逆变谐振恒功率无线充电系统和控制方法

技术领域

本申请涉及无线充电技术领域，特别是涉及一种逆变谐振恒功率无线充电系统和控制方法。

背景技术

无人驾驶的送快递小车，送外卖送餐等众多服务机器人目前任然采用红外定位的方案，即机器人的充电座不断向外发出红外信号，机器人的红外信号接收器通过接收信号的数量与位置来判断自身的位置，再规划路线回到充电桩。此方案要求机器人不能在墙体复杂或者远距离情况下使用，而且对于充电功率达300-400W的机器人，非硬插拔式的无线充电底座有发热量大，短路的安全隐患。在发射端上：面对低功率情况下，部分研究成果采用PWM波互补移相控制来实现功率的上下限控制，但此方案不能实现功率闭环，且在大功率输出情况下有超调炸板风险，以及在大部分条件下并不能实现较高的能量利用率。对于接收端：普通方案为采用LC串联直冲以及LCC功率补偿方案，两种方案的如想要保持较高的接受效率则需要极其精密的互感值、阻抗值、反射电阻值等，而在实际使用中，这些值都难以控制或者测量，因此上述两种方案在实际应用中鲁棒性较差。

现有技术结构复杂，需设立电桥测量电路测量互感值来改变发射端PWM波的相位差，即以实时改变发射端功率的方法实现负载端接受功率恒定。此方案实现成本较高，且发射端在大功率输出状态下，功率损耗较大，温升较大，在负载阻抗增大的同时，为保持接收端恒功率需要更大的发射功率，能量利用率较低。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种逆变谐振恒功率无线充电系统和控制方法。

一种逆变谐振恒功率无线充电系统和控制方法，所述系统包括：发射端和接收端。

所述发射端包括：发射电源模块、高频全桥逆变电路、LCC功率补偿模块、发射线圈、主控模块以及母线电压电流测量模块；所述电源模块与所述高频全桥逆变电路的输入端连接，所述高频全桥逆变电路的输出端与所述LCC功率补偿模块连接，所述LCC功率补偿模块与所述发射线圈连接；所述母线电压电流测量模块用于测量所述发射电源模块的母线电压和电流，并传输至所述主控模块；

所述接收端包括：接收线圈、对称LCC功率补偿电路、整流模块、同步Buck电路、过电压保护电路、超级电容组、电容电压测量模块以及充电电流和谐振电压测量模块。

所述发射线圈通过磁耦合谐振方式将功率传输到所述接收线圈；所述接收线圈通过所述对称LCC功率补偿电路与所述整流模块连接，所述整流模块与所述同步Buck电路的输入端连接，所述同步Buck电路的输出端通过所述过电压保护电路与所述超级电容组连接；所述充电电流和谐振电压测量模块用于测量整流模块输出的信号的电压和电流值，并传输至所述主控模块；所述电容电压测量模块用于测量所述超级电容组的电容电压，并传输至所述主控模块。

所述主控模块根据充电电流和谐振电压测量模块测量的充电电流和谐振电压确定实时充电功率，并根据所述实时充电功率和预设恒定功率，输出两路第一PWM信号至所述高频全桥逆变电路调整发射功率，同时输出两路第二PWM信号至所述同步Buck电路进行充电功率调整，完成恒功率无线充电。

在其中一个实施例中，所述主控模块包括Risc-v架构的国产单片机。

在其中一个实施例中，所述高频全桥逆变电路包括：两个高频半桥栅极驱动器和一个高频全桥逆变器。

两个所述高频半桥栅极驱动器的输入端均与所述主控模块连接，第一个所述高频半桥栅极驱动器的两个输出端分别与所述高频全桥逆变器的第一半桥的两个MOS管的栅极连接，第二个所述高频半桥栅极驱动器的两个输出端分别与所述高频全桥逆变器的第二半桥的两个MOS管的栅极连接，所述高频全桥逆变器的第一半桥和第二半桥的输出端分别与所述LCC功率补偿模块的两个输入端连接。

在其中一个实施例中，所述同步Buck电路包括：半桥驱动模块、MOS半桥、滤波模块。

所述半桥驱动模块的两个输入端与所述主控模块连接，所述半桥驱动模块的两个输出端分别与所述MOS半桥的上桥臂和下桥臂的MOS管的栅极连接，所述MOS半桥的上桥臂的MOS的源极与所述MOS半桥的下桥臂的MOS的漏极连接，所述MOS半桥的下桥臂的MOS的源极与所述滤波模块的一个输入端连接，所述MOS半桥的下桥臂的MOS的漏极与所述滤波模块的另一个输入端连接，所述滤波模块的输出端与所述过电压保护电路连接。

