CN113193662B - 一种无线充电系统的变频恒流恒压控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线电能传输领域，尤其涉及一种无线充电系统的变频恒流恒压控制装置及方法，控制装置包括设于发射端的发射端控制器和设于接收端的接收端控制器；接收端控制器用于采集充电电压电流信号；发射端控制器用于通过无线通信方式获取接收端的充电电压电流信号，用于获取发射线圈的电流信号,用于获取逆变器的输出电压信号，发射端控制器用于根据获取的接收端充电电压电流信号、发射线圈的电流信号和逆变器输出电压信号运算后驱动逆变器工作，实现恒流恒压充电。本发明控制装置扩大了发射端与接收端之间距离适用范围以及偏移度，还能克服负载的变化导致系统的不稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，尤其涉及一种无线充电系统的变频恒流恒压控制装置及方法。
背景技术
科学技术的发展为无线电能传输技术的发展创造了条件，无线电能传输技术是借助于空间无形软介质实现将电能由电源端传递至用电设备端的非接触的能量传输方式，在安全性、可靠性和灵活性等诸多方面具有接触式电能传输方式无法比拟的优点。因此，无线电能传输技术具有广阔的发展前景，目前已广泛应用于手机、电动汽车等领域。
在无线电能传输系统中，由于负载的变化、外部环境的变化以及发射线圈和接收线圈相对位置的动态变化等因素的影响，系统的谐振频率将发生偏移，这将导致系统处于一个不稳定状态，并且其传输功率与传输效率也会急剧下降。目前，无线充电行业中大多数的无线充电系统采用定频控制或者频率变化范围很小，因此允许的工作范围很窄，当接收端不在工作范围以内后系统就无法正常工作，甚至可能导致发射端硬件电路的损坏。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种无线充电系统的变频恒流恒压控制装置及方法，解决无线充电系统在负载的变化、外部环境的变化以及发射线圈和接收线圈相对位置的动态变化因素的影响。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种无线充电系统的变频恒流恒压控制装置，无线控制系统包括发射端和接收端，发射端包括逆变器、第一补偿网络和发射线圈，接收端包括接收线圈、第二补偿网络和整流滤波电路，其特征在于：控制装置包括设于发射端的发射端控制器和设于接收端的接收端控制器；
逆变器连接于充电站用于获取直流电能并将直流电能高频逆变为交变电能，第一补偿网络和发射线圈组成的串联谐振电路连接于逆变器用于将交变电能转换为交变的磁能发射至接收端；接收端的接收线圈与第二补偿网络组成的串联谐振电路用于将接收到的磁场能转换为交流电能，整流滤波电路连接于电池用于将交流电能转换为直流电能给电池充电；
接收端控制器用于采集充电电压电流信号；
发射端控制器用于通过无线通信方式获取接收端的充电电压电流信号，用于获取发射线圈的电流信号,用于获取逆变器的输出电压信号，发射端控制器用于根据获取的接收端充电电压电流信号、发射线圈的电流信号和逆变器输出电压信号运算后驱动逆变器工作，实现恒流恒压充电。
具体的，逆变器采用的是全桥逆变电路。
进一步的，发射端控制器中设有双环PID运算单元，在充电过程中，发射端控制器用于根据实时的充电电压、电流信号与设定的电压、电流信号送双环PID运算单元进行运算，双环PID运算单元根据实时检测的发射线圈电流信号与逆变器输出的基波信号进行相位差计算，所得的相位差与设定的相位差值进行比较运算，其运算结果改变开关频率周期值，从而改变系统的工作频率；根据开关频率周期值实时计算发射端逆变器的移相角，双环PID运算单元运算结果作为逆变器的移相角进行实时控制，实现恒流恒压充电；
当实时检测的充电电压小于设定电压时，无线充电系统处于恒流充电状态；
当实时检测的充电电压等于设定电压时，无线充电系统转变为恒压充电状态；
