一種無線充電電路及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無線充電電路及其控制方法；電路采用磁耦合式無線輸電技術，主要包括直流電源、原邊高頻逆變單元、原邊串聯(lián)補償單元、功率發(fā)射線圈、功率接收線圈、副邊串聯(lián)補償單元，不控整流單元、負載和功率控制器單元。該發(fā)明以原邊電流為反饋量，采用基于變步長擾動觀察法的最大功率跟蹤控制方法，自動調節(jié)電路工作頻率，使得電路實時工作在電路頻率分裂點上，從而實現(xiàn)傳輸功率的穩(wěn)定輸出。當功率收發(fā)線圈的偏移距離在一定傳輸范圍內，此發(fā)明保證在原副邊不通信的情況下，無線輸電電路負載端能夠獲取穩(wěn)定的最大功率，不受偏移位置的影響。此發(fā)明省去原副邊實時通信的要求，控制方法簡單可靠，有效提高了傳輸功率的穩(wěn)定性，適用于電動汽車或手機充電等有一定偏移距離要求的無線充電電路。
【專利說明】一種無線充電電路及其控制方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線電能傳輸【技術領域】，涉及一種無線充電電路及其控制方法。

【背景技術】
[0002] 近年來，無線電能傳輸技術取得了飛速發(fā)展，特別是磁耦合方式的無線輸電技術。 此方式通過功率收發(fā)線圈的磁場耦合傳遞能量，原副邊加入補償網絡，提高傳輸功率和效 率。磁耦合無線輸電技術已經在小功率的便攜式電子設備（例如手機和筆記本）和電動汽 車無線充電場合得到成功應用。然而這些應用產品要求原副邊實時雙向通信，收發(fā)線圈必 須有一定的對準操作，保證在較小偏移范圍。這是因為現(xiàn)有無線輸電電路的傳輸功率極易 受到傳輸距離（或者偏移距離）變化的影響。由于磁耦合方式是通過發(fā)射和接收線圈之間 的高頻磁場耦合傳遞電能，當傳輸距離變化時，收發(fā)線圈的磁耦合程度會發(fā)生劇烈變化，從 而影響電路的無線輸電性能。因而傳輸功率容易隨傳輸距離變化而劇烈波動，特別是當采 取定頻工作方式時，傳輸距離增加會使得傳輸功率大幅度下降。
[0003] 這種相對距離和方位的限制以及原副邊通信的要求極大削弱了現(xiàn)有無線充電技 術帶來的無線便捷優(yōu)勢。


【發(fā)明內容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種無線充電電路及其控制方法， 旨在解決現(xiàn)有無線輸電電路中傳輸功率容易隨傳輸距離（或者偏移距離）變化而劇烈波動 的問題。
[0005] 本發(fā)明提供了一種無線充電電路，包括直流電源、高頻逆變單元、原邊補償單元、 副邊補償單元，不控整流單元和功率控制單元；所述高頻逆變單元的輸入端連接所述直流 電源，用于將所述直流電源提供的穩(wěn)定的直電壓V d逆變?yōu)楦哳l電壓方波，所述原邊補償單 元的輸入端連接至所述高頻逆變單元的輸出端，所述副邊補償單元的輸出端連接至所述不 控整流單元的輸入端，所述不控整流單元的輸出端用于連接負載；所述功率控制單元的輸 入端連接至所述原邊補償單元的電流反饋端，所述功率控制單元的輸出端連接至所述高頻 逆變單元的控制端；所述原邊補償單元的輸出端與所述副邊補償單元的輸入端通過高頻磁 場耦合，電能從所述原邊補償單元的輸出端傳遞到所述副邊補償單元的輸入端。
[0006] 其中，所述原邊補償單元包括依次串聯(lián)連接的第一諧振電容C1和功率發(fā)射線圈； 所述副邊補償單元包括依次串聯(lián)連接的第二諧振電容C2和功率接收線圈；所述功率發(fā)射線 圈與所述功率接收線圈通過高頻磁場耦合，電能從原邊傳遞到副邊。
[0007] 其中，所述原邊補償單元和所述副邊補償單元的自由諧振頻率/_=1/2π^Σ^保 持相同。
[0008] 其中，所述功率控制單元包含依次串聯(lián)連接的電流采樣電路、最大功率跟蹤控制 器和開關管驅動電路；所述電流采樣電路用于采集原邊電流I1的當前值I1GO，最大功率跟 蹤控制器用于對原邊電流的采樣值進行處理并輸出步長調頻控制信號，所述開關管驅動電 路用于根據(jù)所述步長調頻控制信號輸出開關管控制信號。
