用于无线电能传输系统阻抗匹配的级联升压-降压转换器及其控制方法

本申请涉及电路控制领域，具体涉及一种用于无线电能传输系统阻抗匹配的级联升压-降压转换器及其控制方法。

背景技术：

随着电动汽车充电技术的不断发展，磁耦合谐振式无线电能能传输技术(magneticresonancecouplingwirlesspowertransfer,mcr-wpt)受到国内外越来越多的关注和研究。mcr-wpt系统的系统传输效率，受到系统线圈传输距离变化或电动汽车电池在充放电过程中电池阻抗变化的影响。若mcr-wpt系统能够维持阻抗匹配状态，则mcr-wpt系统的传输效率将大大改善。

目前，针对mcr-wpt系统的阻抗匹配研究方法，最常见的是变耦合系数的匹配方法和嵌入式电容阵列的匹配方法。在变耦合系数的匹配方法中，如图1所示，将谐振传输系统的两线圈结构改造成四线圈结构，实现电源端和负载端的阻抗匹配，但是线圈数量增加相应的损耗也随之增加，系统整体的传输效率受到影响。在嵌入式电容阵列的匹配方法中，电容阵列组成的匹配网络嵌入高频电源和发射线圈之间，利用最大传输功率理论令系统实现阻抗匹配，然而，该种网络只是针对某一点频率设计，不能应对频率变化的情况。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种用于无线电能传输系统阻抗匹配的级联升压-降压转换器及其控制方法，来实现无线电能传输系统的动态阻抗匹配，提高无线电能传输系统的传输效率。

为达到上述目的，本申请提供如下技术方案：

第一方面，本申请实施例提供了一种用于无线电能传输系统阻抗匹配的级联升压-降压转换器，包括boost变换器、buck变换器、第一开关信号控制电路、第二开关信号控制电路、输入电流检测电路、输入电压检测电路、负载电流检测电路、负载电压检测电路；

boost变换器与无线电能传输系统连接，buck变换器与boost变换器级联，buck变换器与可变负载连接；

输入电流检测电路，用于检测boost变换器输入端的输入电流；

输入电压检测电流，用于检测boost变换器输入端的输入电压；

第一开关信号控制电路，用于根据输入电流、输入电压、无线电能传输系统的最优负载值输出第一pwm信号，第一pwm信号用于控制boost变换器中的开关器件；

负载电流检测电路，用于检测负载电流；

负载电压检测电路，用于检测负载电压；

第二开关信号控制电路，用于根据负载电流、负载电压输出第二pwm信号，第二pwm信号用于控制buck变换器中的开关器件。

进一步地，第一开关信号控制电路包括第一放大电路、第一作差电路、第一pi调节电路、第一基础波电路、第一比较电路；

第一放大电路，用于接收输入电流，并将输入电流放大第一预定倍数；第一预定倍数根据无线电能传输系统的最优负载值确定；

第一放大电路与第一作差电路连接，第一作差电路与第一pi调节电路连接，第一pi调节电路、第一基础波电路分别与第一比较电路连接；

第一作差电路，用于获取放大后的输入电流与输入电压的第一差值信号；

第一pi调节电路，用于接收并调节第一差值信号；

第一比较电路，用于根据第一pi调节电路的输出信号和第一基础波电路的输出信号，输出用于控制boost变换器中开关器件的第一pwm信号。

进一步地，第二开关信号控制电路包括第二放大电路、第二作差电路、第二pi调节电路、第二基础波电路、第二比较电路；

第二放大电路，用于接收负载电流，并将负载电流放大第二预定倍数；第二预定倍数大于t倍的负载值；负载值根据负载电压和负载电流确定；

第二放大电路与第二作差电路连接，第二作差电路与第二pi调节电路连接，第二调节电路、第二基础波电路分别与第二比较电路连接；

第二作差电路，用于获取放大后的负载电流与负载电压的第二差值；

第二pi调节电路，用于接收并调节第二差值信号；

第二比较电路，用于根据第二pi调节电路的输出信号和第二基础波电路的输出信号，输出用于控制boost变换器中开关器件的第二pwm信号。

进一步地，t≥3。

第二方面，本申请实施例提供了一种用于无线电能传输系统阻抗匹配的级联升压-降压转换器的控制方法，应用于如第一方面所示的用于无线电能传输系统阻抗匹配的级联升压-降压转换器中，该方法包括：

