專(zhuān)利名稱(chēng)：用于非接觸式能量傳輸系統(tǒng)的功率控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型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)的功率控制電路。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，非接觸式能量傳輸已經(jīng)廣泛應(yīng)用到電力傳輸以及自動(dòng)控制 等領(lǐng)域。而在非接觸式能量傳輸系統(tǒng)中，其原邊與副邊是完全電氣絕緣的兩個(gè)獨(dú)立部分，副 邊上所連接的功率負(fù)載往往會(huì)發(fā)生變化，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)傳輸功率的調(diào)節(jié)與控制，通常也是從 原邊及副邊分別采取措施，目前常見(jiàn)的功率控制主要有以下幾種(1)原邊或副邊串聯(lián)DC/DC變換器(即直流-直流變換)通過(guò)在系統(tǒng)原邊加入DC/DC環(huán)節(jié)，調(diào)整高頻逆變器的輸入電壓，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的 傳輸功率。也可以在拾取端接入DC/DC變換器，實(shí)現(xiàn)副邊局部穩(wěn)壓控制，以適應(yīng)不同的負(fù) 載。(2)原邊或副邊失諧控制在原邊或副邊的諧振回路中接入開(kāi)關(guān)電容或者相控電感，調(diào)整其等效電容值或電 感值，使得系統(tǒng)處于調(diào)諧狀態(tài)或者非調(diào)諧狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳輸功率或拾取到的功率。(3)副邊短路解耦控制通過(guò)在拾取端并聯(lián)一組解耦線(xiàn)圈或者在拾取線(xiàn)圈上并聯(lián)一個(gè)短路開(kāi)關(guān)，以一定的 頻率及占空比控制拾取端解耦就可以調(diào)節(jié)拾取到的功率。(4)原邊移相控制對(duì)原邊高頻逆變器采用移相控制，通過(guò)調(diào)節(jié)移相角的大小來(lái)調(diào)節(jié)注入原邊諧振網(wǎng) 絡(luò)的能量，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳輸功率；(5)原邊能量注入控制這種方法主要應(yīng)用于電壓型串聯(lián)諧振的非接觸式能量傳輸系統(tǒng)，在每次原邊諧振 電流過(guò)零時(shí)，控制器根據(jù)反饋誤差信號(hào)確定是將諧振網(wǎng)絡(luò)連接到電源以注入能量，還是讓 諧振網(wǎng)絡(luò)自由振蕩。這是一種離散的控制方式，每次能量注入的最小時(shí)間單位為半個(gè)振蕩 周期?，F(xiàn)有的這些控制方式中均存在不足，上述的1、2、3種控制方式均需要在系統(tǒng)主電 路中接入開(kāi)關(guān)輔助電路，這一方面增加了系統(tǒng)的成本及控制的難度，另一方面也不同程度 地降低了系統(tǒng)的效率。第4種移相控制方法會(huì)使得原邊逆變器的開(kāi)關(guān)管工作在硬開(kāi)關(guān)模 式，在傳輸功率較大時(shí)，這會(huì)增加系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)損耗及電磁干擾EMI值。而第5種能量注入控 制方法在輕負(fù)載情況下，能量注入的頻率將會(huì)大幅下降，這會(huì)導(dǎo)致諧振電壓電流波形的包 絡(luò)線(xiàn)存在很大的紋波，性能不穩(wěn)定。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提出一種用于非接觸式能量傳輸系統(tǒng)的功率控制電路，用于
3解決現(xiàn)有技術(shù)中電路控制復(fù)雜，控制效率低下，性能不穩(wěn)定等缺陷。