一种无线充电系统发射端谐振电流检测方法及装置与流程

本发明属于无线充电技术领域，具体涉及一种无线充电系统发射端谐振电流检测方法及装置。

背景技术：

目前，无线充电是采用无线电波及电磁感应技术，通过无线充电器内的线圈和待充电设备内的线圈感应产生电流，并将感应电流转换成电磁波信号，而电磁波信号从无线充电器传输到待充电设备后，通过待充电设备内的接收装置对接收的电磁波信号转换成设备充电所使用的直流电源，从而实现对设备的电池进行充电。

如图1所示为无线充电系统结构图，其传输机理为：发射端的lc自有谐振频率与逆变电源的开关频率一致时，发射端lc处于谐振最强的工作状态，此时如果接收端的lc自有谐振频率与该谐振频率一致，那么接收端的l与发射端的l就会发生强磁耦合，即满足了无线电能传输的条件。

无线充电发射端能量传输主要利用电力电子器件通过全桥逆变实现，开关频率一般在20khz～100khz之间。其中，无线充电系统发射端谐振电流的检测是实现无线充电功率传输中必不可少的部分，以谐振电流的频率、有效值与幅值为控制对象，通过对开关管控制可以方便实现频率调节与占空比调节，以此来达到频率跟踪及功率控制。故其频率、有效值和幅值更新的实时性与准确性将直接影响整个系统控制参数的整定与性能的稳定。

国内外无线充电系统发射端谐振电流的频率、幅值和有效值的检测方法研究主要采用软件检测的方法。软件检测主要通过傅里叶算法，单个周期内通过固定点的采集计算出谐振电流基波的实部和虚部，进而求出谐振电流幅值、相位信息，但前提必须知道基波的当前周期，才能根据傅里叶算法采集点的多少划分谐振电流采样间隔时间，这就需要外置的锁频装置求出当前频率；由于谐振电流为高频信号，采样时间间隔受采样芯片的采样速率限制，间接提高采样芯片成本，同时傅里叶算法实现复杂、对控制芯片的运算速度要求较高，一般控制芯片无法满足其运算、实时性需求；综上，软件检测存在采样速率、控制芯片运算速率要求高以及算法实现复杂等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种无线充电系统发射端谐振电流检测方法及装置，用以解决现有技术中对谐振电流信息进行检测时算法复杂、对控制芯片要求高的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

本发明提供了一种无线充电系统发射端谐振电流检测方法，包括如下方法方案：

方法方案一，包括如下步骤：

采集上一周期的电流信号，得出信号周期t；

根据信号周期t，计算待测相位在上一周期所对应的时刻加上信号周期t，得到待测相位在当前周期所对应的时刻采集时刻的电流信号，得到当前周期的待测相位的电流值。

方法方案二，在方法方案一的基础上，所述当前周期的待测相位的电流值包括电流的有效值和/或电流的幅值。

方法方案三，在方法方案一的基础上，所述采集上一周期的电流信号，得出信号周期t包括：

采集上一周期的电流信号，将其转换成与其相位一致的矩形脉冲；

根据矩形脉冲的上升沿或者下降沿的间距时长，得出信号周期t。

方法方案四，在方法方案二的基础上，所述采集时刻的电流信号，得到当前周期的待测相位的电流值包括：

采集时刻的电流信号，即为当前周期的待测相位的电流的有效值；

根据当前周期的待测相位的电流的有效值，并计算待测相位的正弦值，得到当前周期的待测相位的电流的幅值：

其中，im为当前周期的待测相位的电流的幅值，irms为当前周期的待测相位的电流的有效值，为待测相位，为待测相位的正弦值。

方法方案五，在方法方案一的基础上，所述待测相位在上一周期所对应的时刻为：

其中，为待测相位，t为信号周期，为待测相位在上一周期所对应的时刻。

本发明还提供了一种无线充电系统发射端谐振电流检测装置，包括如下装置方案：

装置方案一，包括采集模块和控制器；

所述采集模块用于采集上一周期的电流信号和时刻的电流信号；

所述控制器用于根据信号周期t，计算待测相位在上一周期所对应的时刻加上信号周期t，得到待测相位在当前周期所对应的时刻并根据采集模块采集的时刻的电流信号得到当前周期的待测相位的电流值。