通过boost变换器接收无线电能传输系统提供的输入电压，通过与boost变换器级联的buck变换器输出负载电压，负载电压用于为可变负载充电；

通过输入电流电测电路获取输入电流，通过输入电压检测电路获取输入电压；

通过负载电流检测电路获取负载电流，通过负载电压检测电路获取负载电压；

通过第一开关信号控制电路根据输入电流、输入电压、无线电能传输系统的最优负载值，输出第一pwm信号，第一pwm信号用于控制boost变换器中的开关器件；

通过第二开关信号控制电路根据负载电流、负载电压输出第二pwm信号，第二pwm信号用于控制buck变换器中的开关器件。

进一步地，第一开关信号控制电路包括第一放大电路、第一作差电路、第一pi调节电路、第一基础波电路、第一比较电路；

通过第一开关信号控制电路根据输入电流、输入电压、无线电能传输系统的最优负载值，输出第一pwm信号，包括：

通过第一放大电路接收输入电流，并将输入电流放大第一预定倍数；第一预定倍数根据无线电能传输系统的最优负载值确定；

通过第一作差电路获取放大后的输入电流与输入电压的第一差值信号；

通过第一pi调节电路接收并调节第一差值信号；

通过第一比较电路根据第一pi调节电路的输出信号和第一基础波电路的输出信号，输出用于控制boost变换器中开关器件的第一pwm信号。

进一步地，第二开关信号控制电路包括第二放大电路、第二作差电路、第二pi调节电路、第二基础波电路、第二比较电路；

通过第二开关信号控制电路根据负载电流、负载电压输出第二pwm信号，包括：

通过第二放大电路接收负载电流，并将负载电流放大第二预定倍数；第二预定倍数大于t倍的负载值；负载值根据负载电压和负载电流确定；

通过第二作差电路获取放大后的输入电流与输入电压的第二差值信号；

通过第二pi调节电路接收并调节第二差值信号；

通过第二比较电路根据第二pi调节电路的输出信号和第二基础波电路的输出信号，输出用于控制boost变换器中开关器件的第二pwm信号。

进一步地，t≥3。

本申请的有益效果在于：

通过实时测量输入电流、输入电压、负载电流、负载电压，并将输入电流和输入电压反馈给第一开关信号控制电路，将负载电流和负载电压反馈给第二开关信号控制电路，由第一开关信号控制电路输出第一pwm信号，实现对boost变换器中开关器件的导通占空比的调节，由第二开关信号控制电路输出第二pwm信号，实现对buck变换器中开关器件的导通占空比的调节，通过第一开关信号控制和第二开关信号控制电路精准地实现输入阻抗的调节，完成电源端与负载端的阻抗匹配；解决了目前无线电能传输系统的传输效率不高的问题；达到了提高无线电能传输系统的传输效率的效果。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明。

附图说明

图1是一种现有的用于无线电能传输系统的阻抗匹配网络的示意图；

图2是本申请实施例提供的一种用于无线电能传输系统阻抗匹配的级联升压-降压转换器的结构框图；

图3是本申请实施例提供的一种用于无线电能传输系统阻抗匹配的级联升压-降压转换器的原理图；

图4是本申请实施例提供的第一开关信号控制电路的结构框图；

图5是本申请实施例提供的一种第二开关信号控制电路的结构框图；

图6是本申请实施例提供的一种用于无线电能传输系统阻抗匹配的级联升压-降压转换器的控制方法的流程图；

图7是本申请实施例提供的一种最优负载值为50的条件下，输入电流iin和输入电压vin的仿真示意图；

图8是本申请实施例提供的一种最优负载值为50的条件下，负载电压vload的仿真示意图；

图9是本申请实施例提供的一种最优负载值为100的条件下，输入电流iin和输入电压vin的仿真示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

