通过低频脉冲控制实现谐振跟踪的无线电能传输系统的制作方法

本发明属于无线电能传输，具体涉及一种通过低频脉冲控制实现谐振跟踪的无线电能传输系统。

背景技术：

1、通过电路谐振传输能量的无线电能传输(wpt)技术具有方便、安全等优势，这令其受到了广泛运用与研究。

2、作为完成交直流转换的基本功能，逆变器的控制是wpt中的重点研究内容。例如基本的pulse width modulation(pwm)功率控制策略、利用on-off键控调制控制在容性负载下实现了无dc/dc转换器的阻抗转换、pulse frequency modulation(pfm)技术利用能量密度调控实现了软开关下的功率控制、逆变器相位控制技术实现了基于交叉天线的无线能量波束成形等等。

3、wpt以谐振作为能量传输模式用于提高效能。线圈电流频率与谐振频率精准匹配是谐振有效运行的关键，然而受到测量精度、环境温度、器件公差等因素的影响，wpt的谐振频率是可变的，特别是充电距离变化引起的阻抗改变。运行频率与谐振频率的偏差会造成失谐，这会加大系统无功损耗并降低系统能效，因此谐振跟踪是wpt中的研究热点。

4、通过获取电路谐振信息进行反馈控制是实现谐振跟踪的直观方案。根据对象的不同可以把反馈控制方案分为输入频率改变与谐振参数切换两种。参数切换主要通过控制阵列线圈、可调电容等方式实现。额外的开关器件会带来工作损耗，同时器件参数的不连续性也使其很难实现精准的谐振追踪，所以该方式在实用性与成本上并没有优势。相比于参数切换，改变频率方案是通过控制逆变器频率追踪谐振频率。该方案无需添加额外的元件从而具有更优的效率，同时基于逆变器的控制是其在功能拓展上更具灵活性。然而这两种方案本质是设计一套反馈控制系统实现谐振跟踪。由于wpt的谐振状态易变且检测困难，其不仅需要精确的检测电路获取谐振信息、还需复杂的控制算法才能实现谐振跟踪，这不仅会增加成本并且还造成了系统在实时性与鲁棒性上的瓶颈。

5、wpt中的谐振不仅可以通过外部周期交流能量驱动产生，还可以通过自振荡。基于自振荡所产生的电路谐振频率只与内部谐振参数有关。相比于反馈控制方案，通过自振荡实现谐振跟踪无需任何谐振信息反馈与算法控制，具有更优的成本，并解决了反馈控制方案在实时性与鲁棒性上的瓶颈。s.assawaworrarit等人在nature上提出了一种宇称非对称电路提高wpt鲁棒性，其本质是通过等效负电阻相消构造对称电路实现自振荡谐振跟踪。这种方式，虽然自振荡谐振跟踪具有更好的鲁棒性与实时性，但是负电阻的设计非常复杂，这会带来额外的成本并降低系统的冗余度，并且繁杂的电路结构也会限制系统功能拓展。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中通过负电阻构造对称电路实现自振荡谐振跟踪，存在成本高、降低系统的冗余度及限制系统功能拓展的技术问题，目的在于提供一种通过低频脉冲控制实现谐振跟踪的无线电能传输系统。

2、为了解决前述技术问题，本发明的一方面提供一种通过低频脉冲控制实现谐振跟踪的无线电能传输系统，包括电源、发射端和接收端，所述发射端具有相互串联的谐振电容和发射线圈构成的补偿电路，所述接收端具有接收线圈，所述接收线圈与所述发射线圈产生磁场耦合；

3、所述发射端还包括一桥式逆变器，所述桥式逆变器包括：

4、一第一mos管，所述第一mos管的漏极连接所述电源的正极，所述第一mos管的源极连接所述谐振电容远离所述发射线圈的一端，所述第一mos管的栅极为一驱动端；

5、一第二mos管，所述第二mos管的源极分别连接所述电源的负极、所述发射线圈远离所述谐振电容的一端，所述第二mos管的漏极连接所述第一mos管的源极，所述第二mos管的栅极为另一驱动端。

6、可选地，在如前所述的通过低频脉冲控制实现谐振跟踪的无线电能传输系统中，所述第一mos管、所述第二mos管为n沟道mosfet。

7、可选地，在如前所述的通过低频脉冲控制实现谐振跟踪的无线电能传输系统中，当控制所述第一mos管导通、所述第二mos管断开时，所述发射端处于充能阶段，所述发射端与所述电源连通并充能；

8、当控制所述第一mos管断开、所述第二mos管导通时，向所述第二mos管的驱动端持续提供低频脉冲控制信号，所述第二mos管输出低频脉冲电压，所述发射端形成闭合谐振环路并产生自振荡，所述发射线圈产生感应磁场，所述接收端的所述接收线圈获取能量，实现无线电能传输。

