一种无线充电高频电源的制作方法

本发明涉及一种无线充电电源，尤其是一种利用数字信号处理器dsp的无线充电高频电源。

背景技术：

在电动汽车无线充电系统中，无线输电电源将380v/50hz的交流电转换为几十khz乃至100khz的高频交流电传输给无线充电系统，对电动汽车充电过程进行管理，实时掌握高频电源的工作状态，对于掌控无线充电系统的工况有着及其重要的作用。

电动汽车无线充电时，高频电源将50hz交流电转换为高频交流电的过程中涉及到一系列的电路结构，在无线充电时，电源输出较高频率的交流电可以有效地提高无线充电系统的传输效率，较高的交流输出频率就要求电源在工作时电源中的整流滤波电路、升降压斩波电路与高频逆变电路的相互配合，既需要能够根据实际的充电需求提供合适的电能，又需要便于外部工作人员对工作状态进行实时干预与监测，由此可见，监控高频电源的运行状态是电动汽车充电的必要条件。

在实际充电过程中，系统的实际运行需要将网侧的电能输送至充电电池一侧，在电能传输时往往会遇到电源充电状态变化的影响，而电源外部状态的变化会对电源电压电流、频率输出特性带来随机的干扰，使高频电源的输出发生错误、失控，无法输出预期电压及功率，并且无线充电时输电线圈的结构变化会导致原有输出频率无法谐振，电能无法有效通过谐振作用传输至负载一侧，对无线充电过程以及电池带来不利影响，因此，通过对高频电源的输出电压、输出功率以及输出频率进行监测与调节，可以让工作人员进一步了解电源的工作状态，便于对充电过程进行电压、功率方面的调节、控制充电速度，并在电源输出电流超过限值时，自动关断电源，同时发出错误信号提示操作人员采取进一步的操作，使充电过程尽快恢复正常，对电动汽车的安全充电有着重要意义。

现有的无线充电高频电源，如何穆楠在《采用dsp控制的电动汽车无线充电系统高频电源设计与制作》文中，提出一种以高频开关为基础的电动汽车无线充电系统，由多级电力电子变换器的组成，主电路包括emc滤波器、整流滤波电路，斩波电路，高频逆变电路等部分，控制电路包括dsp、驱动电路、调理电路等，采用数字信号处理器dsp发出斩波电路和逆变电路触发脉冲信号，在斩波电路输出端进行电压与电流的采样，将采样信号输入dsp进行处理，进行过压过流保护，并进行pi调节，改善输出电压的稳定，但该电源无法对输出电压以及输出频率进行实时监测，致使工作人员无法实时掌握电源的运行状态，不利于对电源工作状态的调节以及对电源运行过程中所出现故障问题的分析，同时无法实现便捷的输出频率调节；当无线输电线圈结构发生变化时，会带来电源无法有效地将电能以谐振的方式传输给负载的问题，难以适应输出线圈结构变化时对电源输出频率调节的要求；江秀道在《电动汽车智能充电系统研究》文中，提出一种电动汽车充电器，在运行时先将220v/380v交流电压通过整流滤波变为直流电，再经逆变电路转换为高频交流电，再经耦合机构得到交流电，再供给后级电路，系统的充电过程受到单片机的控制，并通过单片机对充电过程中的电压电流等进行监测，按键键盘可以对占空比进行调节，进而调节输出电压，液晶屏还可以显示充电电流以及充电电压，但是该系统无法对逆变电路的逆变频率进行调节，当无线传输结构发生变化时，同样会带来电能无法通过线圈无线将电能通过谐振方式有效传输给负载的问题，这就对逆变输出频率调整带来了极大的不便。

以上两种充电电源应用于电动汽车充电的场合，然而第一种电源无法监测输出电、功率与频率，无法使工作人员直观地掌握电源的输出状态，难以对电源的充电过程进行调节；第二种电源无法对输出频率进行调节，无法满足电源输出线圈结构发生变化时对谐振频率变化调节的要求，对线圈的适应能力差，具有较大的局限性。

