一種無線充電系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無線充電系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)電路，包括逆變器，原邊諧振電路，副邊諧振電路，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載；所述原邊諧振電路上連接有頻率檢測器，該頻率檢測器的輸入端連接在原邊諧振電容與激勵線圈之間，該頻率檢測器的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，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上，所述控制器根據(jù)所述原邊諧振頻率值f1與副邊諧振頻率值f0之差控制所述并聯(lián)電容陣列的電容值。該電路結(jié)構(gòu)簡單，控制算法容易實現(xiàn)，能實現(xiàn)系統(tǒng)最大能量傳輸。
【專利說明】一種無線充電系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于充電電路【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種無線充電系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)電路。
[0002]背景方法
如圖1所示，非接觸式能量傳輸系統(tǒng)主要由初級回路和次級回路組成。其中初級回路固定，主要由高頻逆變器I和LC諧振電路組成，次級回路主要由拾取線圈，補償電路，功率調(diào)節(jié)電路3以及可變負載組成，可在一定范圍內(nèi)移動，初級回路與次級回路之間不存在電氣連接。初級回路主要完成電能的變換與發(fā)送，次級回路主要完成能量的拾取與功率調(diào)，系統(tǒng)之間通過空間電磁耦合實現(xiàn)能量的傳遞。
[0003]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)因其無接觸火花，無器件磨損、易維護、安全性能好、低噪聲、自動化程度高等優(yōu)點，從而具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0004]但是，由于受到負載變化以及次級回路移動距離的影響，系統(tǒng)的諧振頻率將會發(fā)生變化，特別是對于負載切換，當(dāng)負載較小時，系統(tǒng)諧振頻率隨著的增大而迅速增大；當(dāng)增大到一定程度時，諧振頻率趨于穩(wěn)定；當(dāng)增大到無窮大時，相當(dāng)于負載開路，此時與諧振于某一固定頻率。因此，并聯(lián)拾取機構(gòu)能夠在較穩(wěn)定的頻率下攜帶大阻值負載。但是當(dāng)負載過大時，系統(tǒng)的諧振表現(xiàn)為傳輸無功功率，傳輸效率低，負載不能正常工作。
[0005]如圖2所示，系統(tǒng)傳輸功率和系統(tǒng)諧振頻率的關(guān)系曲線是一條拋物線，系統(tǒng)工作頻率在之間時，傳輸功率較大；在自然諧振頻率點處，取最大值。此頻率是拾取端的完全諧振頻率，它的值由決定。
[0006]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】

[0007]發(fā)明目的:針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種無線充電系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)電路，使其能夠保證初級回路諧振頻率的穩(wěn)定性，實現(xiàn)能量的最大功率傳輸，滿足使用需求。
[0008]技術(shù)方案:為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
一種無線充電系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)電路，包括逆變器，原邊諧振電路，副邊諧振電路，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載；所述原邊諧振電路上連接有頻率檢測器，該頻率檢測器的輸入端連接在原邊諧振電容與激勵線圈之間，該頻率檢測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上，所述控制器根據(jù)所述原邊諧振頻率值fl與副邊諧振頻率值fO之差控制所述并聯(lián)電容陣列的電容值。
[0009]在一定負載范圍內(nèi)，原邊諧振頻率值fl隨負載RL的增加而增大。通過頻率檢測器檢測的諧振電流的實際工作頻率fl，利用控制器4將實際頻率fl與拾取端固有頻率fO作比較，通過所得差值，控制電容陣列開關(guān)的通斷，從而有效改變電容值大小，當(dāng)負載RL增大時，工作頻率f I大于固有諧振頻率fO，即Λ f=f l-f0>0時，通過控制器控制并聯(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)八f=f1-fo<o時，通過控制器控制并聯(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)定地工作于固有諧振頻率。
[0010]所述并聯(lián)電容陣列由9個0.1 nF，9個I nF以及9個10 nF的電容并聯(lián)組成，每一個電容串接有一個控制開關(guān)，該并聯(lián)電容陣列的可變范圍為O?99.9 nF。
[0011]通過控制器控制相應(yīng)控制開關(guān)的通斷狀態(tài)，可以實現(xiàn)并聯(lián)電容陣列有效電容值在O?99.9 nF之間變化，調(diào)節(jié)步長為0.1nF0
[0012]所述原邊諧振電路為串聯(lián)式諧振回路，所述副邊諧振電路為并聯(lián)式諧振回路。
[0013]在諧振頻率下，次級回路采用串聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)時，次級電容壓降和拾取線圈壓降相抵消，系統(tǒng)對負載輸出等效為電壓源。采用并聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)時，流入次級電容中的電流與拾取線圈中的電流的無功分量相抵消，系統(tǒng)對負載輸出等效為電流源。
[0014]而初級回路，對于串聯(lián)諧振電路，當(dāng)輸入電壓為方波時，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，并聯(lián)諧振電路的兩端電壓波形為正弦波。
[0015]為提高系統(tǒng)功率傳輸能力與效率，本系統(tǒng)采用軟開關(guān)串聯(lián)一并聯(lián)諧振模式。
