[發(fā)明專利]一種非接觸供電裝置的直接諧振頻率相位跟蹤控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910044030.5
• 申請(qǐng)日: 2019-01-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109728633B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 殷正剛;史黎明;潘碩;盧娜;臧曉艷
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院電工研究所;中車唐山機(jī)車車輛有限公司
• 主分類號(hào): H02J7/02
• 分類號(hào): H02J7/02;H02J50/12;H02M7/5387;H02M3/335
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 關(guān)玲

一種非接觸供電裝置直接諧振頻率相位跟蹤控制方法，其特征在于，在非接觸式電能傳輸系統(tǒng)中，對(duì)初級(jí)輸出電流經(jīng)電流傳感器采樣后經(jīng)過(guò)過(guò)零比較電路得到電流過(guò)零信號(hào)，該信號(hào)進(jìn)入控制器的脈沖捕獲模塊。控制器基于捕獲到的相鄰兩次電流過(guò)零時(shí)刻計(jì)算其間隔得到諧振周期，計(jì)算捕獲到的電流過(guò)零時(shí)刻和控制器的逆變電壓驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)時(shí)刻的時(shí)間差，并進(jìn)行閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)輸出電壓的頻率和相位，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的頻率跟蹤實(shí)際系統(tǒng)諧振頻率和軟開(kāi)關(guān)。相比傳統(tǒng)方法，本發(fā)明頻率跟蹤速度快，跟蹤過(guò)程損耗小，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種非接觸式供電裝置及頻率相位跟蹤控制方法。

背景技術(shù)

非接觸供電是一種新型電能傳輸方式，電源和負(fù)載之間不需要物理連線就可以進(jìn)行供電，具有無(wú)接觸、無(wú)磨損、無(wú)火花、防水、防塵等特性，并在個(gè)人消費(fèi)電子產(chǎn)品無(wú)線充電、電動(dòng)汽車無(wú)線充電、水下裝置供電、礦井設(shè)備供電以及軌道交通供電等領(lǐng)域逐漸得到推廣應(yīng)用。

現(xiàn)有的非接觸供電一般利用電磁感應(yīng)原理，初級(jí)側(cè)電源在初級(jí)發(fā)射線圈上施加激勵(lì)電壓，在空間產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，次級(jí)接收線圈耦合感應(yīng)出的電能經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)后給設(shè)備供電。由于初級(jí)發(fā)射線圈和次級(jí)接收線圈之間有氣隙，所以耦合系數(shù)較低，為了提高初級(jí)發(fā)射線圈的供電功率因數(shù)，提高系統(tǒng)傳輸效率，常將初級(jí)發(fā)射線圈和串聯(lián)或并聯(lián)電容構(gòu)成初級(jí)側(cè)諧振回路；同樣為了提高負(fù)載獲得功率的能力，也在次級(jí)接收線圈上串聯(lián)或并聯(lián)電容構(gòu)成次級(jí)側(cè)諧振回路，以抵消次級(jí)的感抗。通過(guò)調(diào)節(jié)初級(jí)側(cè)電源的供電頻率，可以使得初級(jí)側(cè)電源的等效阻感負(fù)載變成純阻性負(fù)載，提高了傳輸功率和傳輸效率。

非接觸供電系統(tǒng)僅當(dāng)初級(jí)側(cè)電源的頻率等于初級(jí)側(cè)諧振回路的諧振頻率時(shí)，系統(tǒng)才能獲得最高的傳輸效率。而實(shí)際應(yīng)用中受元件生產(chǎn)加工精度、負(fù)載變化、初次級(jí)線圈的相對(duì)位置偏移等因素影響，初級(jí)諧振回路的諧振參數(shù)容易發(fā)生變化，從而使得初級(jí)側(cè)電源頻率偏離實(shí)際系統(tǒng)諧振頻率，導(dǎo)致電能傳輸?shù)墓β屎托式档汀?/p>

為實(shí)現(xiàn)非接觸供電裝置諧振頻率的跟蹤，傳統(tǒng)的處理辦法是采用鎖相環(huán)，對(duì)初級(jí)側(cè)電源的輸出電壓和和輸出電流進(jìn)行采樣，對(duì)其相位差進(jìn)行比例-積分控制，從而調(diào)節(jié)壓控震蕩器的輸出頻率，使得輸出頻率逐步逼近實(shí)際的諧振頻率。但是，這種處理辦法在實(shí)施過(guò)程中需要較長(zhǎng)的過(guò)渡時(shí)間，不適合諧振頻率快速變化的場(chǎng)合，而且在調(diào)節(jié)過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)諧振逆變器的軟開(kāi)關(guān)，導(dǎo)致了較大的開(kāi)關(guān)器件應(yīng)力和較高的開(kāi)關(guān)損耗，降低了系統(tǒng)的傳輸效率和可靠性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)鎖相環(huán)諧振頻率跟蹤方式跟蹤速度慢等缺點(diǎn)，提供一種非接觸供電裝置的直接諧振頻率相位跟蹤控制方法。本發(fā)明能夠快速跟蹤由于初級(jí)發(fā)射線圈和次級(jí)接收線圈位置關(guān)系變化或負(fù)載變化引起的系統(tǒng)諧振頻率變化，使非接觸供電裝置運(yùn)行在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，減小功率器件的電壓電流應(yīng)力和開(kāi)關(guān)損耗，確保系統(tǒng)的傳輸功率和效率。

本發(fā)明基于初級(jí)發(fā)射線圈電流周期的實(shí)時(shí)檢測(cè)，控制逆變器輸出電壓周期，通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算初級(jí)發(fā)射線圈電流和逆變器輸出電壓的相位差，調(diào)整逆變器輸出電壓相位，實(shí)現(xiàn)逆變器軟開(kāi)關(guān)，減小逆變器開(kāi)關(guān)損耗或提升開(kāi)關(guān)頻率。

應(yīng)用本發(fā)明的非接觸供電裝置包括直流電源、逆變電路、初級(jí)發(fā)射線圈、初級(jí)諧振補(bǔ)償電容、次級(jí)接收線圈、次級(jí)諧振補(bǔ)償電容、次級(jí)整流電路、濾波電容、負(fù)載，以及電流傳感器、過(guò)零比較電路、控制器。其中：直流電源連接到逆變電路的直流側(cè)端口。初級(jí)諧振補(bǔ)償電容與初級(jí)發(fā)射線圈串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成初級(jí)諧振回路。逆變電路的交流側(cè)端口連接初級(jí)諧振回路。初級(jí)發(fā)射線圈和次級(jí)接收線圈之間有氣隙，不接觸。次級(jí)接收線圈與次級(jí)諧振補(bǔ)償電容串聯(lián)或并聯(lián)后連接到次級(jí)整流電路的交流側(cè)端口，次級(jí)整流電路的直流側(cè)端口并聯(lián)有濾波電容和負(fù)載。電流傳感器的輸出端連接過(guò)零比較電路的輸入端，將測(cè)量得到的初級(jí)發(fā)射線圈的電流輸出到過(guò)零比較電路。過(guò)零比較電路將正弦電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成同頻同相的方波信號(hào)，送入控制器。

直流電源可以是蓄電池等直流電源，也可以是由交流電源經(jīng)整流得到的直流電源。逆變電路由全控功率開(kāi)關(guān)器件和二極管構(gòu)成，將直流電壓變換成幅值和頻率可調(diào)的方波電壓。