一种基于中继线圈无线充电系统的单开关电路及控制方法与流程

1.本发明属于感应式无线电能传输的技术领域，具体涉及一种基于中继线圈无线充电系统的单开关电路及控制方法。


背景技术：

2.在目前的感应式无线电能传输(wireless power transfer，wpt)系统中，为实现wpt系统恒定电压或恒定电流输出，传统的方法需要在直流侧添加dc/dc变换器，在不同的负载和耦合系数条件下对系统输出进行动态调节，实时改变输出电压或输出电流的大小，从而控制实现恒定电压或恒定电流输出。
3.传统的方法存在以下缺点：
4.(1)添加dc/dc变换器会极大地增加无线电能传输系统的体积、重量和成本，限制系统的适用性。
5.(2)dc/dc变换器会引入额外的控制，增加系统的复杂性，为系统的稳定运行带来挑战。


技术实现要素：

6.本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于中继线圈无线充电系统的单开关电路及控制方法。该方法能在不引入额外的dc/dc变换器的情况下，仅在硬件电路设计中引入一个额外的开关和滤波电容，结合基于中继线圈无线充电系统的输出电压关系的单开关输入输出电压关系，设计并实现了基于中继线圈无线充电系统的单开关恒压输出控制策略。
7.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.本发明的一个方面，提供了一种基于中继线圈无线充电系统的单开关电路，包括直流电压源、高频逆变器、发射线圈l1、中继线圈l2和接收线圈l3、全桥整流器和单开关电能变换器；
9.所述直流电压源通过高频逆变器连接至发射线圈l1；所述接收线圈l3通过全桥整流器连接至开关电能变换器。
10.作为优选的技术方案，所述高频逆变器为四个mos管组成的全桥电路。
11.作为优选的技术方案，所述全桥整流器为四个整流二极管组成的全桥电路。
12.作为优选的技术方案，所述单开关电能变换器包括开关mos管以及输出滤波电容；所述全桥整流器的输出电压经过开关mos管以及输出滤波电容后对负载供电。
13.作为优选的技术方案，所述发射线圈l1、中继线圈l2和接收线圈l3均连接有谐振补偿电容。
14.本发明的另一个方面，提供了一种基于中继线圈无线充电系统的单开关控制方法，应用上述的一种基于中继线圈无线充电系统的单开关电路，包括以下步骤：
15.在负载侧采集系统的输出电压；
16.将采集的系统的输出电压送入控制器进行数据拟合得到实际输出电压uo′
ut
；
17.控制器将实际输出电压uo′
ut
和额定参考电压u
out
之间的误差信号送入pi控制器进行运算；
18.脉冲发生器根据pi控制器的运算结果输出不同占空比的pwm信号，并控制开关mos管的导通和关断，从而实现恒压输出。
19.作为优选的技术方案，通过电压霍尔采样电路在负载侧采集系统的输出电压。
20.作为优选的技术方案，所述额定参考电压根据下式计算得到：
[0021][0022]
其中，u
out
为额定参考电压，t为开关周期，d表示开关的导通时间与开关周期的比值，即占空比，co为输出滤波电容，ro为等效输出电阻，r1为发射线圈l1的内阻，r2为中继线圈l2的线圈内阻，r3为接收线圈l3的线圈内阻，m
12
为发射线圈l1和中继线圈l2之间的互感，m
23
为中继线圈l2与接收线圈l3之间的互感，ω＝2πf为系统的工作角频率，f是系统的工作频率，u
in
为中继线圈无线充电系统输入电压，α是逆变器的导通角。
[0023]
作为优选的技术方案，控制器对实际输出电压uo′
ut
和额定参考电压u
out
进行做差比较，得到误差信号δu。
[0024]
作为优选的技术方案，所述脉冲发生器根据pi控制器的运算结果输出不同占空比的pwm信号，具体为：
[0025][0026]
其中，d为占空比，k
p
，ki分别表示pi控制器运算的比例参数和积分参数，δu表示误差信号。
[0027]
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0028]
(1)本发明提出一种单开关的恒压输出控制方法，在硬件上只引入了一个开关管和一个输出滤波电容，相较于传统的dc/dc变换器而言，减少了开关管的数量和滤波电感的数量，从而大大降低了系统的成本、重量和体积；另外，此控制方法不需要在能量发射侧和接收侧之间建立通信，控制效果较好且易于实现。