此外，下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请参考图2，其示出了本申请实施例提供的一种用于无线电能传输系统阻抗匹配的级联升压-降压转换器的结构框图。

该无线电能传输系统包括boost变换器130、buck变换器140、第一开关信号控制电路150、第二开关信号电路160、输入电流检测电路270、输入电压检测电路260、负载电流检测电路370、负载电压检测电路360。

boost变换器130与无线电能传输(wirlesspowertransfer,wpt)系统110连接，buck变换器140与boost变换器130级联，buck变换器140与可变负载120连接。

在充电过程中，可变负载120的阻抗会发生变化。

级联的boost变换器130与buck变换器实现dc-dc变换功能，实现对可变负载120的充电。

输入电流检测电路270用于检测boost变换器输入端的输入电流iin。

输入电压检测电路260用于检测boost变换器输入端的输入电压vin。

第一开关信号控制电路150用于根据输入电流、输入电压、无线电能传输系统的最优负载值输出第一pwm信号；第一pwm信号用于控制boost变换器中的开关器件。

无线电能传输系统的最大传输效率对应存在最优负载值，根据无线电能传输系统的参数可以确定出无线电能传输系统对应的最优负载值。

通过第一pwm信号调节boost变换器中开关器件的导通占空比。

负载电流检测电路370用于检测负载电流iload。负载电压检测电路360用于检测负载电压vload。

第二开关信号控制电路160用于根据负载电流、负载电压输出第二pwm信号；第二pwm信号用于控制buck变换器中的开关器件。

通过第二pwm信号调节buck变换器中开关器件的导通占空比。

在本申请实施例提供的转换器中，通过实时测量输入电流、输入电压、负载电流、负载电压，并将输入电流和输入电压反馈给第一开关信号控制电路，将负载电流和负载电压反馈给第二开关信号控制电路，由第一开关信号控制电路输出第一pwm信号，实现对boost变换器中开关器件的导通占空比的调节，由第二开关信号控制电路输出第二pwm信号，实现对buck变换器中开关器件的导通占空比的调节，通过第一开关信号控制和第二开关信号控制电路精准地实现输入阻抗的调节，完成电源端与负载端的阻抗匹配；解决了目前无线电能传输系统的传输效率不高的问题；达到了提高无线电能传输系统的传输效率的效果。

图3示例性地示出了本申请实施例提供的用于无线电能传输系统阻抗匹配的级联升压-降压转换器的原理图。

boost变换器由开关器件q1、电感l1、电容c1和二极管d1构成；buck变换器由开关器件q2、电感l2、电容c2和二极管d2构成。

开关器件q1的导通受到第一pwm信号pulse1控制，开关器件q2的导通受到第二pwm信号pulse2控制。

如图4所示，第一开关信号控制电路包括第一放大电路210、第一作差电路220、第一pi调节电路230、第一基础波电路240、第一比较电路250。

第一放大电路210接收输入电流检测电路270输出的输入电流iin，并将输入电流iin放大第一倍数rin。

第一放大倍数rin根据无线电能传输系统的最优负载值确定。

第一放大电路210与第一作差电路220连接，第一作差电路220与第一pi调节电路230连接，第一pi调节电路230、第一基础波电路240分别与第一比较电路250连接。

第一作差电路220用于获取放大后的输入电流(rin*iin)与输入电压vin的第一差值信号。

第一pi调节电路230用于接收并调节第一差值信号。

第一基础波电路240用于提供基础波。可选的，基础波为三角波。基础波的频率、峰值根据实际情况确定。

第一比较电路250接收第一pi调节电路230的输出信号、第一基础电路240输出的基础波信号，利用第一比较电路250比较第一pi调节电路230的输出信号和基础波信号，并根据比较结果输出第一pwm信号pulse1。

如图5所示，第二开关信号控制电路包括第二放大电路310、第二作差电路320、第二pi调节电路330、第二基础波电路340、第二比较电路350。

第二放大电路310接收输入负载检测电路360检测的负载电流iload，并将负载电流iload放大第二倍数k。

第二放大倍数k大于t倍的负载值，即k＞t*rload；负载值rload根据负载电压vload和负载电流iload确定。

从图3可以看出，电容c2端的电压为vbf，通过设定第二放大倍数k，间接地令vbf＞vin，平衡输入输出功率。

可选的，t≥3。

第二放大电路310与第二作差电路320连接，第二作差电路320与第二pi调节电路330连接，第二pi调节电路330、第二基础波电路340分别与第二比较电路350连接。

