CN107104517A - 一种能实现稳定电压输出的mcr‑wpt电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种能实现稳定电压输出的MCR‑WPT电路及其控制方法，包括：电源侧电路、发射端电路、谐振匹配接收端电路、负载侧电路、电压负反馈控制电路。电源侧电路连接发射端电路，发射端电路的谐振电感与谐振匹配接收端电路的谐振电感之间构成谐振腔，谐振匹配接收端电路连接负载侧电路，谐振匹配接收端电路、负载侧电路连接电压负反馈控制电路。本发明提供一种能实现稳定电压输出的MCR‑WPT电路及其控制方法，使得输出功率在传输距离变化的情况下能够保持稳定，解决了现有无线电能传输技术输出电压随距离变化而快速变化的缺点。

Description

一种能实现稳定电压输出的MCR-WPT电路及其控制方法
技术领域
本发明一种能实现稳定电压输出的MCR-WPT电路及其控制方法，涉及无线电能传输技术领域。
背景技术
无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术又称为非接触式无线电能传输技术，应用最为广泛的是基于磁耦合的无线电能传输技术。基于磁耦合的无线电能传输技术根据磁耦合的方式又分为：磁耦合感应式无线电能传输技术（Magnetically-Coupled Inductive Wireless Power Transfer, MCI-WPT）和磁耦合谐振式无线电能传输技术（Magnetically-Coupled Resonant Wireless Power Transfer, MCR-WPT），其中MCI-WPT技术较为成熟且传输效率高、功率大；但致命弱点是传输距离短，在厘米级别距离内才具有较高的传输效率。MCR-WPT技术自2007年与麻省理工学院被发现以来，就因其传输距离较远的优势而备受人们关注和研究工作者的青睐。无论是MCI-WPT技术还是MCR-WPT技术都存在一个缺点，传输效率会随着传输距离的改变而波动，这样就造成了输出功率不稳定，因此现有的WPT技术在很多对功率稳定性要求较高的场合并不适用。
发明内容
本发明提供一种能实现稳定电压输出的MCR-WPT电路及其控制方法，使得输出功率在传输距离变化的情况下能够保持稳定，解决了现有无线电能传输技术输出电压随距离变化而快速变化的缺点。
本发明采取的技术方案为：
一种能实现稳定电压输出的MCR-WPT电路，包括：电源侧电路、发射端电路、谐振匹配接收端电路、负载侧电路、电压负反馈控制电路；
电源侧电路连接发射端电路，发射端电路的谐振电感与谐振匹配接收端电路的谐振电感之间构成谐振腔，谐振匹配接收端电路连接负载侧电路，谐振匹配接收端电路、负载侧电路连接电压负反馈控制电路。
所述电源侧电路包括交流电源AC、第一二极管全桥整流电路、滤波电容C1、高频逆变电路、激励线圈L1；交流电源AC连接第一二极管全桥整流电路，第一二极管全桥整流电路通过滤波电容C1连接高频逆变电路，高频逆变电路的桥臂连接激励线圈L1两端。
所述发射端电路包括谐振电感Lr1、谐振电容Cr1，谐振电感Lr1一端连接谐振电容Cr1一端，谐振电感Lr1另一端连接谐振电容Cr1另一端。
所述谐振匹配接收端电路包括谐振电感Lr2、谐振电容Cr2、两个IGBT及与之反向并联的两个二极管；IGBT管VT5的发射极连接二极管VD5阳极，二极管VD5阴极连接IGBT管VT5的集电极，IGBT管VT5的集电极连接IGBT管VT6的集电极，IGBT管VT5的发射极连接谐振电容Cr2一端，谐振电容Cr2另一端连接IGBT管VT6的发射极，谐振电感Lr2并联在谐振电容Cr2两端。
所述谐振腔是发射端电路的谐振电感Lr1、谐振匹配接收端电路的谐振电感Lr2之间的空间区域。
所述负载侧电路包括负载线圈L2、第二二极管全桥整流电路、滤波电容C2、负载R；负载线圈L2的两端连接第二二极管全桥整流电路桥臂，第二二极管全桥整流电路通过滤波电容C2连接负载R。
