一种谐振式无线充电系统的制作方法

本发明涉及无线充电领域，尤其涉及一种谐振式无线充电系统。

背景技术：

无线充电技术，即wirelesschargingtechnology，是指利用电磁感应原理，在充电器和用电装置之间通过磁场进行能量传输，无需用到电导线，其源于无线电能传输技术，根据传输原理主要分为三种：电磁感应耦合式无线充电技术、磁耦合谐振式无线充电技术和微波辐射式无线充电技术。磁耦合谐振式无线充电技术是在电磁感应耦合式原理的基础上加入了谐振的原理，即能量能够在两个具有相同谐振频率的物体之间进行高效地传递。它在电路的组成上与电磁感应耦合式无线电能传输方式类似，都是将整流后的直流电通过高频逆变转换为高频交流电，接收线圈接收到高频交流电后经过整流电路和直流变换电路给用电设备供电。不同的是在发射线圈和接收线圈上添加了谐振电容，通过改变谐振电容值来使系统达到谐振状态，从而实现无线电能传输。

现有技术中，磁耦合谐振式无线充电技术研究的关键问题有：

(1)传输效率和距离问题，当前国内外的研究成果并不能够满足市场对于大功率、远距离和高效率的无线充电设备的需求，特别是在电动汽车无线充电领域，需要更加全面地对该技术进行探索，尤其是电路拓扑的选择以及控制电路优化等方面进行进一步地研究。

(2)系统稳定性，当电动汽车停车位置发生偏移时，系统的传输参数就会发生变化，导致耦合系数降低，影响传输效率，对此可以设计具有较强抗错位能力的电路结构。

(3)成本问题，无线充电由于技术含量较高，其应用成本也非常高，搭建一个电动汽车无线充电装置的成本是传统充电桩的好几倍，成本问题也是阻碍无线充电在电动汽车领域的发展的原因之一。

故，针对现有技术的缺陷，实有必要提出一种技术方案以解决现有技术存在的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，确有必要提供一种谐振式无线充电系统，能够稳定高效地无线传输电能。

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明的技术方案如下：

一种谐振式无线充电系统，包括整流滤波模块、全桥逆变电路、驱动电路、控制电路、信号反馈单元、谐振发射单元以及谐振接收单元，其中，所述整流滤波模块与市电输入相连接，用于输出直流电压以为该系统提供供电；

所述全桥逆变电路用于根据驱动电路的驱动信号将所述整流滤波模块输出的直流电压逆变为与所述谐振发射单元频率相匹配的交流电；

所述谐振接收单元与所述谐振发射单元工作在谐振状态，两者之间产生磁场耦合共振并以此实现能量的无线传输；

所述信号反馈单元与所述谐振发射单元相连接，用于向所述控制电路传输反馈信号；

所述控制电路用于根据反馈信号输出控制信号控制所述驱动电路；

所述控制电路包括限幅和过零检测电路、启动与停止电路、过流保护电路和灭弧电路，所述过流保护电路和限幅和过零检测电路与反馈信号相连接；

所述启动与停止电路采用逻辑器件实现，用于根据所述限幅和过零检测电路、过流保护电路和灭弧电路的输出信号控制所述驱动电路；

所述的限幅和过零检测电路包括二极管d1～d6、电容c1、电阻r1、施密特触发器u1，其中，第一二极管d1的阴极与第三二极管d3的阴极、电容c1的一端相连共同与反馈信号相连接；第一二极管d1的阳极与第二二极管d2的阳极相连；第三二极管d3的阳极与第四二极管d4的阳极相连；第二二极管d2的阴极与第四二极管d4的阴极、第六二极管d6的阴极、施密特触发器u1的第2引脚相连并接地；电容c1的另一端与电阻r1的一端相连；电容r1的另一端与第五二极管d5的阴极、第六二极管d6的阳极、施密特触发器u1的第3引脚相连；第五二极管的阳极与施密特触发器u1的第1引脚相连并接上+5v电源；施密特触发器的第4引脚连接到启动与停止电路的输入端；所述的二极管d1、d4为肖特基二极管；二极管d2、d3为稳压二极管；二极管d5、d6为开关二极管；电容c1为瓷片电容；施密特触发器u1的型号为74hc14；

