WO2012100435A1 - 无线电力传输系统及其控制方法 - Google Patents

Description

无线电力传输系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种热稳定性好的无线电力传输系统及其控制方法。 背景技术

随着科技的进步， 无线电力传输技术的应用日益广泛， 人们的生活会 变得更简便轻松， 不再被各式各样的电源线所羁绊。 目前， 已有一些小型 电子装置开始釆用无线供电的方式来充电。 如无线充电器、 无线充电鼠标、 手机等电子设备可以通过无线供电装置自动充电。

对于中功率（数百瓦） 的无线供电系统， 由于功率大， 原边（发送端） 与副边 （接收端） 处于深度耦合同步工作状态， 多釆用谐振回路作为输出 级。 由于元器件参数及环境等因素的影响， 会造成线圈谐振频率的漂移， 系统不在频点下进行能量传输， 降低了能量传输效率； 能量损耗会使线圈 和器件发热， 功能器件的参数由于环境变化而变化， 这种变化的不断累积 也会造成频率的漂移， 由此形成恶性循环。 最后会引起系统故障， 严重的 有可能烧毁设备。

目前， 解决上述问题的方案集中在稳定频率上， 由于器件本身的物理 性能存在固有的性质， 难以从根本上解决问题。 发明内容

本发明目的在于提供一种热稳定性好的无线电力传输系统及其控制方 法。 实现稳定温升、 提升系统传输效率、 降低系统热负荷问题。

本发明的技术方案是通过软件对系统的控制，减少因元器件自身参数、 环境温度参数引起的频,、漂移问题， 精确控制无线输电电路的频点及交流 频率特性， 减少关键元件器发热问题， 提高无线电力传输电路输电效率。

该方法使用软件实时控制调节初级线圈的工作频率， 使得系统稳定在 频点下工作， 提高有功功率的传输， 降低无功功率的产生， 由此提升无线 供电系统的传输效率， 同时， 降低线圈及器件的生热问题。 该方法由集成 电路实现， 简化了电路设计， 提高了系统的安全性和稳定性。

本发明目的具体实现途径： 用软件控制发射线圈的频率， 同硬件电路 实现相比， 减少了由于元器件自身参数的不同造成频率的漂移； 用软件根 据实时相位跟踪调整线圈的频率， 不断向频点进行逼近， 能使系统稳定在 频点下工作， 提升了系统传输效率， 降低生热问题； 用软件控制逆变电路 中开关管的打开和闭合， 避免了同时开启造成系统回路形成大的电流， 线 圈及器件发热； 避免了同时开启或关闭造成的能量传输不连续。

本发明的无线电力传输系统的控制方法包括以下步骤：

控制电路根据频点给出控制信号 P1和 P2 , fp=fk;

驱动电路根据 P1和 P2打开或关闭开关管， 使得线圈两端形成交变电 压， 发射线圈开始高频振荡；

经过电压比较电路的电压取样， 得出线圈的频率 f;

将线圈的频率 f 信号经过锁相环电路进行处理， 相位差信号反馈到控 制电路；

控制电路根据反馈信号调整控制信号 P1和 P2的输出；

反复上述步骤， 系统稳定在频点下进行工作。

本发明的无线电力传输系统， 包括发射线圈频率生成部分和线圈频率 相位跟踪反馈部分。 发射线圈频率生成部分由控制电路、 驱动电路和逆变 电路组成； 线圈频率相位跟踪反馈部分由频率检测和锁相环电路组成。

发射线圈频率生成部分， 控制电路由软件控制输出两路完全相反的控 制信号， 经过驱动电路之后， 分别控制一路开关管的打开和闭合， 给发射 线圈交替产生电压 VI和 V2 , 在线圈内形成高频振荡， 进行能量的传输。 由控制电路根据谐振频率提供 P1和 P2两路信号。 软件控制可以做到 Pl、 P2的完全相反， 比纯硬件 、 C电路实现更精准。 这样， 会在发射线圈两 端形成标准的交变电压。

线圈频率相位跟踪反馈部分， 发射线圈两端的电压 VI、 V2进行取样 , 经电压比较电路得出线圈中的振荡频率 f。 具体实现方法为， 如果 V1>V2, 则电压比较器输出高电平， 如果 V V2, 则电压比较器输出低电平， 由此 得出发射线圈的振荡频率 f。 发射线圈振荡频率 f 经过相位比较器和 VCO (电压控制振荡器） 电路得出 f0 , 由于锁相环的作用， 最终 f0=f。 f 和 f0 在比较过程中也会生成相位差信号 Δφ。 发射线圈的振荡频率 f 和相位差信 号 Δφ反馈到控制电路， 控制电路将 f0和固定的频点 fk进行比较， 得出频 率漂移的值， 再根据最小二乘法或中值法调整 P1和 P2信号的频率 fp, 系 统不断地比较调整， 最终使得 f= fk , 系统稳定在频点进行能量的传输。 控制电路根据 Δφ用来微调输出 Pl、 Ρ2信号的延迟时间。

