基于低频pwm整流器及补偿电容的无线充电装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线充电技术领域，尤其设及一种磁禪合谐振式无线充电装置，具体 地说是一种基于低频PWM整流器及补偿电容的无线充电装置。
【背景技术】
[0002] 相对于传统有线充电方式，无线充电方式具有使用安全方便、无火花及机械磨损 等问题，并能够适应多种恶劣环境。无线充电方式主要依靠无线电能传输技术来实现，无线 电能传输技术主要包括福射式、电磁感应式和磁禪合谐振式=种方式，其中磁禪合谐振式 无线电能传输技术因其传输距离、功率及效率等方面的综合优势获得了广泛的应用。
[0003] 磁禪合谐振式无线电能传输技术能在具有相同谐振频率的发射电路和接收电路 之间实现高效的能量交换，调谐是磁禪合谐振式无线能量传输的关键。目前调谐技术主要 分为调节系统工作频率和调节谐振网络元件两类。调节系统工作频率的调谐技术必须W发 射电路和接收电路具有相同谐振频率为前提才能实现电能的有效传输，而调节谐振网络元 件技术又分为调节电容阵列及调节相控电感两种方式，调节电容阵列方式存在控制量不连 续的问题，调节相控电感则会引入较大的谐波。另一方面，充电装置通常用来对蓄电池组进 行恒流或恒压充电，因此需要提供直流输出电压。由于接收电路接收到的是高频交流电能， 所W需要进行整流再对蓄电池组供电。目前通常采用的整流方式是二极管桥式整流，但二 极管桥式整流得到的直流输出电压会随着发射线圈与接收线圈间的互感及负载的变化而 变化，所W往往利用DC/DC变换器进行调整，运就增加了电路的处理环节。可W利用一个PWM 整流器来代替二极管桥式整流和DC/DC变换器，它可W实现接收电路的调谐控制及恒压输 出，但运种方式的调谐及输出电压范围受电路参数的影响很大，在接收线圈自感较大时会 导致系统无法调节至谐振稳态或目标输出电压。为了减小接收线圈的自感，可W重新设计 和绕制接收线圈，但运样增加了工作量。此外，磁禪合谐振式无线充电装置中无线传输工作 频率一般在几十kHz,如果采用普通的高载波比PWM整流器调制方式，那么功率开关的开关 频率将会很高，所带来的开关损耗亦会很高，而且在较大功率输出时，一般功率开关器件很 难满足要求。因此运里提出一种基于低频PWM整流器及补偿电容的无线充电装置，该装置发 射电路采用调频谐振技术，接收电路采用低频PWM整流器及补偿电容相结合的谐振技术实 现对直流输出电压和电流的控制，PWM整流器采用单个脉冲的调制方式W降低功率开关的 开关频率，增大功率开关的负载能力，补偿电容用来部分补偿接收线圈的自感，方便实现接 收电路的谐振稳态和调整输出电压目标值。目前运样的基于低频PWM整流器及补偿电容相 结合的方式来同时实现接收电路谐振和输出电压目标值的大功率磁禪合谐振式无线充电 装置未见有专利及文献报道。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题:提供一种基于低频PWM整流器及补偿电容的磁禪合 谐振式无线充电装置，利用单个脉冲的调制方式降低PWM整流器功率开关的开关频率并保 持装置的恒压直流输出，利用补偿电容来部分补偿接收线圈的自感，同时实现接收电路的 谐振和输出目标电压。
[0005] 本发明的技术方案:一种基于低频PWM整流器及补偿电容的磁禪合谐振式无线充 电装置，它包括整流电路，第一滤波稳压电容，第一逆变功率开关，第二逆变功率开关，第= 逆变功率开关，第四逆变功率开关，发射电路谐振电容，第一霍尔电流传感器，发射电路谐 振线圈，接收电路谐振线圈，补偿电容，第二霍尔电流传感器，第一整流功率开关，第二整流 功率开关，第=整流功率开关，第四整流功率开关，第二滤波稳压电容，第一谐振滤波电容， 第一谐振滤波电感，第二谐振滤波电容，第二谐振滤波电感，负载电阻，高频逆变驱动电路， 第一微处理器，第一模数转换器，第一霍尔电压传感器，第一信号检测调理电路，第二霍尔 电压传感器，第二信号检测调理电路，PWM整流器驱动电路、第二微处理器，第二模数转换器 和第=霍尔电压传感器;发射电路谐振线圈和接收电路谐振线圈相隔一定距离并同轴放 置;整流电路的两个输入端子为该无线充电装置的交流电源输入端口，整流电路的两个输 出端子和第一滤波稳压电容并联，第一逆变功率开关、第二逆变功率开关、第=逆变功率开 