本发明属于无线充电技术领域，尤其涉及一种电磁感应式无线充电装置，具体地说是一种基于半控整流电路的高效率无线充电装置。
无线电能传输是一种利用物理空间中的能量载体实现电能由电源侧传输至负载侧的技术。相比于传统的有线电能传输而言，无线电能传输避免了导线摩擦、老化现象，消除火花等。目前无线电能传输技术主要包括微波辐射式、电磁感应式、和磁耦合谐振式三种方式。其中电磁感应式无线电能传输技术以其传输效率高、传输功率大的优点获得广泛的应用。
电磁感应式无线充电装置通过具有相同谐振频率的发射回路和接收回路之间传递电能无线充电。传输效率是衡量无线充电装置的一个重要指标，较低的传输效率表明在传输过程中较多的电能通过热能的形式耗散出去，热能的积累会影响系统运行。另一方面，无线充电装置的负载多为电池负载，因此装置工作时通常希望输出电压或电流保持恒定，同时尽可能提高无线充电装置的效率，由此出现了相应的电路拓扑及控制方法。典型的方法如在发射回路和接收回路分别放置dc/dc电路，利用接收回路dc/dc电路可以控制装置的输出电压，同时通过等步长调节发射回路dc/dc电路的输出电压来搜索最小输入电流点可实现装置最大传输效率，但是该方法调节过程缓慢。针对以上问题，本发明提出一种基于半控整流电路的高效率无线充电装置，其接收回路利用半控整流电路代替传统的二极管整流电路，并且在发射回路添加buck电路，在发射线圈和接收线圈相对位置和负载发生变化的情况下，通过对半控整流电路和buck电路的控制实现高传输效率的恒压恒流充电。目前这样的基于半控整流电路的高效率无线充电装置未见有专利和其它文献报道。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题：提供一种基于半控整流电路的高效率无线充电装置，通过调节半控整流电路和buck电路占空比使得该装置工作在线圈传输最大效率点并且保持装置恒压或恒流输出。
本发明的技术方案：一种基于半控整流电路的高效率无线充电装置，它包括直流电源、第一滤波稳压电容，降压功率开关管，续流二极管，串联电感，第二滤波稳压电容，第一逆变功率开关管，第二逆变功率开关管，第三逆变功率开关管，第四逆变功率开关管，发射电路谐振电容，发射线圈，接收线圈，接收电路谐振电容，霍尔电流传感器，霍尔电压传感器，第一整流二极管，第二整流二极管，第一半控整流电路功率开关管，第二半控整流电路功率开关管，第三滤波稳压电容，负载电阻，电力变换器驱动电路，第一微处理器，第一无线收发模块，第二无线收发模块，信号采集调理电路，第二微处理器，半控整流电路驱动电路；发射线圈与接收线圈相隔一定距离并同轴放置；降压功率开关管、续流二极管、串联电感和第二滤波稳压电容构成buck电路，buck电路的两个输入端子连接直流电源，第一滤波稳压电容与buck电路的两个输入端子并联，第一逆变功率开关管、第二逆变功率开关管、第三逆变功率开关管、第四逆变功率开关管构成高频逆变器，高频逆变器的两个直流输入端子分别与buck电路输出端子相连接，高频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线圈的一端相连接，发射线圈的另一端与高频逆变器的另一输出端子相连；第一整流二极管、第二整流二极管、第一半控整流电路功率开关管和第二半控整流电路功率开关管构成半控整流电路，半控整流电路的两个输入端子分别与接收电路谐振电容的一端和霍尔电流传感器的一个输入端相连接，接收电路谐振电容另一端与接收线圈一端相连接，接收线圈的另一端与霍尔电流传感器的另一个输入端相连接，霍尔电压传感器的两端分别与半控整流电路的两个输入端子相连接，半控整流电路的两个输出端子分别连接负载电阻的两个端子，第三滤波稳压电容接在半控整流电路的两个输出端子之间，信号采集调理电路对霍尔电流传感器和霍尔电压传感器的输出信号进行采集及调理后送入第二微处理器，第二微处理器将信号采集调理电路输出的信号进行a/d转换，同时通过第二无线发射模块接收高频逆变器直流侧的电压信息，并进行计算后产生半控整流电路功率开关控制信号，第二微处理器将该控制信号输入半控整流电路驱动电路，从而驱动半控整流电路功率开关管，第二无线收发模块将第二微处理器计算得到的装置输出电压及电流信息发送给第一无线收发模块，第一无线收发模块将信息传输给第一微处理器，第一微处理器进行计算后得到buck电路功率开关控制信号以及高频逆变器控制信号，第一微处理器将这些控制信号输入到电力变换器驱动电路从而驱动降压功率开关管以及高频逆变器。
下面对本技术方案的原理做进一步说明。
(1)无线电能传输系统工作原理
