一种有线和无线电能传输结合的多输出充电装置控制方法

本发明属于电能传输控制领域，更具体地，涉及一种有线和无线电能传输结合的多输出充电装置控制方法。

背景技术：

1、当前，在电能传输中，拥有能够独立控制的多输出接口是非常有必要的。这样，一个充电装置能够同时连接多种不同设备，例如对手机，智能手表，集成电路供电等。传统的充电方式为有线充电方式，但是这种方式会带来很多线束问题。无线充电作为一种新型充电技术，无需充电线束接触，给充电带来了更大的便利。但是，无线充电相比有线充电，从电路设计上需要更多用于无线收发的元器件，带来了成本上升的问题。

2、图1为现有技术中具有电源转换和负载输送功能的有线充电示意图，图2为无线充电示意图。可以看到，和有线充电相比，无线充电系统存在一些挑战，包括但不限于需要传输(tx)电路、发射线圈、接收(rx)线圈、rx整流器(直流-交流)和稳压器来满足负载的供电要求而导致的尺寸和成本增加。如果需要同时实现有线和无线输出，传统方法需要将有线充电和无线充电两个模块集成在一个充电器中。这种方法仅仅是物理空间上的集成，其内部元器件成本、空间等都比单一充电方式增加了一倍，会大大提高电子设备的成本和体积。

3、参见图3所示，传统的方法实现有线充电和无线充电的同步进行，主要的不足在于：1.为了同步实现有线和无线的多输出，需要额外的能量转换电路，所需元器件成本上升，而且空间体积也会增大，不符合充电器精简的趋势；2.需要不同的控制器来单独实现有线充电输出和无线充电输出的电流或电压调制，控制算法复杂。

4、因此，急需设计一种有线和无线电能传输结合的多输出充电装置控制方法，可以将有线充电和无线充电从原理上有机结合，而不是简单空间和成本上的物料堆叠，降低设计和硬件改进成本是亟需解决的问题，以适合用于小型化充电设备的有线和无线电能传输场合中。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、基于上述背景技术提及的缺陷，本发明公开了一种有线和无线电能传输结合的多输出充电装置控制方法，通过将非隔离型dc/dc变换器中的滤波电感l1替换为线圈，并调节pwm控制信号的占空比d、开关频率f1和扰动系数adis即可实现有线和无线两路以上输出的电能控制，其成本较低，可适合用于小型化充电设备的有线和无线电能传输场合中。

3、(二)技术方案

4、本发明公开了一种有线和无线电能传输结合的多输出充电装置控制方法，在有线充电装置的直流供电端中，将非隔离型dc/dc变换器中的滤波电感替换为相同电感值的线圈，作为无线充电装置的发送线圈，以通过电磁共振技术来无线发送电能；

5、在非隔离型dc/dc变换器中开关管的pwm控制信号中，加入一个特定频率的扰动信号以得到带有扰动特性的占空比ddis：

6、ddis＝d×adis·sin(2πf2t)＝ton×f1×adis·sin(2πf2t)    (4)

7、其中，f1为开关频率，ton为开关导通时间，d为稳态的占空比，adis为扰动信号的扰动系数，f2为扰动频率；

8、通过控制占空比d实现有线电能的传输和调控；通过控制开关频率f1和扰动系数adis来实现无线电能的传输和调控。

9、优选的，所述非隔离型dc/dc变换器为降压buck变换器、升压boost变换器、升降压buck boost变换器、cuk变换器、zeta变换器或sepic变换器。

10、优选的，无线充电装置包括两个独立的无线接收回路，通过开关频率f1控制第一个无线接收回路，通过扰动系数adis控制第二个无线接收回路，所述无线接收回路包括依次连接的接收线圈、补偿电路、整流器和无线负载，所述补偿电路具体为lcc电路，每个无线接收回路只接受所述滤波电感发送的特定的频率信号，通过调节开关频率f1和扰动系数adis，改变各频率分量对应的电压幅值，从而控制不同频率所对应的无线输出。

11、优选的，所述接收线圈的一端通过补偿电路与整流器的第一输入端口连接，所述接收线圈的另一端与整流器的第二输入端口连接，所述整流器的输出端与无线负载的两端连接。

12、优选的，所述lcc电路包括电感lfi、第一电容cfi和第二电感csi，所述电感lfi与第一电容cfi并联后的电路和第二电感csi串联，up为两侧的等效交流源，包括f1和f2两个频率分量，分别计为和rp和rsi分别为发送和接收线圈电阻，rli为无线输出的负载电阻，ci为整流器滤波电容，lp为发送线圈电感，lsi为接收线圈等效电感，mi为接收线圈与发送线圈互感，m12为接收线圈之间的互感，i＝1,2，计算出整流器、滤波电容以及输出负载的等效负载reqi；

13、

14、将电路线性化后，基于叠加原理，将up分解为和作用于系统，根据基尔霍夫定理进行电路建模，得到式(6)；

15、

16、和分别为发送线圈和两个接收线圈中在开关频率f1或者扰动频率f2下对应的电流分量，和分别为发送回路和两个接收回路中频率fi下对应的阻抗，如式(7)所示；和由式(8)所示方式计算，wi为频率fi的对应的角频率；

17、

18、

19、补偿电路参数需要满足式(9)和(10)，第一个无线接收回路在扰动频率f2下的阻抗最大，开关频率f1下的阻抗最小，第二个无线接收回路则相反，因此和将为无穷大；

20、

21、

22、优选的，通过求解式(6)，得到式(11)和(12)所示的和通过配置两个补偿电路的参数进行接收端的区分，使得特定接收回路只接受特定的频率信号，实现了频率解耦，此时，可以调节开关频率f1和扰动系数adis，改变各频率分量对应的电压幅值，从而控制不同频率所对应的无线输出；

23、

24、

25、优选的，所述占空比d、开关频率f1和扰动系数adis通过一个功率变换器来进行调节，所述功率变换器包括三个电压闭环控制器，分别对无线输出1的电压vout1、无线输出2的电压vout2和有线输出3的电压vout3进行补偿控制。

26、优选的，所述电压闭环控制器为连续比例积分pi控制器。

27、(三)有益效果

28、1.本发明提出了一种有线和无线电能传输结合的多输出充电装置控制方法，通过将非隔离型dc/dc变换器中的滤波电感l1替换为线圈，从而既可以起到有线充电中电感滤波作用，又可以作为无线充电中的发射线圈，仅需一个功率变换器就可以实现有线和无线多输出的目的，且其只需调节pwm控制信号的占空比d、开关频率f1和扰动系数adis即可实现有线和无线两路以上输出的电能控制，其成本较低，无需在现有的非隔离型dc/dc变换器端增加额外的功率变换器和发送线圈即可实现多输出充电功能，特别适合用于小型化的有线和无线电能传输场合中。

29、2.此外，本发明的控制方法能够实现三路独立电压输出的充电装置，其具体可包括两路无线输出和一路有线输出；控制上述充电装置多路输出电压的控制电路并新增扰动信号后，通过调节无耦合的占空比d，开关频率f1和扰动系数adis三个变量来分别控制有线输出、无线输出一和无线输出二。此外，还通过配置补偿电路、设计补偿电路中lcc电路和传输线圈的电感和电容值等参数，使得特定接收回路只接受特定的频率信号和磁场能量，从而实现了两路无线输出的频率解耦，以mos开关管的调节频率f1和作为扰动幅值的扰动系数adis来改变各频率分量对应的电压幅值，控制不同频率对应的不同的两路无线输出，从而达到对两路无线接收回路的电能进行区分和独立控制的目的。