所述的启动与停止电路包括施密特触发器u2、u6与u7、与门u3和u4、d触发器u5、二极管d7、电阻r2、电容c2，其中，d触发器u5的第1引脚与施密特触发器u7的输出端相连；施密特触发器u7的输入端与二极管d7的阴极、电容c2的一端、电阻r2的一端相连；电容c2另一端接地；第2引脚接地；第3引脚与经过限幅和过零检测电路的信号、施密特触发器u2的输入端、与门u4的第1引脚相连；施密特触发器u2的输出端与与门u3的第一引脚相连，第4引脚与二极管d7的阳极、电阻r2的另一端、施密特触发器u6的输出端相连；第5引脚与与门u3的第2引脚、与门u3的第2引脚相连；与门u3和与门u4的输出端连接驱动电路；第6引脚悬空；所述的施密特触发器u2、u6和u7的型号是74hc14；与门u3和u4型号为74hc08、d触发器型号为74hc74；

所述的过流保护电路包括二极管d8～d11、电容c3～c6、电阻r3～r5、电容c3～c6、可变电阻vr1、电压比较器u9；电压比较器u9的第1引脚与第4引脚、电容c6的一端、电阻r3的一端、电容c3的一端、二极管d9与d11的阴极相连并接地；二极管d9的阳极与二极管d8的阴极、反馈信号的一端相连；二极管d11的阳极与二极管d10的阴极、反馈信号的另一端相连；第2引脚与可变电阻vr1的滑动端、电容c5的一端相连；电容c5的另一端与可变电阻vr1的一端、电容c4的一端相连并接地；可变电阻vr1的另一端与电阻r4的一端相连；第3引脚与电阻r3的另一端、电容c3的另一端、二极管d8和d10的阳极相连；第5引脚和第6引脚相连；第7引脚与电容c6的另一端、电阻r5的一端相连；电阻r5的另一端接+5v电源；第8引脚与电阻r4的另一端电容c4的另一端相连并接上+9v电源；所述的电压比较器u9的型号为lm311；

所述的灭弧电路包括555芯片u10与u11、电阻r6～r14、电容c7～c14、二极管d12～d14、滑动变阻器vr2与vr3、光纤头u12与u13、施密特触发器u14、与门u15、d触发器u16；555芯片u10的第1引脚与第7引脚相连并接地；第2引脚与第6引脚、电容c7、电阻r6的一端相连；电阻r6的另一端接滑动变阻器vr2的一端；电容c7的另一端接地；第3引脚与滑动变阻器vr2的另一端、电容c10的一端相连；第4引脚与第七电阻r7、第十二二极管的阳极、第八电阻的一端、555芯片u11的第8引脚、滑动变阻器vr3的一端相连；第5引脚与第八电容c8的一端相连；第八电容c8的另一端接地；第8引脚与第九电容c9的一端相连；第九电容c9的另一端接地；555芯片u11的第1引脚接地；第2引脚与第十电容c10的另一端、第七电阻r7的另一端、第十二二极管d12的另一端相连；第3引脚与第十电阻r10的一端、第十一电阻r11的一端相连；第4引脚接第八电阻r8的另一端；第5引脚与第十二电容c12的一端相连；第十二电容c12的另一端接地；第6引脚与第7引脚、第九电阻r9的一端、第十三电容c13的一端相连；第九电阻r9的另一端与滑动变阻器vr3的另一端相连；第8引脚与第十一电容c11的一端相连；第十一电容c11的另一端接地；光纤头u12的第2引脚与第6引脚、第7引脚、第十一电阻r11的另一端相连；第3引脚接地；光纤头u13的第2引脚与第6引脚、第十二电阻r12的一端、第十四电容c14的一端相连；第十四电容c14的另一端接地；第3引脚与第十二电阻r12的另一端、施密特触发器u14的输入端、第十四二极管d14的阳极相连；第十四二极管d14的阴极接第十三电阻r13的一端；第十三电阻r13的另一端接+5v电源；第7引脚接地；施密特触发器u14的输出端与与门u15的第1引脚、d触发器u16的第3引脚相连；与门u15的第2引脚与d触发器u16的第5引脚相连；d触发器u16的第1引脚悬空；第2引脚与第4引脚相连并接+5v电源；第6引脚接第十四电阻r14；第十四电阻r14的另一端接地；所述的二极管d13与d14为发光二极管。

