一种单管逆变感应耦合电能传输谐振频率点跟踪控制方法

发电;变电;配电装置的制造技术：1.本发明属于电学技术领域，涉及一种单管逆变感应耦合电能传输谐振频率点跟踪控制方法，基于单管电路通过对谐振频率点的跟踪来实现电路最大效率的控制，可对补偿网络所具备的恒流特性或者恒压特性的增益曲线，来进行谐振频率点的跟踪控制从而进一步提高效率。背景技术：2.目前，基于感应电能传输(inductively power transfer，ipt)技术的主电路拓扑大多采用全桥或半桥逆变电路，但是全桥或半桥逆变电路存在开关管成本高、驱动电路复杂以及上下桥臂开关管的存在直通等问题，增加了控制过程的复杂程度，工作运行可靠性相对较低。单管电路是一种适用于感应电能传输系统的新型高频谐振逆变电路，其只存在一个开关管所以减少了损耗，降低了制造成本，简化了控制策略，并且不存在上下桥臂直通问题，提高了电路运行的稳定性。为了进一步提高单管电路的传输效率，需要让开关管维持在谐振频率点，目前这种基于单管电路通过对谐振频率点的跟踪来实现最大效率的控制方法还没见到相关文献。通过使开关管始终维持在谐振频率点的这种控制方法进一步减少了单管电路的损耗，提高了效率，且这种控制方法不局限于特定的补偿网络拓扑，对于具备恒流特性或者恒压特性，以及同时具备恒流和恒压特性的单管电路来说，这种控制方法可以全部适用。因此这种基于单管电路通过对谐振频率点的跟踪来实现电路最大效率的控制方法具有较大的实用价值。技术实现要素：3.本发明的目的在于解决基于单管电路难以找到谐振频率点以及无法得到稳定的恒流或者恒压输出的问题，设计提供一种单管逆变感应耦合电能传输谐振频率点跟踪控制方法，通过电路的电流增益曲线或电压增益曲线来追踪电路的谐振频率点的控制方法，进一步提高单管电路的传输效率，。4.为了实现上述目的，本发明通过单管逆变感应耦合电能传输装置实现，具体控制过程包括以下步骤：5.(1)启动交流电源为主电路供电，启动原边辅助电源分别为原边单片机电路、原边无线通信电路、原边驱动电路供电，启动副边辅助电源分别为副边无线通信电路、副边单片机电路、电压采样电路和电流采样电路供电；6.(2)主电路到达稳定工作状态时，开始对负载进行供电或充电，电压采样电路及电流采样电路同时工作，采集到的信号由副边单片机电路进行ad转化，当判断到下一次状态采集的电压信号高于上一次状态采集到的电压信号，且下一次状态的工作频率高于上一次状态的工作频率时；或者当判断到下一次状态采集的电压信号低于上一次状态采集到的电压信号，且下一次状态的工作频率低于上一次状态的工作频率时，通过电压增益曲线判断此时的工作频率在谐振频率点的左侧，这两种情况下副边单片机电路向副边无线通信电路传输数据，使其与原边无线通信电路进行无线通信，原边单片机电路将增加开关管的工作频率，当离谐振频率点比较远时，频率增加的较为迅速，当离谐振频率点比较近时，频率增加的比较缓慢，最终使得电路的工作频率达到谐振频率点；7.(3)当判断到下一次状态采集的电压信号高于上一次状态采集到的电压信号，且下一次状态的工作频率低于上一次状态的工作频率时；或者当判断到下一次状态采集的电压信号低于上一次状态采集到的电压信号，且下一次状态的工作频率高于上一次状态的工作频率时，通过电压增益曲线判断此时的工作频率在谐振频率点的右侧；这两种情况下副边单片机电路向副边无线通信电路传输数据，使其与原边无线通信电路进行无线通信，原边单片机电路将减小开关管的工作频率，当工作频率离谐振频率点比较远时，频率减小的较为迅速，当工作频率离谐振频率点比较近时，频率减小的比较缓慢，最终使得电路的工作频率达到谐振频率点，采用上述同样方法实现电流增压曲线的谐振频率点跟踪控制。8.本发明所述单管逆变感应耦合电能传输装置的主体结构包括工频整流桥、工频滤波电容、原边谐振网络、开关管、副边谐振网络、高频整流桥、高频滤波电容、负载、原边控制电路和副边控制电路；交流电源接入工频整流桥的输入端，工频整流桥的输出正极端、工频滤波电容的正极分别与原边谐振网络的输入端相连接；工频整流桥的输出负极端、工频滤波电容的负极、开关管的源极分别与原边的地线相连接，原边谐振网络的输出端与开关管的漏极相连接；副边谐振网络与高频整流桥进行级联，高频整流桥的输出正极端、高频滤波电容的正极分别与负载的正极相连接，高频整流桥的输出负极端、高频滤波电容的负极分别与负载的负极相连接；原边控制电路与开关管的栅极相连接，副边控制电路设置在高频滤波电容和负载之间，交流电源输出的工频交流电依次经工频整流桥整流和工频滤波电容滤波后，将工频交流电变为直流电，开关管将直流电逆变为高频交流电，实现谐振网络中电能的高频逆变；高频交流电施加在原边谐振网络的发射线圈两端，并在副边谐振网络的接收线圈两端感应出电流，感应出的电流经过副边谐振网络和高频整流桥变为所需要的直流电，并经高频滤波电容最后供给负载进行供电或充电。