因此，需要一种能够对输出电压、输出频率、输出功率进行监测，能够对电源的启停、输出频率、输出电压进行调节，发生异常工作状态能及时采取保护动作并报警的高频电源，能够使工作人员能够直观地了解电源的输出状态，便捷地对输出电压、频率进行调节，调控充电过程，同时能够满足输出线圈结构变化对不同谐振频率的需求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种无线充电高频电源，监测输出电压、输出频率、输出功率，通过按键对电源的启动停止进行控制，对输出频率、输出电压进行调节，并在工作状态发生异常时能及时采取保护动作并报警，使工作人员直观地了解电源的输出状态，便捷地对输出电压、频率进行调节，调控充电过程，同时能够满足输出线圈结构变化对不同谐振频率的需求。

上述目的是通过以下技术方案实现的。

一种无线充电高频电源，包括220v/380v交流电压、emc滤波器、整流滤波电路、升降压斩波电路、高频逆变电路、逆变输出滤波电路、输出负载、斩波驱动电路、逆变驱动电路、电压传感器及采样调理电路、电流传感器及采样调理电路和数字信号处理器dsp；其特征在于：

所述数字信号处理器dsp的i/o端口输出端连接有斩波驱动电路及其升降压斩波电路、逆变驱动电路及其高频逆变电路、蜂鸣器驱动电路及其蜂鸣器、显示驱动电路及其液晶显示；i/o端口输入端连接有键盘输入及其上位机，电压传感器及采样调理电路及其逆变输出滤波电路，电流传感器及采样调理电路及其输出负载；

其中，220v/380v交流电压通过emc滤波器以及整流滤波电路变为直流电，通过升降压斩波电路变换为直流电，升降压斩波电路输出的直流电再经高频逆变电路，输出高频方波交流电，传给逆变输出滤波电路，输出高频正弦交流电。

在上述技术方案中，进一步的特征如下：

输出功率、输出电压、输出频率是由键盘输入数字信号处理器dsp，对输入数字信号处理器dsp的数据进行处理，输出触发脉冲。

经电压传感器及采样调理电路转换为能够被数字信号处理器dsp识别的电压信号，经电流传感器及采样调理电路转换为能够被数字信号处理器dsp识别的电流信号，dsp对调理电路输入的电压信号及电流信号进行处理，计算出输出的有功功率p，将输出交流电的频率f、负载两端的电压有效值u输出到液晶屏上显示。

所述高频逆变电路的开关元件是mosfet，升降压斩波电路的开关元件是igbt。

所述斩波驱动电路、逆变驱动电路、蜂鸣器驱动电路、显示驱动电路、电压传感器、采样调理电路、电流传感器及采样调理电路是一组独立的驱动电源。

本发明上述一种无线充电高频电源，是用于电动车无线高频充电，接在无线输电系统发射线圈之前，将交流电输入发射线圈，通过线圈的能量耦合作用将电能输入到接收线圈，完成电能的无线传输，对电动汽车进行无线充电，具体操作和实现方法如下：

（1）所述无线充电高频电源通过按键键盘将所需的输出频率及输出电压输入数字信号处理器dsp，输出电压输入数字信号处理器dsp通过读取键盘输入按键的实际信息对输出电压有效值u、输出交流电的频率f采取相应的调节动作；

（2）按键键盘上设有启动及停止键，通过按下启动及停止按键来实现高频充电电源的启动及停止；

（3）输出交流电压及输出电流经过电压传感器及采样调理电路、电流传感器及采样调理电路转换为电压、电流采样信号，输出电压输入数字信号处理器dsp通过对电压及电流的采样信号进行处理，计算得出输出的电压有效值u、传输的有功功率p、输出交流电频率f，将输出电压有效值u、输出有功功率p、输出交流电的频率f信息显示在液晶显示屏上；

（4）当电源的工作电流过大致使电源工作异常时，通过输出电压输入数字信号处理器dsp输出故障信号，经过蜂鸣器驱动电路开启蜂鸣器，发出报警声音提示工作人员及时处理；

（5）采样调理电路及驱动电路采用分组隔离供电方式，提高采样电压电流值的精度，增加驱动电路工作的稳定性，提高电源的抗干扰能力。

本发明上述所提供的一种无线充电高频电源，与现有技术相比，具有操作性强，能够对输出电压、输出频率、输出功率进行实时监测，能够对电源的启停进行控制，对输出频率、输出电压进行调节，发生异常工作状态能及时采取保护动作并报警，便于工作人员进行电源工作状态的监控，同时适应性、抗干扰能力强，可以与不同的无线电能传输结构连接，实现无线充电功能。

