[发明专利]一种非接触供电装置的直接谐振频率相位跟踪控制方法

说明书

一种非接触供电装置直接谐振频率相位跟踪控制方法，其特征在于，在非接触式电能传输系统中，对初级输出电流经电流传感器采样后经过过零比较电路得到电流过零信号，该信号进入控制器的脉冲捕获模块。控制器基于捕获到的相邻两次电流过零时刻计算其间隔得到谐振周期，计算捕获到的电流过零时刻和控制器的逆变电压驱动脉冲信号时刻的时间差，并进行闭环控制，调节输出电压的频率和相位，实现输出电压的频率跟踪实际系统谐振频率和软开关。相比传统方法，本发明频率跟踪速度快，跟踪过程损耗小，并且结构简单、成本低、可靠性高。

技术领域

本发明涉及一种非接触式供电装置及频率相位跟踪控制方法。

背景技术

非接触供电是一种新型电能传输方式，电源和负载之间不需要物理连线就可以进行供电，具有无接触、无磨损、无火花、防水、防尘等特性，并在个人消费电子产品无线充电、电动汽车无线充电、水下装置供电、矿井设备供电以及轨道交通供电等领域逐渐得到推广应用。

现有的非接触供电一般利用电磁感应原理，初级侧电源在初级发射线圈上施加激励电压，在空间产生交变磁场，次级接收线圈耦合感应出的电能经过调节后给设备供电。由于初级发射线圈和次级接收线圈之间有气隙，所以耦合系数较低，为了提高初级发射线圈的供电功率因数，提高系统传输效率，常将初级发射线圈和串联或并联电容构成初级侧谐振回路；同样为了提高负载获得功率的能力，也在次级接收线圈上串联或并联电容构成次级侧谐振回路，以抵消次级的感抗。通过调节初级侧电源的供电频率，可以使得初级侧电源的等效阻感负载变成纯阻性负载，提高了传输功率和传输效率。

非接触供电系统仅当初级侧电源的频率等于初级侧谐振回路的谐振频率时，系统才能获得最高的传输效率。而实际应用中受元件生产加工精度、负载变化、初次级线圈的相对位置偏移等因素影响，初级谐振回路的谐振参数容易发生变化，从而使得初级侧电源频率偏离实际系统谐振频率，导致电能传输的功率和效率降低。

为实现非接触供电装置谐振频率的跟踪，传统的处理办法是采用锁相环，对初级侧电源的输出电压和和输出电流进行采样，对其相位差进行比例-积分控制，从而调节压控震荡器的输出频率，使得输出频率逐步逼近实际的谐振频率。但是，这种处理办法在实施过程中需要较长的过渡时间，不适合谐振频率快速变化的场合，而且在调节过程中难以实现谐振逆变器的软开关，导致了较大的开关器件应力和较高的开关损耗，降低了系统的传输效率和可靠性。

发明内容

本发明的目的在于克服传统锁相环谐振频率跟踪方式跟踪速度慢等缺点，提供一种非接触供电装置的直接谐振频率相位跟踪控制方法。本发明能够快速跟踪由于初级发射线圈和次级接收线圈位置关系变化或负载变化引起的系统谐振频率变化，使非接触供电装置运行在软开关状态，减小功率器件的电压电流应力和开关损耗，确保系统的传输功率和效率。

本发明基于初级发射线圈电流周期的实时检测，控制逆变器输出电压周期，通过实时计算初级发射线圈电流和逆变器输出电压的相位差，调整逆变器输出电压相位，实现逆变器软开关，减小逆变器开关损耗或提升开关频率。

应用本发明的非接触供电装置包括直流电源、逆变电路、初级发射线圈、初级谐振补偿电容、次级接收线圈、次级谐振补偿电容、次级整流电路、滤波电容、负载，以及电流传感器、过零比较电路、控制器。其中：直流电源连接到逆变电路的直流侧端口。初级谐振补偿电容与初级发射线圈串联或并联构成初级谐振回路。逆变电路的交流侧端口连接初级谐振回路。初级发射线圈和次级接收线圈之间有气隙，不接触。次级接收线圈与次级谐振补偿电容串联或并联后连接到次级整流电路的交流侧端口，次级整流电路的直流侧端口并联有滤波电容和负载。电流传感器的输出端连接过零比较电路的输入端，将测量得到的初级发射线圈的电流输出到过零比较电路。过零比较电路将正弦电流信号转化成同频同相的方波信号，送入控制器。

直流电源可以是蓄电池等直流电源，也可以是由交流电源经整流得到的直流电源。逆变电路由全控功率开关器件和二极管构成，将直流电压变换成幅值和频率可调的方波电压。