在其中一个实施例中，在发射端，所述主控模块还用于根据所述母线电压电流测量模块测量的发射电源模块的母线电流和母线电压判断所述发射电源模块是否状态正常，如果状态正常则采用阶梯功率控制方式输出第一PWM信号至所述高频全桥逆变电路，对所述高频全桥逆变电路进行控制；所述阶梯功率控制方式为：在0.0s-1.0s线性调控50%-100%目标功率，1.0s往后线性调控100%目标功率。

在其中一个实施例中，所述主控模块还用于对发射端进行发射过流保护；所述发射过流保护是指：按照预定频率读取所述母线电压电流测量模块测量的母线电流值，得到电流采样值，并存储在预定缓冲区数组中，对所述电流采样值采用巴特沃斯低通滤波器进行滤波，然后统计预定缓冲区数组中预定数量个电流数据，在1秒内统计所有电流数据的线性相关系数及峰值差，设定线性相关系数及峰值差的加权系数，若线性相关系数及峰值差的加权和超过预设阈值，则当前系统存在过流，所述主控模块停止输出第一PWM信号关断所述高频全桥逆变电路的MOS管

在其中一个实施例中，所述主控模块还用于对所述接收端进行接收过流保护；所述接收过流保护是指：当接收线圈两边电压差小于预设压差阈值时，则将充放电电流设定为预设值；当接收线圈两边电压差大于预设压差阈值时，则限制充放电电流，电流计算公式为：

；

其中，

在其中一个实施例中，所述主控模块还用于对接收端电路进行硬件自检、对发射端和接收端进行运行时的故障检测；其中，运行时故障检测包括：过欠压异常, 电流过流,充放电异常。

对接收端电路进行硬件自检的过程包括：发射开始预设时间段内，检测接收端电压和电流，分别存储在预定的缓冲数组，并通过低通滤波滤除白噪声，线性改变上下两个MOS管的占空比，根据电压和电流数据，计算电压变化率、占空比变化率以及电流变化率，若电压变化率小于占空比变化率，则判定MOS管已损坏，若电压变化率与占空比变化率之比大于阈值上限，电流变化率小于电流变化率阈值下限，则断定电感已损坏；

所述充放电异常的判断方法为：若DC-DC设定功率和实际计算功率长时间相差大于预设值，则发生充放电异常。

所述充放电异常的判断方法为：若DC-DC设定功率和实际计算功率长时间相差大于预设值，则认为发生充放电异常。

在其中一个实施例中，所述主控模块还用于根据采集的所述电容电压测量模块测量的超级电容组的电容电压，调整同步Buck电路的输出电压，使超级电容组中超级电容在不被击穿的情况下恒功率充电。

一种逆变谐振恒功率无线充电控制方法，该方法应用于上述任一逆变谐振恒功率无线充电系统实现恒功率无线充电；该方法包括：

主控模块接收母线电压电流测量模块测量的发射电源的母线电压和母线电流值，并根据所述母线电压和所述母线电流值确定所述发射电源的是否能正常提供电能。

在发射电源能正常提供电能的情况下：

主控模块根据接收的电流和谐振电压测量模块测量的充电电流和谐振电压确定实时充电功率，并根据所述实时充电功率和预设恒定功率，输出两路第一PWM信号至所述高频全桥逆变电路调整发射功率。

在发射电源能正常提供电能的情况下：

主控模块根据接收的充电电流和谐振电压测量模块测量的充电电流和谐振电压确定实时充电功率，并根据所述实时充电功率和预设恒定功率，输出两路第一PWM信号至所述高频全桥逆变电路调整发射功率。

当主控模块接收的电容电压测量模块测量的超级电容组的电容电压值时，输出两路第二PWM信号至同步Buck电路进行充电功率调整，完成恒功率无线充电。

上述逆变谐振恒功率无线充电系统和控制方法，该系统包括：发射端和接收端；发射端包括：发射电源模块、高频全桥逆变电路、LCC功率补偿模块、发射线圈、主控模块以及母线电压电流测量模块；接收端包括：接收线圈、对称LCC功率补偿电路、整流模块、同步Buck电路、过电压保护电路、超级电容组、电容电压测量模块以及充电电流和谐振电压测量模块；发射线圈通过磁耦合谐振方式将功率传输到接收线圈；主控模块根据充电电流和谐振电压测量模块测量的充电电流和谐振电压确定实时充电功率，并根据实时充电功率和预设恒定功率，输出两路第一PWM信号至高频全桥逆变电路调整发射功率，同时根据电容电压测量模块测量的超级电容组的电压值输出两路第二PWM信号至同步Buck电路进行充电功率调整，完成恒功率无线充电。本发系统通过精确匹配接收端反射电阻后结合同步Buck电路可以实时调整接收端阻抗，进而可以在发射端不改变输出功率，接收端储能器件阻抗变化的情况下实现负载端保持高效率恒功率充电。