附图说明

图1是无线充电高频电源结构示意图。

图2是按键键盘键位布局示意图。

图3是驱动供电电路结构示意图。

图中：1：220v/380v交流电压；2：emc滤波器；3：整流滤波电路；4：升降压斩波电路；5：高频逆变电路；6：逆变输出滤波电路；7：输出负载；8：斩波驱动电路；9：逆变驱动电路；10：电压传感器及采样调理电路；11：电流传感器及采样调理电路；12：键盘输入；13：蜂鸣器驱动电路；14、显示驱动电路；15：蜂鸣器；16、液晶显示屏；17：数字信号处理器dsp；18、上位机；19：变压器；20：第一路整流滤波；21：第二路整流滤波；22：第三路整流滤波；23：第四路整流滤波。

具体实施方式

本发明目的是设计一种无线充电高频电源，解决在电动汽车无线充电时对电源输出电压、输出交流电频率控制不便的问题，本无线充电高频电源具有对电源的工作状态进行实时检测，发生异常工作状况时报警的功能，为方便理解，下面结合附图对具体的实施方式进行进一步说明。

如附图1、附图2和附图3所述一种无线充电高频电源结构示意图，它包括220v/380v交流电压1、emc滤波器2、整流滤波电路3、升降压斩波电路4、高频逆变电路5、逆变输出滤波电路6、输出负载7、斩波驱动电路8、逆变驱动电路9、电压采样调理电路10、电流采样调理电路11、键盘输入12、蜂鸣器驱动电路13、显示驱动电路14、蜂鸣器15、液晶显示屏16、数字信号处理器dsp17和上位机18。

其中，该数字信号处理器dsp17的i/o端口输出端连接有斩波驱动电路8及其升降压斩波电路4，逆变驱动电路9及其高频逆变电路5，蜂鸣器驱动电路13及其蜂鸣器15，显示驱动电路14及其液晶显示16；i/o端口输入端连接有键盘输入12和上位机18，电压传感器及采样调理电路10及其逆变输出滤波电路6，电流传感器及采样调理电路11及其输出负载7。

其中，50hz的380v/220v交流电压通过emc滤波器2以及整流滤波电路3变为直流电，通过升降压斩波电路4变换为直流电，升降压斩波电路4输出的直流电再经高频逆变电路5，输出高频交流电，传给逆变输出滤波电路6，输出高频交流电。

其中，给定的输出功率、输出电压、输出频率可由键盘输入12数字信号处理器dsp17，对输入数字信号处理器dsp17的数据进行处理，通过dsp17的i/o端口输出触发脉冲。

其中，负载两端的电压经电压传感器及采样调理电路10转换为能够被数字信号处理器dsp17识别的电压信号，流经负载的电流通过电流传感器及采样调理电路11转换为能够被数字信号处理器dsp17识别的电流信号，dsp17对调理电路输入的电压信号及电流信号进行处理，计算出输出的有功功率p，将输出交流电的频率f、负载两端的电压有效值u、输出的有功功率p输出到液晶屏上显示。

其中，该高频逆变电路5使用mosfet，升降压斩波电路4使用igbt。

其中，斩波驱动电路8、逆变驱动电路9、蜂鸣器驱动电路13、显示驱动电路14、电压传感器及采样调理电路10以及电流传感器及采样调理电路11是一组独立的驱动电源。

在现有技术当中，斩波驱动电路8、逆变驱动电路9的作用是提高驱动信号的功率，实现驱动信号对igbt、mosfet开关器件的驱动作用，使开关器件按照预期开通或关断，与现有技术相比，斩波驱动电路8及逆变驱动电路9使用高速光耦合器将触发脉冲与驱动控制的开关器件隔离，有效地避免驱动路中干扰信号对驱动信号的窜入以及对主电路的影响，提高电源工作的抗干扰性；现有技术的电压传感器及采样调理电路10的传感器主要使用霍尔电压传感器，该传感器带宽小，对高频电压无法有效地捕捉检测；本电源的电压传感器及采样调理电路10中的传感器采用磁通门电压传感器，采样调理电路使用高速信号运算放大器进行信号处理，有效避免高频采集电压信号的延迟效应；电流传感器及采样调理电路11中的传感器采用霍尔传感器，采样调理电路使用高速运算放大器进行信号处理，有效避免高频采集电流信号的延迟效应。

