CN116131479B - 一种双向谐振无线充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种新型的双向谐振无线充电系统。为了减少磁场感应式无线充电系统中功率开关的使用数量，简化接收端的整流滤波和功率调节电路，提升系统充电的灵活性，本发明提供一种新型的双向谐振无线充电系统。该系统只需要2个功率开关，即发射器和接收器分别只采用一个功率开关，以降低电路成本，同时增加双向无线充电的功能，即发射器和接收器可以互换使用。本发明对于一些中小功率的无线充电系统的应用，在简化电路同时，可以有效地降低成本，缩小体积，并且能够提升系统充电的灵活性。

Description

一种双向谐振无线充电系统
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种新型的双向谐振无线充电系统。
背景技术
磁场感应式无线充电系统通常包含发射器和接收器。其中，发射器包含：高频逆变电路，发射谐振电路和控制电路；接收器包含：拾取谐振电路，整流滤波电路和功率调节电路。一般来说，发射端的高频逆变电路(DC-AC)可以使用半桥，全桥和推挽式等拓扑来实现电容型无线电力传输系统，但是需要2个或2个以上功率开关。接收端的整流滤波和功率调节电路也会使用功率开关替代二极管来提高效率，这样整个系统需要很多个功率开关，导致系统复杂度和成本因此提高，同时系统灵活性不够。
发明内容
本发明为了克服现有无线充电控制系统需要很多个功率开关，系统复杂度和成本较高，灵活性不够的缺点，提供一种新型的双向谐振无线充电系统，通过减少磁场感应式无线充电系统中功率开关的使用数量，简化接收端的整流滤波和功率调节电路，同时再增加双向无线充电的功能，即发射器和接收器可以互换使用。对于一些中小功率的无线充电系统的应用，在简化电路同时，降低成本，缩小体积，进一步提升系统充电的灵活性。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种新型的双向谐振无线充电系统，包括发射器和接收器，所述发射器包括直流电源1、滤波电容C1、发射线圈LT、谐振电容CT和功率开关S1，所述接收器包括功率开关S2、谐振电容CS、接收线圈LS、滤波电容C2和负载10；所述滤波电容C1并联在所述直流电源1两端，所述发射线圈LT与所述谐振电容CT串联后分别连接所述直流电源1正负极，所述功率开关S1并联在所述谐振电容CT的两端；所述谐振电容CS与所述接收线圈LS串联后连接所述负载10，所述滤波电容C2并联在所述负载10的两端，所述功率开关S2并联在所述谐振电容CS的两端；所述功率开关S1和所述功率开关S2的源极均接地，所述直流电源1和所述负载10两边可以互换使用。
进一步地，所述功率开关S1和所述功率开关S2均为MOSFET功率开关。
进一步地，所述发射器和所述接收器均包括有电容电压采样模块和电压检测模块，所述电容电压采样模块用于采样并检测对应的所述谐振电容的电压和相位，所述电压检测模块用于检测对应的所述滤波电容两端的电压。
进一步地，所述发射器和所述接收器均包括驱动控制模块，所述驱动控制模块包括有控制器和驱动电路，所述控制器用于发出一个固定频率的PWM并通过所述驱动电路来驱动对应的功率开关的通断，进而调节输出电压和输出功率。
进一步地，系统包括以下工作步骤：
B1、根据发射线圈LT和谐振电容CT的参数值，确定系统的工作频率；
B2、将发射器的输入端接入直流电源1，控制器发出一个有延迟的方波激励驱动所述功率开关S1，所述功率开关S1先在这个激励的上升沿打开，然后在激励的下降沿关断；
B3、实时检测所述滤波电容C1两端电压，当检测到滤波电容C1两端电压达到零点时即发射线圈LT里电流值达到最大负值的时候，所述功率开关S1按照预设占空比K1进行导通和关断，通过控制器持续输出一个固定频率的PWM来驱动所述功率开关S1；
B4、实时检测所述谐振电容CS两端的电压零点，当检测到所述谐振电容CS两端电压达到零点时，所述功率开关S2按照预设占空比K2进行导通和关断，通过控制器持续输出一个固定频率的PWM来驱动所述功率开关S2，以达到负载10所需要的功率。
进一步地，系统还包括功率自适应调节模块，所述功率自适应调节模块用于监测所述接收器的输出功率，并依据该输出功率来控制所述发射器的所述功率开关S1的通断时间，进而自适应调节所述接收器的输出功率。
