本發明屬于無線電能傳輸領域，尤其涉及一種無線電能傳輸系統中負載切換控制方法。

背景技術：

近年來，無線充電技術發展迅速，因其非接觸、無電線連接、操作方便等特性，備受關注，各種各樣的無線充電產品也相繼問世。隨著其無線充電技術的成熟與應用領域越來越廣泛，功率的提升和更好的用戶體驗越來越重要。

現有的無線充電系統，從整體上看，包括兩部分：無線電能發射端和無線電能接收端，而無線電能發射端和無線電能接收端通過磁場來傳遞能量，兩者之間不用電線連接，無線電能發射端要獲取無線電能接收端狀態信息并進行能量傳輸的調節，就必須從接收端傳送控制訊號到發射端再經解析后進行控制形成一個控制回路，信號的傳送則由無線通信系統來完成。

而在無線充電技術控制領域中，從輕載到重載的切換存在著功率變化越大越無法切換成功的問題，究其原因在于：無線電能傳輸系統需要工作在諧振狀態，才能獲得最高的系統效率，而接收端的負載以反射阻抗的形式也參與整個系統的諧振。當負載發生變化時，相當于破壞了系統的諧振狀態，系統處于暫時的失諧狀態，接收端不能從磁場中獲得足夠的能量，從而導致接收端高頻整流濾波后的輸出電壓出現跌落。由于無線電能傳輸系統的接收端是無源的系統，控制系統的運行的MCU等部件都是通過電磁場中獲得的電能供電。如果接收端的輸出電壓跌落幅度過大的話，嚴重時可以使接收端系統處于短時掉電狀態，從而使系統工作在不可控的異常狀態。同理，負載從重載向輕載切換時，也會由于系統的暫時失諧，而導致接收端整流后輸出電壓過高，非常容易燒毀后級的穩壓電路，或是提高了后級電路的輸入電壓應力。總結而言，無線電能傳輸系統的接收端是從電磁場中獲取能量，不是一個穩定的恒流源或恒壓源，很容易受到負載等變化產生劇烈影響。而在傳統的電源系統是從電網中獲取電能(通常為穩定的恒壓源)，當發生輕重負載之間進行切換時，電源輸出的變化通常很小。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明提供了一種無線電能傳輸系統及其負載切換控制方法，該發明能有效的防止無線接收端整流后電壓的過度起伏，提高了無線電能傳輸系統工作的穩定性。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種無線電能傳輸系統，包括連接于電網的無線發射端，以及可接收無線發射端電能的無線接收端，無線發射端包括可傳輸無線電能的發射線圈，以及可接收通訊信號的無線通信接收模塊；無線接收端外連負載，包括可接收發射線圈中發射電能的接收線圈，以及可將接收線圈輸出電能轉化為通訊信號傳輸至通信接收模塊的無線通信發射模塊，無線發射端還包括發射端整流濾波電路，發射端整流濾波電路的輸出端并聯有逆變電路和線性穩壓器，發射線圈連接逆變電路的輸出端；發射端MCU連接線性穩壓器的輸出端和無線通信接收模塊的輸出端，發射端MCU電連逆變電路的控制端，以控制逆變電路中轉換的高頻交流電頻率；無線接收端的接收線圈連接有接收端整流濾波電路，接收端整流濾波電路的輸出端連接DC/DC變換電路，DC/DC變換電路連接輸出電壓采樣電路，以實時采集接收端整流濾波電路整流后的輸出電壓，輸出電壓采樣電路的輸出端連接接收端MCU，接收端MCU連接無線通信發射模塊，以將轉換后的數字信號傳輸至無線通信發射模塊形成通訊信號；其中，接收端MCU實時采集接收端整流濾波電路的輸出電壓，并根據采集電壓值計算負載切換后的系統諧振頻率，以將該頻率通過無線通信發射模塊和無線通信接收模塊發送至發射端MCU，發射端MCU根據判斷信號調整無線發射端的起始工作頻率，從而抑制無線接收端整流后電壓的波動，以維持無線電能傳輸系統的穩定。

一種無線電能傳輸系統中負載切換時的控制方法，包括以下步驟：S1：啟動無線電能傳輸系統；S2：發射線圈發射電能，接收線圈接收電能，并經過接收端整流濾波電路整流濾波后輸出；S3：輸出電壓采樣電路實時采集整流濾波后的電壓，并將該電壓輸入至接收端MCU；S4：接收端MCU接收輸出電壓采樣電路中的電壓信號，并比對單位時間內電壓幅值的變化值是否在預設突變范圍內：

如在預設突變范圍內，則重復執行步驟S2；

如不在預設突變范圍內，接收端MCU根據采集的電壓信號計算負載變化前以及變化后的系統諧振頻率，并將該變化后頻率通過無線通信發射模塊和無線通信接收模塊發送至發射端MCU中，發射端MCU根據該信號調整新的起始輸出頻率控制信號，并執行步驟S2，直至接收端MCU單位時間內電壓幅值的變化值在預設突變范圍內。

