基于无线电能传输系统的控制装置及无线电能传输系统的制作方法

本发明涉及基于无线电能传输系统的控制装置及无线电能传输系统，属于无线电能传输领域。

背景技术：

磁耦合谐振式无线电能传输技术是利用两个具有相同谐振频率的电磁系统，在相隔一定距离时，通过发射端与接收端线圈发生谐振进行能量传递的技术。

如图1-a至1-d所示，根据谐振电容与谐振线圈的连接方式，无线电能传输的拓扑结构通常有4种：发射端串联谐振、接收端串联谐振(S/S)；发射端串联谐振、接收端并联谐振(S/P)；发射端并联谐振、接收端串联谐振(P/S)；发射端并联谐振、接收端并联谐振(P/P)。

所以，通过上述可知，在进行无线电能传输时，发射端发出的电能为交流电，并且为通过桥式电路之后输出的电能，通过相应的控制使其符合无线传输的条件才能够进行传输。因此，发射端可以分为几种情况：直流电通过桥式逆变电路之后输出为可控交流电，能够进行无线电能传输；或者，交流电通过AC-AC电路或者AC-DC-AC电路之后输出为可控交流电，能够进行无线电能传输，或者其他更加复杂的结构。

图2给出了一种实施方式，为S/S型拓扑，具体为直流输入+发射端桥式电路+串联谐振的拓扑结构，其中发射端桥式电路为全桥逆变电路，通过控制全桥逆变电路中开关管的开通与关断，使发射端线圈工作在其谐振频率附近，从而发射能量，接收端也有谐振频率与发射端相同的线圈来接收能量，从而实现能量的无线传输。

通过控制A、B、C、D四个开关管(MOS管或者IGBT)开通与关断的驱动信号，来控制发射端功率电路进行功率输出，接收端接收相应的电能信号，实现电能的无线传输。但是，目前的用于控制这四个开关管的控制装置只能简单地实现通断控制，可靠性较低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于无线电能传输系统的控制装置，用以解决现有的控制装置可靠性较低的问题。本发明同时提供一种无线电能传输系统。

为实现上述目的，本发明的方案包括：一种基于无线电能传输系统的控制装置，包括：用于采集发射端回路电流的电流检测模块，用于输出控制信号和初始PWM信号的控制模块，过零比较输出模块，方波信号产生模块，以及驱动信号产生模块，所述电流检测模块输出连接所述控制模块和所述过零比较输出模块，所述控制模块和过零比较输出模块输出连接所述方波信号产生模块的相应的输入端，所述方波信号产生模块的输出端连接所述驱动信号产生模块的输入端；

当发射端回路没有电流时，控制模块输出初始PWM信号和相应的控制信号，所述控制装置根据该初始PWM信号来控制开关管，使发射端回路中有电流，然后，控制装置停止响应该初始PWM信号，并在控制模块输出的对应的控制信号的作用下，方波信号产生模块根据过零比较输出模块的相应输出信号产生与电流同相位的方波信号，所述驱动信号产生模块根据所述方波信号产生开关管驱动信号，以对开关管进行控制。

所述方波信号产生模块包括起振单元和锁相环单元，所述控制模块和过零比较输出模块输出连接所述起振单元的相应的输入端，所述起振单元的输出端连接所述锁相环单元的输入端，所述锁相环单元的输出端即为所述方波信号产生模块的输出端。

所述起振单元包括光耦U8和四个与非门，所述光耦U8的原边的正极连接供电电源，所述光耦U8的原边的负极用于输入所述控制信号，供电电源通过光耦U8的副边接地，光耦U8副边的正极输出连接与非门U7B的两个输入端，与非门U7C的一个输入端连接所述光耦U8副边的正极，另一个输入端用于输入所述初始PWM信号，与非门U7B的输出端连接与非门U7A的一个输入端，与非门U7A的另一个输入端连接所述过零比较输出模块的输出端，与非门U7A的输出端与与非门U7C的输出端分别连接与非门U7D的两个输入端，所述与非门U7D的输出端为所述起振单元的输出端；