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用如下方案一種用于非接觸式能量傳輸系統(tǒng)的功率控制電路，包括直流電源、逆變器、原邊諧 振電路、副邊諧振電路、整流濾波電路以及可變負(fù)載，所述逆變器為第一開(kāi)關(guān)管、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；其關(guān)鍵在于所述可變負(fù)載的高電平端連接有電壓檢測(cè)單元，該電壓檢測(cè)單元的 輸出端連接有RF發(fā)射機(jī)，該RF發(fā)射機(jī)與RF接收機(jī)無(wú)線(xiàn)連接，所述RF接收機(jī)的輸出端與電 壓比較單元的第一輸入端連接，該電壓比較單元的第二輸入端還連接有標(biāo)準(zhǔn)參考電壓，該 電壓比較單元的輸出端連接有軟開(kāi)關(guān)工作點(diǎn)選擇單元，該軟開(kāi)關(guān)工作點(diǎn)選擇單元的輸出端 連接有信號(hào)分頻單元，該信號(hào)分頻單元的輸出端連接有驅(qū)動(dòng)電路，該驅(qū)動(dòng)電路輸出的4路 驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別連接在所述第一開(kāi)關(guān)管、第二開(kāi)關(guān)管、第三開(kāi)關(guān)管以及第四開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)端 上。所述直流電源、逆變器、原邊諧振電路、副邊諧振電路、整流濾波電路以及可變負(fù) 載組成一個(gè)傳統(tǒng)的非接觸式能量傳輸系統(tǒng)，原邊諧振電路中的激勵(lì)線(xiàn)圈與副邊諧振電路中 的拾取線(xiàn)圈之間產(chǎn)生磁場(chǎng)耦合，實(shí)現(xiàn)了原邊向副邊的非接觸式能量傳輸。由于不同的應(yīng)用環(huán)境可變負(fù)載的阻值會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致系統(tǒng)的反射阻抗變化，從 而引起系統(tǒng)傳輸功率的改變。本實(shí)用新型通過(guò)設(shè)置電壓檢測(cè)單元檢測(cè)所述可變負(fù)載的輸出 電壓，并利用成熟的RF射頻技術(shù)將所檢測(cè)到的電壓數(shù)據(jù)通過(guò)RF發(fā)射機(jī)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)皆O(shè)置在 原邊的RF接收機(jī)上，所述RF接收機(jī)將接收到的電壓數(shù)據(jù)傳送到電壓比較單元中，該電壓比 較單元將接收到的電壓數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)參考電壓進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果傳送到軟開(kāi)關(guān)工作點(diǎn) 選擇單元，所述軟開(kāi)關(guān)工作點(diǎn)選擇單元根據(jù)接收到的比較結(jié)果可以調(diào)節(jié)信號(hào)分頻單元的分 頻系數(shù)，所述信號(hào)分頻單元接收到的分頻系數(shù)，根據(jù)連接在基頻輸入端的基頻信號(hào)可以輸 出分頻信號(hào)，該分頻信號(hào)輸入到驅(qū)動(dòng)電路中，由于該驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)所述逆變器中開(kāi)關(guān) 管，所以分頻信號(hào)的頻率即為開(kāi)關(guān)管的通斷頻率。在電路系統(tǒng)中通過(guò)RF無(wú)線(xiàn)傳輸將副邊負(fù)載輸出電壓反饋到原邊的控制電路中， 根據(jù)負(fù)載輸出電壓標(biāo)準(zhǔn)參考電壓值的大小來(lái)確定原邊逆變器中開(kāi)關(guān)管的通斷頻率。如果 電壓比較單元的比較結(jié)果大于零，則表示輸出電壓偏低，系統(tǒng)將增大逆變器中開(kāi)關(guān)管的通 斷頻率；如果比較結(jié)果小于零，則表示輸出電壓偏高，系統(tǒng)將減小逆變器中開(kāi)關(guān)管的通斷頻 率；如果比較結(jié)果等于零，則保持在當(dāng)前工作點(diǎn)上運(yùn)行。通過(guò)系統(tǒng)反饋信息在多個(gè)軟開(kāi)關(guān)工作點(diǎn)之間進(jìn)行來(lái)回切換，即使負(fù)載發(fā)生變化， 其負(fù)載端的輸出電壓也能在標(biāo)準(zhǔn)參考電壓點(diǎn)上達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸功率的控 制。所述原邊諧振電路上連接有電流檢測(cè)單元，該電流檢測(cè)單元的輸出端與所述信號(hào) 分頻單元的基頻信號(hào)輸入端連接。所述信號(hào)分頻單元的基頻信號(hào)為逆變器輸出電流的過(guò)零信號(hào)，根據(jù)接收到的分頻 系數(shù)，信號(hào)分頻單元對(duì)基頻信號(hào)進(jìn)行分頻，其輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路直接控制逆變橋中的 開(kāi)關(guān)管。