附图说明

图1为一个实施例中LCC功率补偿方案拓扑结构；

图2为一个实施例中逆变谐振恒功率无线充电系统结构图；

图3为一个实施例中发射电源模块的原理图；

图4为另一个实施例中高频全桥逆变电路原理图；

图5为一个实施例中同步Buck电路原理图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本系统发射端采用全桥移相，LCC功率补偿方案拓扑结构如图1。全桥驱动方案使供电电源电压范围可以更加宽泛，LCC功率补偿可以减小负载变化带来的功率变化，缓启动保护和功率闭环控制保证发射端在大功率条件下不会因为超调而损坏。采用国产Risc-v架构单片，价格便宜，且板载外部PWM输入接口，母线电流电压检测接口，允许使用外部拓展设备监测功率或直接控制输出。对于接收端，本系统采用同步Buck实时调节接收端阻抗，只需要接受线圈起震即可实现接收端恒功率且不影响发射端工作状态。

在一个实施例中，如图2所示，提供了一种逆变谐振恒功率无线充电系统，该系统包括：发射端10和接收端20。

发射端10包括：发射电源模块101、高频全桥逆变电路102、LCC功率补偿模块103、发射线圈104、主控模块105以及母线电压电流测量模块106；发射电源模块101与高频全桥逆变电路102的输入端连接，高频全桥逆变电路102的输出端与LCC功率补偿模块103连接，LCC功率补偿模块103与发射线圈104连接；母线电压电流测量模块106用于测量发射电源模块101的母线电压和电流，并传输至主控模块105。

接收端20包括：接收线圈201、对称LCC功率补偿电路202、整流模块203、同步Buck电路204、过电压保护电路205、超级电容组206、电容电压测量模块207以及充电电流和谐振电压测量模块208。

发射线圈104通过磁耦合谐振方式将功率传输到接收线圈201；接收线圈201通过对称LCC功率补偿电路202与整流模块203连接，整流模块203与同步Buck电路204的输入端连接，同步Buck电路204的输出端通过过电压保护电路205与超级电容组206连接；充电电流和谐振电压测量模块208用于测量整流模块203输出的信号的电压和电流值，并传输至主控模块105；电容电压测量模块207用于测量超级电容组206的电容电压，并传输至主控模块105。

主控模块105根据充电电流和谐振电压测量模块208测量的充电电流和谐振电压确定实时充电功率，并根据实时充电功率和预设恒定功率，输出两路第一PWM信号至高频全桥逆变电路102调整发射功率，同时输出两路第二PWM信号至同步Buck电路204进行充电功率调整，完成恒功率无线充电。

具体的，发射电源模块101等带有过温，过流，过压等硬保护，同时主控模块可以实现过流，过压，电池低压等软保护，安全性高。发射端处于恒功率工作状态，元器件工作状态更稳定，整板寿命更长。

发射电源模块101用于输出发射电压至所频全桥逆变电路102，还用于给接收端供电；发射电源模块101的原理图如图3所示，图3中U1为SP1N28STER降压转换器。