当发射端回路中没有电流时，所述光耦U8的原边的负极输入的控制信号为高电平，与非门U7D的输出端输出与初始PWM信号一致的信号；当发射端回路中有电流时，所述光耦U8的原边的负极输入的控制信号为低电平，所述与非门U7C的另一个输入端输入的初始PWM信号丧失作用，与非门U7D的输出端输出与过零比较输出模块输出的信号一致的信号。

所述锁相环单元包括芯片CD4046和芯片CD4040，所述起振单元的输出端连接所述芯片CD4046的14脚，芯片CD4046的4脚输出连接芯片CD4040的10脚，芯片CD4040的7脚为该锁相环单元的输出端，芯片CD4040的7脚连接芯片CD4046的3脚；所述芯片CD4046为锁相环集成芯片，所述芯片CD4040为12位二进制串行计数器。

所述驱动信号产生模块包括用于产生驱动开关管A和开关管D的驱动信号的第一驱动单元和用于产生驱动开关管B和C的驱动信号的第二驱动单元。

所述第一驱动单元和第二驱动单元的结构相同，所述第一驱动单元包括两个依次连接的CD4098芯片，锁相环单元的输出端连接第一CD4098芯片的输入端，第二CD4098芯片的输出端输出用于驱动开关管A和开关管D的驱动信号；其中，CD4098芯片为双路单稳态触发器。

所述控制装置还包括跟踪放大模块，所述电流检测模块通过所述跟踪放大模块输出连接所述过零比较输出模块。

一种无线电能传输系统，包括主电路和控制装置，所述主电路包括发射端的桥式电路，所述控制装置控制连接桥式电路上的开关管，所述控制装置包括：用于采集发射端回路电流的电流检测模块，用于输出控制信号和初始PWM信号的控制模块，过零比较输出模块，方波信号产生模块，以及驱动信号产生模块，所述电流检测模块输出连接所述控制模块和所述过零比较输出模块，所述控制模块和过零比较输出模块输出连接所述方波信号产生模块的相应的输入端，所述方波信号产生模块的输出端连接所述驱动信号产生模块的输入端；

当发射端回路没有电流时，控制模块输出初始PWM信号和相应的控制信号，所述控制装置根据该初始PWM信号来控制开关管，使发射端回路中有电流，然后，控制装置停止响应该初始PWM信号，并在控制模块输出的对应的控制信号的作用下，方波信号产生模块根据过零比较输出模块的相应输出信号产生与电流同相位的方波信号，所述驱动信号产生模块根据所述方波信号产生开关管驱动信号，以对开关管进行控制。

所述方波信号产生模块包括起振单元和锁相环单元，所述控制模块和过零比较输出模块输出连接所述起振单元的相应的输入端，所述起振单元的输出端连接所述锁相环单元的输入端，所述锁相环单元的输出端即为所述方波信号产生模块的输出端。

所述起振单元包括光耦U8和四个与非门，所述光耦U8的原边的正极连接供电电源，所述光耦U8的原边的负极用于输入所述控制信号，供电电源通过光耦U8的副边接地，光耦U8副边的正极输出连接与非门U7B的两个输入端，与非门U7C的一个输入端连接所述光耦U8副边的正极，另一个输入端用于输入所述初始PWM信号，与非门U7B的输出端连接与非门U7A的一个输入端，与非门U7A的另一个输入端连接所述过零比较输出模块的输出端，与非门U7A的输出端与与非门U7C的输出端分别连接与非门U7D的两个输入端，所述与非门U7D的输出端为所述起振单元的输出端；

当发射端回路中没有电流时，所述光耦U8的原边的负极输入的控制信号为高电平，与非门U7D的输出端输出与初始PWM信号一致的信号；当发射端回路中有电流时，所述光耦U8的原边的负极输入的控制信号为低电平，所述与非门U7C的另一个输入端输入的初始PWM信号丧失作用，与非门U7D的输出端输出与过零比较输出模块输出的信号一致的信号。

