專利名稱：一種感應(yīng)式電能傳輸系統(tǒng)的能量拾取機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電能傳輸與電能變換技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種感應(yīng)式電能傳輸技 術(shù)及裝置，尤其關(guān)于一種感應(yīng)式電能傳輸系統(tǒng)的能量拾取機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)，即IPT系統(tǒng)(Inductive Power Transfer System),是一種
新型電能傳輸技術(shù)，系統(tǒng)通過(guò)高頻磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)電能從原邊繞組到副邊繞組的傳遞。 IPT系統(tǒng)是一種能量松耦合系統(tǒng)，電能可以在一定的操作頻率下，通過(guò)一定間隔 的氣隙傳輸?shù)礁边呺娐?。這種特性解決了在惡劣環(huán)境下的電能傳輸系統(tǒng)難于維護(hù) 和保養(yǎng)的難題。
目前，國(guó)內(nèi)外有不少科技工作者和學(xué)者在感應(yīng)電能傳輸領(lǐng)域已進(jìn)行了一系列 的研究，其中新西蘭J.T.Boys教授帶領(lǐng)的科研小組開發(fā)了功率為1.2kW的感應(yīng)電 能充電汽車，日本的Junjihirai等學(xué)者也開發(fā)了帶寬達(dá)8.5MHz的智能電池充電系 統(tǒng)。國(guó)內(nèi)重慶大學(xué)和浙江大學(xué)等高校的學(xué)者也對(duì)感應(yīng)電能傳輸進(jìn)行了初步研究和 探討。
但這些研究主要側(cè)重于提高系統(tǒng)效率和功率密度、改善傳輸?shù)碾娔苜|(zhì)量以及 提高系統(tǒng)的功率容量等方面。在實(shí)際應(yīng)用中，由于工況的變化經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致IPT系 統(tǒng)的原副邊磁芯物理特性和能量傳輸路徑發(fā)生變化，這就使得IPT系統(tǒng)的輸出功 率變得不穩(wěn)定。以上研究沒(méi)有考慮這種功率輸出不穩(wěn)定的情況；因此，上述研究 和成果在穩(wěn)定的功率輸出方面都有欠缺。發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型克服了已有技術(shù)的一些缺點(diǎn)，目的在于提供一種感應(yīng)式電能傳輸 系統(tǒng)的能量拾取機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)以降壓模塊為主要模塊，利用M68HC908作為控制 核心，通過(guò)雙閉環(huán)反饋控制，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的功率輸出。
本實(shí)用新型的發(fā)明目的是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 一種感應(yīng)式電能傳輸系
統(tǒng)的能量拾取機(jī)構(gòu)，由硬件電路部分和軟件算法組成；硬件電路包括整流濾波模 塊、降壓模塊、開關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊和反饋控制模塊；軟件算法則是利用電壓環(huán)反饋 和電流環(huán)反饋，實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)反饋控制的算法。
整流濾波模塊用于對(duì)IPT系統(tǒng)的高頻電壓迸行整流，由于IPT系統(tǒng)的副邊的 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻率一般都能達(dá)到10kHz-50kHz，對(duì)這樣的高頻電壓進(jìn)行整流需要快 速二極管STTH2002來(lái)搭建整流橋。為平滑整流橋的輸出電壓和電流，同時(shí)提高 能量拾取機(jī)構(gòu)的功率因數(shù)，在整流橋后還串聯(lián)一濾波電路。
降壓模塊以整流濾波后的電壓作為輸入電壓，進(jìn)行DC-DC變換。包括了 Buck 電路、RCD緩沖電路、負(fù)載和精密電阻。Buck電路中包括儲(chǔ)能元件的一個(gè)電感和 一個(gè)電容以及開關(guān)管和續(xù)流二極管。RCD緩沖電路由電阻、電容和二極管組成。 精密電阻應(yīng)該既能夠?qū)崿F(xiàn)較精確的電流測(cè)量，又能夠承受較大的高頻電流尖峰。
反饋控制模塊由M68HC908GR32單片機(jī)及其外圍電路組成。通過(guò)電壓傳感器 和電流傳感器采樣得到采樣電壓和采樣電流，送入單片機(jī)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán) 反饋控制算法。
開關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊為IR2110的IGBT電路，芯片的HIN腳和SD腳由單片機(jī)輸出信號(hào)控制，其中HIN腳為PWM波的控制信號(hào)，SD腳輸入驅(qū)動(dòng)使能信號(hào)，當(dāng)其 為高電平時(shí)，IR2110的輸出始終為低；當(dāng)其為低電平時(shí)，IR2110輸出PWM波。