与现有技术相比，本发明有以下优点：
1、整个系统只需要2个功率开关，即发射器和接收器分别只采用一个功率开关，降低了电路成本。
2、通过检测电压和相位，两边的控制器可以分别直接控制发射器和接收器的功率开关，使两边线圈发射或接收负载所需要的电能。特别是作为接收器使用时，省去了整流滤波和功率调节器，直接由控制器来驱动功率开关，同时实现软开关，降低了损耗和硬件电路复杂度。
3、由于发射器和接收器电路结构相同，既可以把DC直接变换成高频的AC，又可以把高频的AC直接变换成DC，不需要整流滤波和功率调节器，所以发射器和接收器可以互换使用，形成一个双向的无线充电系统，大大提高了系统充放电的灵活性。
附图说明
图1为本发明双向谐振无线充电系统单向充电的原理示意图；
图2为本发明双向谐振无线充电系统的发射器控制流程图；
图3为本发明双向谐振无线充电系统的发射端初始电压电流波形图；
图4为本发明双向谐振无线充电系统的接收端稳态电压电流波形图；
图5为本发明双向谐振无线充电系统双向充电的原理示意图。
附图中的标记为：1-直流电源，2-滤波电容C1，3-发射线圈LT，4-谐振电容CT，5-功率开关S1，6-功率开关S2，7-谐振电容CS，8-接收线圈LS，9-滤波电容C2，10-负载。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
参考图5，一种新型的双向谐振无线充电系统，包括发射器和接收器，所述发射器包括直流电源1、滤波电容C1、发射线圈LT、谐振电容CT和功率开关S1，所述接收器包括功率开关S2、谐振电容CS、接收线圈LS、滤波电容C2和负载10；所述滤波电容C1并联在所述直流电源1两端，所述发射线圈LT与所述谐振电容CT串联后分别连接所述直流电源1正负极，所述功率开关S1并联在所述谐振电容CT的两端；所述谐振电容CS与所述接收线圈LS串联后连接所述负载10，所述滤波电容C2并联在所述负载10的两端，所述功率开关S2并联在所述谐振电容CS的两端；所述功率开关S1和所述功率开关S2的源极均接地，所述直流电源1和所述负载10两边可以互换使用。其中，所述功率开关S1和所述功率开关S2均为MOSFET功率开关。
所述发射器和所述接收器均包括有电容电压采样模块和电压检测模块以及驱动控制模块，所述电容电压采样模块用于采样并检测对应的所述谐振电容的电压和相位，所述电压检测模块用于检测对应的所述滤波电容两端的电压；所述驱动控制模块包括有控制器和驱动电路，所述控制器用于发出一个固定频率的PWM并通过所述驱动电路来驱动对应的功率开关的通断，进而调节输出电压和输出功率。
具体地，系统包括以下工作步骤：
B1、根据发射线圈LT和谐振电容CT的参数值，确定系统的工作频率；
B2、将发射器的输入端接入直流电源1，控制器发出一个有延迟的方波激励驱动所述功率开关S1，所述功率开关S1先在这个激励的上升沿打开，然后在激励的下降沿关断；
B3、实时检测所述滤波电容C1两端电压，当检测到滤波电容C1两端电压达到零点时即发射线圈LT里电流值达到最大负值的时候，所述功率开关S1按照预设占空比K1进行导通和关断，通过控制器持续输出一个固定频率的PWM来驱动所述功率开关S1；
B4、实时检测所述谐振电容CS两端的电压零点，当检测到所述谐振电容CS两端电压达到零点时，所述功率开关S2按照预设占空比K2进行导通和关断，通过控制器持续输出一个固定频率的PWM来驱动所述功率开关S2，以达到负载10所需要的功率。
更具体地，图1示意性和示例性地显示出了这种新型的双向谐振无线充电系统的其中一种实施方式：单向充电。LT，CT，S1，C1分别是发射器的发射线圈，谐振电容，功率开关和滤波电容。LS，CS，S2，C2分别是接收器的接收线圈，谐振电容，功率开关和滤波电容。其中，为了传输较大的功率，功率开关S1和功率开关S2可以选择较高的Vds耐压值。在发射器的发射端接入直流电源1后，为了使电路产生谐振，根据发射线圈LT和谐振电容CT的参数值，确定系统工作频率后，先让控制器发出一个有延迟的方波激励来驱动功率开关S1，功率开关S1在这个激励的上升沿打开，然后在激励的下降沿关断，这时候电路会开始谐振，发射线圈LT中的电流就爬升，当检测到滤波电容C1两端电压达到零点的时候也就是发射线圈LT里电流值达到最大负值的时候，功率开关S1按照预设占空比K1进行导通和关断，其中，预设占空比K1根据发射线圈LT的饱和磁通密度以及负载10和两个线圈耦合程度确定，最后控制器输出一个固定频率的PWM来驱动功率开关S1。如图2所示为发射器控制流程图。