所述整流濾波電路由第一二極管、第二二極管、第三二極管、第四二極管以及低通 濾波電容組成，其中第一二極管、第二二極管、第三二極管與第四二極管組成橋式整流電路，該橋式整流電路的兩個(gè)輸入端之間連接所述副邊諧振電路，該橋式整流電路的兩個(gè)輸 出端端之間連接所述低通濾波電容，在低通濾波電容的兩端連接所述可變負(fù)載。橋式整流電路將副邊諧振電路所拾取的交變電流整形為直流輸出，系統(tǒng)中產(chǎn)生的 高頻雜波信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波電容濾除，降低了系統(tǒng)的電磁干擾。所述原邊諧振電路與副邊諧振電路均為諧振電感和諧振電容組成的串聯(lián)式諧振 回路。采用串聯(lián)諧振電路的優(yōu)點(diǎn)就是其諧振回路不存在直流通路，當(dāng)系統(tǒng)諧振失敗時(shí)，電路 處于開(kāi)路狀態(tài)而不是短路狀態(tài)，這無(wú)疑會(huì)提高系統(tǒng)可靠性，同時(shí)串聯(lián)諧振回路中元件參數(shù) 設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)原副邊都諧振的工作狀態(tài)，降低了電路設(shè)計(jì)的難度。本實(shí)用新型的顯著效果是主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需在主電路中添加任何額外的開(kāi) 關(guān)電路，降低了系統(tǒng)的控制難度，而且逆變器中的開(kāi)關(guān)管始終處于軟開(kāi)關(guān)模式，降低了開(kāi)關(guān) 損耗，提高了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)了傳輸功率的有效調(diào)節(jié)。

圖1是本實(shí)用新型的電路原理框圖；圖2是傳統(tǒng)的非接觸式能量傳輸系統(tǒng)的電路原理圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖1所示一種用于非接觸式能量傳輸系統(tǒng)的功率控制電路，包括直流電源Ed。、 逆變器1、原邊諧振電路Lp、Cp、副邊諧振電路Ls、Cs、整流濾波電路2以及可變負(fù)載&，所述 逆變器1為第一開(kāi)關(guān)管S1、第二開(kāi)關(guān)管S2、第三開(kāi)關(guān)管S3以及第四開(kāi)關(guān)管S4組成的橋式逆 變電路，所述原邊諧振電路LP、CP是由激勵(lì)線(xiàn)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(xiàn)圈Ls和副邊諧振電容Cs組成的串聯(lián)式諧振回路，在 激勵(lì)線(xiàn)圈Lp與拾取線(xiàn)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。所述可變負(fù)載&的高電平端連接有電壓檢測(cè)單元3，該電壓檢測(cè)單元3的輸出端 連接有RF發(fā)射機(jī)4，該RF發(fā)射機(jī)4與RF接收機(jī)5無(wú)線(xiàn)連接，所述RF接收機(jī)5的輸出端與 電壓比較單元6的第一輸入端連接，該電壓比較單元6的第二輸入端還連接有標(biāo)準(zhǔn)參考電 壓UMf，該電壓比較單元6的輸出端連接有軟開(kāi)關(guān)工作點(diǎn)選擇單元7，該軟開(kāi)關(guān)工作點(diǎn)選擇 單元7的輸出端連接有信號(hào)分頻單元8，該信號(hào)分頻單元8的輸出端連接有驅(qū)動(dòng)電路9，該 驅(qū)動(dòng)電路9輸出的4路驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別連接在所述第一開(kāi)關(guān)管S1、第二開(kāi)關(guān)管S2、第三開(kāi)關(guān)管 S3以及第四開(kāi)關(guān)管S4的驅(qū)動(dòng)端上。所述原邊諧振電路Lp、Cp上連接有電流檢測(cè)單元10，該電流檢測(cè)單元10的輸出端 與所述信號(hào)分頻單元8的基頻信號(hào)輸入端連接。所述整流濾波電路2由第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3、第四二極管 D4以及低通濾波電容Cd組成，其中第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3與第四二極 管D4組成橋式整流電路，該橋式整流電路的兩個(gè)輸入端之間連接所述副邊諧振電路Ls、Cs, 該橋式整流電路的兩個(gè)輸出端端之間連接所述低通濾波電容Cd，在低通濾波電容Cd的兩端 連接所述可變負(fù)載&。