[0009] 本發(fā)明還提供了一種基于上述的無線充電電路的控制方法，包括下述步驟：
[0010] Sl :在每個控制周期1；起始時刻，對原邊電流I1的幅值進行采樣，獲取原邊電流I1 的當前值I1 (k)，并保存上個控制周期的原邊電流的采樣值I1 (k-1);
[0011] S2 :判斷工作頻率f (k)是否在（fmin，fmax)內，若是，則轉入步驟S3 ;若否，則調頻 步長反向，即Δ fk+1 = - Δ fk，并進入到步驟S6 ;
[0012] 其中，fmin為工作頻率的下限值，fmax為工作頻率的上限值，λ fk為本次控制周期的 調頻步長，為下次控制周期的調頻步長；
[0013] S3 :判斷當前控制周期的原邊電流的采樣值I1GO是否大于上個控制周期的原邊 電流的采樣值I1 (k-ι)，若是，則調頻步長Δ fk保持不變，g卩Δ fk+1 = Δ fk，并進入步驟S6 ; 若否，則轉入步驟S4;
[0014] S4:判斷Il1GO-I1(Ii-I) |>AIset，若是，則將調頻步長調節(jié)為Afk+i =-Sign(Afk) X AfQ/2,并進入步驟S6,若否，則轉入步驟S5 ;
[0015] 其中，Δ Iset為設定的電流波動閥值，Δ &為初始調頻步長，sign(A fk)表示取 Λ fk正負符號操作；
[0016] S5 :判斷I Afk|彡Afmin，若是，則保持最小調頻步長并反向，Afk+i =-Sign(Afk) X Afmin ;若否，則調頻步長Afk減半并改變調頻方向，gp Afk+1 =-Afk/2， 并轉入步驟S6 ;
[0017] 其中，Δ fmin為最小調頻步長；
[0018] S6 :在控制周期1；結束時刻，調節(jié)工作頻率f(k+l) = f(k) + Afk+1 ;返回至步驟Sl 并進入下一個控制周期。
[0019] 其中，λ Iset為設定的電流波動閥值，其值表明在傳輸距離發(fā)生了劇烈變化瞬間對 應的原邊電流I1變化量，一般設定為原邊電流I 1額定值的五分之一。
[0020] 本發(fā)明中，充分利用了原邊電流和輸出功率在頻率分裂點附近同時達到峰值這一 頻率分裂特性。它不需要獲取副邊負載電壓信息，而是直接調頻跟蹤原邊電流的峰值點，從 而實現(xiàn)最大輸出功率跟蹤。由于控制過程不需要副邊采樣信息，因此原副邊不需進行通信， 原副邊做到正真分離；原副邊不需要進行通信，原邊電流幅值檢測硬件相對容易，控制方法 簡單。另外，充分利用磁耦合電路的頻率分裂特性。雖然頻率分裂點會隨著傳輸距離即互 感耦合系數(shù)變化而變化，但是在頻率分裂點上，電壓增益總是保持一定值小范圍內波動。因 此只要電路搜尋到并工作在頻率分裂點，電壓增益就會基本保持不變，電路輸出穩(wěn)定功率， 不受傳輸距離影響而劇烈波動。在一定的傳輸偏移范圍內，在不明顯降低效率的情況下，能 保持輸出功率基本恒定，基本不受傳輸偏移距離的影響。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明實施例的電路拓撲和控制器示意圖；
[0022] 圖2為本發(fā)明實施例的控制框圖；
[0023] 圖3為本發(fā)明實施例的互感耦合系數(shù)k隨收發(fā)線圈偏移距離的變化曲線圖；
[0024] 圖4為本發(fā)明實施例的原邊電流I1、輸出電壓Vo和傳輸效率隨工作頻率f變化關 系圖；
[0025] 圖5為本發(fā)明實施例的不同互感耦合系數(shù)k下輸出電壓Vo隨工作頻率變化曲線 圖；
[0026] 圖6為本發(fā)明實施例的最大輸出功率跟蹤的示意圖；
[0027] 圖7為本發(fā)明實施例的最大功率跟蹤控制過程的仿真波形。

【具體實施方式】