作为优选的技术方案，所述信号反馈单元采用互感器。

作为优选的技术方案，所述谐振发射单元包括发射端谐振电容和发射线圈。

作为优选的技术方案，所述谐振接收单元包括接收端谐振电容和接收线圈。

与现有技术相比较，本发明的控制电路采用一系列逻辑器件，可以实现精确控制，同时也进一步降低了成本，有利于无线充电技术的市场推广。

附图说明

图1为本发明谐振式无线充电系统的系统框图。

图2为本发明中控制电路的原理框图。

图3为本发明中限幅和过零检测电路的电路原理图。

图4为本发明中启动与停止电路的电路原理图。

图5为本发明中过流保护电路的电路原理图。

图6为本发明中灭弧电路的电路原理图。

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明提供的技术方案作进一步说明。

参见图1，所示为本发明提供的谐振式无线充电系统的系统框图，包括整流滤波模块、全桥逆变电路、驱动电路、控制电路、信号反馈单元、谐振发射单元以及谐振接收单元，其中，所述整流滤波模块与市电输入相连接，用于输出直流电压以为该系统提供供电；

所述全桥逆变电路用于根据驱动电路的驱动信号将所述整流滤波模块输出的直流电压逆变为与所述谐振发射单元频率相匹配的交流电；

所述谐振接收单元与所述谐振发射单元工作在谐振状态，两者之间产生磁场耦合共振并以此实现能量的无线传输；

所述信号反馈单元与所述谐振发射单元相连接，用于向所述控制电路传输反馈信号；

所述控制电路用于根据反馈信号输出控制信号控制所述驱动电路。

其中，市电输入经过整流滤波得到直流电压，再经过全桥逆变电路为发射线圈提供特定频率的交流电，发射线圈和接收线圈分别与谐振电容构成两个lc谐振电路，通过设计两线圈的物理参数和谐振电容值，使得两线圈的固有频率等于系统工作频率，系统工作在谐振状态，发射线圈和接收线圈发生磁场耦合共振，产生高频交变磁场，交变的磁场辐射到接收线圈，从而产生感应电流，实现了能量的无线传输。

谐振电容主要作用是补偿线圈的感抗值，使系统工作在谐振状态。系统处于谐振状态时，回路中流过的电流可达上百安，同时需要承受上千伏的谐振电压，而且电压频率也很高。

在一种优选实施方式中，所述信号反馈单元采用互感器。

在一种优选实施方式中，所述谐振发射单元包括发射端谐振电容和发射线圈。

在一种优选实施方式中，所述谐振接收单元包括接收端谐振电容和接收线圈。

在一种优选实施方式中，本发明采用美国cde电容，其具有超大容量、高耐压、高工作温度和超宽温度范围、低阻抗、低电感、高频率、高抑制纹波电流能力、超长寿命的特点，具有很好的谐振特性。本发明一种优选实施方式中中设定的系统频率为30khz，实际采用线圈电感为37.42μh，根据以下谐振频率公式可得谐振电容值为：

实际中将6个电容值为0.44μf，耐压值为3000v/70a的cde电容采用三并两串的方式接入电路，能够使系统工作在谐振条件。

在一种优选的实施方式中，整流滤波模块采用桥式整流电路，具体采用的是mdq100-16整流模块。

控制电路是整个系统的核心部分，本发明采用一些列逻辑器件来实现对系统工作的控制，从而实现稳定的逻辑控制。

参见图2，所示为控制电路的原理框图，包括限幅和过零检测电路、启动与停止电路、过流保护电路和灭弧电路，所述过流保护电路和限幅和过零检测电路与反馈信号相连接；所述启动与停止电路采用逻辑器件实现，用于根据所述限幅和过零检测电路、过流保护电路和灭弧电路的输出信号控制所述驱动电路；过流保护电路、限幅电路和过零检测接收来自初级线圈的反馈信号，并与灭弧电路通过一系列逻辑器件连接，其输出的信号通过启动与停止电路控制着全桥的工作，保证全桥工作在软开关状态。

参见图3，所示为限幅和过零检测电路的电路原理图，利用信号反馈互感器截取初级线圈上的反馈信号，得到了一个电压升高、电流减小、频率等于线圈谐振频率的交流信号，该信号经过限幅电路和过零检测电路就得到了一个与谐振频率相同的交流方波，再经过驱动电路放大，用来驱动全桥工作，就完成了自激。具体包括二极管d1～d6、电容c1、电阻r1、施密特触发器u1，其中，第一二极管d1的阴极与第三二极管d3的阴极、电容c1的一端相连共同与反馈信号相连接；第一二极管d1的阳极与第二二极管d2的阳极相连；第三二极管d3的阳极与第四二极管d4的阳极相连；第二二极管d2的阴极与第四二极管d4的阴极、第六二极管d6的阴极、施密特触发器u1的第2引脚相连并接地；电容c1的另一端与电阻r1的一端相连；电容r1的另一端与第五二极管d5的阴极、第六二极管d6的阳极、施密特触发器u1的第3引脚相连；第五二极管的阳极与施密特触发器u1的第1引脚相连并接上+5v电源；施密特触发器的第4引脚连接到启动与停止电路的输入端；所述的二极管d1、d4为肖特基二极管；二极管d2、d3为稳压二极管；二极管d5、d6为开关二极管；电容c1为瓷片电容；施密特触发器u1的型号为74hc14。