本實(shí)用新型的工作原理是[0036]在非接觸式能量傳輸系統(tǒng)中，根據(jù)電壓型諧振變換電路軟開(kāi)關(guān)工作點(diǎn)分析理論可 知，系統(tǒng)存在一個(gè)原邊諧振電流周期不動(dòng)點(diǎn)函數(shù)，該函數(shù)存在一系列的過(guò)零點(diǎn)，每一個(gè)過(guò)零 點(diǎn)對(duì)應(yīng)于一個(gè)逆變器的開(kāi)關(guān)頻率，逆變器的開(kāi)關(guān)頻率發(fā)生改變，可以改變諧振電流ip的幅 值和系統(tǒng)的傳輸功率，但是原邊諧振電流振蕩周期卻不變。 根據(jù)這一理論，我們采用過(guò)零檢測(cè)單元檢測(cè)出原邊諧振電流的過(guò)零信號(hào)，并將該 過(guò)零信號(hào)的頻率fo作為系統(tǒng)最大傳輸功率時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率，通過(guò)信號(hào)分頻單元8對(duì)該過(guò)零信 號(hào)頻率fo作分頻處理，分頻后的信號(hào)頻率作為逆變器的開(kāi)關(guān)頻率。由于隨著逆變器開(kāi)關(guān)頻 率的下降，原邊諧振電流ip的幅值會(huì)下降，系統(tǒng)的傳輸功率會(huì)降低，所以通過(guò)軟開(kāi)關(guān)工作點(diǎn) 選擇單元7來(lái)決定信號(hào)分頻單元8的分頻系數(shù)n，通過(guò)調(diào)整分頻系數(shù)η的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)頻 率的調(diào)節(jié)。在具體實(shí)施過(guò)程中，我們通過(guò)電壓檢測(cè)單元3檢測(cè)可變負(fù)載RL上的輸出電壓Uout， 并通過(guò)RF發(fā)射機(jī)4以及RF接收機(jī)5無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)诫妷罕容^單元6中，在電壓比較單元6上 設(shè)置有標(biāo)準(zhǔn)參考電壓Uref,，該電壓比較單元6將接收到的電壓數(shù)據(jù)Uout與標(biāo)準(zhǔn)參考電壓Uref 進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果e傳送到軟開(kāi)關(guān)工作點(diǎn)選擇單元7，其中e = Uref_U。ut，如果輸出電 壓Uout低于標(biāo)準(zhǔn)參考電壓Uref,則比較結(jié)果e > 0，所述軟開(kāi)關(guān)工作點(diǎn)選擇單元7將減小分頻 系數(shù)n，使得η = η-2,從而增大了開(kāi)關(guān)頻率f，使得原邊諧振電流ip的幅值增加，增大系統(tǒng) 的傳輸功率，使得輸出電壓Uout得到提高。如果輸出電壓Uout高于標(biāo)準(zhǔn)參考電壓Uref，則比較結(jié)果e < 0，所述軟開(kāi)關(guān)工作點(diǎn)選 擇單元7將增加分頻系數(shù)n，使得η = n+2，從而減小開(kāi)關(guān)頻率f，使得原邊諧振電流ip的幅 值減小，降低系統(tǒng)的傳輸功率，使得輸出電壓Uout變低。如果輸出電壓Uout等于標(biāo)準(zhǔn)參考電壓Uref，則比較結(jié)果e = 0，所述軟開(kāi)關(guān)工作點(diǎn)選 擇單元7將保持分頻系數(shù)n不變，開(kāi)關(guān)頻率f不會(huì)改變，保持系統(tǒng)原有的傳輸功率，使得輸 出電壓Uout穩(wěn)定。當(dāng)可變負(fù)載隨之應(yīng)用環(huán)境的改變而發(fā)生阻值變化時(shí)，負(fù)載上的輸出電壓會(huì)發(fā)生改 變，通過(guò)上述方式可以使得負(fù)載發(fā)生變化時(shí)系統(tǒng)能夠保持比較穩(wěn)定的輸出，從而實(shí)現(xiàn)了能 量傳輸?shù)目刂啤?br> 