当实时检测的充电电压等于设定电压时，无线充电系统充电电流小于预设停止电流值时，无线充电系统停止充电。
进一步的，开关频率的周期值改变后，需重新计算设定的相位差值，作为下一次比较的设定值。
进一步的，发射端控制器根据逆变器输出的电压信号经过FFT计算得到基波信号，再计算基波信号与发射线圈电流信号的相位差T，将相位差T与设定的相位差值进行计算得到PWM的频率调节，具体的计算方法为当相位差T大于设定的相位差值时，PWM驱动信号的周期数减小，当相位差T小于设定的相位差值时PWM驱动信号的周期数增大，每一次计算周期为PWM信号的实时周期。
进一步的，所述发射端还设有第一采样电路，第一采样电路中设有差分电路和霍尔传感器；差分电路用于采集发射端的直流母线电压信号和逆变器输出的电压方波信号，霍尔传感器用于采集发射线圈的电流信号。
进一步的，接收端还设有第二采样电路，第二采样电路中设有差分电路和霍尔传感器；差分电路用于采集给电池充电的充电电压，用于采集充电电流。
进一步的，发射端设有第一无线收发器，接收端设有第二无线收发器；第一无线收发器和第二无线收发器均为2.4G无线通信模块。
进一步的，发射端还设有驱动电路，驱动电路连接于发射端控制器和逆变器用于对发射端控制器发出的PWM驱动信号进行放大整形后输出至逆变器，以驱动逆变器工作。
一种无线充电系统的变频恒流恒压控制方法，采用上述的无线充电系统的变频恒流恒压控制装置，方法步骤包括：
步骤1：接收端接收到充电使能信号后，通过无线通信方式给处于待机状态的发射端发送接收端的设备号与充电参数；
步骤2：发射端控制器根据接收端发送过来的设备号与充电参数进行设备识别，如果为匹配设备则将接收到的充电参数作为设定电压值Uref、设定电流值Imax、停止电流值Istop进行保存，实际工作中按充电参数进行调节控制；
步骤3：发射端控制器发送耦合度检测PWM波，接收端根据耦合度检测信号判断是否在充电范围以内，如果在则通知发射端可以进入正常充电过程；
步骤4：发射端控制器发送预设定的频率的PWM驱动信号，驱动逆变器的开关管，移相角由零开始增大；
步骤5：当移相角大于预设定值开始进入闭环调节，发射端控制器根据接收端控制器发送过来的充电电流、电压值进行实时调节；具体的调节过程为：根据充电电压值与设定电压值Uref进行电压环的PID运算，运算结果作为电流环的电流给定值Iref，并且电流给定值的最大值为设定电流值Imax；再根据充电电流值与电流给定值Iref进行电流环的PID运算，其运算结果PWM移相角值；
步骤6：采用FFT计算逆变器输出电压的基波信号，再计算发射线圈电流信号与逆变器输出的基波信号的相位差T；
步骤7：每次PWM周期内，将相位差T与设定的相位差值Tref进行一次比较运算，设定的相位差值根据开关频率的周期值重新计算作为下一次运算设定的相位差值Tref；
步骤8：当充电电压达到设定电压值Uref，充电电流值小于停止电流值Istop后，接收端控制器停止工作，接收端进入充电停机状态，发射端进入充电待机状态。
本发明具有如下有益效果：
1、与现有技术相比，本发明在无线充电系统在充电过程中，实时获取发射线圈电流信号与逆变器方波信号经过FFT计算得到其基波信号的相位差，进PWM的频率调节。当发射线圈与接收线圈距离较近时，系统会增大发射端的工作频率与系统的串联谐振电路LC固有谐振频率之间的频率差，从而使接收端能稳定的给电池充电；当发射线圈与接收线圈距离较远时，系统会减小发射端的工作频率与系统的LC固有谐振频率之间的频率差，保证发射端能提供做够的能量满足接收端稳定的给电池充电，因此采用本发明控制装置扩大了发射端与接收端之间距离适用范围以及偏移度，还能克服负载的变化导致系统的不稳定性；
2、本发明采用电压外环电流内环的双闭环控制，实现了恒流充电与恒压充电的无缝切换；
