CN113300443A - 一种浮频调谐无线充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种浮频调谐无线充电装置，属于无线充电装置技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种浮频调谐无线充电装置硬件结构的改进；解决上述技术问题采用的技术方案为：包括主电路单元和控制单元，所述主电路单元包括直流供电电源、高频逆变电路、原边谐振补偿电路、副边谐振补偿电路、整流电路、斩波稳压电路、负载；所述控制单元包括电流传感器、有效值计算模块、限流保护模块、电压传感器、多路选择开关、相位差计算模块、状态判断模块、相位差给定模块、频率调节模块、频率给定模块、PWM生成模块和单路选择开关；本发明应用于无线充电。

Description

一种浮频调谐无线充电装置

技术领域

本发明一种浮频调谐无线充电装置，属于无线充电装置技术领域。

背景技术

无线充电是指供电设备借助电感耦合，不用导线连接，将电能通过电磁场传送至用电装置的过程。无线充电技术源于无线电能传输技术，主要是利用磁场感应、磁场共振、电场感应、电磁波原理通过非物理连接方式给用户端进行电能传输，以实现给设备充电的目的。由于无线充电技术能提高电能供给的灵活性、安全性和可靠性，因而广泛应用于工业、生活的各个领域，例如手机、电动车等。

在无线充电过程中，原副边线圈偏移或接收线圈相对发射线圈出现一定的角度偏转是普遍性问题，其中偏移包括原副线圈的纵向偏移和横向偏移，此时耦合系数改变，系统的谐振频率就会有一定程度上的偏移，若此时系统开关频率未能及时调整而远离系统固有谐振频率，则系统工作在失谐状态。当系统失谐时，两侧线圈回路的等效阻抗较大，有相当一部分能量将消耗在此阻抗上，进而导致系统的传输损耗增加，传输效率降低。高频逆变电路的开关损耗也是造成无线充电装置整体效率低下的主要原因。效率较低的问题可以通过频率跟踪技术来提高，如果系统的开关频率能够稳定在谐振频率的一定范围内，系统就能够保持高效运行。传统的解决方案只是限定了这一范围，即限定了电压与电流的相位差，这样可能电压超前于电流，也可能电流超前于电压，当计算相位差时，可能出错，导致开关频率会更加远离谐振频率，从而使传输损耗增大，传输效率严重下降，而谐振补偿电路也会在容性与感性之间来回变化，高频逆变电路的开关也在电压超前于电流，电流超前于电压之间来回变化，使得开关在开通和关断时都可能是硬开关，开关损耗增大，效率降低，也使吸收电路等辅助电路的设计更加复杂。另外原副边线圈突然发生很大偏移时，耦合系数变得很小，原边线圈电流会急剧增大，可能烧毁装置。

因此，为了解决使用传统无线充电装置的谐振补偿电路在容性和感性之间来回切换造成整体效率较低的弊端，提出了一种浮频调谐无线充电装置。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种浮频调谐无线充电装置硬件结构的改进。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种浮频调谐无线充电装置，包括主电路单元和控制单元，所述主电路单元包括直流供电电源、高频逆变电路、原边谐振补偿电路、副边谐振补偿电路、整流电路、斩波稳压电路和负载，所述直流供电电源的输出端电流依次经过高频逆变电路、原边谐振补偿电路、副边谐振补偿电路、整流电路、斩波稳压电路后输入负载，给负载充电；

所述控制单元包括电流传感器、有效值计算模块、限流保护模块、电压传感器、多路选择开关、相位差计算模块、状态判断模块、相位差给定模块、频率调节模块、频率给定模块、PWM生成模块和单路选择开关；

所述电流传感器实时采集流经原边谐振补偿电路的交流电流分别输出给有效值计算模块和多路选择开关；

所述有效值计算模块的输出经过限流保护模块输出给多路选择开关，多路选择开关输出信号至相位差计算模块和单路选择开关；

所述电压传感器采集原边谐振补偿电路的输入电压输送至相位差计算模块，所述相位差计算模块综合两路输入得到电平信号和相位差信号；

所述相位差计算模块输出电平信号和相位差信号给状态判断模块，相位差给定模块将相位差给定值输入至状态判断模块，所述状态判断模块输出信号给频率调节模块，所述频率给定模块将频率给定模块值输入至频率调节模块作为本装置工作第一周期的频率；

所述频率调节模块根据状态判断模块输送的信号在原有频率基础上进行频率调节并将调节后的频率保存作为下次调节的基础，频率调节模块将调节后的频率输出给PWM生成模块，PWM生成模块输出PWM信号给单路选择开关，单路选择开关输出信号给高频逆变电路。

