本发明提供了一种无线电能传输系统的相位检测电路以及参数信息检测方法，其中相位检测电路包括分压电阻、双向齐纳二极管、比较器、隔离器、与门、单刀双掷模拟开关以及RC滤波器。无线电能传输系统的一次侧电容上的电压经分压电阻转换为小幅值信号后输入到比较器产生方波，通过隔离器后的方波信号和控制器产生的与一次侧基波电压同相的PWM波相与得到相位检测信号，该信号通过单刀双掷模拟开关以及RC滤波电路，将相位信息调制到直流电压信号上。参数计算程序基于相位检测电路得到的直流电压信号，可以计算出电磁耦合装置中的相角、阻抗以及互感等参数。本发明具有简单高效、成本低、电路可靠、不易受干扰等优点。
1.一种无线电能传输系统的相位检测电路，其特征在于，包括：两个分压电阻R3和R4、双向齐纳二极管BZD、比较器CMP、隔离器ISO、与门AND、单刀双掷模拟开关SPDT、RC滤波器，其中第一分压电阻R3的一端作为电路输入正极，另一端与第二分压电阻R4的一端、双向齐纳二极管BZD的一端、比较器CMP的一个输入端相连；第二分压电阻R4的另一端与双向齐纳二极管BZD的另一端、比较器CMP的另一个输入端相连，形成电路输入负极；比较器CMP的输出端与隔离器ISO的输入端相连，隔离器ISO的输出端与与门AND的一个输入端相连；与门AND的另一个输入端作为PWM信号的输入端，与门AND的输出端与单刀双掷模拟开关SPDT的输入端相连，单刀双掷模拟开关SPDT的输出端与RC滤波器的输入端相连；
所述无线电能传输系统包括四个电容C0-C3，八个功率MOSFET Q1-Q8，电阻RL，两个线圈L1、L2，线圈内阻R1和R2，第一个电容C0的一端与功率MOSFET Q1的漏极、功率MOSFET Q3的漏极相连，形成电路输入端的正极，第一个电容C0的另一端与功率MOSFET Q2的源极、功率MOSFET Q4的源极相连，形成电路输入端的阴极；功率MOSFET Q1的源极、功率MOSFET Q2的漏极、线圈L1的一端相连；功率MOSFET Q3的源极与功率MOSFETQ4的漏极、电容C1的一端相连；线圈L1的另一端与电容C1的另一端相连；线圈L2的一端与电容C2的一端相连；线圈L2的另一端与功率MOSFET Q5的源极、功率MOSFET Q6的漏极相连；电容C2的另一端与功率MOSFET Q7的源极、功率MOSFET Q8的漏极相连；功率MOSFET Q5的漏极与功率MOSFET Q7的漏极、电容C3的一端、电阻RL的一端相连；功率MOSFET Q6的源极与功率MOSFET Q8的源极、电容C3的另一端、电阻RL的另一端相连；
所述无线电能传输系统的一次侧电容上的电压经分压电阻R3和R4转换为小幅值信号后输入到比较器CMP，产生的方波通过隔离器ISO后，和数字信号处理器DSP控制产生的与一次侧基波电压同相的PWM波相与得到相位检测信号，该检测信号的信息通过单刀双掷模拟开关SPDT以及RC滤波器装置后被调制到一个直流电压信号上。
2.根据权利要求1所述的一种无线电能传输系统的相位检测电路，其特征在于，输入直流电源Vin经过由四个功率MOSFET Q1-Q4组成的单相桥式电路逆变成交流电V1，一次侧线圈L1与电容C1串联。二次侧线圈L2与电容C2串联，经过由四个功率MOSFET Q5-Q8组成的整流电路形成输出电压V0，作用于负载RL。
3.一种无线电能传输系统的参数信息检测方法，根据权利要求1-2任一项所述的相位检测电路实现的，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将一次侧桥臂相角α、二次侧桥臂相角β、二次侧电压电流相位差电阻R2各项参数初始化；
步骤二：基于同步电路和相位检测电路对输入电压Vin、输入电流Iin、输出电压V0、输出电流I0和相位调制电压Vphase进行采样；
步骤三：计算一次侧电压电流相位差θ、负载阻抗RL；
步骤五：估算二次侧多余阻抗X2和互感M，完成无线电能传输系统的互感估算。
一种无线电能传输系统的相位检测电路以及参数信息检测
方法
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种电力电子变换器技术领域，具体是一种无线电能传输系统的相位检测电路以及参数信息检测方法。
背景技术
[0002] 对于目前广泛应用的无线电能传输系统，耦合线圈的互感非常重要。而要获得耦合线圈的互感参数，首先要测量一次侧电压电流的相位差。传统相位测量方法一般是通过测量两个信号的时间间隔除以周期来得到相位差：两个同频率信号通过比较器转换成数字信号，利用计数器测量两个数字信号的时间间隔，将此时间间隔除以周期乘以360°即可得到相位差。该方法受限于计数器的频率，测量高频信号的相位差时会产生较大误差。因此为了获得无线电能传输系统的互感，需要对现有的高频信号相位检测技术进行改进。