本发明提供的控制装置专用于无线电能传输系统，在初始情况下，发射端回路没有电流，这时，控制模块输出初始PWM信号和相应的控制信号，控制装置响应该初始PWM信号，来控制桥式电路中的开关管，开关管在导通时，发射端回路中就会有电流，则控制装置停止响应该初始PWM信号，并且，过零比较输出模块对回路中的电流进行处理并输出相应的信号，方波信号产生模块根据控制模块和过零比较输出模块的相应输出信号产生与回路中的电流同相位的方波信号，驱动信号产生模块根据方波信号产生开关管驱动信号，以对开关管进行控制。所以，该控制装置能够产生可靠的驱动信号来驱动开关管，保证无线电能的传输，而且，在发射端没有电流的初始情况下，首先利用初始的PWM信号来触发开关管导通，使回路中有一定的电流，然后，根据回路中的电流来生成相应的驱动信号，所以，在初始状态下该控制装置仍旧可以对开关管进行控制，可靠性较高，并使桥式电路工作在感性区，减小了损耗，提高了效率。

附图说明

图1-a是S/S拓扑结构示意图；

图1-b是S/P拓扑结构示意图；

图1-c是P/S拓扑结构示意图；

图1-d是P/P拓扑结构示意图；

图2是直流输入+全桥逆变+串联谐振的拓扑结构示意图；

图3是控制装置整体结构框图；

图4是跟随放大电路图；

图5是过零比较输出电路图；

图6是起振电路图；

图7是锁相环电路图；

图8是开关管A、D驱动生成电路图；

图9是开关管B、C驱动生成电路图；

图10-a是与图8对应的驱动加强电路图；

图10-b是与图9对应的驱动加强电路图；

图11是若干个关键点处的波形图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的控制装置专用于无线电能传输系统，用于对图2中的桥式电路中的开关管进行控制。如图3所示，该控制装置包括：用于采集发射端回路电流的电流检测模块，用于输出控制信号和初始PWM信号的控制模块，过零比较输出模块，方波信号产生模块，以及驱动信号产生模块，电流检测模块输出连接控制模块和过零比较输出模块，控制模块和过零比较输出模块输出连接方波信号产生模块的相应的输入端，方波信号产生模块的输出端连接驱动信号产生模块的输入端；当发射端回路没有电流时，控制模块输出初始PWM信号和相应的控制信号，控制装置根据该初始PWM信号来控制开关管，使发射端回路中有电流，然后，控制装置停止响应该初始PWM信号，并在控制模块输出的对应的控制信号的作用下，方波信号产生模块根据过零比较输出模块的相应输出信号产生与电流同相位的方波信号，驱动信号产生模块根据方波信号产生开关管驱动信号，以对开关管进行控制。

基于以上基本技术方案，以下重点对各模块的具体结构，功能作用以及控制装置的工作过程进行详细说明。

由于是无线电能传输，所以发射端与接收端没有电气连接，故这里不采样接收端的电压电流情况，只采样发射端回路中的电流，该电流能够反映出接收端的电压和电流情况。

该无线电能传输系统包括主电路和控制装置，基于无线电能传输的特性，该主电路还可以称为磁耦合谐振电路。主电路用于电能的无线传输，其电路结构并不唯一，本实施例给出一种具体的结构，如图2所示，包括发射端的桥式电路，控制装置用于对发射端桥式电路中的开关管进行驱动控制。由于发射端桥式电路部分属于常规技术，这里就不再对其进行说明，并且，由于接收端电路并非本发明的重点，这里就不再说明。以下着重对控制装置进行说明。

控制装置中设置有常规的电流检测模块，比如电流霍尔传感器，来采集发射端回路中的电流。

控制装置中的控制模块可以为控制芯片，也可以是具备相同功能的具体电路。该控制模块采样连接电流检测模块，并且，该控制模块有两个输出端，一个输出端输出控制信号PWMCHANGE，另一个输出端输出初始PWM信号PWMIN。

另外，电流检测模块还输出连接过零比较输出电路，而且，在电流检测模块和过零比较输出电路之间还设置有跟随放大电路，电流检测模块检测到的电流信号经过跟随与放大之后，输入给过零比较输出电路。

