基于低頻pwm整流器及補(bǔ)償電容的無(wú)線(xiàn)充電裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種磁禪合諧振式無(wú)線(xiàn)充電裝置，具體 地說(shuō)是一種基于低頻PWM整流器及補(bǔ)償電容的無(wú)線(xiàn)充電裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 相對(duì)于傳統(tǒng)有線(xiàn)充電方式，無(wú)線(xiàn)充電方式具有使用安全方便、無(wú)火花及機(jī)械磨損 等問(wèn)題，并能夠適應(yīng)多種惡劣環(huán)境。無(wú)線(xiàn)充電方式主要依靠無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，無(wú)線(xiàn) 電能傳輸技術(shù)主要包括福射式、電磁感應(yīng)式和磁禪合諧振式=種方式，其中磁禪合諧振式 無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)因其傳輸距離、功率及效率等方面的綜合優(yōu)勢(shì)獲得了廣泛的應(yīng)用。
[0003] 磁禪合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)能在具有相同諧振頻率的發(fā)射電路和接收電路 之間實(shí)現(xiàn)高效的能量交換，調(diào)諧是磁禪合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)年P(guān)鍵。目前調(diào)諧技術(shù)主要 分為調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作頻率和調(diào)節(jié)諧振網(wǎng)絡(luò)元件兩類(lèi)。調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作頻率的調(diào)諧技術(shù)必須W發(fā) 射電路和接收電路具有相同諧振頻率為前提才能實(shí)現(xiàn)電能的有效傳輸，而調(diào)節(jié)諧振網(wǎng)絡(luò)元 件技術(shù)又分為調(diào)節(jié)電容陣列及調(diào)節(jié)相控電感兩種方式，調(diào)節(jié)電容陣列方式存在控制量不連 續(xù)的問(wèn)題，調(diào)節(jié)相控電感則會(huì)引入較大的諧波。另一方面，充電裝置通常用來(lái)對(duì)蓄電池組進(jìn) 行恒流或恒壓充電，因此需要提供直流輸出電壓。由于接收電路接收到的是高頻交流電能， 所W需要進(jìn)行整流再對(duì)蓄電池組供電。目前通常采用的整流方式是二極管橋式整流，但二 極管橋式整流得到的直流輸出電壓會(huì)隨著發(fā)射線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈間的互感及負(fù)載的變化而 變化，所W往往利用DC/DC變換器進(jìn)行調(diào)整，運(yùn)就增加了電路的處理環(huán)節(jié)?？蒞利用一個(gè)PWM 整流器來(lái)代替二極管橋式整流和DC/DC變換器，它可W實(shí)現(xiàn)接收電路的調(diào)諧控制及恒壓輸 出，但運(yùn)種方式的調(diào)諧及輸出電壓范圍受電路參數(shù)的影響很大，在接收線(xiàn)圈自感較大時(shí)會(huì) 導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法調(diào)節(jié)至諧振穩(wěn)態(tài)或目標(biāo)輸出電壓。為了減小接收線(xiàn)圈的自感，可W重新設(shè)計(jì) 和繞制接收線(xiàn)圈，但運(yùn)樣增加了工作量。此外，磁禪合諧振式無(wú)線(xiàn)充電裝置中無(wú)線(xiàn)傳輸工作 頻率一般在幾十kHz,如果采用普通的高載波比PWM整流器調(diào)制方式，那么功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān) 頻率將會(huì)很高，所帶來(lái)的開(kāi)關(guān)損耗亦會(huì)很高，而且在較大功率輸出時(shí)，一般功率開(kāi)關(guān)器件很 難滿(mǎn)足要求。因此運(yùn)里提出一種基于低頻PWM整流器及補(bǔ)償電容的無(wú)線(xiàn)充電裝置，該裝置發(fā) 射電路采用調(diào)頻諧振技術(shù)，接收電路采用低頻PWM整流器及補(bǔ)償電容相結(jié)合的諧振技術(shù)實(shí) 現(xiàn)對(duì)直流輸出電壓和電流的控制，PWM整流器采用單個(gè)脈沖的調(diào)制方式W降低功率開(kāi)關(guān)的 開(kāi)關(guān)頻率，增大功率開(kāi)關(guān)的負(fù)載能力，補(bǔ)償電容用來(lái)部分補(bǔ)償接收線(xiàn)圈的自感，方便實(shí)現(xiàn)接 收電路的諧振穩(wěn)態(tài)和調(diào)整輸出電壓目標(biāo)值。