[0029]
(2)本发明在提出单开关的恒压输出控制方法的基础上，对基于中继线圈的无线充电系统和单开关电能变换器进行了建模，通过公式推导得出了无线充电系统的输入电压与单开关电能变换器的输出电压的关系，为采用此类拓扑的系统设计提供了方法支撑和技术指导。
[0030]
(3)减小了系统的复杂程度，提高系统可靠性。
附图说明
[0031]
图1是本发明实施例基于中继线圈无线充电系统的单开关电能变换器电路拓扑图；
[0032]
图2是本发明实施例单开关电能变换器的等效电路拓扑图；
[0033]
图3是本发明实施例单开关电能变换器工作时输出电容上的电流和电压波形图；
[0034]
图4是本发明实施例基于中继线圈无线充电系统的单开关恒压控制流程框图。
具体实施方式
[0035]
为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0036]
在传统感应式wpt系统中，一般采用两组线圈(发射线圈和接收线圈)进行能量传输。然而，在实际应用中，在不同的应用场景中，随着传输距离的增加，系统传输效率将会迅速下降。为了解决这个问题，大量研究表明，在发射线圈和接收线圈之间加入一个或多个中继线圈可以有效解决wpt系统效率随着传输距离的增加导致效率降低的问题。因此，中继线圈无线充电系统适用于较长距离的无线电能传输的应用中，例如电动汽车，配电网取能，地下管廊等应用场景。
[0037]
本发明对基于中继线圈的wpt系统特性进行研究，提供了一种基于中继线圈无线充电系统的单开关恒压控制方法，该方法能在不引入额外的dc/dc变换器的情况下，仅在硬件电路设计中引入一个额外的开关和滤波电容，结合基于中继线圈无线充电系统的输出电压关系的单开关输入输出电压关系，设计并实现了基于中继线圈无线充电系统的单开关恒压输出控制策略。
[0038]
实施例1
[0039]
本实施例提供了一种基于中继线圈无线充电系统的单开关电路，其特征在于，包括直流电压源、高频逆变器、发射线圈l1、中继线圈l2和接收线圈l3、全桥整流器和单开关电能变换器；
[0040]
所述直流电压源通过高频逆变器连接至发射线圈l1；所述接收线圈l3通过全桥整流器连接至开关电能变换器。
[0041]
如图1所示，为基于中继线圈无线充电系统的单开关电能变换器电路拓扑图，包含无线电能发射线圈l1，中继线圈l2和接收线圈l3，所述发射线圈的直流电压源为u
in
；所述直流电压源连接有高频逆变器，所述高频逆变器包含q1，q2，q3和q4四个mos管；所述高频逆变器连接有谐振补偿的电容c1和发射线圈l1，发射线圈l1的内阻为r1；所述发射线圈l1和中继线圈l2之间的互感为m
12
，发射线圈l1和接收线圈l3之间的互感为m
13
；所述中继线圈l2的线圈内阻为r2，中继线圈l2连接有谐振补偿电容c2，中继线圈l2与接收线圈l3之间的互感为m
23
；所述接收线圈l3的线圈内阻为r3，接收线圈l3连接谐振补偿电容c3。经过补偿电容c3后的交流电压us通过全桥整流器和以及滤波电容c5后输出直流电压u
dc
，所述全桥整流器由d1，d2，d3，d4四个整流二极管组成。直流电压u
dc
经过mos管q5以及输出滤波电容co后，对负载ro输出所需直流电压uo。
[0042]
如图2所示为单开关电能变换器的等效电路拓扑图，为了便于分析，将无线充电系统的输出电压等效为单开关电能变换器的直流输入电压u
dc
；输入电压经过开关管q5以及输出滤波电容co后对负载ro供电，uc和ic分别为输出电容的电压和电流。
[0043]
如图3所示为单开关电能变换器工作时输出电容上的电流和电压波形图，s表示开关信号，当开关导通t
on
的时间内为高电平信号，且t
on
等于dt，即占空比d与开关周期t的乘积；当开关关断t
off
的时间内为低电平信号，则一个开关周期内低电平时间为(1-d)t。从电容的电压曲线uc和电流曲线ic可知，开关导通时电容电压上升，在dt的时间内上升斜率为(i
on-i
off
)/co；开关关断时电容电压下降，在(1-d)t的时间内下降斜率为i
off
/co，当系统稳定时，电容电压的上升幅度等于下降幅度。
[0044]
实施例2
[0045]