关和第四逆变功率开关构成全桥逆变器，全桥逆变器的两个直流输入端子分别连接整流电 路的两个输出端子，全桥逆变器的一个输出端子与发射电路谐振电容的一端相连接，发射 电路谐振电容的另一端与发射电路谐振线圈的一端相连接，发射电路谐振线圈的另一端与 第一霍尔电流传感器的一个输入端相连接，第一霍尔电流传感器的另一个输入端与全桥逆 变器的另一个输出端子相连接，第一霍尔电压传感器的两个输入端子分别与全桥逆变器的 两个输出端子相连接，第一信号检测调理电路将第一霍尔电压传感器和第一霍尔电流传感 器的输出信号进行调理后送入第一模数转换器，第一微处理器接收来自第一模数转换器的 数字信号并经计算后产生频率可调的全桥逆变器功率开关方波控制信号，该控制信号通过 高频逆变驱动电路驱动全桥逆变器的功率开关;第一整流功率开关、第二整流功率开关、第 =整流功率开关、第四整流功率开关和第二滤波稳压电容构成全桥PWM整流器，全桥PWM整 流器交流侧的两个输入端子分别连接补偿电容的一端和第二霍尔电流传感器的一个输入 端，补偿电容的另一端与接收电路谐振线圈的一端相连接，接收电路谐振线圈的另一端与 第二霍尔电流传感器的另一输入端相连接，第二霍尔电压传感器的两个输入端子分别与接 收电路谐振线圈的两个端子相连接，全桥PWM整流器直流侧的两个输出端子也就是该无线 充电装置的直流输出端口的两个输出端子，其中一个输出端子分别连接第一谐振滤波电容 的一端和第二谐振滤波电容的一端，另一个输出端子分别连接第一谐振滤波电感的一端和 第二谐振滤波电感的一端，第一谐振滤波电容的另一端与第一谐振滤波电感的另一端相连 接，第二谐振滤波电容的另一端与第二谐振滤波电感的另一端相连接，无线充电装置的直 流输出端口的两个输出端子分别连接充电负载的两个端子，第=霍尔电压传感器的两个输 入端子分别与无线充电装置的直流输出端口的两个输出端子相连接，第二信号检测调理电 路将第二霍尔电压传感器、第=霍尔电压传感器和第二霍尔电流传感器的输出信号进行调 理后送入第二模数转换器，第二微处理器接收来自第二模数转换器的数字信号并经计算后 产生全桥PWM整流器功率开关控制信号，该控制信号通过PWM整流器驱动电路驱动全桥PWM 整流器的功率开关。
[0006] 下面对本技术方案的原理做进一步说明。
[0007] (1)发射电路调谐控制原理
[0008] 发射电路中全桥逆变器交流侧的电路为发射电路谐振电容和发射电路谐振线圈 组成的串联电路，通过比较第一霍尔电压传感器和第一霍尔电流传感器的输出信号的相位 差，并根据相位差的正负实时调整全桥逆变器功率开关方波控制信号的频率，使发射电路 趋于谐振状态。
[0009] (2)接收电路工作原理
[0010] 接收电路主要由接收电路谐振线圈、补偿电容、全桥HVM整流器等组成，其交流侧 有如下关系式：
[0012]式中
为接收电路谐振线圈的感应电压，M为发射电路谐振线圈与接收电路 谐振线圈之间的互感，ip(t)为发射电路正弦波电流，is(t)为接收电路电流，L2为接收电路 谐振线圈自感，Co为补偿电容，R2为接收电路线路电阻，UAB(t)为全桥PWM整流器交流侧端口 电压。全桥PWM整流器的脉宽调制函数S(t)可表述为：当第一整流功率开关VSi和第四整流 功率开关VS4导通时，S(t) = 1;当第二整流功率开关VS2和第S整流功率开关VS3导通时，S (t)=-l;当VSi和VS3导通或VS2和VS4导通时，S(t)=0。由于全桥P歷整流器采用载波比为1 的单脉冲调制技术，即在一个正半周和一个负半周里各仅有一个调制脉冲，因此脉宽调制 函数S(t)可表示为：
(2)
[0014]式中0为单脉冲的占空角，单脉冲的脉宽可表示为31-20，CO为发射电路全桥逆变器 的驱动方波角频率。忽略全桥PWM整流器直流输出侧的交流成分，其交流侧端口电压UAB( t) =UdcS (t )，其中Udc为全桥PWM整流器直流输出电压，考虑到接收电路谐振线圈的感应电压 为正弦波电压，因此is(t)可表示为：
(3)
[0016]式中脚为接收电路电流基波(n=l)及n次谐波的初相角。式(1)两边同乘Wis(t)可 得：
[0018] 式中Ip为ip(t)的有效值，(61为接收电路谐振线圈感应电压与is(t)基波的相角 差，S(2n-1)为UAB(t