作為本發明的進一步優化，上述S4的步驟中，接收端MCU比對單位時間內電壓幅值的變化值不在預設突變范圍內時，如該單位時間內電壓幅值快速跌落，則接收端MCU判定負載由輕載變重載，接收端MCU計算負載變化后的系統諧振頻率并發送至發射端MCU中時，發射端MCU的輸出頻率控制信號控制逆變電路輸出新的起始工作頻率。

作為本發明的進一步優化，上述S4的步驟中，接收端MCU比對單位時間內電壓幅值的變化值不在預設突變范圍內時，如該單位時間內電壓幅值快速升高，則接收端MCU判定負載由重載變輕載，接收端MCU計算負載變化后的諧振頻率并發送至發射端MCU中時，發射端MCU的輸出頻率控制信號控制逆變電路輸出新的起始工作頻率。

與現有技術相比，本發明的優點和積極效果在于：

本發明的無線電能傳輸系統及其負載切換時的控制方法，其通過接收端MCU實時采集接收端整流濾波電路的輸出電壓，并通過單位時間內輸出電壓變化幅度的對比，進而判斷負載是否發生變化，進一步傳輸至無線發射端，無線發射端根據該信號計算新的系統諧振頻率并快速調整系統的起始工作頻率到新的系統諧振頻率附近，從而有效的抑制了整流后電壓的劇烈波動，快速達到系統的重新穩定狀態。

附圖說明

圖1為本發明無線電能傳輸系統的示意圖；

圖2為本發明無線電能傳輸系統中負載切換時控制方法的流程圖。

具體實施方式

下面，通過示例性的實施方式對本發明進行具體描述。然而應當理解，在沒有進一步敘述的情況下，一個實施方式中的元件、結構和特征也可以有益地結合到其他實施方式中。

參見圖1，是本發明無線電能傳輸系統的示意圖，如圖1所示，本發明的無線電能傳輸系統，包括連接于電網的無線發射端，以及可接收無線發射端電能的無線接收端，無線發射端包括可傳輸無線電能的發射線圈，以及可接收通訊信號的無線通信接收模塊；無線接收端外連負載，包括可接收發射線圈中發射電能的接收線圈，以及可將接收線圈輸出電能轉化為通訊信號傳輸至通信接收模塊的無線通信發射模塊，無線發射端還包括發射端整流濾波電路，發射端整流濾波電路的輸出端并聯有逆變電路和線性穩壓器，發射線圈連接逆變電路的輸出端；發射端MCU連接線性穩壓器的輸出端和無線通信接收模塊的輸出端，發射端MCU電連逆變電路的控制端，以控制逆變電路中轉換的高頻交流電頻率；無線接收端的接收線圈連接有接收端整流濾波電路，接收端整流濾波電路的輸出端連接DC/DC變換電路，DC/DC變換電路連接輸出電壓采樣電路，以實時采集接收端整流濾波電路整流后的輸出電壓，輸出電壓采樣電路的輸出端連接接收端MCU，接收端MCU連接無線通信發射模塊，以將轉換后的數字信號傳輸至無線通信發射模塊形成通訊信號；其中，接收端MCU實時采集接收端整流濾波電路的輸出電壓，通過輸出電壓變化的幅值實時判斷負載是否發生突變，并根據采集電壓值計算負載切換后的系統諧振頻率，以將該頻率通過無線通信發射模塊和無線通信接收模塊發送至發射端MCU，發射端MCU根據接收端MCU的計算值調整無線發射端的輸出新的起始調節頻率，從而抑制無線接收端整流后電壓的跌幅，以維持無線電能傳輸系統的穩定狀態。

上述中，進一步說明，接收端MCU具體包括可實時接收整流濾波電路中輸出電壓的采集模塊，可將模擬信號轉為數字信號的AD模數轉換模塊，可去除采集電壓中噪聲信號的濾波模塊，可存儲采集信號的存儲模塊，可實時判斷單位時間內電壓幅值變化是否突變的比對模塊，預存工作頻率計算公式的計算模塊，以及可根據比對模塊中產生信號生成控制信號的控制模塊，其中比對模塊中預設突變范圍值，單位時間內電壓幅值變化與該預設突變范圍值比較，如在該突變范圍內，則該無線電能系統繼續維持現有頻率運行；如超出突變范圍，則形成突變信號，計算模塊中預存可根據采集電壓計算工作頻率的計算模塊，進一步將該計算后的工作頻率傳送至發射端MCU，發射端MCU控制系統按照該計算后的工作頻率控制無線發射端中逆變電路的跳變到新的起始工作頻率，直至接收端MCU中比對模塊中比對發現單位時間內電壓幅值變化在該預設突變范圍值中。

