專利名稱：一種用于非接觸式能量傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)頻電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到非接觸式能量傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，是一種用于非接觸式能量傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)頻電路。
背景技術(shù)：
如圖1所示，非接觸式能量傳輸系統(tǒng)主要由初級(jí)回路和次級(jí)回路組成。其中初級(jí)回路固定，主要由高頻逆變器和LC諧振電路組成，次級(jí)回路主要由拾取線圈，功率調(diào)節(jié)電路以及可變負(fù)載組成，可在一定范圍內(nèi)移動(dòng)，初級(jí)回路與次級(jí)回路之間不存在電氣連接。初級(jí)回路主要完成電能的變換與發(fā)送，次級(jí)回路主要完成能量的拾取與功率調(diào)節(jié)，系統(tǒng)之間通過(guò)空間電磁耦合實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，非接觸式能量傳輸技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，例如大功率電氣設(shè)備的非接觸供電、小功率便攜式電子裝置的非接觸充電、特殊環(huán)境下工作的電氣設(shè)備的非接觸供電等。該技術(shù)因其無(wú)接觸火花，無(wú)器件磨損、易維護(hù)、安全性能好、低噪聲、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，從而具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，由于受到負(fù)載變化以及次級(jí)回路移動(dòng)距離的影響，系統(tǒng)的諧振頻率將會(huì)發(fā)生變化，特別是對(duì)于負(fù)載切換，當(dāng)負(fù)載RL較小時(shí)，系統(tǒng)諧振頻率隨著RL的增大而迅速增大； 當(dāng)RL增大到一定程度時(shí)，諧振頻率趨于穩(wěn)定；當(dāng)RL增大到無(wú)窮大時(shí)，相當(dāng)于負(fù)載開(kāi)路，此時(shí) Ls與Cs諧振于某一固定頻率。因此，并聯(lián)拾取機(jī)構(gòu)能夠在較穩(wěn)定的頻率下攜帶大阻值負(fù)載。 但是當(dāng)負(fù)載過(guò)大時(shí)，系統(tǒng)的諧振表現(xiàn)為傳輸無(wú)功功率，傳輸效率低，負(fù)載不能正常工作。如圖2所示，系統(tǒng)傳輸功率P和系統(tǒng)諧振頻率f的關(guān)系曲線是一條拋物線，系統(tǒng)工作頻率在Π f2之間時(shí)，傳輸功率P較大；在自然諧振頻率點(diǎn)f0處，P取最大值。此頻率fO是拾取端的完全諧振頻率，它的值由
/ ---1/ C^H)決定。因此，非接觸式能量傳輸系統(tǒng)中常常需要采用穩(wěn)頻控制策略。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于電容矩陣的非接觸式能量傳輸系統(tǒng)穩(wěn)頻電路，主要保證初級(jí)回路諧振頻率的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)能量的最大功率傳輸。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下方案
一種用于非接觸式能量傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)頻電路，包括逆變器、原邊諧振電路、、(；、副邊諧振電路LS、CS、功率調(diào)節(jié)電路，所述逆變器的輸入端連接有直流電源，所述功率調(diào)節(jié)電路的輸出端連接有可變負(fù)載RL;
其關(guān)鍵在于所述原邊諧振電路Lp、Cp上連接有頻率檢測(cè)器，該頻率檢測(cè)器的輸入端連接在原邊諧振電容Cp與激勵(lì)線圈Lp之間，該頻率檢測(cè)器的輸出端輸出原邊諧振頻率值 fl到控制器的第一輸入端，該控制器的第二輸入端輸入系統(tǒng)設(shè)定諧振頻率值f0，所述控制器的輸出控制端與并聯(lián)電容陣列相連，該并聯(lián)電容陣列并聯(lián)在所述原邊諧振電容Cp上，所述控制器根據(jù)所述原邊諧振頻率值Π與系統(tǒng)設(shè)定諧振頻率值fO之差控制所述并聯(lián)電容陣列的電容值。在一定負(fù)載范圍內(nèi)，原邊諧振頻率值fl隨負(fù)載RL的增加而增大。通過(guò)頻率檢測(cè)器檢測(cè)的諧振電流的實(shí)際工作頻率Π，利用控制器將實(shí)際頻率Π與系統(tǒng)設(shè)定諧振頻率f0 作比較，通過(guò)所得差值，控制電容陣列開(kāi)關(guān)的通斷，從而有效改變電容值大小，當(dāng)負(fù)載RL增大時(shí)，工作頻率Π大于系統(tǒng)設(shè)定諧振頻率fO，即Δ f=fl-fO>0時(shí)，通過(guò)控制器控制并聯(lián)電容陣列適當(dāng)增大原邊諧振電容的有效值以減小工作頻率；當(dāng)Δ f=fl-f0<0時(shí)，通過(guò)控制器控制并聯(lián)電容陣列適當(dāng)減小原邊諧振電容的有效值以增大工作頻率，最終保證系統(tǒng)穩(wěn)定地工作于系統(tǒng)設(shè)定諧振頻率點(diǎn)。