[0016]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點包括:電路結(jié)構(gòu)簡單，控制算法容易實現(xiàn)，系統(tǒng)有較好的動態(tài)響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和抗干擾性，在負載變化過程中，能夠保證頻率穩(wěn)定，實現(xiàn)系統(tǒng)最大能量傳輸。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]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；
圖4是圖3中并聯(lián)電容陣列的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明，應(yīng)當(dāng)指出，對于本領(lǐng)域的普通方法人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干變型和改進，這些也應(yīng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0019]如圖1，圖3所示，無線充電系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)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 ;逆變器I為第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2、第三開關(guān)管S3以及第四開關(guān)管S4組成的橋式逆變電路，在逆變器I的輸入端連接有直流電源Edc。原邊諧振電路LP、CP由激勵線圈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、CS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，在激勵線圈Lp與拾取線圈Ls之間產(chǎn)生磁場耦合，從而實現(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載RL。
[0020]原邊諧振電路Lp、Cp上還連接有頻率檢測器4，該頻率檢測器4的輸入端連接在原邊諧振電容Cp與激勵線圈Lp之間，該頻率檢測器4的輸出端輸出原邊諧振頻率值f I到控制器5的第一輸入端，該控制器5的第二輸入端還輸入有副邊諧振頻率值fO，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，控制器5根據(jù)原邊諧振頻率值fl與副邊諧振頻率值fO控制所述并聯(lián)電容陣列2的電容值。
[0021]如圖4所示，并聯(lián)電容陣列2由9個0.1 nF，9個I nF以及9個10 nF的電容并聯(lián)組成，分別為 Cl-ο.1nF ?C9-0.1nFXl-1nF ?C9_lnF 以及 Cl-1OnF ?C9_10nF，每一個電容串接有一個控制開關(guān)，分別為K1-0.1nF?K9-0.1nF, Kl-1nF?K9_lnF以及Kl-1OnF?K9-10nF，通過27個開關(guān)分別控制27個電容接入狀態(tài)，使得該并聯(lián)電容陣列2在O?99.9nF范圍內(nèi)變化。
[0022]比如需要一個56.7nF的電容時，則通過控制器4接通開關(guān)K1-0.1nF?K7-0.1nF,Kl-1nF?K6-lnF以及Kl-1OnF?K5_10nF，并聯(lián)電容陣列2兩端的電容值則為56.7nF。
[0023]本發(fā)明的工作原理是:當(dāng)負載發(fā)生變化時，導(dǎo)致諧振頻率fl發(fā)生變化，通過頻率檢測器4檢測的諧振電流的實際工作頻率f I，利用控制器4將實際頻率f I與拾取端固有頻率fO作比較，通過所得差值，控制電容陣列開關(guān)的通斷，從而有效改變電容值大小，當(dāng)負載RL增大時，工作頻率fI大于固有諧振頻率f0，即Λ f=fl-f0>0時，通過控制器控制并聯(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)八f=f1-fo<o時，通過控制器控制并聯(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)定地工作于固有諧振頻率。
[0024]可見，電路結(jié)構(gòu)簡單，控制算法容易實現(xiàn)，系統(tǒng)有較好的動態(tài)響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和抗干擾性，在負載變化過程中，能夠保證頻率穩(wěn)定，實現(xiàn)系統(tǒng)最大能量傳輸。
【權(quán)利要求】
1.一種無線充電系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)電路，包括逆變器(I)、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(I)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)上連接有頻率檢測器(4)，該頻率檢測器(4)的輸入端連接在原邊諧振電容(Cp)與激勵線圈(Lp)之間，該頻率檢測器(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與副邊諧振頻率值fO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所述的一無線充電系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)電路，其特征在于:所述并聯(lián)電容陣列(2)由9個0.1 nF，9個I nF以及9個10 nF的電容并聯(lián)組成，每一個電容串接有一個控制開關(guān)，該并聯(lián)電容陣列(2)有效電容值的可變范圍為O?99.9 nF。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線充電系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)電路，其特征在于:所述原邊諧振電路4、(；)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。
【文檔編號】H02M5/27GK103595262SQ201310536884
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月4日
【發(fā)明者】孫躍, 王智慧, 崔金澤 申請人:江蘇科意達機械有限公司