所述电压负反馈控制电路包括两个减法器、两个PID控制器和PWM信号发生器；PWM信号发生器一端连接IGBT管VT5的栅极、IGBT管VT6的栅极；PWM信号发生器另一端连接第一PID控制器一端，第一PID控制器另一端连接第一减法器一端，第一减法器另一端连接第二PID控制器一端，第二PID控制器另一端连接第二减法器一端。
所述激励线圈L1与发射端电路中的谐振电感Lr1非直接接触，谐振匹配接收端电路的谐振电感Lr2与负载线圈L2也非直接接触，通过电磁直接感应耦合的方式实现电能传递。
所述发射端电路中的谐振电感Lr1和谐振匹配接收端电路的谐振电感Lr2距离间隔较远。
本发明一种能实现稳定电压输出的MCR-WPT电路及其控制方法，优点在于：
（1）：当传输距离在一定范围内变化时，本发明始终能维持输出电压的稳定，解决了现有无线电能传输技术输出电压随距离变化而快速变化的这一缺点。
（2）：本发明大大提高了无线电能传输技术的实际应用价值，许多对电压精度要求较高的用电设备，采用现有的无线充电技术显然不能满足需求，但本发明可以对其进行稳定、安全地无线充电；
（3）：本发明在使用过程中非常便捷。现有的无线电能传输装置在使用过程中需要严格控制发射端线圈和接收端线圈的距离，故通常都是将接收线圈固定在一个点；而本发明在使用上非常灵活便捷，可在一定范围内随意改变两线圈的相对位置。
（4）：本发明通过改变接收端谐振电容值、以改变接收端和发射端谐振匹配程度，从而实现稳定输出电压。
附图说明
图1为本发明的主电路及其控制电路图。
图2为本发明的控制算法流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种能实现稳定电压输出的MCR-WPT电路，包括：电源侧电路、发射端电路、谐振匹配接收端电路、负载侧电路、电压负反馈控制电路。
电源侧电路连接发射端电路，发射端电路的谐振电感与谐振匹配接收端电路的谐振电感之间构成谐振腔，谐振匹配接收端电路连接负载侧电路，谐振匹配接收端电路、负载侧电路连接电压负反馈控制电路。
所述电源侧电路包括交流电源AC、第一二极管全桥整流电路、滤波电容C1、高频逆变电路、激励线圈L1；交流电源AC连接第一二极管全桥整流电路，第一二极管全桥整流电路通过滤波电容C1连接高频逆变电路，高频逆变电路的桥臂连接激励线圈L1两端。
所述发射端电路包括谐振电感Lr1、谐振电容Cr1，谐振电感Lr1一端连接谐振电容Cr1一端，谐振电感Lr1另一端连接谐振电容Cr1另一端。
所述谐振匹配接收端电路包括谐振电感Lr2、谐振电容Cr2、两个IGBT及与之反向并联的两个二极管；IGBT管VT5的发射极连接二极管VD5阳极，二极管VD5阴极连接IGBT管VT5的集电极，IGBT管VT5的集电极连接IGBT管VT6的集电极，IGBT管VT5的发射极连接谐振电容Cr2一端，谐振电容Cr2另一端连接IGBT管VT6的发射极，谐振电感Lr2并联在谐振电容Cr2两端。
所述谐振腔是发射端电路的谐振电感Lr1、谐振匹配接收端电路的谐振电感Lr2之间的空间区域。
所述负载侧电路包括负载线圈L2、第二二极管全桥整流电路、滤波电容C2、负载R；负载线圈L2的两端连接第二二极管全桥整流电路桥臂，第二二极管全桥整流电路通过滤波电容C2连接负载R。
所述电压负反馈控制电路包括两个减法器、两个PID控制器和PWM信号发生器；PWM信号发生器一端连接IGBT管VT5的栅极、IGBT管VT6的栅极；PWM信号发生器另一端连接第一PID控制器一端，第一PID控制器另一端连接第一减法器一端，第一减法器另一端连接第二PID控制器一端，第二PID控制器另一端连接第二减法器一端。该电路的输出电压随传输距离变化时能够保持稳定的控制方法如图2所示。
工作原理：
电能传输的原理：
1、交流电源AC经过第一二极管全桥整流电路整流、和滤波电容C1滤波后，变为稳定的直流电压，直流电压经过高频逆变电路后变为高频交流电压，并通过直接电磁直接感应耦合的方式，将电能从激励线圈传递到发射端，发射端与接收端通过电磁谐振耦合的方式，实现电能较远距离的传输；接收端和负载侧通过电磁直接感应耦合的方式，实现了电能从接收端到负载线圈的传递，在经过第二二极管全桥整流电路整流和滤波电容C2滤波后，变为稳定的直流电压为负载供电。最后，在谐振腔距离改变时，电压负反馈控制电路可通过控制谐振匹配接收端电路中的谐振电容Cr2值的大小，来稳定输出功率。