如图4和5所示，给出了一种具体的电路结构，其中，图4为跟随放大电路的电路图，图5是过零比较输出电路的电路图。

如图4所示，电流检测模块检测的电流信号Isense输出连接芯片U5A的同相输入端，经过跟随和放大之后，由U5B的输出端经电阻R18连接图5中的芯片U6的2脚。芯片U6为延迟时间很短的快速比较器，延迟时间要小于100ms，上脉冲上升沿时间小于10ns，比如采用TI的TL3016。在过零比较输出电路中，电流信号与0电平相比之后输出与电流的正负对应的方波信号，由于该方波信号还需要进行后续的处理，那么将其称为初级方波信号。

控制装置中的方波信号产生模块包括起振电路和锁相环电路，如图6所示，起振电路包括光耦U8和四个与非门，光耦U8的原边的正极连接供电电源，光耦U8的原边的负极用于输入控制信号PWMCHANGE，供电电源通过光耦U8的副边接地，光耦U8副边的正极输出连接与非门U7B的两个输入端，与非门U7C的一个输入端连接光耦U8副边的正极，另一个输入端用于输入初始PWM信号PWMIN，与非门U7B的输出端连接与非门U7A的一个输入端，与非门U7A的另一个输入端连接过零比较输出电路的输出端，与非门U7A的输出端与与非门U7C的输出端分别连接与非门U7D的两个输入端，与非门U7D的输出端为起振单元的输出端。

无线输电系统未工作时，控制模块输出的控制信号PWMCHANGE为高电平，不输出初始PWM信号，即PWMIN始终为低电平。因此，则光耦U8的原边的负极为高电平，光耦U8的副边不导通，与非门U7B的5、6脚为高电平，其第4脚为低电平，进而U7A的第1脚为低电平，其第3脚为高电平，U7D的第11脚输出由U7C的第8脚PWMIN信号决定，由于PWMIN为低电平，所以，U7D的第11脚为低电平，控制电路中没有驱动信号，主电路中的开关管始终处于关断状态。

无线输电系统工作时，且在初始情况下，主电路发射端回路中没有电流，控制模块输出的控制信号PWMCHANGE为高电平，并输出初始PWM信号PWNIN，则光耦U8的原边的负极输入高电平，与非门U7D的输出端(第11脚)输出与初始PWM信号一致的PWM信号。当发射端回路中有电流时，控制模块输出的控制信号PWMCHANGE为低电平，光耦U8的原边的负极输入的控制信号为低电平，光耦U8的副边导通，与非门U7B的5、6脚为低电平，其第4脚为高电平，进而U7A的第1脚为高电平，其第3脚输出与过零比较输出模块相反的信号；U7C的一个输入端输入低电平，则U7C另一个输入端输入的初始PWM信号PWNIN就丧失作用，U7C一直输出高电平，则U7D的第11脚输出与过零比较输出模块输出的信号一致的信号。

如图7所示，锁相环电路包括芯片CD4046和芯片CD4040，与非门U7D的第11脚连接芯片CD4046的14脚，芯片CD4046的4脚输出连接芯片CD4040的10脚，芯片CD4040的7脚为该锁相环电路的输出端，输出的信号为COMPIN。其中，芯片CD4046为通用的CMOS锁相环集成芯片，其特点是电源电压范围宽(为3V-18V)，输入阻抗高(约100MΩ)，动态功耗小，在这里用来实现频率跟踪功能；芯片CD4040是12位二进制串行计数器，这里采用CD4040计数器构成分频器，以实现分频的功能。

调整CD4046外围电路中的C1、R2、R3可以调整CD4046的输出最高频率，这里将输出最高频率调整为开关最高频率的4倍以上，CD4040为分频电路，经过4分频后，由CD4040的第7脚输出与输入频率接近的信号COMPIN。并且，该COMPIN信号还经电阻R7输入CD4046的第3脚，CD4046能够自动调整其输出频率，将COMPIN信号调整为与CD4046的14脚输入的信号相位一致、占空比为50％的PWM信号。COMPIN信号即为锁相后的PWM信号。

