益效果在于：
通过开关控制信号控制Buck电路中开关器件Q1的导通占空比，可以控制Vin与Iin之间的比值维持在固定值，将放大电路对应的放大倍数调整为无线电能传输系统的最大传输功率对应的最优负载值，实现输入阻抗及时跟踪负载端阻抗的动态变化，调节匹配网络中的参数值，解决了目前无线电能传输系统的传输效率不高的问题，保证电源端的最大输出功率，提高无线电能传输系统的传输效率。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为一种现有的用于MCP-WPT系统的DC/DC匹配网络；
图2为本申请提供的一种用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器的结构框图；
图3为本申请实施例提供的用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器的原理图；
图4为本申请实施例提供的开关控制电路的结构框图；
图5为本申请实施例提供的一种用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器的控制方法的流程图；
图6为本申请实施例提供的一种最优负载值为50的条件下，输入电流Iin和输入电压Vin的仿真示意图；
图7为本申请实施例提供的一种最优负载值为100的条件下，输入电流Iin和输入电压Vin的仿真示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
此外，下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
请参考图2，其示出了本申请实施例提供的一种用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器的结构框图，该用于无线电能传输系统(Wirless Power Transfer,WPT)阻抗匹配的降压转换器包括续流电容130、Buck电路140、输入电流检测电路170、输入电压检测电路160、开关控制电路150。
续流电容130与无线电能传输系统110连接，续流电容130与Buck电路140的输入端连接，Buck电路140的输出端与可变负载120连接。
现有Buck电路的输入电流不连续，难以控制输入电流和输入电压的固定比值，本申请实施例中在Buck电路的输入端增加续流电容130，解决了现有Buck电路输入电流不连续的问题，有利于输入电流和输入电压的固定比值，实现对输入电阻的调节功能。
输入电流检测电路170用于获取无线电能传输系统接收端的输入电流Iin。
输入电压检测电路160用于获取无线电能传输系统接收端的输入电压Vin。
开关控制电路150用于根据输入电流Iin、输入电压Vin、无线电能传输系统的最大传输效率对应的最优负载值输出开关控制信号。
开关控制信号用于控制Buck电路中的开关器件。通过开关控制信号调节Buck电路中的开关器件的导通占空比。
无线电能传输系统的参数不同，对应的最大传输效率不同，相应地，最大传输效率对应的最优负载值不同。
通过检测输入电流、输入电压，利用开关控制信号根据检测得到的输入电流、输入电压实现对Buck电路中开关器件的导通占空比的调节，令可变负载的阻抗发生变化时无线电能传输系统也能运行在最优负载状态。
图3示例性地示出了本申请实施例提供的用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器的原理图。图3中的电容C1为续流电容，解决了Buck电路的输入电流不连续的问题，优化了Buck电路的输入特性。
如图4所示，开关控制电路包括放大电路210、作差电路220、PI调节电路230、基础波电路240、比较电路250。
放大电路210从输入电流检测电路170获取输入电流Iin，并将输入电流Iin放大预定倍数Rin，预定倍数Rin的取值为无线电能传输系统的最大传输效率对应的最优负载值。
作差电路220从输入电压检测电路160获取输入电压Vin、放大后的输入电流(Rin*Iin)，并获取输入电压Vin与放大后的输入电流(Rin*Iin)的差值信号。
PI调节电路230获取差值信号并进行PI调节。通过PI调节可以减小Vin与Rin*Iin之间的误差。
基础波电路240提供基础波信号。可选的，基础波信号为三角波信号。基本波信号的频率、峰值根据实际情况确定，本申请实施例对此不作限定。
比较电路250比较基础波信号和经过PI调节后的差值信号，并根据比较结果输出开关控制信号pulse。
可选的，开关控制信号为PWM信号。
通过开关控制信号控制Buck电路中开关器件Q1的导通占空比，可以控制Vin与Iin之间的比值维持在固定值，将放大电路对应的放大倍数调整为无线电能传输系统的最大传输功率对应的最优负载值，实现输入阻抗及时跟踪负载端阻抗的动态变化，调节匹配网络中的参数值，保证电源端的最大输出功率，提高无线电能传输系统的传输效率。
在本申请实施例提供的用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器中，使用的是单级Buck电路，为单开关管控制，减少了寄生电阻所产生的固定损耗以及开关操作时的开关损耗，更加适用于高效的无线电能传输系统。
请参考图5，其示出了本申请实施例提供的一种用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器的控制方法的流程图，该方法应用于如图2至4所示的一种用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器中，该方法包括如下步骤：
步骤501，通过Buck电路提供负载电压。
负载电压为可变负载充电。
在利用无线电能传输系统对负载进行无线充电的过程中，负载的阻抗会发生变化。
步骤502，通过输入电流检测电路获取无线电能传输系统接收端的输入电流。
步骤503，通过输入电压检测电路获取无线电能传输系统接收端的输入电压。
需要说明的是，此不作限定。
步骤504，通过开关控制电路根据输入电流、输入电压、无线电能传输系统的最大传输效率对应的最优负载值输出开关控制信号。
开关控制信号用于控制Buck电路中的开关器件。
无线电能传输系统的最大传输效率对应的最优负载值根据无线电能传输系统的参数确定。
在基于图5所示实施例的可选实施例中，开关控制电路包括放大电路210、作差电路220、PI调节电路230、基础波电路240、比较电路250，如图4所示。
上述步骤504可以通过如下方式实现：
步骤5041，通过放大电路获取输入电流，并将输入电流方法预定倍数。
预定倍数为无线电能传输系统的最大传输效率对应的最优负载值。
步骤5042，通过作差电路获取输入电压和放大后的输入电流，并获取输入电压与放大后的输入电流的差值信号。
步骤5043，通过PI调节电路获取差值信号并进行PI调节。