目前運(yùn)樣的基于低頻PWM整流器及補(bǔ)償電容相 結(jié)合的方式來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)接收電路諧振和輸出電壓目標(biāo)值的大功率磁禪合諧振式無(wú)線(xiàn)充電 裝置未見(jiàn)有專(zhuān)利及文獻(xiàn)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題:提供一種基于低頻PWM整流器及補(bǔ)償電容的磁禪合 諧振式無(wú)線(xiàn)充電裝置，利用單個(gè)脈沖的調(diào)制方式降低PWM整流器功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)頻率并保 持裝置的恒壓直流輸出，利用補(bǔ)償電容來(lái)部分補(bǔ)償接收線(xiàn)圈的自感，同時(shí)實(shí)現(xiàn)接收電路的 諧振和輸出目標(biāo)電壓。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案:一種基于低頻PWM整流器及補(bǔ)償電容的磁禪合諧振式無(wú)線(xiàn)充 電裝置，它包括整流電路，第一濾波穩(wěn)壓電容，第一逆變功率開(kāi)關(guān)，第二逆變功率開(kāi)關(guān)，第= 逆變功率開(kāi)關(guān)，第四逆變功率開(kāi)關(guān)，發(fā)射電路諧振電容，第一霍爾電流傳感器，發(fā)射電路諧 振線(xiàn)圈，接收電路諧振線(xiàn)圈，補(bǔ)償電容，第二霍爾電流傳感器，第一整流功率開(kāi)關(guān)，第二整流 功率開(kāi)關(guān)，第=整流功率開(kāi)關(guān)，第四整流功率開(kāi)關(guān)，第二濾波穩(wěn)壓電容，第一諧振濾波電容， 第一諧振濾波電感，第二諧振濾波電容，第二諧振濾波電感，負(fù)載電阻，高頻逆變驅(qū)動(dòng)電路， 第一微處理器，第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器，第一霍爾電壓傳感器，第一信號(hào)檢測(cè)調(diào)理電路，第二霍爾 電壓傳感器，第二信號(hào)檢測(cè)調(diào)理電路，PWM整流器驅(qū)動(dòng)電路、第二微處理器，第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器 和第=霍爾電壓傳感器;發(fā)射電路諧振線(xiàn)圈和接收電路諧振線(xiàn)圈相隔一定距離并同軸放 置;整流電路的兩個(gè)輸入端子為該無(wú)線(xiàn)充電裝置的交流電源輸入端口，整流電路的兩個(gè)輸 出端子和第一濾波穩(wěn)壓電容并聯(lián)，第一逆變功率開(kāi)關(guān)、第二逆變功率開(kāi)關(guān)、第=逆變功率開(kāi) 關(guān)和第四逆變功率開(kāi)關(guān)構(gòu)成全橋逆變器，全橋逆變器的兩個(gè)直流輸入端子分別連接整流電 路的兩個(gè)輸出端子，全橋逆變器的一個(gè)輸出端子與發(fā)射電路諧振電容的一端相連接，發(fā)射 電路諧振電容的另一端與發(fā)射電路諧振線(xiàn)圈的一端相連接，發(fā)射電路諧振線(xiàn)圈的另一端與 第一霍爾電流傳感器的一個(gè)輸入端相連接，第一霍爾電流傳感器的另一個(gè)輸入端與全橋逆 變器的另一個(gè)輸出端子相連接，第一霍爾電壓傳感器的兩個(gè)輸入端子分別與全橋逆變器的 兩個(gè)輸出端子相連接，第一信號(hào)檢測(cè)調(diào)理電路將第一霍爾電壓傳感器和第一霍爾電流傳感 器的輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后送入第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器，第一微處理器接收來(lái)自第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器的 數(shù)字信號(hào)并經(jīng)計(jì)算后產(chǎn)生頻率可調(diào)的全橋逆變器功率開(kāi)關(guān)方波控制信號(hào)，該控制信號(hào)通過(guò) 高頻逆變驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)全橋逆變器的功率開(kāi)關(guān);第一整流功率開(kāi)關(guān)、第二整流功率開(kāi)關(guān)、第 =整流功率開(kāi)關(guān)、第四整流功率開(kāi)關(guān)和第二濾波穩(wěn)壓電容構(gòu)成全橋PWM整流器，全橋PWM整 