3、本发明适用于接收端直接给电池充电的拓扑结构，不需要再增加DC/DC变换器，有利于降低系统成本。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构示意框图；
图2为本发明实施例中无线充电系统的拓扑与控制装置电路图；
图3为本发明实施例控制方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参考图1和图2，本发明提供一种无线充电系统的变频恒流恒压控制装置，无线控制系统包括发射端和接收端，发射端包括不控整流电路、逆变器、第一补偿网络和发射线圈，接收端包括接收线圈、第二补偿网络和整流滤波电路；控制装置包括设于发射端的驱动电路、发射端控制器、第一采样电路、第一无线收发器和设于接收端的接收端控制器、第二采样电路、第二无线收发器；
因此，本实施例中，发射端包括不控整流电路、逆变器、第一补偿网络、发射线圈、驱动电路、发射端控制器、第一采样电路、第一无线收发器；接收端包括接收线圈、第二补偿网络、整流滤波电路、接收端控制器、第二采样电路、第二无线收发器；本实施例中，第一补偿网络和第二补偿网络均采用补偿电容。
发射端连接于充电站输入的单相交流电通过不控整流电路转换为直流电，直流电通过逆变器转换为高频的交流电，再通过第一补偿电容与发射线圈组成的串联谐振电路，将高频交流电能转换为磁场能；接收端通过接收线圈与第二补偿电容组成的串联谐振电路将接收到的磁场能转换为交流电能，通过整流滤波电路将交流电能转换为直流电能给动力电池组充电。发射端控制器主要完成母线直流电压信号、发射线圈电流信号的采集、逆变器输出电压信号的采集，输出控制逆变器的开关管导通与关闭的驱动信号以及与接收端采用无线通信方式进行数据交换；接收端控制器主要完成充电电压信号、充电电流信号的采集以及与发射端采用无线通信方式进行数据交换。
如图2所示的无线充电系统的拓扑与控制装置电路图，发射端的逆变器为全桥逆变电路，由4个IGBT开关管组成，分别为T1、T2、T3和T4，用于将不控整流电路输出的直流电压转换成交流方波电压；全桥逆变电路的驱动电路采用2个驱动器，发射端控制器为每个驱动器发送2个PWM驱动信号，经驱动电路放大整形后输出至单相全桥逆变电路，以驱动单相全桥逆变电路工作；本实施例中，驱动器采用型号为IR2110的芯片，用于实现PWM驱动信号的放大。第一补偿电容CS1与发射线圈L1组成串联谐振电路；第一采样电路采集直流母线电压信号与发射线圈的电流信号，直流母线电压采用差分电路进行转换、发射线圈电流信号采用霍尔传感器进行转换、逆变器输出信号也采用差分电路进行转换。发射端控制器依据直流母线电压信号来判断网侧电压的过压与欠压状况，从而决定设备是否正常启动，发射线圈电流信号经过过零检测电路输出信号给发射端控制器参与系统的频率调节；发射端控制器采用了TI的DSP芯片，型号为TMS320F28035；第一无线收发器和第二无线收发器均采用的是2.4G无线通信模块，完成数据的透传。
接收端的第二补偿电容CS2与接收线圈L2组成串联谐振电路；整流滤波电路由4个高频二极管与输出电容C组成，二极管分别为D1、D2、D3、D4用于将交流电转换为直流电。
第二采样电路采集充电电压信号和充电电流信号；给电池组充电的充电电压采用差分电路进行转换，充电电流采用霍尔传感器进行转换；接收端控制器将转换后的充电电压信号、充电电流信号经过AD转换后通过第二无线收发器透传发送给发射端；发射端根据充电电压、充电电流信号进行无线充电系统的变频恒流恒压控制，具体的控制方法如下：发射端通过无线通信方式获取接收端的充电电压电流信号，通过霍尔传感器获取发射线圈的电流信号，通过差分采样电路获取逆变器输出的电压方波信号；：发射端控制器中设有双环PID运算单元，发射端控制器在充电过程中，根据实时的充电电压、电流信号与设定的电压、电流信号送双环PID运算单元进行运算，双环PID运算单元根据实时检测的发射线圈电流信号与逆变器输出的基波信号进行相位差计算，所得的相位差与设定的相位差值进行比较运算，其运算结果改变开关频率周期值，从而改变系统的工作频率；根据开关频率周期值实时计算发射端逆变器的移相角，双环PID运算单元运算结果作为逆变器的移相角进行实时控制，实现恒流恒压充电；