所述原边谐振补偿电路包括原边谐振电容和原边线圈，所述副边谐振补偿电路包括副边谐振电容和副边线圈，所述原边谐振补偿电路与副边谐振补偿电路电磁耦合。

所述高频逆变电路的输入侧两端分别与直流供电电源正负两端相连，高频逆变电路的一个输出端经原边谐振电容与原边线圈的一端相连，高频逆变电路的另一个输出端经电流传感器与原边线圈的另一端相连，副边谐振补偿电路的副边线圈一端经副边谐振电容与整流电路的一个输入端相连，副边线圈另一端与整流电路的另一个输入端相连，整流电路输出两端分别与斩波稳压电路输入两端相连，斩波稳压电路输出两端分别与负载两端相连。

所述电压传感器并联在高频逆变电路的输出端。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供的浮频调谐无线充电装置通过限流保护模块和对相位差状态的判断来调节频率，一方面可以防止因线圈偏移距离过大，导致输入阻抗变小，原线圈电流急剧增大而造成的装置损坏；另一方面在原副线圈发生偏移时，通过浮频调谐频率跟踪，使无线充电装置的开关频率稳定工作在大于谐振频率的一定频率范围内，即使原边谐振补偿电路稳定工作在略呈感性状态下，这样既可以提高系统的传输效率，又可以减少开关损耗，简化吸收电路设计，从而提高无线充电装置的整体效率。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明的结构示意图；

图中：1为直流供电电源、2为高频逆变电路、3为原边谐振电容、4为原边线圈、5为副边线圈、6为副边谐振电容、7为整流电路、8为斩波稳压电路、9为负载、10为电流传感器、11为有效值计算模块、12为限流保护模块、14为电压传感器、15为多路选择开关、16为相位差计算模块、17为状态判断模块、18为相位差给定模块、19为频率调节模块、20为频率给定模块、21为PWM生成模块、22为单路选择开关、23为原边谐振补偿电路、24为副边谐振补偿电路。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的浮频调谐无线充电装置的浮频调谐主要是指能够在无线充电过程中对充电频率进行浮动调整；主要包括：主电路单元和控制单元，其中主电路单元包括直流供电电源1、高频逆变电路2、原边谐振补偿电路23、副边谐振补偿电路24、整流电路7、斩波稳压电路8和负载9；所述原边谐振补偿电路23包括原边谐振电容3和原边线圈4；所述副边谐振补偿电路24包括副边谐振电容6和副边线圈5；所述控制单元包括电流传感器10、有效值计算模块11、限流保护模块12、电压传感器14、多路选择开关15、相位差计算模块16、状态判断模块17、相位差给定模块18、频率调节模块19、频率给定模块20、PWM生成模块21和单路选择开关22；其中，高频逆变电路2输入侧两端分别与直流供电电源1正负两端相连，高频逆变电路2的输出端A1经原边谐振电容3与原边线圈4的一端相连，输出端A2经电流传感器10与原边线圈4的另一端相连，电压传感器14并联在高频逆变电路2的输出端，原边谐振补偿电路与副边谐振补偿电路电磁耦合，副边谐振补偿电路的副边线圈5一端经副边谐振电容6与整流电路7输入端B1相连，副边线圈5另一端与整流电路7输入端B2相连，整流电路7输出两端分别与斩波稳压电路8输入两端相连，斩波稳压电路8输出两端分别与负载9两端相连；所述电流传感器10实时采集流经原边谐振补偿电路23的交流电流分别输出给有效值计算模块11和多路选择开关15的S1端，有效值计算模块11输出给限流保护模块12，限流保护模块12输出给多路选择开关15的S2端和S3端，多路选择开关15的T1端输出信号至相位差计算模块16，多路选择开关15的T2端输出信号至单路选择开关22的S5端，电压传感器14采集原边谐振补偿电路23的输入电压输送至相位差计算模块16，相位差计算模块16综合两路输入得到电平信号和相位差信号，相位差计算模块16的C2端输出电平信号给状态判断模块17的D2端，相位差计算模块16的C1端输出相位差信号给状态判断模块17的D1端，相位差给定模块18将相位差给定模块值输出给状态判断模块17的D3端，状态判断模块17输出信号给频率调节模块19的E1端，频率给定模块20将频率给定模块值输出给频率调节模块19的E2端作为本装置工作第一周期的频率，频率调节模块19根据状态判断模块17输送的信号在原有频率基础上进行频率调节模块并将调节后的频率保存作为下次调节的基础，频率调节模块19将调节后的频率输出给PWM生成模块21，PWM生成模块21输出PWM信号给单路选择开关22的S4端，单路选择开关22的T3端输出信号给高频逆变电路2。