第二作差电路320用于获取放大后的输入电流(rin*iin)与输入电压vin的第二差值信号。

第二pi调节电路330用于接收并调节第二差值信号。

第二基础波电路340用于提供基础波。可选的，基础波为三角波。基础波的频率、峰值根据实际情况确定。

第二比较电路350接收第二pi调节电路330的输出信号、第二基础电路340输出的基础波信号，利用第二比较电路350比较第二pi调节电路330的输出信号和基础波信号，并根据比较结果输出第二pwm信号pulse2。

如图3所示，电容c1两端的电压vbf与输入电压vin之间的关系为：

d1为boost变换器中开关器件q1的导通占空比。

负载电压vload与电容c1两端的电压vbf之间的关系为：

vload＝d2×vbf(2)

d2为buck变换器中开关器件q2的导通占空比。

本申请实施例提供的级联升压-降压转换器的输入电阻为：

pin为输入电压vin与输入电流iin的乘积。

将公式(1)带入公式(3)，得到d1于vbf之间的关系为：

rin设置为无线电能传输系统的最大传输效率对应的最优负载值。

从图4可以看出，在第一开关信号控制电路中，第一pi调节电路230可以减小输入电压vin与rin之间的误差，令负载发生变化时，无线电能传输系统也能运行在最优负载状态。

从图5可以看出，在第二开关信号控制电路中，第二pi调节电路330可以令负载电流iload以固定比值k追踪负载电压vload的变化，减小负载电流iload对应的电压波动。

请参考图6，其示出了本申请一实施例提供的一种用于无线电能传输系统阻抗匹配的级联升压-降压转换器的控制方法的流程图，该方法应用于如图2所示的用于无线电能传输系统阻抗匹配的级联升压-降压转换器中。

步骤601，通过boost变换器接收无线电能传输系统提供的输入电压，通过与boost变换器级联的buck变换器输出负载电压。

负载电压用于为可变负载充电。在充电过程中，可变负载的阻抗会发生变化。

步骤602，通过输入电流电测电路获取输入电流，通过输入电压检测电路获取输入电压。

步骤603，通过负载电流检测电路获取负载电流，通过负载电压检测电路获取负载电压。

需要说明的是，步骤602和步骤603可以同时执行，或者，步骤603在步骤602之前执行，本申请实施例对此不作限定。

步骤604，通过第一开关信号控制电路根据输入电流、输入电压、无线电能传输系统的最优负载值，输出第一pwm信号。

第一pwm信号用于控制boost变换器中的开关器件。

无线电能传输系统的最优负载值根据无线电能传输系统的参数确定。

步骤605，通过第二开关信号控制电路根据负载电流、负载电压输出第二pwm信号。

第二pwm信号用于控制buck变换器中的开关器件。

需要说明的是，上述步骤604和步骤605可以同时执行，或者，步骤605在步骤604之前执行，本申请对此不作限定。

在基于图6所示实施例的可选实施例中，第一开关信号控制电路包括第一放大电路210、第一作差电路220、第一pi调节电路230、第一基础波电路240、第一比较电路250，如图4所示。

上述步骤604可以通过如下方式实现：

步骤6041，通过第一放大电路接收输入电流，并将输入电流放大第一预定倍数。

第一预定倍数根据无线电能传输系统的最优负载值确定。

步骤6042，通过第一作差电路获取放大后的输入电流与输入电压的第一差值信号。

步骤6043，通过第一pi调节电路接收并调节第一差值信号。

步骤6044，通过第一比较电路根据第一pi调节电路的输出信号和第一基础波电路的输出信号，输出用于控制boost变换器中开关器件的第一pwm信号。

第一基础波电路的输出信号为基础波信号。可选的，基础波信号为三角波信号。

基础波信号的频率、峰值根据实际情况确定。

通过第一比较电路比较第一pi调节电路的输出信号和基础波信号，再根据比较结果输出第一pwm信号pulse1。

在基于图6所示实施例的可选实施例中，第二开关信号控制电路包括第二放大电路310、第二作差电路320、第二pi调节电路330、第二基础波电路340、第二比较电路350，如图5所示。