所述并聯(lián)電容陣列由9個(gè)0. 1 nF，9個(gè)1 nF以及9個(gè)10 nF的電容并聯(lián)組成，每一個(gè)電容串接有一個(gè)控制開(kāi)關(guān)，該并聯(lián)電容陣列的可變范圍為0 99. 9 nF。通過(guò)控制器控制相應(yīng)控制開(kāi)關(guān)的通斷狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電容陣列有效電容值在 0 99. 9 nF之間變化，調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為0. InF0所述原邊諧振電路Lp、Cp為串聯(lián)式諧振回路，所述副邊諧振電路Ls、(；為并聯(lián)式諧振回路。在諧振頻率下，次級(jí)回路采用串聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)時(shí)，次級(jí)電容壓降和拾取線圈壓降相抵消，系統(tǒng)對(duì)負(fù)載輸出等效為電壓源。采用并聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)時(shí)，流入次級(jí)電容中的電流與拾取線圈中的電流的無(wú)功分量相抵消，系統(tǒng)對(duì)負(fù)載輸出等效為電流源。而初級(jí)回路，對(duì)于串聯(lián)諧振電路，當(dāng)輸入電壓為方波時(shí)，串聯(lián)回路電流為正弦波。 并聯(lián)諧振電路，當(dāng)輸電流為方波時(shí)，并聯(lián)諧振電路的兩端電壓波形為正弦波。為提高系統(tǒng)功率傳輸能力與效率，本系統(tǒng)采用軟開(kāi)關(guān)串聯(lián)一并聯(lián)諧振模式。本發(fā)明的顯著效果是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制算法容易實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和抗干擾性，在負(fù)載變化過(guò)程中，能夠保證頻率穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最大能量傳輸。


圖1是非接觸式能量傳輸系統(tǒng)的電路原理框圖； 圖2是非接觸式能量傳輸系統(tǒng)功率與頻率關(guān)系曲線圖； 圖3是本發(fā)明的電路原理框圖4是圖3中并聯(lián)電容陣列的電路原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖1，圖3所示一種基于非接觸式能量傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)頻控制電路，包括逆變器 1、原邊諧振電路Lp、Cp、副邊諧振電路Ls、Cs、功率調(diào)節(jié)電路3 ；
所述逆變器1為第一開(kāi)關(guān)管S1、第二開(kāi)關(guān)管&、第三開(kāi)關(guān)管&以及第四開(kāi)關(guān)管、組成的橋式逆變電路，在逆變器1的輸入端連接有直流電源Edc。所述原邊諧振電路LP、CP由激勵(lì)線圈Lp和原邊諧振電容Cp組成的串聯(lián)式諧振回路，所述副邊諧振電路Ls、(；是由拾取線圈Ls和副邊諧振電容Cs組成的并聯(lián)式諧振回路，在激勵(lì)線圈Lp與拾取線圈Ls之間產(chǎn)生磁場(chǎng)耦合，從而實(shí)現(xiàn)原邊向副邊的非接觸式能量傳輸，在功率調(diào)節(jié)電路3的輸出端連接有可變負(fù)載RL。
所述原邊諧振電路Lp、Cp上還連接有頻率檢測(cè)器4，該頻率檢測(cè)器4的輸入端連接在原邊諧振電容Cp與激勵(lì)線圈Lp之間，該頻率檢測(cè)器4的輸出端輸出原邊諧振頻率值 fl到控制器5的第一輸入端，該控制器5的第二輸入端輸入系統(tǒng)設(shè)定諧振頻率值fO，所述控制器5的輸出控制端與并聯(lián)電容陣列2相連，該并聯(lián)電容陣列2并聯(lián)在所述原邊諧振電容Cp上，所述控制器5根據(jù)所述原邊諧振頻率值Π與系統(tǒng)設(shè)定諧振頻率值fO控制所述并聯(lián)電容陣列2的電容值。如圖4所示所述并聯(lián)電容陣列2由9個(gè)0. 1 nF，9個(gè)1 nF以及9個(gè)10 nF的電容并聯(lián)組成，分別為 Cl-0. InF C9-0. InFXl-InF C9_lnF 以及 Cl-IOnF C9_10nF，每一個(gè)電容串接有一個(gè)控制開(kāi)關(guān)，分別為K1-0. InF K9-0. lnF、Kl_lnF K9_lnF以及Kl-IOnF K9-10nF，通過(guò)27個(gè)開(kāi)關(guān)分別控制27個(gè)電容接入狀態(tài)，使得該并聯(lián)電容陣列2在0 99. 9 nF范圍內(nèi)變化。比如需要一個(gè)56. 7nF的電容時(shí)，則通過(guò)控制器4接通開(kāi)關(guān)K1-0. InF K7-0. InF, Kl-InF K6-lnF以及Kl-IOnF K5_10nF，并聯(lián)電容陣列2兩端的電容值則為56. 7nF。本發(fā)明的工作原理是
