无线电能传输系统及其负载切换时的控制方法与流程

本发明属于无线电能传输领域，尤其涉及一种无线电能传输系统中负载切换控制方法。

背景技术：

近年来，无线充电技术发展迅速，因其非接触、无电线连接、操作方便等特性，备受关注，各种各样的无线充电产品也相继问世。随着其无线充电技术的成熟与应用领域越来越广泛，功率的提升和更好的用户体验越来越重要。

现有的无线充电系统，从整体上看，包括两部分：无线电能发射端和无线电能接收端，而无线电能发射端和无线电能接收端通过磁场来传递能量，两者之间不用电线连接，无线电能发射端要获取无线电能接收端状态信息并进行能量传输的调节，就必须从接收端传送控制讯号到发射端再经解析后进行控制形成一个控制回路，信号的传送则由无线通信系统来完成。

而在无线充电技术控制领域中，从轻载到重载的切换存在着功率变化越大越无法切换成功的问题，究其原因在于：无线电能传输系统需要工作在谐振状态，才能获得最高的系统效率，而接收端的负载以反射阻抗的形式也参与整个系统的谐振。当负载发生变化时，相当于破坏了系统的谐振状态，系统处于暂时的失谐状态，接收端不能从磁场中获得足够的能量，从而导致接收端高频整流滤波后的输出电压出现跌落。由于无线电能传输系统的接收端是无源的系统，控制系统的运行的MCU等部件都是通过电磁场中获得的电能供电。如果接收端的输出电压跌落幅度过大的话，严重时可以使接收端系统处于短时掉电状态，从而使系统工作在不可控的异常状态。同理，负载从重载向轻载切换时，也会由于系统的暂时失谐，而导致接收端整流后输出电压过高，非常容易烧毁后级的稳压电路，或是提高了后级电路的输入电压应力。总结而言，无线电能传输系统的接收端是从电磁场中获取能量，不是一个稳定的恒流源或恒压源，很容易受到负载等变化产生剧烈影响。而在传统的电源系统是从电网中获取电能(通常为稳定的恒压源)，当发生轻重负载之间进行切换时，电源输出的变化通常很小。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种无线电能传输系统及其负载切换控制方法，该发明能有效的防止无线接收端整流后电压的过度起伏，提高了无线电能传输系统工作的稳定性。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种无线电能传输系统，包括连接于电网的无线发射端，以及可接收无线发射端电能的无线接收端，无线发射端包括可传输无线电能的发射线圈，以及可接收通讯信号的无线通信接收模块；无线接收端外连负载，包括可接收发射线圈中发射电能的接收线圈，以及可将接收线圈输出电能转化为通讯信号传输至通信接收模块的无线通信发射模块，无线发射端还包括发射端整流滤波电路，发射端整流滤波电路的输出端并联有逆变电路和线性稳压器，发射线圈连接逆变电路的输出端；发射端MCU连接线性稳压器的输出端和无线通信接收模块的输出端，发射端MCU电连逆变电路的控制端，以控制逆变电路中转换的高频交流电频率；无线接收端的接收线圈连接有接收端整流滤波电路，接收端整流滤波电路的输出端连接DC/DC变换电路，DC/DC变换电路连接输出电压采样电路，以实时采集接收端整流滤波电路整流后的输出电压，输出电压采样电路的输出端连接接收端MCU，接收端MCU连接无线通信发射模块，以将转换后的数字信号传输至无线通信发射模块形成通讯信号；其中，接收端MCU实时采集接收端整流滤波电路的输出电压，并根据采集电压值计算负载切换后的系统谐振频率，以将该频率通过无线通信发射模块和无线通信接收模块发送至发射端MCU，发射端MCU根据判断信号调整无线发射端的起始工作频率，从而抑制无线接收端整流后电压的波动，以维持无线电能传输系统的稳定。

一种无线电能传输系统中负载切换时的控制方法，包括以下步骤：S1：启动无线电能传输系统；S2：发射线圈发射电能，接收线圈接收电能，并经过接收端整流滤波电路整流滤波后输出；S3：输出电压采样电路实时采集整流滤波后的电压，并将该电压输入至接收端MCU；S4：接收端MCU接收输出电压采样电路中的电压信号，并比对单位时间内电压幅值的变化值是否在预设突变范围内：

如在预设突变范围内，则重复执行步骤S2；

如不在预设突变范围内，接收端MCU根据采集的电压信号计算负载变化前以及变化后的系统谐振频率，并将该变化后频率通过无线通信发射模块和无线通信接收模块发送至发射端MCU中，发射端MCU根据该信号调整新的起始输出频率控制信号，并执行步骤S2，直至接收端MCU单位时间内电压幅值的变化值在预设突变范围内。