步骤5044，通过比较电路比较基础波电路输出的基本波信号和经过PI调节的差值信号，并根据比较结果输出开关控制信号。
基础波电路的输出信号为基础波信号。可选的，基础波信号为三角波信号。
基础波信号的频率、峰值根据实际情况确定。
通过比较电路比较PI调节电路的输出信号和基础波信号，再根据比较结果输出开关控制信号pulse。
可选的，开关控制信号为PWM信号。
本申请实施例提供的用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器的控制方法，利用开关信号控制电路完成闭环反馈控制，实现在输入电压波动和负载阻抗变化的情况下，快速精准地调节输入阻抗，完成阻抗匹配，令无线电能传输系统运行在最优负载状态。此外，通过改良Buck电路，令单级Buck型DC-DC变换电路的输入电流持续，更适用于MCR-WPT系统，降低了传输损耗，令无线电能传输线系统具有更高的效率。
在一个例子中，对图2至图4所示的用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器进行仿真实验，设定无线电能传输系统的最大传输效率对应的最优负载为50Ω，则最优负载值为50。图6示出了该种情况下输入电流Iin和输入电压Vin的变化示意图，输入电压Vin在0.05s由50V跳变为70V。
从图6可以看出，在输入电压Vin跳变之前，Vin/Iin的值为50.123Ω，与设定的最优负载50Ω相符；在输入电压Vin跳变之后，Vin/Iin的值为50.47Ω，与设定的最优负载50Ω相符；实现在输入电压变化的情况下，仍令无线电能传输系统运行在最优负载状态的效果。
在仿真实验的过程中，在0.02s至0.03s之间以及0.07s至0.08s之间将负载电阻从50Ω调整为10Ω，从图6中看不出输入电压Vin和输入电流Iin的变化，实现消除负载变化对Buck电路的等效输入电阻的影响。
在另一个例子中，对图2至图4所示的用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器进行仿真实验，设定无线电能传输系统的最大传输效率对应的最优负载为100Ω，则最优负载值为100。图7示出了该种情况下输入电流Iin和输入电压Vin的变化示意图，输入电压Vin在0.05s由50V跳变为70V。
从图7可以看出，在输入电压Vin跳变之前，Vin/Iin的值为101.185Ω，与设定的最优负载100Ω相符；在输入电压Vin跳变之后，Vin/Iin的值为100.961Ω，与设定的最优负载100Ω相符；实现在输入电压变化的情况下，仍令无线电能传输系统运行在最优负载状态的效果。
在仿真实验的过程中，在0.02s至0.03s之间以及0.07s至0.08s之间将负载电阻从50Ω调整为10Ω，从图7中看不出输入电压Vin和输入电流Iin的变化，实现消除负载变化对Buck电路的等效输入电阻的影响。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器，其特征在于，包括续流电容、Buck电路、输入电流检测电路、输入电压检测电路、开关控制电路；
所述续流电容与无线电能传输系统连接，所述续流电容与所述Buck电路的输入端连接，所述Buck电路的输出端与可变负载连接；
所述输入电流检测电路，用于获取无线电能传输系统接收端的输入电流；
所述输入电压检测电路，用于获取无线电能传输系统接收端的输入电压；
所述开关控制电路，用于根据所述输入电流、所述输入电压、所述无线电能传输系统的最大传输效率对应的最优负载值输出开关控制信号，所述开关控制信号用于控制Buck电路中的开关器件。
2.根据权利要求1所述的用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器，其特征在于，所述开关控制电路包括放大电路、作差电路、PI调节电路、基础波电路、比较电路；
所述放大电路，用于获取所述输入电流，并将所述输入电流方法预定倍数，所述预定倍数为所述无线电能传输系统的最大传输效率对应的最优负载值；
所述作差电路，用于获取所述输入电压和放大后的输入电流，并获取所述输入电压与所述放大后的输入电流的差值信号；
所述PI调节电路，用于获取所述差值信号并进行PI调节；
所述基础波电路，用于提供基础波信号；
所述比较电路，用于比较所述基础波信号和经过PI调节的差值信号，并根据比较结果输出开关控制信号。
3.根据权利要求1所述的用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器，其特征在于，所述基础波信号为三角波信号。
4.根据权利要求1或2所述的用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器，其特征在于，所述开关控制信号为PWM信号。
5.一种用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器的控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1至4任一所述的用于无线电能传输系统阻抗匹配的降压转换器中，所述方法包括：
通过Buck电路提供负载电压，所述负载电压为可变负载充电；
通过输入电流检测电路获取无线电能传输系统接收端的输入电流；
通过输入电压检测电路获取无线电能传输系统接收端的输入电压；
通过开关控制电路根据所述输入电流、所述输入电压、所述无线电能传输系统的最大传输效率对应的最优负载值输出开关控制信号，所述开关控制信号用于控制Buck电路中的开关器件。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述开关控制电路包括放大电路、作差电路、PI调节电路、基础波电路、比较电路；
所述通过开关控制电路根据所述输入电流、所述输入电压、所述无线电能传输系统的最大传输效率对应的最优负载值输出开关控制信号，包括：
通过所述放大电路获取所述输入电流，并将所述输入电流方法预定倍数，所述预定倍数为所述无线电能传输系统的最大传输效率对应的最优负载值；
通过所述作差电路获取所述输入电压和放大后的输入电流，并获取所述输入电压与所述放大后的输入电流的差值信号；
通过所述PI调节电路获取所述差值信号并进行PI调节；
通过所述比较电路比较所述基础波电路输出的基本波信号和经过PI调节的差值信号，并根据比较结果输出开关控制信号。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基础波信号为三角波信号。
8.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述开关控制信号为PWM信号。
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