高频逆变器输出高频交流电压，加到由发射电路谐振电容和发射线圈组成的发射回路上，发射线圈流过高频电路从而发射电能。接收线圈产生感应电压，该感应电压加到由接收线圈、接收电路谐振电容及半控整流电路组成的接收回路。该无线电能传输系统有如下关系：
式中u1为高频逆变器输出的交流电压，i1为流过发射线圈的电流，i2为流过接收线圈的电流，l1、l2分别为发射线圈自感和接收线圈的自感，r1、r2分别为发射线圈内阻和接收线圈的内阻，c1、c2分别为发射电路谐振电容和接收电路谐振电容，re为半控整流电路的输入端口等效电阻。
当高频逆变器输出电压的角频率
通过控制半控整流电路的占空比可以调节半控整流电路输入端口等效电阻re，使之达到最优负载reηmax。
(2)半控整流电路工作原理
半控整流电路工作可分为两种状态，当第一半控整流电路功率开关管和第二半控整流电路功率开关管不导通时，半控整流电路工作在全桥整流状态，此时等效电阻re＝8rl/π2。当第一半控整流电路功率开关管和第二半控整流电路功率开关管导通时，半控整流电路处于短路状态且re＝0。因此半控整流电路一个工作周期的平均等效负载为：
式中d2为半控整流电路的占空比，rl为无线充电装置的负载电阻，可见通过控制半控整流电路的占空比可以调节半控整流电路的输入等效负载re。
(3)无线充电装置输出恒压及恒流的控制原理
保持直流电源udc恒定，同时高频逆变器按正方波输出，其角频率为谐振角频率。根据已设置的buck电路占空比d1可以计算得到高频逆变器输出的交流电压
通过霍尔电流传感器和霍尔电压传感器测量得到流过接收线圈的电流i2以及半控整流电路的输入电压u2，可以计算出半控整流电路的输入端口等效电阻re＝u2/i2，由公式(3)可在第二微处理器中计算出负载电阻rl＝π2re/[8(1-d2)]。然后从第二无线收发模块得到发射侧高频逆变器输出电压u1，根据公式(1)得到
此时半控整流电路输出电压即为无线充电装置的输出电压uo：
输出电流io为：
可见，装置的输出电压uo与高频逆变器的输出电压u1成正比，uo可通过测量霍尔电压传感器电压计算得到，因此可以通过第一无线收发模块和第二无线收发模块将装置输出电压uo和输出电流io的信息发送到第一微处理器，第一微处理器根据预设的装置输出电压或输出电流调节u1，即控制buck电路占空比d1使得uo或io达到预设值并保持不变。
本发明基于半控整流电路的高效率无线充电装置的直流电源电压可达264v，高频逆变器输出交流电压的频率可达500khz，发射线圈和接收线圈的距离可达20cm，装置的直流输出电压可达264v，充电装置的最大充电负荷为500w。
作为优选发射回路高频逆变器的工作频率选择范围40khz至200khz。
作为优选，发射线圈和接收线圈为采用高品质因数利兹线绕制而成的空心圆盘形线圈。
作为优选，发射电路谐振电容和接收电路谐振电容采用高稳定性的cbb电容，稳压电容采用电解电容。
作为优选，霍尔电流传感器和霍尔电压传感器采用准确度为0.5％、响应时间为1μs霍尔电压传感器和电流传感器。
与现有技术相比，本发明有以下优点：
(1)本发明所述的一种基于半控整流电路的高效率无线充电装置可以在发射线圈和接收线圈相对位置及充电负载发生变化的情况下输出恒定的直流充电电压或充电电流，并且可以调节输出的恒流直流充电电压或充电电流大小。
(2)本发明所述的一种基于半控整流电路的高效率无线充电装置接收回路采用半控整流电路代替传统的二极管整流电路，通过控制半控整流电路的占空比可以实现装置在无线电能传输系统最大传输效率下传输电能。
(3)本发明所述的一种基于半控整流电路的高效率无线充电装置在发射回路添加buck电路，同时采用无线收发模块实现发射回路和接收回路之间的相互通信，因此可以实现闭环控制从而保持输出电压或者输出电流恒定。
附图说明
图1为一种基于半控整流电路的高效率无线充电装置电路图；
图1中1是直流电源，2是第一滤波稳压电容，3是降压功率开关管，4是续流二极管，5是串联电感，6是第二滤波稳压电容，7是第一逆变功率开关管，8是第二逆变功率开关管，9是第三逆变功率开关管，10是第四逆变功率开关管，11是发射电路谐振电容，12是发射线圈，13是接收线圈，14是接收电路谐振电容，15是霍尔电流传感器，16是霍尔电压传感器，17是第一整流二极管，18是第二整流二极管，19是第一半控整流电路功率开关管，20是第二半控整流电路功率开关管，21是第三滤波稳压电容，22是负载电阻，23是电力变换器驱动电路，24是第一微处理器，25是第一无线收发模块，26是第二无线收发模块，27是信号采集调理电路，28是第二微处理器，29是半控整流电路驱动电路。