[0003] 经过对现有技术的检索发现，发明专利“高频信号相位差测量方法”(CN 03543333A)公开了一种高频信号相位测量方法。该发明采用频率测量电路获得高频信号的频率。采用微控制器电路对数字正交信号发生电路进行设置，输出与高频信号频率相同的正弦信号和余弦信号，采用两路解调器分别对高频信号进行解调，采用4路同步采集电路对
4路下变频信号同步采样，顺序量化，最后通过计算完成高频信号相位差的测量。
[0004] 现有的相位检测和互感估算方法一方面难以满足高频信号的精度要求，另一方面检测过程繁琐，成本较高。因此，目前阶段十分需要一种无线电能传输系统的参数信息检测方法，同时具备简单高效、成本低廉等优势。
发明内容
[0005] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种无线电能传输系统的相位检测电路以及参数信息检测方法，基于相位检测电路得到的直流电压信号，可以准确地计算出无线电能传输系统中的相角、阻抗以及互感等参数值。
[0006] 本发明是根据以下技术方案实现的：
[0007] 一种无线电能传输系统的相位检测电路，其特征在于，包括：两个分压电阻R3和R4、双向齐纳二极管BZD、比较器CMP、隔离器ISO、与门AND、单刀双掷模拟开关SPDT、RC滤波器，其中第一分压电阻R3的一端作为电路输入正极，另一端与第二分压电阻R4的一端、双向齐纳二极管BZD的一端、比较器CMP的一个输入端相连；第二分压电阻R4的另一端与双向齐纳二极管BZD的另一端、比较器CMP的另一个输入端相连，形成电路输入负极；比较器CMP的输出端与隔离器ISO的输入端相连，隔离器ISO的输出端与与门AND的一个输入端相连；与门AND的另一个输入端作为PWM信号的输入端，与门AND的输出端与单刀双掷模拟开关SPDT的输入端相连，单刀双掷模拟开关SPDT的输出端与RC滤波器的输入端相连。
[0008] 上述技术方案中，所述无线电能传输系统包括四个电容C0-C3，八个功率MOSFET Q1-Q8，电阻RL，两个线圈L1、L2，线圈内阻R1和R2，第一个电容C0的一端与功率MOSFET Q1的漏极、功率MOSFET Q3的漏极相连，形成电路输入端的正极，第一个电容C0的另一端与功率MOSFET Q2的源极、功率MOSFET Q4的源极相连，形成电路输入端的阴极；功率MOSFET Q1的源极、功率MOSFET Q2的漏极、线圈L1的一端相连；功率MOSFET Q3的源极与功率MOSFETQ4的漏极、电容C1的一端相连；线圈L1的另一端与电容C1的另一端相连；线圈L2的一端与电容C2的一端相连；线圈L2的另一端与功率MOSFET Q5的源极、功率MOSFET Q6的漏极相连；电容C2的另一端与功率MOSFET Q7的源极、功率MOSFET Q8的漏极相连；功率MOSFET Q5的漏极与功率MOSFET Q7的漏极、电容C3的一端、电阻RL的一端相连；功率MOSFET Q6的源极与功率MOSFET Q8的源极、电容C3的另一端、电阻RL的另一端相连。
[0009] 上述技术方案中，输入直流电源Vin经过由四个功率MOSFET Q1-Q4组成的单相桥式电路逆变成交流电V1，一次侧线圈L1与电容C1串联。二次侧线圈L2与电容C2串联，经过由四个功率MOSFET Q5-Q8组成的整流电路形成输出电压V0，作用于负载RL。
[0010] 上述技术方案中，所述无线电能传输系统的一次侧电容上的电压经分压电阻R3和R4转换为小幅值信号后输入到比较器CMP，产生的方波通过隔离器ISO后，和数字信号处理器DSP控制产生的与一次侧基波电压同相的PWM波相与得到相位检测信号，该检测信号的信息通过单刀双掷模拟开关SPDT以及RC滤波器装置后被调制到一个直流电压信号上。
[0011] 一种无线电能传输系统的参数信息检测方法，根据上述任一项相位检测电路实现的，其特征在于，包括如下步骤：
[0012] 步骤一：将一次侧桥臂相角α、二次侧桥臂相角β、二次侧电压电流相位差 电阻R2各项参数初始化；
[0013] 步骤二：基于同步电路和相位检测电路对输入电压Vin、输入电流Iin、输出电压V0、输出电流I0和相位调制电压Vphase进行采样；
[0014] 步骤三：计算一次侧电压电流相位差θ、负载阻抗RL；
[0015] 步骤四：计算等效电阻Re、等效电抗Xe；
[0016] 步骤五：估算二次侧多余阻抗X2和互感M，完成无线电能传输系统的互感估算。
[0017] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0018] (1)相位检测电路可以有效地避免信号受到干扰，可靠性高；
[0019] (2)整个方案实施效果好，成本低；
[0020] (3)无需额外的控制电路，实施简单方便。
附图说明
[0021] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0022] 图1为本发明实施例的无线电能传输系统原理图。
