本发明专利技术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。本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
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
[0001]本专利技术属于感应式无线电能传输的
，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。
技术介绍
[0002]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。
[0003]传统的方法存在以下缺点：
[0004](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。
[0005](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。
技术实现思路
[0006]本专利技术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。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]本专利技术的一个方面，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；
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]本专利技术的另一个方面，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：
[0015]在负载侧采集系统的输出电压；
[0016]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
；
[0017]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；
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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，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。
[0023]作为优选的技术方案，控制器对实际输出电压U
o
′
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
，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。
[0027]本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0028](1)本专利技术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)本专利技术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是本专利技术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是本专利技术实施例单开关电能变换器的等效电路拓扑图；
[0033]图3是本专利技术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是本专利技术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
的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
[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]本专利技术对基于中继线圈的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本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
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...
【专利技术属性】
技术研发人员：何嘉兴，周凤翔，王红斌，方健，杨帆，张敏，
申请(专利权)人：广东电网有限责任公司广州供电局，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。