本輸出信號(hào)直接對(duì)降壓模塊
控制算法是在反饋控制模塊中實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)電壓傳感器和電流傳感器采樣得 到采樣電壓和采樣電流，送入單片機(jī)進(jìn)行處理，采用雙閉環(huán)反饋控制，使得降壓 模塊在單片機(jī)的控制下輸出穩(wěn)定的直流電壓和電流，使負(fù)載端輸出穩(wěn)定的功率。 具體步驟是首先，進(jìn)行系統(tǒng)初值的設(shè)置，包括設(shè)置基準(zhǔn)電流、電壓閾值、占空 比值，以及PI調(diào)節(jié)的參數(shù)ki和k2。然后，基準(zhǔn)電流再同電流傳感器的輸出進(jìn)行比 較，這樣就得到了誤差電流，將誤差電流進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后得到基準(zhǔn)電壓。再將采樣 電壓與基準(zhǔn)電壓比較，在兩者差值大于電壓閾值的情況下減小單片機(jī)捕獲寄存器 中的捕獲值，從而將PWM波的占空比D減小，否則增加捕獲值，將D增大，然 后回到獲取采樣電流I的階段，并重新循環(huán)該過(guò)程。經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，系統(tǒng)即可 進(jìn)入穩(wěn)定的功率輸出狀態(tài)。
采用如上所述的技術(shù)方案后，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)越性
由于本實(shí)用新型從系統(tǒng)的角度設(shè)計(jì)了整個(gè)能量拾取機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)流程，然后對(duì) 系統(tǒng)中各個(gè)模塊進(jìn)行了參數(shù)匹配設(shè)計(jì)及算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本實(shí)用 新型能夠根據(jù)負(fù)載的變化實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的功率輸出。

圖1為本實(shí)用新型的電路結(jié)構(gòu)框圖2為本實(shí)用新型的整流濾波模塊的電路原理圖3為本實(shí)用新型的降壓模塊的電路原理圖4為本實(shí)用新型的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊的電路原理圖5為本實(shí)用新型的反饋控制模塊的電路原理圖6為本實(shí)用新型的雙閉環(huán)反饋控制算法流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做詳細(xì)描述。
如圖l，為本實(shí)用新型的電路結(jié)構(gòu)框圖，包括整流濾波模塊l、降壓模塊2、 開關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊3和反饋控制模塊4。
整流濾波模塊1電路原理圖如圖2所示，本模塊用于對(duì)IPT系統(tǒng)的高頻電壓 進(jìn)行整流，由于IPT系統(tǒng)的副邊的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻率一般都能達(dá)到10kHz-50kHz， 對(duì)這樣的高頻電壓進(jìn)行整流需要快速二極管STTH2002來(lái)搭建整流橋。為平滑整 流橋的輸出電壓和電流，同時(shí)提高能量拾取機(jī)構(gòu)的功率因數(shù)，在整流橋后還串聯(lián) 一濾波電路。這里選用一個(gè)一階LC低通濾波器，L的電感值取10mH， C為 330jiF/250V的電解電容。
降壓模塊2的電路原理圖如圖3所示，降壓模塊以整流濾波后的電壓作為輸入電壓，進(jìn)行DC-DC變換。包括了 Buck電路、RCD緩沖電路、負(fù)載和精密電阻。 Buck電路中包括儲(chǔ)能元件的一個(gè)電感和一個(gè)電容以及開關(guān)管和續(xù)流二極管。RCD 緩沖電路由電阻、電容和二極管組成。精密電阻^為用于電流采樣的精密電阻， 這里采用Vishay公司的精密功率電阻WSL2010，其阻值僅為0.01Q，而功率卻能 達(dá)到0.5W，能承受7.1A的大電流。因此既能夠?qū)崿F(xiàn)較精確的電流測(cè)量，又能夠 承受較大的高頻電流尖峰，適于用作電流采樣電阻。Ri為等效負(fù)載，它兩端的電 壓作為采樣電壓。這里使用Allegro的ACS712實(shí)現(xiàn)電流采樣，利用LEM公司的 電壓傳感器LV28-P實(shí)現(xiàn)電壓采樣。在使用LV28-P時(shí)，需串聯(lián)一個(gè)5.1kD/5W的 功率電阻，用作限流和短路保護(hù)。電路中的開關(guān)管選用IR公司的IRGB20B60PD1， 其開關(guān)頻率可達(dá)到150kHz，最大集射極電壓高達(dá)600V，且IOO'C時(shí)通態(tài)集電極電 流可達(dá)到22A。 Buck電路中主要有以下幾個(gè)參數(shù)需要確定儲(chǔ)能元件Li和d以 及功率元件中通過(guò)的最大峰值電流Imax。它們的值都可以由經(jīng)驗(yàn)公式確定。其中 k主要用作控制電路工作狀態(tài)，需要較大的值以使電路工作在CCM; d主要用
來(lái)控制輸出電流的紋波，電容值越大，紋波越??；而確定最大峰值電流Imax則是