其中，由于逻辑电路能承受的电压很低，所以用稳压二极管1n4733和肖特基二极管1n5819反向串联，将反馈回来的高压信号限制在5v左右，通过耦合电容c1再经过电阻r1将信号衰减，再次经过两个1n4148对信号进行限幅，接着经过过零检测施密特触发器，将交流的正弦波转变为方波。这样就得到了自激的方波信号。

参见图4，所示为启动与停止电路的电路原理图，包括施密特触发器u2、u6与u7、与门u3和u4、d触发器u5、二极管d7、电阻r2、电容c2，其中，d触发器u5的第1引脚与施密特触发器u7的输出端相连；施密特触发器u7的输入端与二极管d7的阴极、电容c2的一端、电阻r2的一端相连；电容c2另一端接地；第2引脚接地；第3引脚与经过限幅和过零检测电路的信号、施密特触发器u2的输入端、与门u4的第1引脚相连；施密特触发器u2的输出端与与门u3的第一引脚相连，第4引脚与二极管d7的阳极、电阻r2的另一端、施密特触发器u6的输出端相连；第5引脚与与门u3的第2引脚、与门u3的第2引脚相连；与门u3和与门u4的输出端连接驱动电路；第6引脚悬空；所述的施密特触发器u2、u6和u7的型号是74hc14；与门u3和u4型号为74hc08、d触发器型号为74hc74；

其中，经过限幅和过零检测后的反馈信号送入启动与停止电路，分别接到与门74hc08和d触发器74hc74的clk端。采用两个与门，一个接经过反向后的信号，其目的是不管其他部分出现什么情况，两个与门都不可能同时开启。74hc74作为控制信号导通的核心器件，cd和sd引脚接灭弧和过流保护的输出信号，输出端q接到两个与门的另一个引脚，与经过限幅和过零检测后的反馈信号相与，结果送入驱动放大电路控制全桥工作。74hc74的真值表为：

表174hc74真值表

当u6的输入端为高电平时，经过u6反相送入sd端，为低电平，再经过u7反相后送入cd端，为高电平，输出就为高电平信号，经过驱动放大电路使全桥开启；当u6的输入端变为低电平时，u6输出为高电平，并通过r2给c2充电，由于电容两端电压不能突变，所以u7的输入端还是低电平，这样和都为高电平，当谐振信号为正处于低电平的时候，输出依然是高电平，继续完成自激，当谐振信号从低电平变为高电平时，输出就为低电平，全桥就会截止，这样就保证了全桥工作在软开关的状态。

参见图5，所示为过流保护电路的电路原理图，其目的为了保护全桥的功率器件不被烧坏，当谐振电流过大时自动保护电路。具体包括二极管d8～d11、电容c3～c6、电阻r3～r5、电容c3～c6、可变电阻vr1、电压比较器u9；电压比较器u9的第1引脚与第4引脚、电容c6的一端、电阻r3的一端、电容c3的一端、二极管d9与d11的阴极相连并接地；二极管d9的阳极与二极管d8的阴极、反馈信号的一端相连；二极管d11的阳极与二极管d10的阴极、反馈信号的另一端相连；第2引脚与可变电阻vr1的滑动端、电容c5的一端相连；电容c5的另一端与可变电阻vr1的一端、电容c4的一端相连并接地；可变电阻vr1的另一端与电阻r4的一端相连；第3引脚与电阻r3的另一端、电容c3的另一端、二极管d8和d10的阳极相连；第5引脚和第6引脚相连；第7引脚与电容c6的另一端、电阻r5的一端相连；电阻r5的另一端接+5v电源；第8引脚与电阻r4的另一端电容c4的另一端相连并接上+9v电源；所述的电压比较器u9的型号为lm311；