本实施例提供了一种基于中继线圈无线充电系统的单开关恒压控制方法，包括以下步骤：
[0046]
s1、建立基于中继线圈的无线电能传输系统等效模型，具体如下：
[0047]
为了补偿发射线圈，中继线圈以及接收线圈的自感，c1,c2和c3应满足下式：
[0048][0049]
其中，ω＝2πf为系统的工作角频率，f是系统的工作频率。
[0050]
根据基本谐波近似方法分析，逆变器的输出电压u
p
和整流器的输入电压us可以表示为：
[0051][0052]
其中，α是逆变器的导通角。由式(2)可知，通过调整导通角α可以调节无线充电系统的输出电压值。
[0053]
将全桥整流器整流后的负载等效为r
load
，则整流前交流侧的等效负载视为r
eq
，两者的关系如下：
[0054][0055]
根据基尔霍夫电压定律列写发射线圈，中继线圈和接收线圈的电压电流关系：
[0056][0057]
由式(4)可解出发射线圈电流i1，中继线圈电流i2，接收线圈电流i3的表达式：
[0058][0059]us
＝i3r
eq
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0060]
联立式(2)(3)(4)(5)(6)可得基于中继线圈无线充电系统的输出电压表达式：
[0061][0062]
s2、推导单开关电能变换器的输出特性，具体如下：
[0063]
一个周期内，输出电容co的电压和电流波形如附图3所示；开关导通时，无线充电系统对输出电容充电；开关关断时，输出电容对负载放电，即：
[0064][0065][0066]
其中uc表示电容电压瞬时值，i
on
表示开关导通期间电容的电流平均值，i
off
表示开关关断期间电容的电流平均值。
[0067]
则开关导通时间内，输出电容电压的上升幅度为：
[0068][0069]
其中，d表示开关的导通时间与开关周期的比值，即占空比；t表示开关周期。
[0070]
开关关断时间内，输出电容电压的下降幅度为：
[0071][0072]
当系统工作稳定时，电容电压的上升幅度应等于下降幅度，即：
[0073]
δu
up
＝δu
down
→ioff
＝i
ondꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0074]
开关导通时，由无线充电系统对负载供电，此时负载上的输出电压记为u
o_on
；而开关关断时，由输出电容对负载放电，此时负载上的输出电压记为u
o_off
；则两个阶段的输出电压和平均输出电压u
out
的表达式如下：
[0075][0076]
[0077]
设单开关电能变换器的损耗可忽略不计，应用功率守恒定律可得单开关电能变换器的等效输入电阻r
load
和等效输出电阻ro的关系：
[0078][0079]
联立式(7)(14)(15)可得中继线圈无线充电系统输入电压u
in
与单开关控制输出电压u
out
的关系：
[0080][0081]
s3、基于中继线圈无线充电系统的单开关恒压控制策略
[0082]
如图4所示为基于中继线圈无线充电系统的单开关恒压控制流程框图。
[0083]
首先，利用电压霍尔采样电路在负载侧采集系统的输出电压，并将采样信号送入控制器进行数据拟合得到实际输出电压u
out
；当负载波动时会导致输出电压发生变化，因此，实际输出电压和额定参考电压之间将会存在一定的误差，于是，控制器将会对实际输出电压u
out
和额定参考电压u
ref
进行做差比较，并将误差信号δu送入pi控制器(proportional integral controller)进行运算；最后，脉冲发生器根据pi控制器的运算结果输出不同占空比d的pwm(pulse width modulation)信号，并控制开关管q5的导通和关断，从而实现恒压输出。
[0084][0085]
其中k
p
，ki分别表示pi控制器运算的比例参数和积分参数，δu表示误差信号。
[0086]
在能量发射端采用逆变器的移相控制，通过驱动信号s1、s2、s3、s4(如图4所示)改变导通角α调节逆变器输出电压u
p
；在负载侧采集输出电压信号，经过拟合增益系数k后得到实际输出电压值u
out
；控制器将对实际输出电压值u
out
与参考输出电压值进行做差，并将误差信号送入pi控制器进行运算；最后pwm发生器根据pi控制器的运算结果，产生对应的驱动信号，从而控制开关管q5的导通和关断，以此实现变负载情况下的恒压输出。