作为本发明的进一步优化，上述S4的步骤中，接收端MCU比对单位时间内电压幅值的变化值不在预设突变范围内时，如该单位时间内电压幅值快速跌落，则接收端MCU判定负载由轻载变重载，接收端MCU计算负载变化后的系统谐振频率并发送至发射端MCU中时，发射端MCU的输出频率控制信号控制逆变电路输出新的起始工作频率。

作为本发明的进一步优化，上述S4的步骤中，接收端MCU比对单位时间内电压幅值的变化值不在预设突变范围内时，如该单位时间内电压幅值快速升高，则接收端MCU判定负载由重载变轻载，接收端MCU计算负载变化后的谐振频率并发送至发射端MCU中时，发射端MCU的输出频率控制信号控制逆变电路输出新的起始工作频率。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明的无线电能传输系统及其负载切换时的控制方法，其通过接收端MCU实时采集接收端整流滤波电路的输出电压，并通过单位时间内输出电压变化幅度的对比，进而判断负载是否发生变化，进一步传输至无线发射端，无线发射端根据该信号计算新的系统谐振频率并快速调整系统的起始工作频率到新的系统谐振频率附近，从而有效的抑制了整流后电压的剧烈波动，快速达到系统的重新稳定状态。

附图说明

图1为本发明无线电能传输系统的示意图；

图2为本发明无线电能传输系统中负载切换时控制方法的流程图。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

参见图1，是本发明无线电能传输系统的示意图，如图1所示，本发明的无线电能传输系统，包括连接于电网的无线发射端，以及可接收无线发射端电能的无线接收端，无线发射端包括可传输无线电能的发射线圈，以及可接收通讯信号的无线通信接收模块；无线接收端外连负载，包括可接收发射线圈中发射电能的接收线圈，以及可将接收线圈输出电能转化为通讯信号传输至通信接收模块的无线通信发射模块，无线发射端还包括发射端整流滤波电路，发射端整流滤波电路的输出端并联有逆变电路和线性稳压器，发射线圈连接逆变电路的输出端；发射端MCU连接线性稳压器的输出端和无线通信接收模块的输出端，发射端MCU电连逆变电路的控制端，以控制逆变电路中转换的高频交流电频率；无线接收端的接收线圈连接有接收端整流滤波电路，接收端整流滤波电路的输出端连接DC/DC变换电路，DC/DC变换电路连接输出电压采样电路，以实时采集接收端整流滤波电路整流后的输出电压，输出电压采样电路的输出端连接接收端MCU，接收端MCU连接无线通信发射模块，以将转换后的数字信号传输至无线通信发射模块形成通讯信号；其中，接收端MCU实时采集接收端整流滤波电路的输出电压，通过输出电压变化的幅值实时判断负载是否发生突变，并根据采集电压值计算负载切换后的系统谐振频率，以将该频率通过无线通信发射模块和无线通信接收模块发送至发射端MCU，发射端MCU根据接收端MCU的计算值调整无线发射端的输出新的起始调节频率，从而抑制无线接收端整流后电压的跌幅，以维持无线电能传输系统的稳定状态。

上述中，进一步说明，接收端MCU具体包括可实时接收整流滤波电路中输出电压的采集模块，可将模拟信号转为数字信号的AD模数转换模块，可去除采集电压中噪声信号的滤波模块，可存储采集信号的存储模块，可实时判断单位时间内电压幅值变化是否突变的比对模块，预存工作频率计算公式的计算模块，以及可根据比对模块中产生信号生成控制信号的控制模块，其中比对模块中预设突变范围值，单位时间内电压幅值变化与该预设突变范围值比较，如在该突变范围内，则该无线电能系统继续维持现有频率运行；如超出突变范围，则形成突变信号，计算模块中预存可根据采集电压计算工作频率的计算模块，进一步将该计算后的工作频率传送至发射端MCU，发射端MCU控制系统按照该计算后的工作频率控制无线发射端中逆变电路的跳变到新的起始工作频率，直至接收端MCU中比对模块中比对发现单位时间内电压幅值变化在该预设突变范围值中。

另外，发射端MCU与逆变电路之间连接有驱动电路，以将控制模块中形成的控制信号通过驱动电路控制逆变电路。

参见图2，是本发明无线电能传输系统中负载切换时的控制方法的流程示意图。如图2所示，本发明中提供的一种无线电能传输系统中负载切换时的控制方法，包括以下步骤：

S1：启动无线电能传输系统；

S2：发射线圈发射电能，接收线圈接收电能，并经过接收端整流滤波电路整流滤波后输出；

S3：输出电压采样电路实时采集整流滤波后的电压，并将该电压输入至接收端MCU；

S4：接收端MCU接收输出电压采样电路中的电压信号，并比对单位时间内电压幅值的变化值是否在预设突变范围内：

如在预设突变范围内，则重复执行步骤S2；

如不在预设突变范围内，接收端MCU根据采集的电压信号计算负载变化前以及变化后的系统谐振频率，并将该变化后频率通过无线通信发射模块和无线通信接收模块发送至发射端MCU中，发射端MCU根据该信号调整输出新的起始频率控制信号，并执行步骤S2，直至接收端MCU单位时间内电压幅值的变化值在预设突变范围内。