当实时检测的充电电压小于设定电压时，无线充电系统处于恒流充电状态；
当实时检测的充电电压等于设定电压时，无线充电系统转变为恒压充电状态；
当实时检测的充电电压等于设定电压时，无线充电系统充电电流小于预设停止电流值时，无线充电系统停止充电。
进一步的，开关频率的周期值改变后，需重新计算设定的相位差值，作为下一次比较的设定值。
进一步的，发射端控制器根据逆变器输出的电压信号经过FFT计算得到基波信号，再计算基波信号与发射线圈电流信号的相位差T，将相位差T与设定的相位差值进行计算得到PWM的频率调节，具体的计算方法为当相位差T大于设定的相位差值时，PWM驱动信号的周期数减小，当相位差T小于设定的相位差值时PWM驱动信号的周期数增大，每一次计算周期为PWM信号的实时周期。
参阅图3，本发明提供一种无线充电系统的变频恒流恒压控制方法，采用上述的无线充电系统的变频恒流恒压控制装置，方法步骤为：
步骤1：接收端接收到充电使能信号后，通过无线通信方式给处于待机状态的发射端发送接收端的设备号与充电参数；
步骤2：发射端控制器根据接收端发送过来的设备号与充电参数进行设备识别，如果为匹配设备则将接收到的充电参数作为设定电压值Uref、设定电流值Imax、停止电流值Istop进行保存，实际工作中按充电参数进行调节控制；
步骤3：发射端控制器发送耦合度检测PWM波，接收端根据耦合度检测信号判断是否在充电范围以内，如果在则通知发射端可以进入正常充电过程；
步骤4：发射端控制器发送预设定的频率的PWM驱动信号，驱动逆变器的开关管，移相角由零开始增大；
步骤5：当移相角大于预设定值开始进入闭环调节，发射端控制器根据接收端控制器发送过来的充电电流、电压值进行实时调节；具体的调节过程为：根据充电电压值与设定电压值Uref进行电压环的PID运算，运算结果作为电流环的电流给定值Iref，并且电流给定值的最大值为设定电流值Imax；再根据充电电流值与电流给定值Iref进行电流环的PID运算，其运算结果PWM移相角值；
步骤6：采用FFT计算逆变器输出电压的基波信号，再计算发射线圈电流信号与逆变器输出的基波信号的相位差T；
步骤7：每次PWM周期内，将相位差T与设定的相位差值Tref进行一次比较运算，设定的相位差值根据开关频率的周期值重新计算作为下一次运算设定的相位差值Tref；
步骤8：当充电电压达到设定电压值Uref，充电电流值小于停止电流值Istop后，接收端控制器停止工作，接收端进入充电停机状态，发射端进入充电待机状态。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或采用现有技术加以实现。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种无线充电系统的变频恒流恒压控制装置，无线控制系统包括发射端和接收端，发射端包括逆变器、第一补偿网络和发射线圈，接收端包括接收线圈、第二补偿网络和整流滤波电路，其特征在于：控制装置包括设于发射端的发射端控制器和设于接收端的接收端控制器；
逆变器连接于充电站用于获取直流电能并将直流电能高频逆变为交变电能，第一补偿网络和发射线圈组成的串联谐振电路连接于逆变器用于将交变电能转换为交变的磁能发射至接收端；接收端的接收线圈与第二补偿网络组成的串联谐振电路用于将接收到的磁场能转换为交流电能，整流滤波电路连接于电池用于将交流电能转换为直流电能给电池充电；
接收端控制器用于采集充电电压电流信号；
发射端控制器用于通过无线通信方式获取接收端的充电电压电流信号，用于获取发射线圈的电流信号,用于获取逆变器的输出电压信号，发射端控制器用于根据获取的接收端充电电压电流信号、发射线圈的电流信号和逆变器输出电压信号运算后驱动逆变器工作，实现恒流恒压充电；