[0028] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0029] 本發(fā)明適用于傳輸距離有一定偏移范圍而傳輸功率有一定穩(wěn)定性要求的無線充 電場合。本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足之處，提出了一種不需要原、副邊通信，簡單可行的無 線充電電路及其控制方法，解決現(xiàn)有無線輸電電路中傳輸功率容易隨傳輸偏移距離變化而 劇烈波動的問題。
[0030] 本發(fā)明提出一種最大功率跟蹤的無線充電電路及其控制方法。其所基于的電路采 用磁耦合式無線輸電技術，主要包括直流電源、原邊高頻逆變單元、原邊串聯(lián)補償單元、功 率發(fā)射線圈、功率接收線圈、副邊串聯(lián)補償單元，不控整流單元、負載和功率控制器單元。原 邊高頻逆變單元產生激勵整個電路的高頻電壓方波，其頻率即為電路工作頻率f。通過功率 收發(fā)線圈的高頻耦合磁場，電能從原邊無線傳遞到副邊。無線輸電電路采用原、副邊串聯(lián)補 償拓撲，其傳輸特性表現(xiàn)為：當耦合距離在有效傳輸范圍內時，電路會出現(xiàn)頻率分裂現(xiàn)象， 即電壓增益（輸出電壓V tl/輸入直流電壓Vd)隨工作頻率f變化，出現(xiàn)兩個峰值點，如圖4 所示。而工作在頻率分裂點上，則輸出功率或輸出電壓基本恒定，并且不隨傳輸距離變化而 劇烈波動，表現(xiàn)出：在變距離下輸出恒定功率的特性，而原邊電流在頻率分裂點附近也達到 最大值。最大功率跟蹤控制方法即利用此頻率分裂特性，采用原邊電流幅值作為判斷條件， 將工作頻率f實時鎖定在頻率分裂點上，從而實現(xiàn)最大輸出功率跟蹤。
[0031] 在本發(fā)明實施例中，以原邊電流為反饋量，采用基于變步長擾動觀察法的最大功 率跟蹤控制方法，自動調節(jié)電路工作頻率f，使得電路實時工作在電路頻率分裂點上，從而 實現(xiàn)傳輸功率的穩(wěn)定輸出。
[0032] 本發(fā)明實施例提供的無線充電電路的控制方法，包括如下具體步驟：
[0033] (1)預先設定時間步長Ts即控制周期，初始調頻步長Afci，最小調頻步長Af min，工 作頻率變化限定范圍（fmin，f_)，初始工作頻率fQ。
[0034] 其中初初始調頻步長Λ & -般取較大值，例如2kHz，使得開始的掃頻速度較快，電 路可以更快跟蹤到頻率分裂點；最小調頻步長Afmin則小于Af ci，例如0.5kHz，保證在搜尋 到頻率分裂點后，電路工作頻率在小范圍內波動，輸出電壓亦在小范圍波動。
[0035] 其中工作頻率變化限定范圍（fmin，fmax)應包含最大和最小的頻率分裂點，即傳輸 距離最近時的兩頻率分裂點，其分別對應最大和最小頻率分裂點。當電路硬件設計完畢時， 可以從理論估算或者實驗掃頻測試上獲取最大和最小頻率分裂點。初始工作頻率&選定在 (f min，之間任意一個點，一般設定= ，即高頻啟動，可以避免啟動時刻電流過沖。 啟動無線輸電電路，一段時間后進入穩(wěn)態(tài)；
[0036] (2)在每個控制周期Ts起始時刻，對原邊電流I1的幅值采樣，獲取電流I 1當前值 I1GO，同時保存上個控制周期的原邊電流采樣值I1 (k-i);
[0037] ⑶判斷工作頻率f (k)是否在（fmin，fm J內。如果工作頻率f (k)不在（fmin，fmax) 范圍內，則調頻步長反向，即Δ fk+1 =-Δ fk，并進入到步驟（7)。若fmin〈f (k)〈fmax，則進入下 一步驟。
[0038] (4)判斷原邊電流I1變化趨勢。當I1 (k) M1 (k-Ι)時，則調頻步長Λ fk保持不變， 即Afk+i = Afk，并進入步驟⑵；當Ii(kXl1Gi-I)時,貝U進入下一步驟。
[0039] (5)進一步判斷電流I1幅值有無劇烈波動。如果IliGO-Mk-DbAI#，則 說明傳輸距離發(fā)生了劇烈變化，這時將調頻步長調節(jié)為：Af k+1 = -Sign(Afk) X八&/2， 并進入步驟（7)，此操作用以在傳輸距離突變時加快最大功率點搜尋速度，減小搜尋時 間。其中AI set為設定的電流波動閥值，Sign(Afk)表示取Afk正負符號操作。如果 I1 (k)-I1(Ic-I) I彡AIset，貝m明電流1幅值無劇烈波動，無需增大調頻步長幅度。貝IJ進入 到下一步驟。