锁相后的信号COMPIN与锁相环电路输入的PWM信号是同相位的，这里需要生成相位滞后10－20度的驱动信号，故在后续的驱动信号生成部分中要用到CD4098触发器。

图8和图9为由CD4098组成的两个驱动生成电路。一个用于生成开关管A、D的驱动信号，另一个用于生成开关管B、C的驱动信号，这两个驱动生成电路的结构相同。对于任意一个电路，如图8所示，包括两个依次连接的CD4098芯片。开关管A、D采用同一驱动，锁相环电路输出的COMPIN信号从第一个触发器CD4098的TR-输入，采用下降沿触发，电容C6与电阻R7设置驱动延迟的时间，第一个触发器CD4098的第6脚输出连接第二个触发器CD4098的11脚，第二个触发器CD4098对信号再次进行延迟处理，R8与C8设置驱动宽度，最后由10脚输出，输出的驱动信号即为相位延迟后占空比小于50％(考虑死驱时间)的驱动信号。同理，图9为开关管B、C的驱动生成电路，COMPIN信号从触发器的TR+输入，采用上升沿触发，经过两个CD4098的处理后输出相位延迟、同时与A、D的驱动信号具有一定死区的驱动信号，即为开关管B、C的驱动信号。其中，芯片CD4098是双路单稳态触发器，这里采用双路CD4098级联，构成脉冲信号延迟电路，以实现驱动信号的延迟。

另外，为了增强驱动能力，设置有两个驱动加强电路，如图10-a和10-b所示，开关管A、D驱动生成电路输出的驱动信号DRIAD0通过驱动加强电路加强后输出驱动信号DRIAD，以驱动开关管A、D开通与关断。同理，开关管B、C驱动生成电路输出的驱动信号DRIBC0通过驱动加强电路加强后输出驱动信号DRIBC，以驱动开关管B、C开通与关断。

无线输电系统工作时，且在初始情况下，主电路发射端回路中没有电流，初始PWM信号起到驱动开关管的作用，开关管实现通断，使发射端回路中有电流。在发射端回路中有电流的同时或者当电流达到一定值时，通过电流来生成相应的驱动信号，具体过程为：

电流检测模块将检测到的电流信号送到控制模块，同时送到图4跟随放大电路中(Isense信号)，经高速运放的跟随与放大之后，将电流信号送到图5的过零比较输出电路中，电流信号被转化成一组方波，零上部分为正，零下部分为0，即输出与检测电流的正负对应的方波，该方波进入图6起振电路中的U7A的2脚。

控制模块接收到电流后，输出的控制信号PWMCHANGE信号为低电平，U7D的11脚输出信号与过零比较输出电路输出的方波信号是一致的，并将信号输出给图7的锁相环电路中进行锁相，通过芯片CD4046的锁相与CD4040的分频后输出一个相位与输入信号一致的方波信号。

将该方波分别送入两个驱动生成电路中进行处理，输出两路驱动信号，该驱动信号滞后电流信号10-20的电角度，且带有死区，分别控制发射端桥式电路的两组对角桥臂开关管的开通与关断，使该桥式电路始终工作在感性区，从而实现了开关管的软开关启动，减小损耗，提高了效率。

当主电路中的负载发生变化时，即负载的阻抗发生了变化，这时等效到发射端，相当于发射端回路中的阻抗发生了变化，这会影响到发射端的谐振参数，所以，负载的变化能够使发射端谐振频率发生变化，当谐振频率变化时就需要控制装置来调整驱动的输出，使发射端回路一直工作在弱感性区间，此时开关管将工作在软开关状态。另外，发射端回路电流与开关管的电压相位会发生改变，当电流相位改变后，该控制装置能始终将电压相位锁在滞后电流一个电角度的状态。

图11是该控制装置在工作时，其中几个关键点处的波形。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，并不局限于上述实施例中给出的各部分的具体结构，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。