一种耦合机构、BCPT系统及其频相同步控制方法

本发明涉及无线电能传输，尤其涉及一种耦合机构、bcpt系统及其频相同步控制方法。

背景技术：

1、随着无线电能传输技术的深入研究，电场耦合无线电能传输(capacitivepowertransfer,cpt)系统引起了广泛的关注，cpt技术利用电场作为能量传输载体，具有耦合结构轻、成本低、金属导体和耦合结构周围涡流损耗小、电磁干扰低、穿越金属物体不产生显著功率损耗等特殊优势。目前已经在led灯、生物医学设备、生物电测量系统和电动汽车充电等方面取得了一些成果。与此同时，越来越多的场景开始显示出对双向无线电能传输(bidirectional wireless powertransfer,bwpt)技术的需求，如车联网(v2g)应用和便携式设备的共享充电，这有助于提高充电便利性，减轻电网负担，避免能源浪费。bcpt技术是bwpt技术的一种，被认为是一种潜在的发展趋势。典型bcpt系统如图1所示，其中vd表示单相电网通过有源整流器产生的直流电压，vo表示直流电池电压，原边和副边双向高频变换器用于驱动耦合机构和谐振网络。

2、先前提出的bwpt系统通常使用相同的对称有源变换器和补偿拓扑，功率流的大小和方向由原边和副边变换器产生的交流电压的相对相位角或大小控制。然而，上述提到的双向功率流控制策略仅适用于两个控制器处于同步工作的情况。由于原边和副边两个独立控制器的晶振总是存在频差，这将使得原边与副边变换器之间相对相位发生周期性变化，从而导致功率振荡。在传统的bwpt系统中，同步控制通常采用原边和副边独立控制器之间的无线通信来实现。然而，由于bcpt系统的频率很高，常用的无线通信技术，如蓝牙、zigbee和wi-fi都有时间延迟，很难实现驱动信号的同步。此外，无线通信对来自其他通信设备的交叉干扰和来自高频电子变换器的emi也很敏感，因此还需要对bcpt系统的同步控制方式做进一步的研究。

技术实现思路

1、为了在高频工作且无任何双边通信模块下实现bcpt系统原边和副边之间的同步控制，本发明首先提供一种便于实现原副边同步信息无线传输的耦合机构，通过在原边耦合极板和副边耦合极板上增设辅助极板，使得副边控制器可以通过检测不受副边输入电压影响的副边辅助极板的电压来获取原边的同步信息，同时副边的同步信息也可以通过原边辅助极板传递给原边控制器，实现原边控制器和副边控制器之间的同步和互操作性。

2、为了实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

3、一种耦合机构，包括四块主极板，其中，第一主极板和第三主极板分别与第二主极板和第四主极板两两相对设置，其关键在于：还包括与所述四块主极板一一对应设置的四块辅助极板，其中，第一辅助极板和所述第二主极板相对设置，第二辅助极板和所述第一主极板相对设置，第三辅助极板和所述第四主极板相对设置；第四辅助极板和所述第三主极板相对设置。

4、可选地，在每一块主极板的板面上分别设有辅助极板安装窗口，所述辅助极板设置在对应的辅助极板安装窗口中。

5、可选地，所述第一主极板和所述第三主极板并行设置在第一pcb板上，在所述第一主极板和所述第三主极板的一端对应设置所述第一辅助极板和所述第三辅助极板；所述第二主极板和所述第四主极板并行设置在第二pcb板上，在所述第二主极板和所述第四主极板的另一端对应设置所述第二辅助极板和所述第四辅助极板。

6、可选地，四块主极板和四块辅助极板均为铜板，且厚度相同，所述第一pcb板和所述第二pcb板均采用fr4介质板。

7、采用前文所述的耦合机构，本发明还提供一种bcpt系统，使其能够实现双向无线电能传输，同时还能方便的实现同步信息检测，具体而言：所述第一主极板和所述第三主极板作为原边主极板分别连接在原边主电路上，所述第一辅助极板和所述第三辅助极板作为原边辅助极板分别连接在原边控制器上；所述第二主极板和所述第四主极板作为副边主极板分别连接在副边主电路上，所述第二辅助极板和所述第四辅助极板作为副边辅助极板分别连接在副边控制器上。

8、针对可双向能量传输的电池充电应用场景，所述原边主电路包括直流链路电压源、原边变换器和原边补偿电路，所述副边主电路包括副边补偿电路、副边变换器和充电电池，所述原边控制器用于控制所述原边变换器的频率和相位，所述副边控制器用于控制所述副边变换器的频率和相位。

9、可选地，所述原边补偿电路和所述副边补偿电路均采用lclc谐振补偿电路。

10、为了便于同步信息的检测，可选地，所述原边控制器中设置有原边辅助极板电压检测电路、原边同步模块和原边驱动信号输出模块，所述副边控制器中设置有副边辅助极板电压检测电路、副边同步模块和副边驱动信号输出模块；

11、所述原边辅助极板电压检测电路通过所述原边辅助极板获取感应电压，所述原边同步模块根据所述原边辅助极板电压检测电路获取的感应电压得到所述副边变换器的同步信息，从而由所述原边驱动信号输出模块输出驱动信号实现所述原边变换器的同步控制；

12、或者，所述副边辅助极板电压检测电路通过所述副边辅助极板获取感应电压，所述副边同步模块根据所述副边辅助极板电压检测电路获取的感应电压得到所述原边变换器的同步信息，从而由所述副边驱动信号输出模块输出驱动信号实现所述副边变换器的同步控制。

13、此外，基于前文所述的bcpt系统，本发明还提供了一种bcpt系统的频相同步控制方法，其关键在于，包括以下步骤：

14、s1：在初始时刻，φ1＝180°，原边变换器以开关驱动频率fs运行bcpt系统，副边变换器不被驱动，看作整流器工作模式，系统正向传输功率，φ1表示所述原边变换器的内部移相角；

15、s2：根据功率传递方向和大小确定调整对象，当需要原边同步副边时，通过所述原边控制器获取副边变换器的同步信息，通过改变θ满足功率传递方向，并通过调节φ1满足期望功率大小；当需要副边同步原边时，通过所述副边控制器获取原边变换器的同步信息，通过改变θ满足功率传递方向，并通过调节φ2满足期望功率大小，θ表示原副边相对相角，φ2表示副边变换器的内部移相角。

16、可选地，所述原边辅助极板电压检测电路和所述副边辅助极板电压检测电路所获得的采样电压经过零检测后对信号的下降沿进行捕获，第一下降沿被触发时开始计数，当第二下降沿被触发器时结束计数，脉冲计数器将脉冲数写入计数寄存器以获得对应信号的频率作为同步信息。

17、本发明的显著效果是：

18、(1)通过设计带有两对辅助板的八极板耦机构，可以通过检测副边辅助极板电压得到原边主极板两端的电压，从而获取原边变换器的同步信息并反馈给副边控制器，同理也可以通过检测原边辅助极板电压得到副边主极板两端的电压，从而获取副边变换器的同步信息并反馈给原边控制器，方便快速的实现无需通信模块的原、副边同步，提高原、副边的互操作性；

19、(2)由于检测可能含有谐波的电流来实现同步控制具有一定的局限性，本发明通过检测辅助极板的电压来获得同步信息，同步控制不需要锁相环、压控振荡器、复杂的模拟电路和数据处理分析，更加有利于bcpt系统在高频中工作。

20、(3)同步控制与双向功率流调节的解耦基本上不引起回路耦合，更有利于bcpt系统的功率流调节。