高频全桥逆变电路102，用于将接收的直流信号转换为交流发射信号，并传输至LCC功率补偿模块103。

LCC功率补偿模块103，用于对所述交流发射信号进行功率补偿，并将得到的发射功率至发射线圈。

发射线圈104，用于将发射功率通过磁耦合谐振方式传输到接收线圈201；

母线电压电流测量模块，用于测量发射电源模块101的母线电压、电流，并将测量值传输至所主控模块105连接。

接收线圈，用于接收发射功率，并传输至整流模块203。

整流模块203，用于对接收的发射功率进行整流，并传输至同步Buck电路204。

所述同步Buck电路，用于调整给超级电容组充电的功率，实现电容恒功率充电。

过电压保护电路，用于对输出端进行过电压保护。

超级电容组，用于存储恒功率充电的电能。

上述逆变谐振恒功率无线充电系统，该系统包括：发射端和接收端；发射端包括：发射电源模块、高频全桥逆变电路、LCC功率补偿模块、发射线圈、主控模块以及母线电压电流测量模块；接收端包括：接收线圈、对称LCC功率补偿电路、整流模块、同步Buck电路、过电压保护电路、超级电容组、电容电压测量模块以及充电电流和谐振电压测量模块；发射线圈通过磁耦合谐振方式将功率传输到接收线圈；主控模块根据充电电流和谐振电压测量模块测量的充电电流和谐振电压确定实时充电功率，并根据实时充电功率和预设恒定功率，输出两路第一PWM信号至高频全桥逆变电路调整发射功率，同时根据电容电压测量模块测量的超级电容组的电压值输出两路第二PWM信号至同步Buck电路进行充电功率调整，完成恒功率无线充电。本发系统通过精确匹配接收端反射电阻后结合同步Buck电路可以实时调整接收端阻抗，进而可以在发射端不改变输出功率，接收端储能器件阻抗变化的情况下实现负载端保持高效率恒功率充电。

本系统可低成本实现大功率无线电能传输，采用本方案同型号MOS管最大发射功率可达1200W，更换MOS管型号后可达更高功率，远超目前市面上服务型机器人充电功率。且本方案可以实现较远距离的电能传输，充电设备体积小。

在其中一个实施例中，主控模块包括Risc-v架构的国产单片机。

作为优选，采用国产Risc-v架构的单片机芯片，价格低，货源稳定。

在其中一个实施例中，高频全桥逆变电路包括：两个高频半桥栅极驱动器和一个高频全桥逆变器。

两个高频半桥栅极驱动器的输入端均与主控模块连接，第一个高频半桥栅极驱动器的两个输出端分别与高频全桥逆变器的第一半桥的两个MOS管的栅极连接，第二个高频半桥栅极驱动器的两个输出端分别与高频全桥逆变器的第二半桥的两个MOS管的栅极连接，高频全桥逆变器的第一半桥和第二半桥的输出端分别与LCC功率补偿模块的两个输入端连接。

高频全桥逆变电路如图4所示，图4中Q4、Q5、Q6和Q7均为N沟道场效应管HYG180N10LS1P，U5和U6均为高频半桥栅极驱动器DGD0506A。

在其中一个实施例中，同步Buck电路包括：半桥驱动模块、MOS半桥、滤波模块。

半桥驱动模块的两个输入端与主控模块连接，半桥驱动模块的两个输出端分别与MOS半桥的上桥臂和下桥臂的MOS管的栅极连接，MOS半桥的上桥臂的MOS的源极与MOS半桥的下桥臂的MOS的漏极连接，MOS半桥的下桥臂的MOS的源极与滤波模块的一个输入端连接，MOS半桥的下桥臂的MOS的漏极与滤波模块的另一个输入端连接，滤波模块的输出端与过电压保护电路连接。

同步Buck电路原理图如图5所示，图5中U2为半桥驱动芯片EG2104，U2选用智能二极管控制器LM74610QDGKTQ1，Q1和Q3均为N沟道增强型MOS管IRLR3410TRPBF，Q2为N沟道增强型MOS管TPH1R403NL。

在其中一个实施例中，在发射端，主控模块还用于根据母线电压电流测量模块测量的发射电源模块的母线电流和母线电压判断发射电源模块是否状态正常，如果状态正常则采用阶梯功率控制方式输出第一PWM信号至高频全桥逆变电路，对高频全桥逆变电路进行控制；阶梯功率控制方式为：在0.0s-1.0s线性调控50%-100%目标功率，1.0s往后线性调控100%目标功率。

具体的，发射端采用阶梯功率控制主要是因为电流采样信号有充电效应，由于电流采样输出一开始会低于真实功率 这样会导致失真超调，因此分成三个阶梯控制，0.0s-1.0s线性调控50%-100%目标功率，1.0s往后为100%目标功率。功率控制部分允许低于目标功率 但严格限制超过目标功率，因此低于目标功率超过10W时正常调控，在-5W-10W 范围时削弱调控，在超过目标功率5W时严格调控下调移相，这样可能会导致一定震荡 但是可以避免滞后造成的长时间超调。

在其中一个实施例中，主控模块还用于对发射端进行发射过流保护；发射过流保护是指：按照预定频率（作为优选，预定频率为100Hz）读取母线电压电流测量模块测量的母线电流值，得到电流采样值，并存储在预定缓冲区数组中（作为优选，预定缓冲区数组选用长度为20，数据类型为浮点型的缓冲区数组），对电流采样值采用巴特沃斯低通滤波器进行滤波，然后统计预定缓冲区数组中所有电流数据（即20个电流数据），在1秒内统计电流数据的线性相关系数及峰值差，设定线性相关系数及峰值差的加权系数，若线性相关系数及峰值差的加权和超过预设阈值，则当前系统有过流可能，主控模块停止输出第一PWM信号关断高频全桥逆变电路的MOS管。