其中，互感器从谐振回路截取到高压低电流的交流信号，经过整流滤波和取值电阻后接到电压比较器lm311的“-”端，与“+”端的电压相比较，当“+”端电压大于“-”端电压时，电压比较器输出高电平，反之则输出低电平。lm311的输出端接到另一片74hc74的cd端。当谐振电流过高时，电压比较器输出低电平，通过触发器使得驱动输出为低电平，全桥开关管截止。

由于系统工作在谐振状态，电流会不断上升，需要在电流上升到一定程度就切断电路，以保护开关管，这就需要灭弧控制电路来完成。灭弧控制器会产生一个正脉宽和频率可调的方波，去开启和关闭驱动。当方波到高电平的时候，驱动开启，给与igbt栅极驱动信号，谐振电路中电流上升；当方波为低电平时，驱动截止，全桥电路不工作，谐振电路中的电流就会慢慢降下来。当调节滑动变阻器使正脉宽增大时，全桥工作的时间就会变长，给予初级谐振回路的能量就多，初级谐振回路的电流就越大，谐振电压也更高，功率就会变大。当调节滑动变阻器使方波频率增大时，全桥的工作频率也会变高，系统的效率就会升高。

参见图6，所示为灭弧电路的电路原理图，包括555芯片u10与u11、电阻r6～r14、电容c7～c14、二极管d12～d14、滑动变阻器vr2与vr3、光纤头u12与u13、施密特触发器u14、与门u15、d触发器u16；555芯片u10的第1引脚与第7引脚相连并接地；第2引脚与第6引脚、电容c7、电阻r6的一端相连；电阻r6的另一端接滑动变阻器vr2的一端；电容c7的另一端接地；第3引脚与滑动变阻器vr2的另一端、电容c10的一端相连；第4引脚与第七电阻r7、第十二二极管的阳极、第八电阻的一端、555芯片u11的第8引脚、滑动变阻器vr3的一端相连；第5引脚与第八电容c8的一端相连；第八电容c8的另一端接地；第8引脚与第九电容c9的一端相连；第九电容c9的另一端接地；555芯片u11的第1引脚接地；第2引脚与第十电容c10的另一端、第七电阻r7的另一端、第十二二极管d12的另一端相连；第3引脚与第十电阻r10的一端、第十一电阻r11的一端相连；第4引脚接第八电阻r8的另一端；第5引脚与第十二电容c12的一端相连；第十二电容c12的另一端接地；第6引脚与第7引脚、第九电阻r9的一端、第十三电容c13的一端相连；第九电阻r9的另一端与滑动变阻器vr3的另一端相连；第8引脚与第十一电容c11的一端相连；第十一电容c11的另一端接地；光纤头u12的第2引脚与第6引脚、第7引脚、第十一电阻r11的另一端相连；第3引脚接地；光纤头u13的第2引脚与第6引脚、第十二电阻r12的一端、第十四电容c14的一端相连；第十四电容c14的另一端接地；第3引脚与第十二电阻r12的另一端、施密特触发器u14的输入端、第十四二极管d14的阳极相连；第十四二极管d14的阴极接第十三电阻r13的一端；第十三电阻r13的另一端接+5v电源；第7引脚接地；施密特触发器u14的输出端与与门u15的第1引脚、d触发器u16的第3引脚相连；与门u15的第2引脚与d触发器u16的第5引脚相连；d触发器u16的第1引脚悬空；第2引脚与第4引脚相连并接+5v电源；第6引脚接第十四电阻r14；第十四电阻r14的另一端接地；所述的二极管d13与d14为发光二极管。

灭弧控制电路本质上是由两个555定时器组合而成的多谐振荡器，第一片555的输出作为第二片555的第二引脚输入，通过调节滑动变阻器vr2就可以改变输出信号的频率，滑动变阻器vr3控制着输出信号的脉宽，从而控制整个系统的工作。灭弧输出采用光纤连接，其目的是为了避免高频磁场的干扰，同时光纤具有很高的传输速度，可以实现更精确地控制。

由于光纤输出为低电平有效，为了还原波形，在输出端接一个反向器，将反相后的信号同时接到74hc74的clk端和与门中。当系统电流在正常范围时，电压比较器lm311输出为高电平，则为高电平，接电源端，始终为高电平，当灭弧信号从低电平变为高电平时，u10输出为高电平，则u9输出也为高电平，此时全桥开启；当灭弧信号变为低电平是，u10输出依然是高电平，u9输出为低电平，此时全桥截止。当系统电流过大时，电压比较器输出为低电平，则u10输出也为低电平，u9输出也为低电平，全桥截止。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。