2、第一二极管全桥整流电路由四个二极管VD1、VD2、VD3和VD4组成，其输入端接交流电源，输出端经过电容C1滤波稳压后，接逆变电路的输出端。
3、逆变电路由四个IGBT开关管VT1、VT2、VT3和VT4组成，其输出端接激励线圈L1；
4、所述激励线圈L1与发射端电路中的谐振电感Lr1非直接接触，通过电磁直接感应耦合的方式实现电能传递。激励线圈在高频交流电压下将产生高频交变磁场，同处于该交变磁场中的发射端谐振电感Lr将通过直接耦合的方式产生高频感应电压，实现了电能从电源侧电路到发射端电路的传递。
5、所述发射端电路中的谐振电感Lr1和谐振匹配接收端电路的谐振电感Lr2距离间隔较远, 为线圈直径的几倍，一般可达1米左右。这也是MCR-WPT技术的突出优点，二者之间的空间为谐振腔。Lr、Cr和高频电压的频率f三者之间满足谐振条件
当谐振匹配接收电路中的两个开关管VD5和VD6都断开时，结构和参数都完全一样发射端电路和谐振匹配接收端电路将具有同一谐振频率而发生电磁谐振耦合，此时电能将实现从发射端到接收端的中距离高效传递；
6、谐振匹配接收端电路中的谐振电感Lr2与负载线圈L2也非直接接触，也通过电磁直接感应耦合的方式实现电能传递。其原理同步骤（4）。
7、第二二极管全桥整流电路由四个二极管VD7、VD8、VD9和VD10组成，其输入端接负载线圈，输出端经过滤波电容C2滤波稳压后接负载。
8、电压负反馈控制电路的原理：输出电压采样值U0与输出电压期望值U0*求差值，经过PID调解以后输出电流调节的参考值is*，is*与负载线圈电流采样值is求差值后经过PID调节后输入PWM信号发生器，PWM信号发生器输出频率与***谐振频率f相同的PWM信号，控制IGBT开关管VT5和VT6的通断状态。
实现稳定电压输出的原理：
即使发射端电路和接收端电路完全相同且处于同一谐振频率时，MCR-WPT的传输效率仍然会随着两个谐振电感线圈Lr1、Lr2之间的距离，在一定范围内的变化而缓慢变化，基本规律是在最佳谐振距离点左右，传输效率都将下降，这样就会导致输出电压的波动。为了在传输距离变动的情况下，实现稳定电压输出，本发明采取了“谐振匹配”的方法，基本原理是使发射端和接收端处于完全谐振状态下时，***输出电压大于额定输出电压，然后根据输出电压值调节开关管VT5和VT6的占空比以改变接收端的谐振电容Cr值，从而改变接收端与发射端的谐振匹配程度，到达改变输出电压的目的。具体步骤如下：
步骤1：设定额定输出电压为U0；
步骤2：确定稳压输出的有效距离范围Dmin<D<Dmax，首先断开开关管VT5和VT6，使接收端的谐振电容Cr2的值最大，即保持接收端电路处于最佳谐振状态，逐渐增加两个谐振电感线圈Lr1、Lr2之间的距离，使输出电压U逐渐减小，直至输出功率不能满足负载需求时为止，记录下此时的传输距离即为Dmax；再逐渐减小两个谐振电感线圈Lr1、Lr2之间的距离，直至输出功率不能满足负载需求时为止，记录下此时的传输距离即为Dmin；
步骤3：当两个谐振电感线圈Lr1、Lr2之间的距离为任意值D时，判定D是否属于Dmin至Dmax范围内；
步骤4：若Dmin<D<Dmax，则在开关管VT5和VT6均处于关断状态时，输出电压U>U0。为了保持电压稳定，应逐步增大开关管VT5和VT6的占空比，使接收端的谐振电容Cr2减小，从而减小接收端与发射端的谐振匹配程度，使得输出电压下降至U0；
步骤5：若D <Dmin或者D>Dmax，说明在此距离下，即使开关管VT5和VT6均处于关断状态，即接收端和发射端处于最佳谐振匹配状态时，也无法满足额定输出电压U0，即始终有U<U0，此时应该断开开关管VT5和VT6，即保持接收端电路处于最佳谐振状态，以使输出电压U最大化。

Claims (10)

1.一种能实现稳定电压输出的MCR-WPT电路，其特征在于包括：电源侧电路、发射端电路、谐振匹配接收端电路、负载侧电路、电压负反馈控制电路；电源侧电路连接发射端电路，发射端电路的谐振电感与谐振匹配接收端电路的谐振电感之间构成谐振腔，谐振匹配接收端电路连接负载侧电路，谐振匹配接收端电路、负载侧电路连接电压负反馈控制电路。