9.本发明所述工频滤波电容采用低通滤波器，用于滤除高次谐波。10.本发明所述原边谐振网络不唯一，由发射线圈和其它电容或电感补偿元件按照电学原理连接组成；由于磁场耦合作用，发射线圈将电能传输到副边谐振网络的接收线圈。11.本发明所述副边谐振网络由接收线圈和并联补偿电容或串联补偿电容，或者是其他的高阶补偿网络所组成按照电学原理连接组成。12.本发明所述高频整流桥由四个二极管按照电学原理连接组成。13.本发明所述原边控制电路包括原边辅助电源、原边无线通信电路、原边单片机电路、原边驱动电路；原边单片机电路分别与原边辅助电源、原边无线通信电路和原边驱动电路相连接；原边辅助电源为原边无线通信电路、原边驱动电路、原边单片机控制电路供电；原边单片机电路根据原边无线通信电路接收到的通信信号输出开关管的驱动信号，然后驱动信号进入原边驱动电路进行放大。14.本发明所述副边控制电路包括副边辅助电源、副边无线通信电路、副边单片机电路、电压采样电路和电流采样电路；电压采样电路与负载并联，用于检测主电路的输出电压；电流采样电路与负载串联，用于检测主电路的输出电流；副边单片机电路分别与副边辅助电源、副边无线通信电路、电压采样电路和电流采样电路相连；副边辅助电源为副边单片机电路、副边无线通信电路、电压采样电路和电流采样电路相连供电；副边单片机电路根据接收到的采样电路的电压和电流信号，控制副边无线通信电路向原边无线通信电路发射反馈信号。15.本发明与现有技术相比，基于单管电路通过对谐振频率点的跟踪来实现电路最大效率，开关管一直工作在在谐振频率点，减少了电路无功损耗，提高了效率，同时稳定了电路的输出电压或电流，适用范围广，不再局限于特定的补偿网络拓扑，对于具备恒流特性或者恒压特性以及同时具备恒流和恒压特性的单管电路均适用。附图说明：16.图1为本发明所述单管逆变感应耦合电能传输装置的主体结构电路原理示意图。17.图2为本发明原边谐振网络和副边谐振网络的不同结构举例应用。18.图3为本发明所述单管逆变感应耦合电能传输谐振频率点跟踪控制流程示意图。19.图4为本发明实施例所述电压增益曲线图。具体实施方式：20.下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。21.实施例：22.本实施例在单管逆变感应耦合电能传输装置中实现，具体控制过程包括以下步骤：23.(1)启动交流电源ac为主电路供电，启动原边辅助电源10分别为原边无线通信电路11、原边单片机电路12、为原边驱动电路13供电，启动副边辅助电源14分别为副边无线通信电路15、副边单片机电路16、电压采样电路17和电流采样电路18供电；24.(2)当主电路到达稳定工作状态时，开始对负载7进行供电或充电，使电压采样电路17及电流采样电路18同时工作，副边单片机电路16对采集到的信号进行ad转化，当判断到下一次状态采集的电压信号u(k)高于上一次状态采集到的电压信号u(k-1)时，并且下一次状态对应的工作频率f(k)高于上一次状态对应的工作频率f(k-1)；或者当判断到下一次状态采集的电压信号u(k)低于上一次状态采集到的电压信号u(k-1)，且下一次状态对应的工作频率f(k)低于上一次状态对应的工作频率f(k-1)，这两种状态说明du/df＞0，根据图4中所示的电压增益曲线可以判断此时的工作频率在谐振频率点的左侧；副边单片机电路16向副边无线通信电路15传输数据，使其与原边无线通信电路11进行无线通信，原边单片机电路12将增加开关管q的工作频率；每次增加频率的多少与两次采集的电压信号差δu有关，这里定义δ＝arctan(δu)，每次增加的频率为δδf，δf的大小可以自行设定，所以当工作频率离谐振频率点比较远时，δ值会相对较大，每次增加的频率值会较大，当工作频率离谐振频率点比较近时，δ值会相对较小，每次增加的频率值会较小，这种方法可以使电路的工作频率快速而又准确的不断接近谐振频率点。通过不断的进行电压检测和增加开关管q的频率，最终将达到du/df＝0，即此时电路工作在谐振频率点fo，工作频率将不再增加；25.