9、可选地，在如前所述的通过低频脉冲控制实现谐振跟踪的无线电能传输系统中，所述低频脉冲控制信号的脉冲时间τ、控制频率fc与振荡周期to之间的关系为：

10、τ＝to/2

11、

12、其中，n≥1，n∈z+

13、则，所述低频脉冲控制信号的占空比d为：

14、

15、可选地，在如前所述的通过低频脉冲控制实现谐振跟踪的无线电能传输系统中，所述通过低频脉冲控制实现谐振跟踪的无线电能传输系统包括一控制电路，所述控制电路包括：

16、一控制器，所述控制器分别连接所述第一mos管的驱动端、所述第二mos管的驱动端；

17、一测量电路，所述测量电路用于获取所述发射端形成的闭合谐振环路的振荡周期，所述测量电路的输出端连接所述控制器的信号输入端；

18、在初始化后，所述控制器控制所述第二mos管输出固定的低频脉冲电压用于起振，所述控制器通过所述测量电路获取振荡周期to，根据振荡周期to与脉冲时间τ、控制频率fc之间的关系，调整所述低频脉冲控制信号的脉冲时间τ和控制频率fc。

19、可选地，在如前所述的通过低频脉冲控制实现谐振跟踪的无线电能传输系统中，所述控制器控制所述第二mos管输出固定的低频脉冲电压用于起振时，所述低频脉冲控制信号的控制参数为：

20、控制频率fc为40khz，占空比d为10％，脉冲时间τ为10％的充电周期tc。

21、可选地，在如前所述的通过低频脉冲控制实现谐振跟踪的无线电能传输系统中，根据振荡周期to与脉冲时间τ、控制频率fc之间的关系，调整所述低频脉冲控制信号的脉冲时间τ和控制频率fc时，n为1，控制频率fc为振荡周期to的一半，占空比d固定为25％。

22、可选地，在如前所述的通过低频脉冲控制实现谐振跟踪的无线电能传输系统中，所述测量电路采用过零电流检测电路。

23、本发明的积极进步效果在于：

24、1、本发明的无线电能传输系统通过逆变器低频脉冲控制完成谐振跟踪，通过电压的脉冲充电实现了电流的自振荡。相比于传统负电阻实现自振荡方法，本发明无需额外复杂的负电阻设计，本发明在实现自振荡上只需改变逆变器控制信号，从而具有更优的应用成本，并且无额外电路也令系统功能的拓展更灵活。

25、2、本发明用于谐振跟踪的控制电路，具有能在全工作范围内实现软开关的拓展功能。相比于传统固定控制频率的wpt，本发明在强耦合下具有更高的效率以及功率增益。

技术特征：

1.一种通过低频脉冲控制实现谐振跟踪的无线电能传输系统，包括电源、发射端和接收端，所述发射端具有相互串联的谐振电容和发射线圈构成的补偿电路，所述接收端具有接收线圈；

2.如权利要求1所述的通过低频脉冲控制实现谐振跟踪的无线电能传输系统，其特征在于，所述第一mos管、所述第二mos管为n沟道mosfet。

3.如权利要求1所述的通过低频脉冲控制实现谐振跟踪的无线电能传输系统，其特征在于，当控制所述第一mos管导通、所述第二mos管断开时，所述发射端处于充能阶段，所述发射端与所述电源连通并充能；

4.如权利要求3所述的通过低频脉冲控制实现谐振跟踪的无线电能传输系统，其特征在于，所述低频脉冲控制信号的脉冲时间τ、控制频率fc与振荡周期to之间的关系为：

5.如权利要求1至4中任意一项所述的通过低频脉冲控制实现谐振跟踪的无线电能传输系统，其特征在于，所述通过低频脉冲控制实现谐振跟踪的无线电能传输系统包括一控制电路，所述控制电路包括：

6.如权利要求5所述的通过低频脉冲控制实现谐振跟踪的无线电能传输系统，其特征在于，所述控制器控制所述第二mos管输出固定的低频脉冲电压用于起振时，所述低频脉冲控制信号的控制参数为：

7.如权利要求5所述的通过低频脉冲控制实现谐振跟踪的无线电能传输系统，其特征在于，根据振荡周期to与脉冲时间τ、控制频率fc之间的关系，调整所述低频脉冲控制信号的脉冲时间τ和控制频率fc时，n为1，控制频率fc为振荡周期to的一半，占空比d固定为25％。

8.如权利要求5所述的通过低频脉冲控制实现谐振跟踪的无线电能传输系统，其特征在于，所述测量电路采用过零电流检测电路。

技术总结
本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种通过低频脉冲控制实现谐振跟踪的无线电能传输系统。包括电源、发射端和接收端，发射端具有相互串联的谐振电容和发射线圈构成的补偿电路，接收端具有接收线圈；发射端还包括桥式逆变器。本发明的无线电能传输系统通过逆变器低频脉冲控制完成谐振跟踪，通过电压的脉冲充电实现了电流的自振荡。相比于传统负电阻实现自振荡方法，本发明无需额外复杂的负电阻设计，本发明在实现自振荡上只需改变逆变器控制信号，从而具有更优的应用成本，并且无额外电路也令系统功能的拓展更灵活。

技术研发人员：胡江浩
受保护的技术使用者：宁波道充科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19