本发明在启动前应使副边线圈5与原边线圈4处于安全工作距离范围内。频率给定模块20在本装置启动时输出频率给定模块信号到频率调节模块19的E2端，频率调节模块19保存并输出频率给定模块信号至PWM生成模块21，PWM生成模块21按此频率输出PWM信号给高频逆变电路2，高频逆变电路2将直流供电电源1的直流电压逆变成高频交流电压输送给原边谐振补偿电路23，使原边谐振补偿电路23流经与PWM信号频率相同的高频交流电流，因电磁耦合，在副边谐振补偿电路24中会产生相同频率交流电流，该交流电流经整流电路7后变成直流电流，再经斩波稳压电路8调节和滤波，输出纹波较小的稳定直流电压供给负载9使用。电流传感器10将实时采集的原边谐振补偿电路23的交流电流输送给有效值计算模块11和多路选择开关15的S1端，有效值计算模块11计算出该交流电流有效值输送给限流保护模块12，限流保护模块12将来自有效值计算模块11的交流电流有效值与电流安全阈值进行比较。

由于刚开始工作时副边线圈5与原边线圈4的距离处于安全工作范围内，因此此时交流电流有效值低于电流安全阈值，限流保护模块12输出高电平至多路选择开关15的S2端和S3端，多路选择开关15将选择S1端和T1端接通，将电流传感器10采集的电流信号输送给相位差计算模块16，而多路选择开关15的T2端和S3端则不能接通，即T2端没有输出，电压传感器14采集的电压信号输送给相位差计算模块16，相位差计算模块16对电压传感器14和电流传感器10采集的原边谐振补偿电路23的电压信号和电流信号进行相位差φ计算，相位差计算模块16的C1端输出相位差φ给状态判断模块17的D1端。若相位差φ>=0，即电压超前于电流或者电压与电流同相，说明此时原边谐振补偿电路23呈感性或者阻性，则相位差计算模块16的C2端输出低电平给状态判断模块17的D2端，状态判断模块17将输入的相位差与来自相位差给定模块18的相位差给定模块值比较。如果相位差φ小于或等于相位差给定模块值，说明谐振正常，不需要调节，则状态判断模块17输出零电平给频率调节模块19的E1端，频率调节模块19输出频率保持不变，如果相位差φ大于相位差给定模块值，说明系统呈感性工作在失谐状态，需要调节，状态判断模块17输出低电平给频率调节模块19的E1端，频率调节模块19输出频率为上一周期的输出频率减去递减量，并将本次输出频率保存，作为下一周期调节的初始值，直到相位差φ不大于相位差给定模块值。

若相位差计算模块16计算所得的相位差φ<0，即电压滞后于电流，说明此时原边谐振补偿电路23呈容性，即系统呈容性工作在失谐状态，需要调节，相位差计算模块16的C2端输出高电平给状态判断模块17的D2端，相位差计算模块16的C1端输出相位差φ给状态判断模块17的D1端，状态判断模块17根据D2端的高电平信号和D1端的相位差φ进行判断，输出高电平送至频率调节模块19的E1端，频率调节模块19输出频率为上一周期的输出频率加上递增量，并将本次输出频率保存，作为下一周期调节的初始值，直到相位差φ>=0，设置递增量比递减量大，可以使系统快速地工作在感性状态下。

频率调节模块19输出频率信号送至PWM生成模块21，PWM生成模块21输出PWM信号送至单路选择开关22的S4端，此时由于单路选择开关22的S5端悬空为高电平，所以单路选择开关22接通S4端和T3端，PWM生成模块21输出的PWM信号送至高频逆变电路2，控制高频逆变电路2中的电力电子开关通断，实现了当原副边线圈偏移程度较大时，通过相位校正来实时调节频率，使系统稳定工作在大于谐振频率的一定频率范围内，即安全工作区。

本装置在工作过程中原副边线圈可能会突然发生很大程度的偏移，耦合系数变小，原边谐振补偿电路23的电流会突然增大，电流传感器10将实时采集的原边谐振补偿电路23的交流电流输送给有效值计算模块11和多路选择开关15的S1端，有效值计算模块11计算出该交流电流有效值输送给限流保护模块12，限流保护模块12将来自有效值计算模块11的交流电流有效值与电流安全阈值进行比较，若此时交流电流有效值高于电流安全阈值，说明副边线圈5与原边线圈4的距离不在安全工作范围内。限流保护模块12输出低电平至多路选择开关15的S2端和S3端，此时多路选择开关15的T1端和S1端不能接通，即T1端没有输出，多路选择开关15将选择S3端和T2端接通，将低电平输送至单路选择开关22的S5端，由于S5端输入是低电平，单路选择开关22的T3端和S4端不能接通，即T3端不会输出控制信号给高频逆变电路2，因此高频逆变电路2 停止工作，即无线充电装置停止工作，从而保护本装置不会烧坏。