流器交流側(cè)的兩個(gè)輸入端子分別連接補(bǔ)償電容的一端和第二霍爾電流傳感器的一個(gè)輸入 端，補(bǔ)償電容的另一端與接收電路諧振線(xiàn)圈的一端相連接，接收電路諧振線(xiàn)圈的另一端與 第二霍爾電流傳感器的另一輸入端相連接，第二霍爾電壓傳感器的兩個(gè)輸入端子分別與接 收電路諧振線(xiàn)圈的兩個(gè)端子相連接，全橋PWM整流器直流側(cè)的兩個(gè)輸出端子也就是該無(wú)線(xiàn) 充電裝置的直流輸出端口的兩個(gè)輸出端子，其中一個(gè)輸出端子分別連接第一諧振濾波電容 的一端和第二諧振濾波電容的一端，另一個(gè)輸出端子分別連接第一諧振濾波電感的一端和 第二諧振濾波電感的一端，第一諧振濾波電容的另一端與第一諧振濾波電感的另一端相連 接，第二諧振濾波電容的另一端與第二諧振濾波電感的另一端相連接，無(wú)線(xiàn)充電裝置的直 流輸出端口的兩個(gè)輸出端子分別連接充電負(fù)載的兩個(gè)端子，第=霍爾電壓傳感器的兩個(gè)輸 入端子分別與無(wú)線(xiàn)充電裝置的直流輸出端口的兩個(gè)輸出端子相連接，第二信號(hào)檢測(cè)調(diào)理電 路將第二霍爾電壓傳感器、第=霍爾電壓傳感器和第二霍爾電流傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào) 理后送入第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器，第二微處理器接收來(lái)自第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號(hào)并經(jīng)計(jì)算后 產(chǎn)生全橋PWM整流器功率開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，該控制信號(hào)通過(guò)PWM整流器驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)全橋PWM 整流器的功率開(kāi)關(guān)。
[0006] 下面對(duì)本技術(shù)方案的原理做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0007] (1)發(fā)射電路調(diào)諧控制原理
[0008] 發(fā)射電路中全橋逆變器交流側(cè)的電路為發(fā)射電路諧振電容和發(fā)射電路諧振線(xiàn)圈 組成的串聯(lián)電路，通過(guò)比較第一霍爾電壓傳感器和第一霍爾電流傳感器的輸出信號(hào)的相位 差，并根據(jù)相位差的正負(fù)實(shí)時(shí)調(diào)整全橋逆變器功率開(kāi)關(guān)方波控制信號(hào)的頻率，使發(fā)射電路 趨于諧振狀態(tài)。
[0009] (2)接收電路工作原理
[0010] 接收電路主要由接收電路諧振線(xiàn)圈、補(bǔ)償電容、全橋HVM整流器等組成，其交流側(cè) 有如下關(guān)系式：
[0012]式中
為接收電路諧振線(xiàn)圈的感應(yīng)電壓，M為發(fā)射電路諧振線(xiàn)圈與接收電路 諧振線(xiàn)圈之間的互感，ip(t)為發(fā)射電路正弦波電流，is(t)為接收電路電流，L2為接收電路 諧振線(xiàn)圈自感，Co為補(bǔ)償電容，R2為接收電路線(xiàn)路電阻，UAB(t)為全橋PWM整流器交流側(cè)端口 電壓。全橋PWM整流器的脈寬調(diào)制函數(shù)S(t)可表述為：當(dāng)?shù)谝徽鞴β书_(kāi)關(guān)VSi和第四整流 功率開(kāi)關(guān)VS4導(dǎo)通時(shí)，S(t) = 1;當(dāng)?shù)诙鞴β书_(kāi)關(guān)VS2和第S整流功率開(kāi)關(guān)VS3導(dǎo)通時(shí)，S (t)=-l;當(dāng)VSi和VS3導(dǎo)通或VS2和VS4導(dǎo)通時(shí)，S(t)=0。由于全橋P歷整流器采用載波比為1 的單脈沖調(diào)制技術(shù)，即在一個(gè)正半周和一個(gè)負(fù)半周里各僅有一個(gè)調(diào)制脈沖，因此脈寬調(diào)制 函數(shù)S(t)可表示為：
(2)
[0014]式中0為單脈沖的占空角，單脈沖的脈寬可表示為31-20，CO為發(fā)射電路全橋逆變器 的驅(qū)動(dòng)方波角頻率。忽略全橋PWM整流器直流輸出側(cè)的交流成分，其交流側(cè)端口電壓UAB( t) =UdcS (t )，其中Udc為全橋PWM整流器直流輸出電壓，考慮到接收電路諧振線(xiàn)圈的感應(yīng)電壓 為正弦波電壓，因此is(t)可表示為：
(3)
[0016]式中腳為接收電路電流基波(n=l)及n次諧波的初相角。式(1)兩邊同乘Wis(t)可 得：
[0018] 式中Ip為ip(t)的有效值，(61為接收電路諧振線(xiàn)圈感應(yīng)電壓與is(t)基波的相角 差，S(2n-1)為UAB(t