權(quán)利要求一種用于非接觸式能量傳輸系統(tǒng)的功率控制電路，包括直流電源(Edc)、逆變器(1)、原邊諧振電路(Lp、Cp)、副邊諧振電路(Ls、Cs)、整流濾波電路(2)以及可變負(fù)載(RL)，所述逆變器(1)為第一開(kāi)關(guān)管(S1)、第二開(kāi)關(guān)管(S2)、第三開(kāi)關(guān)管(S3)以及第四開(kāi)關(guān)管(S4)組成的橋式逆變電路；其特征在于所述可變負(fù)載(RL)的高電平端連接有電壓檢測(cè)單元(3)，該電壓檢測(cè)單元(3)的輸出端連接有RF發(fā)射機(jī)(4)，該RF發(fā)射機(jī)(4)與RF接收機(jī)(5)無(wú)線(xiàn)連接，所述RF接收機(jī)(5)的輸出端與電壓比較單元(6)的第一輸入端連接，該電壓比較單元(6)的第二輸入端還連接有標(biāo)準(zhǔn)參考電壓(Uref)，該電壓比較單元(6)的輸出端連接有軟開(kāi)關(guān)工作點(diǎn)選擇單元(7)，該軟開(kāi)關(guān)工作點(diǎn)選擇單元(7)的輸出端連接有信號(hào)分頻單元(8)，該信號(hào)分頻單元(8)的輸出端連接有驅(qū)動(dòng)電路(9)，該驅(qū)動(dòng)電路(9)輸出的4路驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別連接在所述第一開(kāi)關(guān)管(S1)、第二開(kāi)關(guān)管(S2)、第三開(kāi)關(guān)管(S3)以及第四開(kāi)關(guān)管(S4)的驅(qū)動(dòng)端上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于非接觸式能量傳輸系統(tǒng)的功率控制電路，其特征在于 所述原邊諧振電路(LP、CP)上連接有電流檢測(cè)單元(10)，該電流檢測(cè)單元(10)的輸出端與 所述信號(hào)分頻單元(8)的基頻信號(hào)輸入端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于非接觸式能量傳輸系統(tǒng)的功率控制電路，其特征在于 所述整流濾波電路(2)由第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、第三二極管(D3)、第四二極管 (D4)以及低通濾波電容(Cd)組成，其中第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、第三二極管(D3) 與第四二極管(D4)組成橋式整流電路，該橋式整流電路的兩個(gè)輸入端之間連接所述副邊諧 振電路(Ls、Cs)，該橋式整流電路的兩個(gè)輸出端之間連接所述低通濾波電容(Cd)，在低通濾 波電容(Cd)的兩端連接所述可變負(fù)載(RJ。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于非接觸式能量傳輸系統(tǒng)的功率控制電路，其特征在于 所述原邊諧振電路(Lp、Cp)與副邊諧振電路(Ls、Cs)均為諧振電感和諧振電容組成的串聯(lián) 式諧振回路。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用于非接觸式能量傳輸系統(tǒng)的功率控制電路，包括直流電源、逆變器、原/副邊諧振電路、整流濾波電路以及可變負(fù)載；其特征在于在可變負(fù)載上連接有電壓檢測(cè)單元，該電壓檢測(cè)單元經(jīng)RF發(fā)射機(jī)、RF接收機(jī)與電壓比較單元連接，該電壓比較單元還連接有標(biāo)準(zhǔn)參考電壓，其輸出端連接軟開(kāi)關(guān)工作點(diǎn)選擇單元，該軟開(kāi)關(guān)工作點(diǎn)選擇單元連接有信號(hào)分頻單元，該信號(hào)分頻單元連接驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)所述逆變器中的開(kāi)關(guān)管。其顯著效果是主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需在主電路中添加任何額外的開(kāi)關(guān)電路，降低了系統(tǒng)的控制難度，逆變器中的開(kāi)關(guān)管始終處于軟開(kāi)關(guān)模式，降低了開(kāi)關(guān)損耗，提高了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)了傳輸功率的有效調(diào)節(jié)。
文檔編號(hào)H02J17/00GK201742175SQ201020277910
公開(kāi)日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2010年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月30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)