锁相环的作用就是解决芯片中时钟延迟造成的漂移现象。 将频率信号 接入锁相环， 使信号的相位频率与参考信号保持一致， 就不会有数据漂移 的现象了。

综上所述， 一种热稳定性好的无线电力传输系统包括发射线圈频率生 成电路和线圈频率相位跟踪反馈电路 ,发射线圈频率生成电路由控制电路、 驱动电路和逆变电路组成； 线圈频率相位跟踪反馈电路由频率检测和锁相 环电路组成。

其特征是所述的控制电路由软件控制输出两路完全相反的控制信号， 经过驱动电路， 分别控制一路开关管的打开和闭合， 给发射线圈交替产生 电压 VI和 V2, 在线圈内形成高频震荡。

由控制电路根据谐振频率提供 P1和 Ρ2两路信号。 软件控制可以做到 Pl、 Ρ2的完全相反， 比纯硬件 、 C电路实现更精准。 这样， 会在发射线 圈两端形成标准的交变电压。

系统器件的参数不一致， 或者系统生热造成器件参数变化， 也会造成 频率的漂移， 相位跟踪电路就是用于解决频率漂移的问题。

由于硬件开关的不同步， 会造成开关管的同时打开或闭合。 逆变电路 中的开关管如果同时开的话， 就会在回路中形成大的电流， 形成器件及线 圈的温度升高， 系统发热。 开关管同时打开或关闭， 都会造成发射线圈不 能振荡， 因此不能进行能量的传输。

由于器件参数的不同， 或者由于环境因素影响器件的参数， 会造成控 制信号的延迟拖尾， 这样会造成频点的漂移， 并且也具有能量传输中断的 现象。 软件精确控制逆变电路使系统的有功功率达到最大， 无功功率的损耗 降到最低， 既提高了系统的能量传输效率， 同时降低了无功功率造成的系 统生热。

本发明的优点是用软件控制发射线圈的频率， 同硬件电路实现相比， 减少了由于元器件自身参数的不同造成频率的漂移；

用软件根据实时跟踪调整线圈的频率， 不断向频点进行逼近， 能使系 统稳定在频点下工作， 提升了系统传输效率， 降低生热问题；

用 CPLD实现对无线输电电路频点的精确控制， 包括频率和时序； 用软件控制逆变电路中开关管的打开和闭合， 避免了同时开启造成系 统回路形成大的电流， 线圈及器件发热； 避免了同时开启或关闭造成的能 量传输不连续。

1.通过软件减少因元器件自身参数、 环境温度参数引起的频点漂移问 题， 实现对无线输电电路的频点及交流频率特性的精确控制；

2.通过软件控制方法， 使得线圈的频率迅速地向频点靠拢， 并进行稳 定地工作；

3.减少关键元件器发热问题， 降低整个系统的无功功率， 延长电路寿 命， 提高无线电力传输电路输电效率。 附图说明

图 1是本发明原边的整体结构框图。

图 2是本发明控制、 驱动以及逆变部分的结构框图。

图 3是原边逆变输出两端形成标准的交变电压波形图。

图 4是硬件开关不同步导致的交变电压波形图。

图 5是器件引起控制信号的延迟拖尾波形图。

图 6是本发明的线圈频率相位跟踪反馈部分框图。

图 7是本发明的控制主流程图。 具体实施方式

本发明的无线电力传输系统， 包括发射线圈频率生成部分和线圈频率 相位跟踪反馈部分。 发射线圈频率生成部分由控制电路、 驱动电路和逆变 电路组成； 线圈频率相位跟踪反馈部分由频率检测和锁相环电路组成。

具体连接结构为：

参见图 1 , 发射线圈频率生成部分， 控制电路指微程序控制器（MCU ) 及其相关电路， 输出端口连接驱动器电路， 驱动器电路输出端分别与逆变 电路的开关管控制极连接， 构成软件控制的频率生成和可控逆变电路。 控 制电路由软件控制输出两路完全相反的控制信号， 经过驱动电路之后， 分 别控制一路开关管的打开和闭合， 给发射线圈交替产生电压 VI和 V2 , 在 线圈内形成高频震荡， 进行能量的传输。 由控制电路根据谐振频率提供 P1 和 P2 两路信号。 软件控制可以做到 Pl、 P2的完全相反， 比纯硬件 L、 C 电路实现更精准。 这样， 会在发射线圈两端形成标准的交变电压。

参见图 2和 6 , 线圈频率相位跟踪反馈部分， 包括频率电压取样、 锁 相环电路， 锁相环电路的信号输出端与控制电路的控制端口连接。

线圈频率相位跟踪反馈部分， 发射线圈两端的电压 VI、 V2进行取样 , 经电压比较电路得出线圈中的振荡频率 f。 具体实现方法为， 如果 V1>V2, 则电压比较器输出高电平， 如果 V V2, 则电压比较器输出低电平， 由此 得出发射线圈的振荡频率 f。发射线圈振荡频率 f经过相位比较器和电压控 制振荡器 （VCO ) 电路得出 fO , 由于锁相环的作用， 最终 f0=f。 f和 fO在 比较过程中也会生成相位差信号 Δφ。 发射线圈的振荡频率 f 和相位差信号 Δφ反馈到控制电路， 控制电路将 fO和固定的频点 fk进行比较， 得出频率 漂移的值， 再根据最小二乘法或中值法调整 P1和 P2信号的频率 fp, 系统 不断地比较调整， 最终使得f= fk, 系统稳定在频点进行能量的传输。 控制 电路根据 Δφ用来微调输出 Pl、 Ρ2信号的延迟时间。