发射端控制器中设有双环PID运算单元，发射端控制器用于根据实时的充电电压、电流信号与设定的电压、电流信号送双环PID运算单元进行运算，双环PID运算单元根据实时检测的发射线圈电流信号与逆变器输出的基波信号进行相位差计算，所得的相位差与设定的相位差值进行比较运算，其运算结果改变开关频率周期值，根据开关频率周期值计算发射端逆变器的移相角，双环PID运算单元运算结果作为逆变器的移相角进行实时控制，实现恒流恒压充电；
当实时检测的充电电压小于设定电压时，无线充电系统处于恒流充电状态；
当实时检测的充电电压等于设定电压时，无线充电系统转变为恒压充电状态；
当实时检测的充电电压等于设定电压时，无线充电系统充电电流小于预设停止电流值时，无线充电系统停止充电；
开关频率的周期值改变后，需重新计算设定的相位差值，作为下一次比较的设定值；
发射端控制器根据逆变器输出的电压信号经过FFT计算得到基波信号，再计算基波信号与发射线圈电流信号的相位差T，将相位差T与设定的相位差值进行计算得到PWM的频率调节，具体的计算方法为当相位差T大于设定的相位差值时，PWM驱动信号的周期数减小，当相位差T小于设定的相位差值时PWM驱动信号的周期数增大，每一次计算周期为PWM信号的实时周期；
所述发射端还设有第一采样电路，第一采样电路中设有差分电路和霍尔传感器；差分电路用于采集发射端的直流母线电压信号和逆变器输出的电压方波信号，霍尔传感器用于采集发射线圈的电流信号；
接收端还设有第二采样电路，第二采样电路中设有差分电路和霍尔传感器；差分电路用于采集给电池充电的充电电压，用于采集充电电流。
2.根据权利要求1所述的无线充电系统的变频恒流恒压控制装置，其特征在于：发射端设有第一无线收发器，接收端设有第二无线收发器；第一无线收发器和第二无线收发器均为2.4G无线通信模块。
3.根据权利要求1所述的无线充电系统的变频恒流恒压控制装置，其特征在于：发射端还设有驱动电路，驱动电路连接于发射端控制器和逆变器用于对发射端控制器发出的PWM驱动信号进行放大整形后输出至逆变器，以驱动逆变器工作。
4.一种无线充电系统的变频恒流恒压控制方法，其特征在于：采用权利要求1-3所述的任一项无线充电系统的变频恒流恒压控制装置，方法步骤包括：
步骤1：接收端接收到充电使能信号后，通过无线通信方式给处于待机状态的发射端发送接收端的设备号与充电参数；
步骤2：发射端控制器根据接收端发送过来的设备号与充电参数进行设备识别，如果为匹配设备则将接收到的充电参数作为设定电压值Uref、设定电流值Imax、停止电流值Istop进行保存，实际工作中按充电参数进行调节控制；
步骤3：发射端控制器发送耦合度检测PWM波，接收端根据耦合度检测信号判断是否在充电范围以内，如果在则通知发射端可以进入正常充电过程；
步骤4：发射端控制器发送预设定的频率的PWM驱动信号，驱动逆变器的开关管，移相角由零开始增大；
步骤5：当移相角大于预设定值开始进入闭环调节，发射端控制器根据接收端控制器发送过来的充电电流、电压值进行实时调节；具体的调节过程为：根据充电电压值与设定电压值Uref进行电压环的PID运算，运算结果作为电流环的电流给定值Iref，并且电流给定值的最大值为设定电流值Imax；再根据充电电流值与电流给定值Iref进行电流环的PID运算，其运算结果PWM移相角值；
步骤6：采用FFT计算逆变器输出电压的基波信号，再计算发射线圈电流信号与逆变器输出的基波信号的相位差T；
步骤7：每次PWM周期内，将相位差T与设定的相位差值Tref进行一次比较运算，设定的相位差值根据开关频率的周期值重新计算作为下一次运算设定的相位差值Tref；
步骤8：当充电电压达到设定电压值Uref，充电电流值小于停止电流值Istop后，接收端控制器停止工作，接收端进入充电停机状态，发射端进入充电待机状态。
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