當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)致諧振頻率f 1發(fā)生變化，通過(guò)頻率檢測(cè)器4檢測(cè)的諧振電流的實(shí)際工作頻率Π，利用控制器4將實(shí)際頻率Π與系統(tǒng)設(shè)定諧振頻率 作比較，通過(guò)所得差值，控制電容陣列開(kāi)關(guān)的通斷，從而有效改變電容值大小，當(dāng)負(fù)載RL增大時(shí)，工作頻率fl大于系統(tǒng)設(shè)定諧振頻率f0，即Δ f=fl-f0>0時(shí)，通過(guò)控制器控制并聯(lián)電容陣列適當(dāng)增大原邊諧振電容的有效值以減小工作頻率；當(dāng)Δ f=fl-f0<0時(shí)，通過(guò)控制器控制并聯(lián)電容陣列適當(dāng)減小原邊諧振電容的有效值以增大工作頻率，最終保證系統(tǒng)穩(wěn)定地工作于系統(tǒng)設(shè)定諧振頻率點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種用于非接觸式能量傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)頻電路，包括逆變器(1)、原邊諧振電路(Lp、 Cp)、副邊諧振電路(Ls、Cs)、功率調(diào)節(jié)電路(3)，所述逆變器(1)的輸入端連接有直流電源 (Edc)，所述功率調(diào)節(jié)電路(3)的輸出端連接有可變負(fù)載(RL)；其特征在于所述原邊諧振電路(Lp、Cp)上連接有頻率檢測(cè)器(4)，該頻率檢測(cè)器(4) 的輸入端連接在原邊諧振電容(Cp)與激勵(lì)線圈(Lp)之間，該頻率檢測(cè)器(4)的輸出端輸出原邊諧振頻率值Π到控制器(5)的第一輸入端，該控制器(5)的第二輸入端輸入系統(tǒng)設(shè)定諧振頻率值f0，所述控制器(5)的輸出控制端與并聯(lián)電容陣列(2)相連，該并聯(lián)電容陣列 (2)并聯(lián)在所述原邊諧振電容(Cp)上，所述控制器(5)根據(jù)所述原邊諧振頻率值Π與系統(tǒng)設(shè)定諧振頻率值f0之差控制所述并聯(lián)電容陣列(2)的電容值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于非接觸式能量傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)頻電路，其特征在于 所述并聯(lián)電容陣列(2)由9個(gè)0. 1 nF，9個(gè)1 nF以及9個(gè)10 nF的電容并聯(lián)組成，每一個(gè)電容串接有一個(gè)控制開(kāi)關(guān)，該并聯(lián)電容陣列(2)有效電容值的可變范圍為0 99. 9 nF。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于非接觸式能量傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)頻電路，其特征在于 所述原邊諧振電路(Lp、Cp)為串聯(lián)式諧振回路，所述副邊諧振電路(Ls、Cs)為并聯(lián)式諧振回路。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種用于非接觸式能量傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)頻電路，包括逆變器、原邊諧振電路、副邊諧振電路以及功率調(diào)節(jié)電路；其特征在于原邊諧振電路上連接有頻率檢測(cè)器，該頻率檢測(cè)器的輸入端連接在原邊諧振電容與激勵(lì)線圈之間，其輸出端輸出原邊諧振頻率值f1到控制器的第一輸入端，該控制器的第二輸入端輸入系統(tǒng)設(shè)定諧振頻率值f0，控制器的輸出控制端與并聯(lián)電容陣列相連，該并聯(lián)電容陣列并聯(lián)在原邊諧振電容上，控制器根據(jù)f1與f0控制并聯(lián)電容陣列的電容值。其顯著效果是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制算法容易實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和抗干擾性，在負(fù)載變化過(guò)程中，能夠保證頻率穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最大能量傳輸。
文檔編號(hào)H02J17/00GK102290873SQ20111024122
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月22日
發(fā)明者唐春森, 孫躍, 戴欣, 王智慧, 蘇玉剛 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)