本发明上述一种无线充电高频电源是用于电动车无线高频充电，接在无线输电系统发射线圈之前，将交流电输入发射线圈，通过线圈的能量耦合作用将电能输入到接收线圈，完成电能的无线传输，对电动汽车进行无线充电，具体操作和实现方法如下：

（1）所述无线充电高频电源通过按键键盘将所需的输出频率及输出电压输入数字信号处理器dsp17，输出电压输入数字信号处理器dsp17通过读取键盘输入12按键的实际信息对输出电压有效值u、输出交流电的频率f采取相应的调节动作；

（2）按键键盘12上设有启动及停止键，通过按下启动及停止按键来实现高频充电电源的启动及停止；

（3）输出交流电压及输出电流经过电压传感器及采样调理电路10、电流传感器及采样调理电路11转换为电压、电流采样信号，输出电压输入数字信号处理器dsp17通过对电压及电流的采样信号进行处理，计算得出输出的电压有效值u、传输的有功功率p、输出交流电频率f，将输出电压有效值u、输出有功功率p、输出交流电的频率f信息显示在液晶显示屏上；

（4）当电源的工作电流过大，致使电源工作异常时，通过输出电压输入数字信号处理器dsp17输出故障信号，经过蜂鸣器驱动电路13开启蜂鸣器15，发出报警声音提示工作人员及时处理；

（5）采样调理电路及驱动电路采用分组隔离供电方式，提高采样电压电流值的精度，增加驱动电路工作的稳定性，提高电源的抗干扰能力。

下面对上述具体实施方式作进一步的详细说明如下：

如附图1是无线充电高频电源结构示意图，220v/380v交流电压1经emc滤波器2滤除杂波，经整流滤波电路3变换为直流电，经升降压斩波电路4变换为输出电压符合要求的直流电，经高频逆变电路5变换为高频交流方波电压，经逆变输出滤波电路6变换为正弦高频交流电，输出负载7接收到给定电压获取电能进行充电，通过键盘输入12将所需的输出交流电的频率、输出交流电压的有效值输入数字信号处理器dsp17，dsp将输入的键盘信号进行处理，将键盘输入的输出电压频率值转化为pwm模块周期寄存器的值，使输出电压频率与输入一致，将键盘输入的输出电压有效值转换为pwm模块比较寄存器的值，使升降压斩波电路的触发脉冲占空比、高频逆变电路输出电压的占空比发生变化，改变输出电压的有效值。接在输出负载上的电流传感器及电流采样调理电路11、电压传感器及电压采样调理电路10将输出电流、输出电压输入至数字信号处理器dsp17，dsp17通过ad转换得出输出电压的有效值u，输出电流的有效值i，根据输出电压上升沿过零点的时间间隔计算出输出交流电的频率，通过检测输出电压电流的相位差φ，再根据p=uicosφ计算出输出有功功率p，将输出有功功率p、输出电压的有效值u、输出交流电的频率f转换为数字信号，通过显示驱动电路14显示在液晶显示屏16上，当电流传感器及电流采样调理电路11的电流采样值超出给定值时，dsp17发出高电平，经过蜂鸣器驱动电路13，开启蜂鸣器报警。

附图2是按键键盘键位布局示意图，输出电压的有效值由键盘输入12至dsp17，dsp17将键盘12键入的信号转换为与键盘输入12对应的触发脉冲占空比、pwm触发脉冲周期值，对应于输出电压有效值、输出交流电频率值，当电源处于待机状态时，按下键位“启”启动电源，输出电压、输出交流电的频率为上一次的值，按下键位“停”停止输出触发脉冲关断电源，按下数字键0-9再按下键位“频”可以实现对输出交流电频率的更改，按下数字键0-9再按下键位“压”可以实现对输出电压有效值的更改。

附图3是驱动供电电路结构示意图，采样调理电路、驱动电路采用分组隔离供电方式，380v/220v交流电压通过emc滤波器，经变压器19分出4路电压，第一电压经过第一路整流滤波20，为升降压斩波驱动电路8及逆变驱动电路9供电；第二路电压经过第二路整流滤波21，为显示驱动电路14供电；第三路电压经过第三路整流滤波22，为电压传感器及采样调理电路10供电；第四路电压经过第四路整流滤波23，为电流传感器及采样调理电路11供电。