具体实施方式
本发明提出的一种基于半控整流电路的高效率无线充电装置，其实施例如图1所示，它包括直流电源1，第一滤波稳压电容2，降压功率开关管3，续流二极管4，串联电感5，第二滤波稳压电容6，第一逆变功率开关管7，第二逆变功率开关管8，第三逆变功率开关管9，第四逆变功率开关管10，发射电路谐振电容11，发射线圈12，接收线圈13，接收电路谐振电容14，霍尔电流传感器15，霍尔电压传感器16，第一整流二极管17，第二整流二极管18，第一半控整流电路功率开关管19，第二半控整流电路功率开关管20，第三滤波稳压电容21，负载电阻22，电力变换器驱动电路23，第一微处理器24，第一无线收发模块25，第二无线收发模块26，信号采集调理电路27，第二微处理器28，半控整流电路驱动电路29；发射线圈12与接收线圈13相隔一定距离并同轴放置；降压功率开关管3、续流二极管4、串联电感5和第二滤波稳压电容6构成buck电路，buck电路的两个输入端子连接直流电源1，第一滤波稳压电容2与buck电路的两个输入端子并联，第一逆变功率开关管7、第二逆变功率开关管8、第三逆变功率开关管9、第四逆变功率开关管10构成高频逆变器，高频逆变器的两个直流输入端子分别与buck电路输出端子相连接，高频逆变器的一个输出端子与发射电路谐振电容11的一端相连接，发射电路谐振电容11的另一端与发射线圈12的一端相连接，发射线圈12的另一端与高频逆变器的另一输出端子相连；第一整流二极管17、第二整流二极管18、第一半控整流电路功率开关管19和第二半控整流电路功率开关管20构成半控整流电路，半控整流电路的两个输入端子分别与接收电路谐振电容14的一端和霍尔电流传感器15的一个输入端相连接，接收电路谐振电容14另一端与接收线圈13一端相连接，接收线圈13的另一端与霍尔电流传感器15的另一个输入端相连接，霍尔电压传感器16的两端分别与半控整流电路的两个输入端子相连接，半控整流电路的两个输出端子分别连接负载电阻22的两个端子，第三滤波稳压电容21接在半控整流电路的两个输出端子之间，信号采集调理电路27对霍尔电流传感器15和霍尔电压传感器16的输出信号进行采集及调理后送入第二微处理器28，第二微处理器28将信号采集调理电路27输出的信号进行a/d转换，同时通过第二无线发射模块26接收高频逆变器直流侧的电压信息，并进行计算后产生半控整流电路功率开关控制信号，第二微处理器28将该控制信号输入半控整流电路驱动电路29，从而驱动半控整流电路功率开关管，第二无线收发模块26将第二微处理器28计算得到的装置输出电压及电流信息发送给第一无线收发模块25，第一无线收发模块25将信息传输给第一微处理器24，第一微处理器24进行计算后得到buck电路功率开关控制信号以及高频逆变器控制信号，第一微处理器24将这些控制信号输入到电力变换器23驱动电路从而驱动降压功率开关管以及高频逆变器。
本实施例具体设计参数为：一种基于半控整流电路的高效率无线充电装置的充电电压为直流100v，充电负荷为500w，直流电源1的电压为100v，第一滤波稳压电容2、第二滤波稳压电容6和第三滤波稳压电容21电容值均为680μf，续流二极管4采用型号为dpg15i400pm快恢复二极管，串联电感5电感值为1mh，发射电路谐振电容11、接收电路谐振电容14电容值均为36nf，发射线圈12和接收线圈13均为尺寸完全相同的圆盘形绕制，，其内径为5cm，外径为24cm，匝数为30匝，自感值为110μh，霍尔电流传感器15采用准确度为0.5％、响应时间为1μs的霍尔电流传感器，霍尔电压传感器16采用准确度为0.5％、响应时间为1μs的霍尔电压传感器，第一整流二极管17和第二整流二极管18均采用型号为mur3060快恢复二极管，降压功率开关管3、第一逆变功率开关管7、第二逆变功率开关管8、第三逆变功率开关管9、第四逆变功率开关管10、第一半控整流电路功率开关管19、第二半控整流电路功率开关管20均采用型号为k2372的mosfet功率开关管，电力变换器驱动电路23和半控整流电路驱动电路29均采用ir2110驱动芯片，第一微处理器24和第二微处理器28均采用stm32f103rct6微控制器，电力变换器驱动电路23给高频逆变器提供工作频率为80khz的驱动信号，并且给buck电路提供20khz的驱动信号，半控整流电路驱动电路29给半控整流电路提供2khz的驱动信号。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。