[0087]
应当理解，本技术的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0088]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于中继线圈无线充电系统的单开关电路，其特征在于，包括直流电压源、高频逆变器、发射线圈l1、中继线圈l2和接收线圈l3、全桥整流器和单开关电能变换器；所述直流电压源通过高频逆变器连接至发射线圈l1；所述接收线圈l3通过全桥整流器连接至开关电能变换器。2.根据权利要求1所述的一种基于中继线圈无线充电系统的单开关电路，其特征在于，所述高频逆变器为四个mos管组成的全桥电路。3.根据权利要求1所述的一种基于中继线圈无线充电系统的单开关电路，其特征在于，所述全桥整流器为四个整流二极管组成的全桥电路。4.根据权利要求1所述的一种基于中继线圈无线充电系统的单开关电路，其特征在于，所述单开关电能变换器包括开关mos管以及输出滤波电容；所述全桥整流器的输出电压经过开关mos管以及输出滤波电容后对负载供电。5.根据权利要求1所述的基于中继线圈无线充电系统的单开关电路，其特征在于，所述发射线圈l1、中继线圈l2和接收线圈l3均连接有谐振补偿电容。6.一种基于中继线圈无线充电系统的单开关控制方法，其特征在于，应用权利要求1-5中任一项所述的一种基于中继线圈无线充电系统的单开关电路，包括以下步骤：在负载侧采集系统的输出电压；将采集的系统的输出电压送入控制器进行数据拟合得到实际输出电压u
o
′
ut
；控制器将实际输出电压u
o
′
ut
和额定参考电压u
out
之间的误差信号送入pi控制器进行运算；脉冲发生器根据pi控制器的运算结果输出不同占空比的pwm信号，并控制开关mos管的导通和关断，从而实现恒压输出。7.根据权利要求6所述的一种基于中继线圈无线充电系统的单开关控制方法，其特征在于，通过电压霍尔采样电路在负载侧采集系统的输出电压。8.根据权利要求6所述的一种基于中继线圈无线充电系统的单开关控制方法，其特征在于，所述额定参考电压根据下式计算得到：其中，u
out
为额定参考电压，t为开关周期，d表示开关的导通时间与开关周期的比值，即占空比，c
o
为输出滤波电容，r
o
为等效输出电阻，r1为发射线圈l1的内阻，r2为中继线圈l2的线圈内阻，r3为接收线圈l3的线圈内阻，m
12
为发射线圈l1和中继线圈l2之间的互感，m
23
为中继线圈l2与接收线圈l3之间的互感，ω＝2πf为系统的工作角频率，f是系统的工作频率，u
in
为中继线圈无线充电系统输入电压，α是逆变器的导通角。9.根据权利要求6所述的一种基于中继线圈无线充电系统的单开关控制方法，其特征在于，控制器对实际输出电压u
′
out
和额定参考电压u
out
进行做差比较，得到误差信号δu。10.根据权利要求6所述的一种基于中继线圈无线充电系统的单开关控制方法，其特征在于，所述脉冲发生器根据pi控制器的运算结果输出不同占空比的pwm信号，具体为：
其中，d为占空比，k
p
，k
i
分别表示pi控制器运算的比例参数和积分参数，δu表示误差信号。

技术总结
本发明公开了一种基于中继线圈无线充电系统的单开关电路及控制方法。该电路包括直流电压源、高频逆变器、发射线圈L1、中继线圈L2和接收线圈L3、全桥整流器和单开关电能变换器；通过引入一个开关管和一个输出滤波电容，相较于传统的DC/DC变换器而言，减少了开关管的数量和滤波电感的数量，从而大大降低了系统的成本、重量和体积；另外，此控制方法不需要在能量发射侧和接收侧之间建立通信，控制效果较好且易于实现。本发明对基于中继线圈的无线充电系统和单开关电能变换器进行了建模，通过公式推导得出了无线充电系统的输入电压与单开关电能变换器的输出电压的关系，为采用此类拓扑的系统设计提供了方法支撑和技术指导。系统设计提供了方法支撑和技术指导。系统设计提供了方法支撑和技术指导。


技术研发人员：何嘉兴 周凤翔 王红斌 方健 杨帆 张敏
受保护的技术使用者：广东电网有限责任公司广州供电局
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/7/25