[0040] (6)此時進一步判斷調頻步長幅度是否足夠小，如果I Afk| < Afmin，說明調頻步 長幅值已經減小到最小值，保持最小調頻步長并反向，Afk+1 = -Sign(Afk) X Afmin ;否則 調頻步長Afk減半并改變調頻方向，g卩Afk+1 = - Afk/2。并進入步驟（7);
[0041] (7)在控制周期八結束時刻，調節(jié)工作頻率f(k+l) =f(k) + Afk+1 ;返回至步驟（2) 并進入下一個控制周期；
[0042] 與現(xiàn)有的無線充電電路及其控制方法相比，本發(fā)明有如下優(yōu)點：
[0043] (1)原副邊不需要進行通信，原邊電流幅值檢測硬件相對容易，控制方法簡單。
[0044] 此控制方法充分利用了原邊電流和輸出功率在頻率分裂點附近同時達到峰值這 一頻率分裂特性。它不需要獲取副邊負載電壓信息，而是直接調頻跟蹤原邊電流的峰值點， 從而實現(xiàn)最大輸出功率跟蹤。由于控制過程不需要副邊采樣信息，因此原副邊不需進行通 信，原副邊做到正真分離。
[0045] (2)在一定的傳輸偏移范圍內，在不明顯降低效率的情況下，能保持輸出功率基本 恒定，基本不受傳輸偏移距離的影響。
[0046] 這也是充分利用磁耦合電路的頻率分裂特性。雖然頻率分裂點會隨著傳輸距離即 互感耦合系數(shù)變化而變化，但是在頻率分裂點上，電壓增益總是保持一定值小范圍內波動。 因此只要電路搜尋到并工作在頻率分裂點，電壓增益就會基本保持不變，電路輸出穩(wěn)定功 率，不受傳輸距離影響而劇烈波動。
[0047] 本發(fā)明提出的最大功率跟蹤的無線充電電路及其控制方法，以原邊電流幅值為反 饋量，避免了原副邊通信的要求，信號調理環(huán)節(jié)和最大功率跟蹤控制方法簡單，不需要精細 的控制參數(shù)設計，即使在在收發(fā)線圈有一定偏移距離的情況下，也可實現(xiàn)功率穩(wěn)定傳輸。 [0048] 下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案進一步說明其詳細實施方式：
[0049] 本發(fā)明所提出的無線充電電路及其控制方法，其所基于的無線充電電路如圖1所 示。該電路主要包括直流電源1、高頻逆變單元2、原邊補償單元3、功率發(fā)射線圈8和功率 接收線圈9、副邊補償單元4,不控整流單元5、負載6和功率控制單元7。
[0050] 其中，所述直流電源1的作用是為高頻逆變單元2提供穩(wěn)定的直電壓Vd ;所述高頻 逆變單元2將直流電逆變?yōu)楦哳l電壓方波，其結構為由四個開關管組成的全橋逆變電路， 輸出端a、b連接原邊補償單元3 ;所述原邊補償單元3由諧振電容C1和功率發(fā)射線圈8串 聯(lián)組成，其功能用來補償線圈漏感，提高傳輸功率容量和效率；功率發(fā)射線圈8與功率接收 線圈9通過高頻磁場耦合，電能從原邊傳遞到副邊；所述副邊補償單元4與原邊補償單元3 的參數(shù)設置一致，由諧振電容C2和功率接收線圈9串聯(lián)組成；其輸出端c、d與不控整流單 元5輸入端相連。所述不控整流單元5由整流二極管和濾波電容C tl構成，將接收到的高頻 交流電變換為直流電，供給負載
[0051] 其中，功率控制單元包含電流采樣電路、最大功率跟蹤控制器和開關管驅動電路。 電流采樣電路對原邊電流I 1的幅值采樣，作為反饋量，然后由最大功率跟蹤控制器算得控 制量即電路工作頻率f，通過開關管驅動電路，驅動原邊高頻逆變單元2輸出頻率為f的高 頻方波電壓。原副邊LC串聯(lián)補償單元3、4的自由諧振頻率

【權利要求】