為了選取合適電流等級(jí)的開關(guān)管和續(xù)流二極管。
由于開關(guān)頻率較高，為了更好的消除IGBT在開關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的電流毛刺，電 路中使用了由R3、 C2和Do構(gòu)成的RCD緩沖電路，R3、 C2可由經(jīng)驗(yàn)公式算出，需 要選擇合適的RC參數(shù)，控制充放電時(shí)間，配合主電路中開關(guān)管的工作。D(j也需 選用大電流快恢復(fù)二極管。
開關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊3電路原理圖如圖4所示，選取IR公司的IR2110作為驅(qū)動(dòng) IGBT的芯片。芯片的HO腳通過(guò)一個(gè)3.3Q的功率限流電阻與IGBT的柵極相連，VS端直接接IGBT的射極。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)，在芯片信號(hào)端和驅(qū)動(dòng)端的電源 和地之間都需要就近連接旁路濾波電容，以減少可能出現(xiàn)的電磁干擾。由于只需 要高側(cè)驅(qū)動(dòng)，為了防止誤輸出，芯片的LIN腳需接10kQ下拉電阻。芯片的HIN 腳和SD腳由單片機(jī)輸出信號(hào)控制，其中JHN腳為PWM波的控制信號(hào)，SD腳輸 入驅(qū)動(dòng)使能信號(hào)，當(dāng)其為高電平時(shí)，IR2110的輸出始終為低；當(dāng)其為低電平時(shí)， IR2110輸出PWM波。
反饋控制模塊5電路原理圖如圖5所示，反饋控制模塊5由M68HC908GR32 單片機(jī)及其外圍電路組成。控制算法就是在反饋控制模塊中實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)電壓傳 感器和電流傳感器采樣得到采樣電壓和采樣電流，送入單片機(jī)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)雙 閉環(huán)反饋控制算法。
軟件算法流程圖如圖6所示，首先，進(jìn)行系統(tǒng)初值的設(shè)置，包括設(shè)置基準(zhǔn)電 流Io，設(shè)置電壓閾值M，設(shè)置占空比值D，以及設(shè)置PI調(diào)節(jié)的參數(shù)k!和ld。其 中基準(zhǔn)電流Io由穩(wěn)壓源串接精密電阻獲得，即將基準(zhǔn)電流轉(zhuǎn)化為精密電阻上的電 壓后再同電流傳感器的輸出進(jìn)行比較，這樣就獲得了表現(xiàn)為電壓形式的誤差電流 E，將E進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后得到的值作為基準(zhǔn)電壓Vo。再將采樣電壓V與Vo比較， 在兩者差值大于閾值M的情況下減小單片機(jī)捕獲寄存器中的捕獲值，從而將PWM 波的占空比D減小，否則增加捕獲值，將D增大，然后回到獲取采樣電流I的階 段，并重新循環(huán)該過(guò)程。經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。
權(quán)利要求1.一種感應(yīng)式電能傳輸系統(tǒng)的能量拾取機(jī)構(gòu)，由硬件電路部分和軟件算法組成；硬件電路包括整流濾波模塊(1)、降壓模塊(2)、開關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊(3)和反饋控制模塊(4)；其特征在于通過(guò)電壓傳感器和電流傳感器采樣得到采樣電壓和采樣電流，送入單片機(jī)進(jìn)行處理，采用雙閉環(huán)反饋控制，使得降壓模塊在單片機(jī)的控制下輸出穩(wěn)定的直流電壓和電流，使負(fù)載端輸出穩(wěn)定的功率。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種感應(yīng)式電能傳輸系統(tǒng)的能量拾取機(jī)構(gòu)，由硬件電路部分和軟件算法組成；硬件電路包括整流濾波模塊1、降壓模塊2、開關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊3和反饋控制模塊4；軟件算法則是利用電壓環(huán)反饋和電流環(huán)反饋，實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)反饋控制的算法。通過(guò)電壓傳感器和電流傳感器采樣得到采樣電壓和采樣電流，送入單片機(jī)進(jìn)行處理，采用雙閉環(huán)反饋控制，使得降壓模塊在單片機(jī)的控制下輸出穩(wěn)定的直流電壓和電流，使負(fù)載端輸出穩(wěn)定的功率。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本實(shí)用新型能夠根據(jù)負(fù)載的變化實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的功率輸出。
文檔編號(hào)H02J17/00GK201355775SQ20082015708
公開日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2008年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月15日
發(fā)明者邵彥冰 申請(qǐng)人:邵彥冰;杜占超