另外，在上述S4的步骤中，接收端MCU比对单位时间内电压幅值的变化值不在预设突变范围内时，如该单位时间内电压幅值快速跌落，则接收端MCU判定负载由轻载变重载，接收端MCU计算负载变化后的系统谐振频率并发送至发射端MCU中时，发射端MCU的输出频率控制信号控制逆变电路输出频率到新的起始工作频率。

在上述S4的步骤中，接收端MCU比对单位时间内电压幅值的变化值不在预设突变范围内时，如该单位时间内电压幅值快速上升，则接收端MCU判定负载由重载变轻载，接收端MCU计算负载变化后的工作频率并发送至发射端MCU中时，发射端MCU的输出频率控制信号控制逆变电路输出频率到新的起始工作频率。

对上述控制方法进一步详细说明，因系统的负载发生变化时，需要保持无线电能传输系统始终工作在谐振频率附近的频率上，这样才能保证输出足够的功率及较高的系统效率。在本发明中，负载切换前和切换后系统的工作频率可以根据如下的方法进行计算(以发射端和接收端都为串联补偿的SS型补偿拓扑为例，并且系统工作在感性区)，而该计算公式即为接收端MCU中预存的计算公式，具体如下：

接收端电路等效阻抗为：

接收端电路到发射端的反射阻抗为：

则无线电能传输系统的总阻抗为：

当总阻抗Zt的虚部为零时的ω，则为无线电能传输系统的谐振频率点。即

Im[Z_t]＝0

联立即可解系统的谐振频率。

假设负载在切换之前的工作起始频率为F_L，负载切换之后的起始频率为F_H，F_L和F_H通过上述公式可具体确定无线电能传输系统的谐振频率。

在负载切换过程中，由于无线电能传输系统处于暂时的失谐状态，接收端的整流滤波后输出电压出现快速的跌落。为此，本发明采用基于负载变化的跳频控制，快速将系统的工作频率调整到重载或轻载状态下所对应的系统工作频率，从而快速恢复系统的谐振状态。

为了系统能够实时知道何时发生了负载从轻载到重载或重载到轻载的切换，本发明中设置的输出电压采样电路，可实时监测接收端的整流滤波后输出电压的变化的方法。接收端的输出电压对应为工作频率点F_L或F_H附近对应的Vrect，在未发生负载变化时，通常Vrect只在非常小的范围内波动(比如波动范围△Vrect小于5V)。若无线电能传输系统检测到Vrect的波动远远超过正常的波动范围△Vrect，如短时间变化到N倍的△Vrect(N通常可以取为3-4倍)，此时可以认为无线电能传输系统发生了负载的切换。这时接收端MCU可以根据变化的方向(如果Vrect变高，则对应重载到轻载；如果Vrect变低，则对应轻载到重载切换)，通过无线通信的发射与接收模块，通知无线电能传输系统的发射端将系统的工作频率切换到相应的F_L或F_H，从而让无线电能传输系统快速进入一个新的稳定的谐振状态。

针对上述方法，进一步详细描述如下：

系统上电后，接收端MCU实时采集并处理整流滤波电路输出的电压，同时通过比对单位时间内电压幅值变化值与预设突变范围值，进一步判断负载是否发生变化；当出现了轻重载切换的瞬间，接收端MCU根据采集的电压值计算负载变化后的系统谐振频率，并通过无线通信发射模块将该频率信号通过无线通讯接收模块和无线通讯接收模块对数据进行数据解密、格式解析、校验和验证以及数据提取的操作，以取出控制信号；无线发射端MCU接收到该信号后，进一步控制逆变电路输出频率，以调整无线电能传输系统的起始工作频率，直至该接收端MCU在比对单位时间内电压幅值变化值与预设突变范围值时，电压幅值变化值在预设突变范围值内，则继续稳定运行。

本发明通过接收端MCU实时采集接收端整流滤波电路的输出电压，并通过单位时间内输出电压的对比，进而判断负载是否发生变化，进一步计算系统新的谐振频率并通过通信模块传输至无线发射端，无线发射端根据该信号调整新的起始工作频率，从而有效的抑制了整流后电压的剧烈波动，快速达到系统的重新稳定状态。