1. 一種無線充電電路，其特征在于，包括直流電源（I)、高頻逆變單元（2)、原邊補償單 元（3)、副邊補償單元（4)，不控整流單元（5)和功率控制單元（7); 所述高頻逆變單元（2)的輸入端連接所述直流電源（1)，用于將所述直流電源（1)提供 的穩(wěn)定的直電壓Vd逆變?yōu)楦哳l電壓方波； 所述原邊補償單元（3)的輸入端連接至所述高頻逆變單元（2)的輸出端； 所述副邊補償單元（4)的輸出端連接至所述不控整流單元（5)的輸入端，所述不控整 流單元（5)的輸出端用于連接負載（6); 所述功率控制單元（7)的輸入端連接至所述原邊補償單元（3)的電流反饋端，所述功 率控制單元（7)的輸出端連接至所述高頻逆變單元（2)的控制端； 所述原邊補償單元（3)的輸出端與所述副邊補償單元（4)的輸入端通過高頻磁場耦 合，電能從所述原邊補償單元（3)的輸出端傳遞到所述副邊補償單元（4)的輸入端。
2. 如權利要求1所述的無線充電電路，其特征在于，所述原邊補償單元（3)包括依次串 聯(lián)連接的第一諧振電容C1和功率發(fā)射線圈（8);所述副邊補償單元（4)包括依次串聯(lián)連接 的第二諧振電容C2和功率接收線圈（9);所述功率發(fā)射線圈（8)與所述功率接收線圈（9) 通過高頻磁場耦合，電能從原邊傳遞到副邊。
3. 如權利要求2所述的無線充電電路，其特征在于，所述原邊補償單元（3)和所述副邊 補償單元（4)的自由諧振頻率保持相同。
4. 如權利要求1所述的無線充電電路，其特征在于，所述功率控制單元（7)包含依次串 聯(lián)連接的電流采樣電路、最大功率跟蹤控制器和開關管驅動電路；所述電流采樣電路用于 采集原邊電流I1的當前值I1 (k)，最大功率跟蹤控制器用于對原邊電流的采樣值進行處理 并輸出步長調頻控制信號，所述開關管驅動電路用于根據(jù)所述步長調頻控制信號輸出開關 管控制信號。
5. -種基于權利要求1-4任一項所述的無線充電電路的控制方法，其特征在于，包括 下述步驟： 51 :在每個控制周期Ts起始時刻，對原邊電流I1的幅值進行采樣，獲取原邊電流I 1的 當前值I1 (k)，并保存上個控制周期的原邊電流的采樣值I1 (k-1); 52 :判斷工作頻率f(k)是否在（fmin，f_)內，若是，則轉入步驟S3 ;若否，則調頻步長 反向，g卩A fk+1 = - A fk，并進入到步驟S6 ; 其中，fmin為工作頻率的下限值，f_為工作頻率的上限值，△ fk為本次控制周期的調頻 步長，Afk+1為下次控制周期的調頻步長； 53 :判斷當前控制周期的原邊電流的采樣值I1GO是否大于上個控制周期的原邊電流 的采樣值Mk-l)，若是，則調頻步長Afk保持不變，g卩Afk+1= Afk，并進入步驟S6;若否， 則轉入步驟S4 ; S4:判斷Il1GO-I1 (k-1) |> AIset，若是，則將調頻步長調節(jié)為Afk+i =-Sign(Afk) X AfQ/2,并進入步驟S6,若否，則轉入步驟S5 ; 其中，A Iset為設定的電流波動閾值，A &為初始調頻步長，sign ( A fk)表示取A fk正 負符號操作； S5 :判斷I AfkI彡Afmin，若是，則保持最小調頻步長并反向，Afk+i =-Sign(Afk) X Afmin ;若否，則調頻步長Afk減半并改變調頻方向，gp Afk+1 =-Afk/2， 并轉入步驟S6 ; 其中，Afmin為最小調頻步長； S6 :在控制周期1；結束時刻，調節(jié)工作頻率f(k+l) =f(k) + Afk+1 ;返回至步驟Sl并進 入下一個控制周期。
6.如權利要求5所述的控制方法，其特征在于，AIsrtS設定的電流波動閾值，其值表 明在傳輸距離（或者偏移距離）發(fā)生了劇烈變化瞬間對應的原邊電流I1變化量，一般設定 為原邊電流I1額定值的五分之一。
【文檔編號】H02M3/335GK104333148SQ201410605622
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月30日 優(yōu)先權日:2014年10月30日
【發(fā)明者】段善旭, 趙錦波, 豐昊, 蔡濤 申請人:華中科技大學