(3)当判断到下一次状态采集的电压信号u(k)高于上一次状态采集到的电压信号u(k-1)时，并且下一次状态对应的工作频率f(k)低于上一次状态对应的工作频率f(k-1)；或者当判断到下一次状态采集的电压信号u(k)低于上一次状态采集到的电压信号u(k-1)，且下一次状态对应的工作频率f(k)高于上一次状态对应的工作频率f(k-1)，这两种状态说明du/df＜0，根据图4中所示的电压增益曲线可以判断此时的工作频率在谐振频率点的右侧；副边单片机电路16向副边无线通信电路15传输数据，使其与原边无线通信电路11进行无线通信，原边单片机电路12将减小开关管q的工作频率；每次减小频率的多少与两次采集的电压信号差δu有关，同样定义δ＝arctan(δu)，每次减小的频率为δδf，δf的大小可以自行设定，所以当工作频率离谐振频率点比较远时，δ值会相对较大，每次减少的频率值会较大，当工作频率离谐振频率点比较近时，δ值会相对较小，每次减少的频率值会较小，这种方法可以使电路的工作频率快速而又准确的不断接近谐振频率点。通过不断的进行电压检测和减少开关管q的频率，最终将达到du/df＝0，即此时电路工作在谐振频率点fo，工作频率将不再减少。26.本实施例所述单管逆变感应耦合电能传输装置的主体结构包括工频整流桥1、工频滤波电容2、原边谐振网络3、开关管q、副边谐振网络4、高频整流桥5、高频滤波电容6、负载7、原边控制电路8和副边控制电路9；交流电源ac接入工频整流桥1的输入端，工频整流桥1的输出正极端、工频滤波电容2的正极分别与原边谐振网络3的输入端相连接；工频整流桥1的输出负极端、工频滤波电容2的负极、开关管q的源极分别与原边的地线相连接，原边谐振网络3的输出端与开关管q的漏极相连接；副边谐振网络4与高频整流桥5进行级联，高频整流桥5的输出正极端、高频滤波电容6的正极分别与负载7的正极相连接，高频整流桥5的输出负极端、高频滤波电容6的负极分别与负载7的负极相连接；原边控制电路8与开关管q的栅极相连接，副边控制电路9设置在高频滤波电容6和负载7之间，交流电源ac输出的工频交流电依次经工频整流桥1整流和工频滤波电容2滤波后，将工频交流电变为直流电，开关管q将直流电逆变为高频交流电，实现谐振网络中电能的高频逆变；高频交流电施加在原边谐振网络3的发射线圈两端，并在副边谐振网络4的接收线圈两端感应出电流，感应出的电流经过副边谐振网络4和高频整流桥5变为所需要的直流电，并经高频滤波电容6最后供给负载7进行供电或充电。27.本实施例所述工频滤波电容2采用低通滤波器cin，用于滤除高次谐波。28.本实施例所述原边谐振网络3不唯一，由发射线圈lp和其它电容或电感补偿元件按照电学原理连接组成；由于磁场耦合作用，发射线圈lp将电能传输到副边谐振网络4的接收线圈ls。29.本实施例所述副边谐振网络4由接收线圈ls和并联补偿电容或串联补偿电容，或者是其他的高阶补偿网络所组成按照电学原理连接组成。30.本实施例所述高频整流桥5由d1，d2，d3和d4四个二极管按照电学原理连接组成。31.本实施例所述原边控制电路8包括原边辅助电源10、原边无线通信电路11、原边单片机电路12、原边驱动电路13；原边驱动电路13开关管q的栅极相连接，原边单片机电路12分别与原边辅助电源10、原边无线通信电路11和原边驱动电路13相连接；原边辅助电源10为原边无线通信电路11、原边驱动电路13、原边单片机控制电路12供电；原边单片机电路12根据原边无线通信电路11接收到的通信信号输出开关管q的驱动信号，然后驱动信号进入原边驱动电路13进行放大。32.本实施例所述副边控制电路9包括副边辅助电源14、副边无线通信电路15、副边单片机电路16、电压采样电路17和电流采样电路18；电压采样电路17与负载7并联，用于检测主电路的输出电压；电流采样电路18与负载7串联，用于检测主电路的输出电流；副边单片机电路16分别与副边辅助电源14、副边无线通信电路15、电压采样电路17和电流采样电路18相连；副边辅助电源14为副边单片机电路16、副边无线通信电路15、电压采样电路17和电流采样电路18相连供电；副边单片机电路16根据接收到的采样电路的电压和电流信号，控制副边无线通信电路15向原边无线通信电路11发射反馈信号。33.本实施例针对电压增益曲线的谐振频率点追踪方法进行了说明，此方法对于电流增益曲线的谐振频率点的追踪仍然适用，这种基于单管电路通过对谐振频率点的跟踪来实现电路最大效率的控制方法，使得开关管q的工作频率一直维持在谐振频率点，减少了电路的无功损耗，同时稳定了电路的输出电压或电流，具有重要的意义。









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