接收器的接收线圈LS感应到电压后，通过电容电压采样模块和电压检测模块分别实时检测谐振电容CS两端的电压零点和输出端滤波电容C2两端的电压，然后通过控制器按照预设占空比K2来控制功率开关S2的导通和关断。预设占空比K2同样也是根据接收线圈LS的饱和磁通密度，负载和两个线圈耦合程度，并结合采样的输出电压来确定最后稳态输出的PWM占空比，以此来达到负载10所需要的功率。控制流程和发射端类似。功率开关S2在接收端既起到了半波整流的作用，又实现了调节输出电压的功能。如图3和图4所示，分别为发射端初始电压电流波形图和接收端稳态电压电流波形图。
作为一种优选的实施方案，系统还包括功率自适应调节模块，所述功率自适应调节模块用于监测所述接收器的输出功率，并依据该输出功率来控制所述发射器的所述功率开关S1的通断时间，进而自适应调节所述接收器的输出功率。
由于本发明的双向谐振无线充电系统由两个结构简单并且相同的发射器和接收器，根据实际应用场景，直流电源1和负载10两边可以互换使用。如果要实现双向充放电，在图1所示的电路基础上，发射器也可以如接收器一样加上一个电压检测模块，如图5所示，这样每一边既可以作为发射器也可以作为接收器使用，进而实现双向充电，使整个无线充电系统的灵活性提高。
以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种双向谐振无线充电系统，包括发射器和接收器，其特征在于，所述发射器包括直流电源（1）、滤波电容C1（2）、发射线圈LT（3）、谐振电容CT（4）和功率开关S1（5），所述接收器包括功率开关S2（6）、谐振电容CS（7）、接收线圈LS（8）、滤波电容C2（9）和负载（10）；所述滤波电容C1（2）并联在所述直流电源（1）两端，所述发射线圈LT（3）与所述谐振电容CT（4）串联后分别连接所述直流电源（1）正负极，所述功率开关S1（5）并联在所述谐振电容CT（4）的两端；所述谐振电容CS（7）与所述接收线圈LS（8）串联后连接所述负载（10），所述滤波电容C2（9）并联在所述负载（10）的两端，所述功率开关S2（6）并联在所述谐振电容CS（7）的两端；所述功率开关S1（5）和所述功率开关S2（6）的源极均接地，所述直流电源（1）和所述负载（10）两边可以互换使用；所述发射器和所述接收器均包括有电容电压采样模块和电压检测模块，所述电容电压采样模块用于采样并检测对应的所述谐振电容的电压和相位，所述电压检测模块用于检测对应的所述滤波电容两端的电压；所述发射器和所述接收器均包括驱动控制模块，所述驱动控制模块包括有控制器和驱动电路，所述控制器用于发出一个固定频率的PWM并通过所述驱动电路来驱动对应的功率开关的通断，进而调节输出电压和输出功率；系统包括以下工作步骤：
B1、根据发射线圈LT和谐振电容CT的参数值，确定系统的工作频率；
B2、将发射器的输入端接入直流电源（1），控制器发出一个有延迟的方波激励驱动所述功率开关S1（5），所述功率开关S1（5）先在这个激励的上升沿打开，然后在激励的下降沿关断；
B3、实时检测所述滤波电容C1（2）两端电压，当检测到滤波电容C1（2）两端电压达到零点时即发射线圈LT（3）里电流值达到最大负值的时候，所述功率开关S1（5）按照预设占空比K1进行导通和关断，通过控制器持续输出一个固定频率的PWM来驱动所述功率开关S1（5）；
B4、实时检测所述谐振电容CS（7）两端的电压零点，当检测到所述谐振电容CS（7）两端电压达到零点时，所述功率开关S2（6）按照预设占空比K2进行导通和关断，通过控制器持续输出一个固定频率的PWM来驱动所述功率开关S2（6），以达到负载所需要的功率。
2.根据权利要求1所述的一种双向谐振无线充电系统，其特征在于，所述功率开关S1（5）和所述功率开关S2（6）均为MOSFET功率开关。
3.根据权利要求1所述的一种双向谐振无线充电系统，其特征在于，系统还包括功率自适应调节模块，所述功率自适应调节模块用于监测所述接收器的输出功率，并依据该输出功率来控制所述发射器的所述功率开关S1（5）的通断时间，进而自适应调节所述接收器的输出功率。
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