另外，發射端MCU與逆變電路之間連接有驅動電路，以將控制模塊中形成的控制信號通過驅動電路控制逆變電路。

參見圖2，是本發明無線電能傳輸系統中負載切換時的控制方法的流程示意圖。如圖2所示，本發明中提供的一種無線電能傳輸系統中負載切換時的控制方法，包括以下步驟：

S1：啟動無線電能傳輸系統；

S2：發射線圈發射電能，接收線圈接收電能，并經過接收端整流濾波電路整流濾波后輸出；

S3：輸出電壓采樣電路實時采集整流濾波后的電壓，并將該電壓輸入至接收端MCU；

S4：接收端MCU接收輸出電壓采樣電路中的電壓信號，并比對單位時間內電壓幅值的變化值是否在預設突變范圍內：

如在預設突變范圍內，則重復執行步驟S2；

如不在預設突變范圍內，接收端MCU根據采集的電壓信號計算負載變化前以及變化后的系統諧振頻率，并將該變化后頻率通過無線通信發射模塊和無線通信接收模塊發送至發射端MCU中，發射端MCU根據該信號調整輸出新的起始頻率控制信號，并執行步驟S2，直至接收端MCU單位時間內電壓幅值的變化值在預設突變范圍內。

另外，在上述S4的步驟中，接收端MCU比對單位時間內電壓幅值的變化值不在預設突變范圍內時，如該單位時間內電壓幅值快速跌落，則接收端MCU判定負載由輕載變重載，接收端MCU計算負載變化后的系統諧振頻率并發送至發射端MCU中時，發射端MCU的輸出頻率控制信號控制逆變電路輸出頻率到新的起始工作頻率。

在上述S4的步驟中，接收端MCU比對單位時間內電壓幅值的變化值不在預設突變范圍內時，如該單位時間內電壓幅值快速上升，則接收端MCU判定負載由重載變輕載，接收端MCU計算負載變化后的工作頻率并發送至發射端MCU中時，發射端MCU的輸出頻率控制信號控制逆變電路輸出頻率到新的起始工作頻率。

對上述控制方法進一步詳細說明，因系統的負載發生變化時，需要保持無線電能傳輸系統始終工作在諧振頻率附近的頻率上，這樣才能保證輸出足夠的功率及較高的系統效率。在本發明中，負載切換前和切換后系統的工作頻率可以根據如下的方法進行計算(以發射端和接收端都為串聯補償的SS型補償拓撲為例，并且系統工作在感性區)，而該計算公式即為接收端MCU中預存的計算公式，具體如下：

接收端電路等效阻抗為：

接收端電路到發射端的反射阻抗為：

則無線電能傳輸系統的總阻抗為：

當總阻抗Zt的虛部為零時的ω，則為無線電能傳輸系統的諧振頻率點。即

Im[Z_t]＝0

聯立即可解系統的諧振頻率。

假設負載在切換之前的工作起始頻率為F_L，負載切換之后的起始頻率為F_H，F_L和F_H通過上述公式可具體確定無線電能傳輸系統的諧振頻率。

在負載切換過程中，由于無線電能傳輸系統處于暫時的失諧狀態，接收端的整流濾波后輸出電壓出現快速的跌落。為此，本發明采用基于負載變化的跳頻控制，快速將系統的工作頻率調整到重載或輕載狀態下所對應的系統工作頻率，從而快速恢復系統的諧振狀態。

為了系統能夠實時知道何時發生了負載從輕載到重載或重載到輕載的切換，本發明中設置的輸出電壓采樣電路，可實時監測接收端的整流濾波后輸出電壓的變化的方法。接收端的輸出電壓對應為工作頻率點F_L或F_H附近對應的Vrect，在未發生負載變化時，通常Vrect只在非常小的范圍內波動(比如波動范圍△Vrect小于5V)。若無線電能傳輸系統檢測到Vrect的波動遠遠超過正常的波動范圍△Vrect，如短時間變化到N倍的△Vrect(N通常可以取為3-4倍)，此時可以認為無線電能傳輸系統發生了負載的切換。這時接收端MCU可以根據變化的方向(如果Vrect變高，則對應重載到輕載；如果Vrect變低，則對應輕載到重載切換)，通過無線通信的發射與接收模塊，通知無線電能傳輸系統的發射端將系統的工作頻率切換到相應的F_L或F_H，從而讓無線電能傳輸系統快速進入一個新的穩定的諧振狀態。

針對上述方法，進一步詳細描述如下：

系統上電后，接收端MCU實時采集并處理整流濾波電路輸出的電壓，同時通過比對單位時間內電壓幅值變化值與預設突變范圍值，進一步判斷負載是否發生變化；當出現了輕重載切換的瞬間，接收端MCU根據采集的電壓值計算負載變化后的系統諧振頻率，并通過無線通信發射模塊將該頻率信號通過無線通訊接收模塊和無線通訊接收模塊對數據進行數據解密、格式解析、校驗和驗證以及數據提取的操作，以取出控制信號；無線發射端MCU接收到該信號后，進一步控制逆變電路輸出頻率，以調整無線電能傳輸系統的起始工作頻率，直至該接收端MCU在比對單位時間內電壓幅值變化值與預設突變范圍值時，電壓幅值變化值在預設突變范圍值內，則繼續穩定運行。

本發明通過接收端MCU實時采集接收端整流濾波電路的輸出電壓，并通過單位時間內輸出電壓的對比，進而判斷負載是否發生變化，進一步計算系統新的諧振頻率并通過通信模塊傳輸至無線發射端，無線發射端根據該信號調整新的起始工作頻率，從而有效的抑制了整流后電壓的劇烈波動，快速達到系統的重新穩定狀態。