具体的，过流检测思路为按照100Hz的频率读取母线电流值，并存储在长度为20，数据类型为浮点型的缓冲区数组中，由于采样效应的误差，电流采样值会出现很多低频干扰，设计巴特沃斯带阻滤波器，滤波器阶数为2，数字滤波器上阻带截止频率为15 Hz，下阻带截止频率为10 Hz，采样频率为100 Hz。

归一化巴特沃斯低通滤波器形式：

；

计算

；

；

；

；

；

；

；

统计缓冲区数组中的20个电流数据，在1s以内，统计电流数据的线性相关系数及峰值差，设定线性相关系数及峰值差的加权系数α和β，若线性相关系数及峰值差的加权和超过设定阈值，则可以认为目前系统正在发散，有过流可能。此时单片机停止输出PWM波关断MOS管。

在其中一个实施例中，主控模块还用于对接收端进行接收过流保护；接收过流保护是指：当接收线圈两边电压差小于预设压差阈值时，则将充放电电流设定为预设值（较高的值）；当接收线圈两边电压差大于预设压差阈值时，则限制充放电电流，电流计算公式为：

；

其中，

具体的，接收端接收线圈两边的电流满足以下条件：

在其中一个实施例中，主控模块还用于对接收端电路进行硬件自检、对发射端和接收端进行运行时的故障检测；其中，运行时故障检测包括：过欠压异常, 电流过流, 充放电异常；对接收端电路进行硬件自检的过程包括：发射开始预设时间段内（作为预设时间段为0-0.1s），检测接收端电压和电流，分别存储在预定的缓冲数组（作为优选，预定的缓冲数据选用类型为Float长度为20的缓冲数组），并通过低通滤波滤除白噪声，线性改变上下两个MOS管的占空比，根据电压和电流数据，计算电压变化率、占空比变化率以及电流变化率，若电压变化率小于占空比变化率，则判定MOS管已损坏，若电压变化率与占空比变化率之比大于阈值上限（阈值上限优选1.0±0.1），电流变化率小于电流变化率阈值下限（电流变化率阈值下限优选为：设定的最大功率

具体的，运行时故障检测的思路发射端和接收端是通用的。运行时故障检测可以及时发现故障并关断输出, 避免进一步损坏。运行时故障检测分为过欠压异常, 电流过流, 充放电异常。其中需要重点说明的是充放电异常, 其能够检测MOS损坏造成的充放电功率异常, 并防止MOS击穿导致的短路, 具体判断方法为, 若DC-DC设定功率和实际计算功率长时间相差过大, 则认为发生充放电异常。

在其中一个实施例中，主控模块还用于根据采集的电容电压测量模块测量的超级电容组的电容电压，调整同步Buck电路的输出电压，使超级电容组中超级电容在不被击穿的情况下恒功率充电。

具体的，因为电容阻抗会因为电容电压而发生改变，电容能量

在一个实施例中，提了一种逆变谐振恒功率无线充电系统，所述系统的发射端主要功率控制电路采用了高频率全桥逆变电路，支持宽泛的电压输入，带有缓启动、过流保护、过压保护、低压保护、过温保护等诸多安全性功能。整体工作效率高，温升低，实测400W工作状态连续充满1440焦耳能量的电容组四次，温升<10℃；增加外部主动散热后实测600W工作状态充满1440焦耳能量的电容组四次，温升<10℃。接收端部分实测接受效率可稳定在80%左右，增加主动散热的情况下连续充电四次，整体温升<10℃。本方案具有可靠性高，电路拓扑结构简单，成本低优点。

在一个实施例中，提供了一种逆变谐振恒功率无线充电控制方法，该方法应用于上述任一逆变谐振恒功率无线充电系统实现恒功率无线充电；该方法包括如下步骤：

步骤100：主控模块接收母线电压电流测量模块测量的发射电源的母线电压和母线电流值，并根据所述母线电压和所述母线电流值确定所述发射电源的是否能正常提供电能。

步骤102：在发射电源能正常提供电能的情况下：

主控模块根据接收的充电电流和谐振电压测量模块测量的充电电流和谐振电压确定实时充电功率，并根据所述实时充电功率和预设恒定功率，输出两路第一PWM信号至所述高频全桥逆变电路调整发射功率；

步骤104：当主控模块接收的电容电压测量模块测量的超级电容组的电容电压值时，输出两路第二PWM信号至同步Buck电路进行充电功率调整，完成恒功率无线充电。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。