2.根据权利要求1所述一种能实现稳定电压输出的MCR-WPT电路，其特征在于：所述电源侧电路包括交流电源AC、第一二极管全桥整流电路、滤波电容C1、高频逆变电路、激励线圈L1；交流电源AC连接第一二极管全桥整流电路，第一二极管全桥整流电路通过滤波电容C1连接高频逆变电路，高频逆变电路的桥臂连接激励线圈L1两端。
3.根据权利要求1所述一种能实现稳定电压输出的MCR-WPT电路，其特征在于：所述发射端电路包括谐振电感Lr1、谐振电容Cr1，谐振电感Lr1一端连接谐振电容Cr1一端，谐振电感Lr1另一端连接谐振电容Cr1另一端。
4.根据权利要求1所述一种能实现稳定电压输出的MCR-WPT电路，其特征在于：所述谐振匹配接收端电路包括谐振电感Lr2、谐振电容Cr2、两个IGBT及与之反向并联的两个二极管；IGBT管VT5的发射极连接二极管VD5阳极，二极管VD5阴极连接IGBT管VT5的集电极，IGBT管VT5的集电极连接IGBT管VT6的集电极，IGBT管VT5的发射极连接谐振电容Cr2一端，谐振电容Cr2另一端连接IGBT管VT6的发射极，谐振电感Lr2并联在谐振电容Cr2两端。
5.根据权利要求1所述一种能实现稳定电压输出的MCR-WPT电路，其特征在于：所述谐振腔是发射端电路的谐振电感Lr1、谐振匹配接收端电路的谐振电感Lr2之间的空间区域。
6.根据权利要求1所述一种能实现稳定电压输出的MCR-WPT电路，其特征在于：所述负载侧电路包括负载线圈L2、第二二极管全桥整流电路、滤波电容C2、负载R；负载线圈L2的两端连接第二二极管全桥整流电路桥臂，第二二极管全桥整流电路通过滤波电容C2连接负载R。
7.根据权利要求1所述一种能实现稳定电压输出的MCR-WPT电路，其特征在于：所述电压负反馈控制电路包括两个减法器、两个PID控制器和PWM信号发生器；PWM信号发生器一端连接IGBT管VT5的栅极、IGBT管VT6的栅极；PWM信号发生器另一端连接第一PID控制器一端，第一PID控制器另一端连接第一减法器一端，第一减法器另一端连接第二PID控制器一端，第二PID控制器另一端连接第二减法器一端。
8.根据权利要求1所述一种能实现稳定电压输出的MCR-WPT电路，其特征在于：所述激励线圈L1与发射端电路中的谐振电感Lr1非直接接触，谐振匹配接收端电路的谐振电感Lr2与负载线圈L2也非直接接触，通过电磁直接感应耦合的方式实现电能传递。
9.根据权利要求1所述一种能实现稳定电压输出的MCR-WPT电路，其特征在于：所述发射端电路中的谐振电感Lr1和谐振匹配接收端电路的谐振电感Lr2距离间隔较远。
10.一种能实现稳定电压输出的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：设定额定输出电压为U0；
步骤2：确定稳压输出的有效距离范围Dmin<D<Dmax，首先断开开关管VT5和VT6，使接收端的谐振电容Cr2的值最大，即保持接收端电路处于最佳谐振状态，逐渐增加两个谐振电感线圈Lr1、Lr2之间的距离，使输出电压U逐渐减小，直至输出功率不能满足负载需求时为止，记录下此时的传输距离即为Dmax；再逐渐减小两个谐振电感线圈Lr1、Lr2之间的距离，直至输出功率不能满足负载需求时为止，记录下此时的传输距离即为Dmin；
步骤3：当两个谐振电感线圈Lr1、Lr2之间的距离为任意值D时，判定D是否属于Dmin至Dmax范围内；
步骤4：若Dmin<D<Dmax，则在开关管VT5和VT6均处于关断状态时，输出电压U>U0；
为了保持电压稳定，应逐步增大开关管VT5和VT6的占空比，使接收端的谐振电容Cr2减小，从而减小接收端与发射端的谐振匹配程度，使得输出电压下降至U0；
步骤5：若D <Dmin或者D>Dmax，说明在此距离下，即使开关管VT5和VT6均处于关断状态，即接收端和发射端处于最佳谐振匹配状态时，也无法满足额定输出电压U0，即始终有U<U0，此时应该断开开关管VT5和VT6，即保持接收端电路处于最佳谐振状态，以使输出电压U最大化。
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