[0023] 图2为本发明实施例的相位检测电路原理图。
[0024] 图3为本发明实施例的参数计算程序流程图。
具体实施方式
[0025] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0026] 图1为本实施例中的无线电能传输系统原理图。本发明的无线电能传输系统包括四个电容C0-C3，八个功率MOSFET Q1-Q8，电阻RL，两个线圈L1、L2。第一个电容C0的一端与功率MOSFET Q1的漏极、功率MOSFET Q3的漏极相连，形成电路输入端的正极。第一个电容C0的另一端与功率MOSFET Q2的源极、功率MOSFET Q4的源极相连，形成电路输入端的阴极。功率MOSFET Q1的源极、功率MOSFET Q2的漏极、线圈L1的一端相连。功率MOSFET Q3的源极与功率MOSFET Q4的漏极、电容C1的一端相连。线圈L1的另一端与电容C1的另一端相连。线圈L2的一端与电容C2的一端相连。线圈L2的另一端与功率MOSFET Q5的源极、功率MOSFET Q6的漏极相连。电容C2的另一端与功率MOSFET Q7的源极、功率MOSFET Q8的漏极相连。功率MOSFET Q5的漏极与功率MOSFET Q7的漏极、电容C3的一端、电阻RL的一端相连。功率MOSFET Q6的源极与功率MOSFET Q8的源极、二极管D8的阳极、电容C3的另一端、电阻RL的另一端相连。
[0027] 输入直流电源Vin经过由四个功率MOSFET Q1-Q4组成的单相桥式电路逆变成交流电V1。一次侧线圈L1与电容C1串联。二次侧线圈L2与电容C2串联，经过由四个功率MOSFET Q5-Q8组成的整流电路形成输出电压V0，作用于负载RL。
[0028] 图2为本实施例中的相位检测电路图。该相位检测电路图包括两个分压电阻R3和R4、双向齐纳二极管BZD、比较器CMP、隔离器ISO、与门AND、单刀双掷模拟开关SPDT、RC滤波器。第一分压电阻R3的一端作为电路输入正极，另一端与第二分压电阻R4的一端、双向齐纳二极管BZD的一端、比较器CMP的一个输入端相连。第二分压电阻R4的另一端与双向齐纳二极管BZD的另一端、比较器CMP的另一个输入端相连，形成电路输入负极。比较器CMP的输出端与隔离器ISO的输入端相连。隔离器ISO的输出端和与门AND的一个输入端相连。与门AND的另一个输入端作为PWM信号的输入端。与门AND的输出端与单刀双掷模拟开关SPDT的输入端相连。单刀双掷模拟开关SPDT的输出端RC滤波器的输入端相连。
[0029] 采集无线电能传输系统中一次侧电容C1上的电压，经电阻R3、R4分压后转换成小幅值信号后输入到比较器CMP，产生的方波通过隔离器ISO后，和数字信号处理器DSP控制产生的与一次侧基波电压V1同相的PWM波相与得到相位检测信号，该检测信号通过单刀双掷模拟开关SPDT以及RC滤波器装置后，将相位信息调制到直流电压信号Vphase上。
[0030] 图3为本发明实施例的参数信息检测方法流程图。参数信息检测方法基于相位检测电路得到的直流电压信号，可以准确地计算出无线电能传输系统中的相角、阻抗以及互感等参数值，其包括以下步骤：
[0031] 步骤一：一次侧桥臂相角α、二次侧桥臂相角β、二次侧电压电流相位差 等参数是通过控制器给定的，电阻R2是线圈的内阻，其值基本保持不变，线圈制作完成后即可通过LCR表测定，因此以上参数在系统初始化阶段即已知；
[0032] 步骤二：基于同步电路和相位检测电路对输入电压Vin、输入电流Iin、输出电压V0、输出电流I0和相位调制电压Vphase进行采样，以上信号均为直流信号，测量技术很成熟，容易实现；
[0033] 步骤三：控制器根据相位与直流电压的转换关系计算一次侧电压电流相位差θ，根据输出电压V0和输出电流I0计算负载阻抗RL；
[0034] 步骤四：根据负载阻抗RL、二次侧桥臂相角β和二次侧电压电流相位差 计算等效电阻Re、等效电抗Xe；
[0035] 步骤五：估算二次侧多余阻抗X2和互感M，完成无线电能传输系统的互感估算。
[0036] 实例中主要元器件的参数如下：
[0037] 分压电阻R3、R4：10kΩ和2MΩ；
[0038] 比较器CMP：TLV3502；
[0039] 隔离器ISO：ISO7710；
[0040] 与门AND：SN74LVCLG08；
[0041] 单刀双掷模拟开关SPDT：NC7SB3157，250MHz；
[0042] 数字信号处理器DSP：TMS320F28335。
[0043] 本发明提供一种无线电能传输系统的相位检测电路以及参数信息检测方法，具有计算方法简单高效、电路便宜可靠、不易受干扰的优点，具有明显的应用价值。
[0044] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