本发明通过限流保护模块和对相位差状态的判断和校正，使原副边线圈偏移程度较大时，原边线圈电流工作在安全电流之内，原边线圈电压相位始终超前于电流相位且其相位差在设定范围之内，从而使无线充电装置始终安全工作于大于谐振频率的一定频率范围内。

本发明提供的浮频调谐无线充电装置。整套装置由主电路单元及控制电路单元组成，正常工作时，无线充电装置安全稳定工作在大于谐振频率的一定频率范围内，即谐振补偿电路在该频率范围内呈感性。原副边线圈发生较大偏移时，谐振频率改变，通过限流保护模块和对相位差状态的判断进行频率调节，使原边线圈上电压始终超前于电流，且相位差在设定范围之内，减小了无线充电装置的传输损耗和开关损耗，简化了吸收电路等辅助电路的设计，使无线充电装置的整体效率得到提高，同时可以保证当原副边线圈偏移过大导致耦合系数过小时，原边线圈电流不超过安全值，从而使无线充电装置重新安全稳定工作在大于谐振频率的一定频率范围内。该装置具有结构简单、安全可靠、高效实用等优点。

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种浮频调谐无线充电装置，包括主电路单元和控制单元，其特征在于：所述主电路单元包括直流供电电源（1）、高频逆变电路（2）、原边谐振补偿电路（23）、副边谐振补偿电路（24）、整流电路（7）、斩波稳压电路（8）和负载（9），所述直流供电电源（1）的输出端电流依次经过高频逆变电路（2）、原边谐振补偿电路（23）、副边谐振补偿电路（24）、整流电路（7）、斩波稳压电路（8）后输入负载（9），给负载（9）充电；

所述控制单元包括电流传感器（10）、有效值计算模块（11）、限流保护模块（12）、电压传感器（14）、多路选择开关（15）、相位差计算模块（16）、状态判断模块（17）、相位差给定模块（18）、频率调节模块（19）、频率给定模块（20）、PWM生成模块（21）和单路选择开关（22）；

所述电流传感器（10）实时采集流经原边谐振补偿电路（23）的交流电流分别输出给有效值计算模块（11）和多路选择开关（15）；

所述有效值计算模块（11）的输出经过限流保护模块（12）输出给多路选择开关（15），多路选择开关（15）输出信号至相位差计算模块（16）和单路选择开关（22）；

所述电压传感器（14）采集原边谐振补偿电路（23）的输入电压输送至相位差计算模块（16），所述相位差计算模块（16）综合两路输入得到电平信号和相位差信号；

所述相位差计算模块（16）输出电平信号和相位差信号给状态判断模块（17），相位差给定模块（18）将相位差给定值输入至状态判断模块（17），所述状态判断模块（17）输出信号给频率调节模块（19），所述频率给定模块（20）将频率给定模块值输入至频率调节模块（19）作为本装置工作第一周期的频率；

所述频率调节模块（19）根据状态判断模块（17）输送的信号在原有频率基础上进行频率调节并将调节后的频率保存作为下次调节的基础，频率调节模块（19）将调节后的频率输出给PWM生成模块（21），PWM生成模块（21）输出PWM信号给单路选择开关（22），单路选择开关（22）输出信号给高频逆变电路（2）。

2.根据权利要求1所述的一种浮频调谐无线充电装置，其特征在于：所述原边谐振补偿电路（23）包括原边谐振电容（3）和原边线圈（4），所述副边谐振补偿电路（24）包括副边谐振电容（6）和副边线圈（5），所述原边谐振补偿电路（23）与副边谐振补偿电路（24）电磁耦合。

3.根据权利要求1所述的一种浮频调谐无线充电装置，其特征在于：所述高频逆变电路（2）的输入侧两端分别与直流供电电源（1）正负两端相连，高频逆变电路（2）的一个输出端经原边谐振电容（3）与原边线圈（4）的一端相连，高频逆变电路（2）的另一个输出端经电流传感器（10）与原边线圈（4）的另一端相连，副边谐振补偿电路的副边线圈（5）一端经副边谐振电容（6）与整流电路（7）的一个输入端相连，副边线圈（5）另一端与整流电路（7）的另一个输入端相连，整流电路（7）输出两端分别与斩波稳压电路（8）输入两端相连，斩波稳压电路（8）输出两端分别与负载（9）两端相连。

4.根据权利要求1所述的一种浮频调谐无线充电装置，其特征在于：所述电压传感器（14）并联在高频逆变电路（2）的输出端。

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