装置方案二，在装置方案一的基础上，所述当前周期的待测相位的电流值包括电流的有效值和/或电流的幅值。

装置方案三，在装置方案一的基础上，还包括转换模块，所述转换模块用于根据采集模块采集的上一周期的电流信号，将其转换成与其相位一致的矩形脉冲；所述处理器还用于根据矩形脉冲的上升沿或者下降沿的间距时长，得出信号周期t。

装置方案四，在装置方案三的基础上，所述转换模块包括比较器，所述比较器的同相输入端用于连接采集模块的输出端，反相输入端经过电阻接地，输出端用于连接所述控制器。

装置方案五，在装置方案四的基础上，所述比较器的输出端通过光耦隔离元件连接所述控制器。

装置方案六，在装置方案五的基础上，采集模块的输出端依次经过电压跟随器和放大器连接所述比较器的同相输入端。

装置方案七，在装置方案一的基础上，所述控制器包括dsp和fpga。

装置方案八，在装置方案二的基础上，所述控制器用于采集时刻的电流信号，得到当前周期的待测相位的电流值包括：

采集时刻的电流信号，即为当前周期的待测相位的电流的有效值；

根据当前周期的待测相位的电流的有效值，并计算待测相位的正弦值，得到当前周期的待测相位的电流的幅值：

其中，im为当前周期的待测相位的电流的幅值，irms为当前周期的待测相位的电流的有效值，为待测相位，为待测相位的正弦值。

装置方案九，在装置方案一的基础上，所述待测相位在上一周期所对应的时刻为：

其中，为待测相位，t为信号周期，为待测相位在上一周期所对应的时刻。

本发明的有益效果：

本发明的无线充电系统发射端谐振电流检测方法及装置，基于谐振电流频率在相邻周期内无法突变，以及三角函数的实时值、相位角、幅值和有效值相关联的思路，由上一周期谐振电流信号的周期，得到上一周期待测相位时刻，进而得到当前周期待测相位时刻，在当前周期待测相位时刻输出触发信号给采样模块启动一次采样，即可得到当前谐振周期待测相位时刻的电流。该方法实现简单、实时性较高，可以快速锁定当前高频谐振电流的频率、幅值以及有效值，易于实现，进而可以参与无线充电系统的控制和保护。

进一步地，将采集的发射端谐振电流信号转换成与其相位一致的矩形脉冲，通过矩形脉冲的上升沿或下降沿的间距时长得到谐振电流的周期和频率。该方法简单，易于实现，成本较低。

附图说明

图1是本发明的无线充电系统发射端谐振电流检测装置原理图；

图2是本发明的无线充电系统发射端谐振电流检测装置中转换模块电路原理图；

图3是本发明的无线充电系统发射端谐振电流检测方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示为本发明的无线充电系统发射端谐振电流检测装置原理图，在发射端的l、c之间设置谐振电流的检测装置，包括采集模块、转换模块和控制器，采集模块和转换模块相连，转换模块和控制器连接；采集模块用于采集上一周期的电流信号和时刻的电流信号；转换模块用于根据采集模块采集的上一周期的电流信号，将其转换成与其相位一致的矩形脉冲；所述处理器用于根据矩形脉冲的上升沿或者下降沿的间距时长，得出信号周期t，还用于根据信号周期t，计算待测相位在上一周期所对应的时刻加上信号周期t，得到待测相位在当前周期所对应的时刻并根据采集模块采集的时刻的电流信号得到当前周期的待测相位的电流值。