锁相环的作用就是解决芯片中时钟延迟造成的漂移现象。 将频率信号 接入锁相环， 使信号的相位频率与参考信号保持一致， 就不会有数据漂移 的现象了。

综上所述， 一种热稳定性好的无线电力传输系统， 包括发射线圈频率 生成电路和线圈频率相位跟踪反馈电路， 发射线圈频率生成电路由控制电 路、 驱动电路和逆变电路组成； 线圈频率相位跟踪反馈电路由频率检测和 锁相环电路组成。 所述的控制电路由软件控制输出两路完全相反的控制信 号， 经过驱动电路， 分别控制一路开关管的打开和闭合， 在线圈内形成高 频振荡。

由控制电路根据谐振频率提供 P1和 P2两路信号。 软件控制可以做到 Pl、 P2的完全相反， 比纯硬件 L、 C电路实现更精准。 这样， 参见图 3 , 会在发射线圈两端形成标准的交变电压。

系统器件的参数不一致， 或者系统生热造成器件参数变化， 也会造成 频率的漂移， 参见图 5。 相位跟踪电路就是用于解决频率漂移的问题。

由于硬件开关的不同步， 会造成开关管的同时打开或闭合， 参见图 4。 逆变电路中的开关管如果同时开的话， 就会在回路中形成大的电流， 形成 器件及线圈的温度升高， 系统发热。 开关管同时打开或关闭， 都会造成发 射线圈不能振荡， 因此不能进行能量的传输。

由于器件参数的不同， 或者由于环境因素影响器件的参数， 会造成控 制信号的延迟拖尾， 这样会造成频点的漂移， 并且也具有能量传输中断的 现象。

参见图 7 , 本发明的无线电力传输系统的控制方法， 包括以下步骤： 控制电路根据频点给出控制信号 P1和 P2 , fp=fk;

驱动电路根据 P1和 P2打开或关闭开关管， 使得线圈两端形成交变电 压， 发射线圈开始高频振荡；

经过电压比较电路的电压取样， 得出线圈的频率 f;

将线圈的频率 f 信号经过锁相环电路进行处理， 连同相位差信号反馈 到控制电路；

控制电路根据反馈信号调整控制信号 P1和 P2的输出；

反复上述步骤， 系统稳定在频点下进行工作。

软件精确控制逆变电路使系统的有功功率达到最大， 无功功率的损耗 降到最低， 既提高了系统的能量传输效率， 同时降低了无功功率造成的系 统生热。

以上所述， 仅是本发明的较佳实施例而已， 并非对本发明作任何形式 上的限制， 虽然本发明已以较佳实施例揭露如上， 然而并非用以限定本发 明， 任何熟悉本专业的技术人员， 在不脱离本发明技术方案范围内， 当可 利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例， 但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、 等同变化与修饰， 均仍属于本发明技术方案的范围 内。

Claims

权利要求书

1、 一种无线电力传输系统， 包括发射线圈频率生成电路和线圈频率相 位跟踪反馈电路， 发射线圈频率生成电路由控制电路、 驱动电路和逆变电 路组成； 其特征是：

所述的控制电路由软件控制输出两路完全相反的控制信号， 经过驱动 电路， 分别控制一路开关管的打开和闭合在线圈内形成高频震荡。

2、 根据权利要求 1所述的无线电力传输系统， 其特征是： 所述发射线 圈频率生成电路的控制电路包括微程序控制器 （MCU ) ， 输出端口连接驱 动电路， 驱动电路输出端分别与逆变电路的开关管控制极连接， 构成软件 控制的频率生成和可控逆变电路。

3、 根据权利要求 1所述的无线电力传输系统， 其特征是： 所述线圈频 率相位跟踪反馈电路包括频率电压取样、 锁相环电路， 锁相环电路的信号 输出端与控制电路的控制端口连接。

4、 一种无线电力传输系统的控制方法， 其特征在于包括以下步骤： 控制电路根据频点给出控制信号 P1和 P2 , fp=fk;

驱动电路根据 P1和 P2打开或关闭开关管， 使得线圈两端形成交变电 压， 发射线圈开始高频振荡；

经过电压比较电路的电压取样， 得出线圈的频率 f;

将线圈的频率 f 信号经过锁相环电路进行处理， 相位差信号反馈到控 制电路；

控制电路根据反馈信号调整控制信号 P1和 P2的输出；

反复上述步骤， 系统稳定在频点下进行工作。