上述步骤605可以通过如下方式实现：

通过第二开关信号控制电路根据负载电流、负载电压输出第二pwm信号，包括：

步骤6051，通过第二放大电路接收负载电流，并将负载电流放大第二预定倍数。

第二预定倍数大于t倍的负载值；负载值根据负载电压和负载电流确定。

可选的，t≥3。

步骤6052，通过第二作差电路获取放大后的输入电流与输入电压的第二差值信号。

步骤6053，通过第二pi调节电路接收并调节第二差值信号。

步骤5054，通过第二比较电路根据第二pi调节电路的输出信号和第二基础波电路的输出信号，输出用于控制boost变换器中开关器件的第二pwm信号。

第二基础波电路的输出信号为基础波信号。可选的，基础波信号为三角波信号。

基础波信号的频率、峰值根据实际情况确定。

通过第二比较电路比较第二pi调节电路的输出信号和基础波信号，再根据比较结果输出第二pwm信号pulse1。

本申请实施例提供的用于无线电能传输系统阻抗匹配的级联升压-降压转换器的控制方法，利用第一开关信号控制电路和第二开关信号控制电路完成闭环反馈控制，实现了对无线电能传输系统的动态阻抗匹配，并且能够适用于高频和低频，不限制电源、耦合线圈和整流电路的选择，适用范围更广。此外，在稳定输入阻抗的同时，当负载发生变化时，负载电压能够在短时间内恢复至相对稳定值，令负载端的电压稳定性更好，起到保护负载的效果。

在一个例子中，对图2至图5所示的用于无线电能传输系统阻抗匹配的级联升压-降压转换器进行仿真实验，设定无线电能传输系统的最大传输效率对应的最优负载为50ω，则最优负载值为50。图7示出了该种情况下输入电流iin和输入电压vin的变化示意图，输入电压vin在0.05s由50v跳变为70v。图8示出了该种情况下负载电压vload的变化示意图。

从图7可以看出，在输入电压vin跳变之前，vin/iin的值为52.626ω，与设定的最优负载50ω相符；在输入电压vin跳变之后，vin/iin的值为50.677ω，与设定的最优负载50ω相符；实现在输入电压变化的情况下，仍令无线电能传输系统运行在最优负载状态的效果。

在仿真实验的过程中，在0.03s至0.04s之间以及0.06s至0.08s之间将负载电阻从50ω调整为10ω，从图7中看不出输入电压vin和输入电流iin的变化，实现消除负载变化对等效输入电阻的影响。

从图8可以看出，输入电压vin在0.05s由50v跳变为70v，负载电压vload的变化相对较小；负载电阻在0.03s至0.04s之间从50ω调整为10ω，在负载电阻变化的时间内，负载电压vload能在极快的时间内响应，并调节为相对稳定值，负载端的电压稳定性更好。

在另一个例子中，对图2至图5所示的用于无线电能传输系统阻抗匹配的级联升压-降压转换器进行仿真实验，设定无线电能传输系统的最大传输效率对应的最优负载为100ω，则最优负载值为100。图9示出了该种情况下输入电流iin和输入电压vin的变化示意图，输入电压vin在0.05s由50v跳变为70v。

从图9可以看出，在输入电压vin跳变之前，vin/iin的值为106.281ω，与设定的最优负载100ω相符；在输入电压vin跳变之后，vin/iin的值为104.406ω，与设定的最优负载100ω相符；实现在输入电压变化的情况下，仍令无线电能传输系统运行在最优负载状态的效果。

在仿真实验的过程中，在0.03s至0.04s以及0.06s至0.08s将负载电阻从50ω调整为10ω，从图9中看不出输入电压vin和输入电流iin的变化，实现消除负载变化对等效输入电阻的影响。

以上所述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申请专利范围的限制。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，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。