该检测装置在无线充电系统满足无线充电条件时，通过电流互感器采集无线充电系统的发射端的谐振电流，通过如图3所述的电路进行信号调理，再送入控制器进行计算。其中，采用ti的tms320f28335与xc6slx9-2ftg256i作为无线充电系统的控制芯片，工作主频达150mhz，能够快速实时地完成各种数字控制算法的计算。

如图3所示，转换模块包括第一运放器u2、第二运放器u1a、第三运放器u1b和隔离光耦u3。第一运放器u2及其外围电路构成比较器，第二运放器u1a及其外围电路构成电压跟随器，第三运放器u1b及其外围电路构成放大器。

将采集的无线充电系统的发射端的谐振电流，首先通过电压跟随电路进行信号的跟随，将信号缓冲、隔离、提高带载能力。该电压跟随电路包括第二运放器u1a。无线充电系统的发射端的谐振电流信号通过限流电阻r1接入第二运放器u1a的同相输入端，第二运放器u1a的输出端通过电阻r2连接第三运放器u1b的同相输入端，第二运放器u1a的输出端还连接第二运放器u1a的反相输入端。第二运放器u1a的正电源端连接vcc+5.0v，正电源端还连接有接地电容c2，第二运放器u1a的反电源端连接vcc-5v，反电源端还连接有接地电容c1。第二运放器u1a可采用ad8066ar。

接着，将跟随的信号送入放大器，将电压跟随器输出的信号放大两倍，放大两倍后的信号与谐振电流同相位。该放大器包括第三运放器u1b，第三运放器u1b的输出端通过电阻r6连接第一运放器u2的同相输入端，第三运放器u1b的输出端还通过电阻r5连接第一运放器u2的反相输入端，第一运放器u2的反相输入端还通过电阻r3接地，第一运放器u2的反相输入端与同相输入端之间连接有电容c3。第三运放器u1b也可采用ad8066ar。

然后，将放大两倍后的信号经过比较器将正弦波转换成同相位的方波。比较器包括第一运放器u2，第一运放器u2的反相输入端通过电阻r7接地，第一运放器u2的输出端通过电阻r8连接隔离光耦u3原边的1脚；第一运放器u2的负电源端连接-5v，还通过电容c4接地；第一运放器u2的正电源端连接vcc+5.0v，还通过电容c5接地。第一运放器u2可采用tl3016id。

最后，再将转换成方波的信号通过电阻r3送入光耦隔离u3的1脚，光耦隔离u3的输出端5脚经限流电阻r11送入fpga。

基于上述电路，可实现将采集的发射端谐振电流信号转换成与其相位一致的矩形脉冲。在此基础上，可计算出谐振电流的频率、幅值和有效值。具体地：

1)当fpga检测到无线充电发射端谐振电流的调理电路送出的方波信号后，通过该信号的上升沿、下降沿时刻计算上一周期的周期值t，进而可得到上一周期谐振电流的频率f＝2π/t。

2)由于谐振电流频率在相邻周期内无法突变，故当前周期的周期值与上一周期的周期值可近似看作相同，上一谐振周期谐振电流信号的周期t，得到当前谐振周期电流信号的周期，也为t。

3)计算待测相位45°在上一周期所对应的时刻t45°，再加上周期t，得到45°在当前周期所对应的时刻：

4)当fpga检测到当前周期内时刻等于t45°′时，fpga输出脉冲信号至dsp，触发dsp自身adc采样模块采集发射端谐振电流的实时值i45°，该值即为当前谐振电流的有效值irms，即：

irms＝i45°

5)由于当前谐振电流的幅值im乘以sin45°为当前谐振电流的有效值irms，故可得到当前谐振电流的幅值，即：

除了fpga和dsp，也可采用其他控制芯片来进行频率、有效值与幅值计算。

作为其他实施方式，也可采用在谐振电流周期30°时触发ad模块采样当前谐振电流实时值。

亦或者，也可采用触发外置ad采样芯片来采集无线充电发射端谐振电流实时值。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。