一种自动调谐装置及方法与流程

本发明涉及自动调谐，具体的，涉及一种自动调谐装置及方法。

背景技术：

1、无线电力传输(wpt)技术作为一种非接触式的充电方式，因为其安全方便的特性，已经成为电动汽车、智能手机、生物医学和其他电子设备广泛采用的充电解决方案。然而，在工程实践中，由于元件老化、工作温度变化等因素引起的lc参数发生变化，可能会引起系统发生失谐问题。此外，在特定情况下，通过调制工作频率调节输出功率或使用扩频技术降低电磁干扰峰值也会导致wpt网络中的谐振频率失调。

2、为了解决wpt系统中的谐振频率失调，关于自动调谐方法的研究日益增多。现有的自动调谐装置大多是将mosfet与电容器以并联或串联的方式连接在一起，通过调节栅极驱动信号的相位或占空比实现对电容大小的调整。然而，通过调节相位改变驱动信号与流过lc电路电流相位差的调谐方法在半个周期内只能使电容进行单向变化，调谐范围受到限制。为了扩大调谐范围，实现电容大小的双向调节，需要应用复杂的控制系统控制栅极信号，当需要电容在增大与减小两种模式之间切换时，栅极信号会在控制器的作用下突变反转180°，不能平滑切换工作模式。上述调谐方法关于对栅极驱动信号的调节，都需要借助复杂的控制系统，极大增加了设计难度。

3、中国专利，公开号：cn116169003a，公开日：2023年5月26日，公开了射频电源自动调谐装置和方法，包括：微控制器单元、频率发生单元、幅度发生单元，电压采集单元；通过对输出频率步进变化的方式，对射频电源进行频率控制，并采集调谐电压；将调谐电压反向变动前的输出频率认为是谐振频率，实现了通过频率对射频电源进行自动调谐，但是其需要借助复杂的控制系统，结构过于复杂。

技术实现思路

1、本发明针对现有对lc电路自动调谐时无法平滑切换调节模式从而造成的调谐范围低和调谐效果差的问题，提出了一种自动调谐装置，通过将两个可调电容电路并联，当出现失谐时，通过对输入信号进行分析，基于分析结果生成控制信号，根据控制信号对可调电容电路进行控制从而调节可调电容电路之间的等效电容，根据等效电容的改变来对wpt系统进行调谐，利用了电压的变化实现调谐模块等效电容的双向调节，扩大了调谐范围，同时实现了电容增大与减小两种模式的平滑切换，从而显著提高了调谐效果。

2、第一方面，本发明实施例中提供的一种技术方案是：一种自动调谐装置，适用于wpt系统，包括：

3、输入模块、调谐模块和输出模块；所述调谐模块的输入端和输出端分别与输入模块和输出模块连接；

4、所述调谐模块包括依次串联的自感装置、可调电容装置以及阻尼装置；

5、所述可调电容装置包括第一可调电容电路和第二可调电容电路，所述第一可调电容电路和第二可调电容电路并联，所述wpt系统接收输入模块的电信号并对其进行分析生成控制信号，所述控制分别作用于所述第一可调电容电路和第二可调电容电路执行电容调节。

6、本方案中，为了实现对电路的自动调谐并提高调谐范围，通过输入模块将电路的输入信号输入到调谐模块中，调谐模块对输入信号进行分析，基于分析结果对电路进行调谐，从而将调谐后的信号通过输出模块进行输出，以此实现了电路的自动调谐；通过将第一可调电容电路与第二可调电容电路并联可以在失谐时实现调谐模块等效电容的双向调节，扩大了调谐范围，同时实现了电容增大与减小两种模式的平滑切换；通过自感装置与可调电容装置之间的配合可以根据输入信号的工作频率来对可调电容装置的电容进行调节，通过电容值的改变来改变电路的谐振频率，从而使谐振频率重新等于工作频率，使电路重新谐振，结构简单，调谐效果显著。

7、作为优选，所述第一可调电容电路包括第一固定电容和第一控制开关，所述第一固定电容的第一端与所述自感装置电连接，所述第一固定电容的第二端与第一控制开关的第一端电连接，所述第一控制开关的第二端与所述阻尼装置电连接，所述第一控制开关的受控端与wpt系统的控制端电连接。

8、本方案中，通过将第一固定电容与第一控制开关连接，第二固定电容与第二控制开关连接，采用这种方式可以通过对控制开关的闭合时间进行控制来改变固定电容的充放电过程从而改变调谐模块的输入阻抗，以此实现对电路的自动调谐，而控制开关的闭合基于输入模块的输入信号的频率，若输入信号的频率不等于谐振频率，则基于差值对控制开关进行控制，使第一固定电容和第二固定电容组合的等效电容改变，直至谐振频率等于输入信号的频率，采用这种方式所需要的部件简单，且无需复杂的控制结构，降低了制造成本。

9、作为优选，所述第二可调电容电路包括第二固定电容和第二控制开关，所述第二固定电容的第一端与所述自感装置电连接，所述第二固定电容的第二端与第二控制开关的第一端电连接，所述第二控制开关的第二端与所述阻尼装置电连接，所述第二控制开关的受控端与wpt系统的控制端电连接。

10、本方案中，通过第二固定电容与第二控制开关连接，采用这种方式可以通过对控制开关的闭合时间进行控制来改变固定电容的充放电过程从而改变调谐模块的输入阻抗，以此实现对电路的自动调谐，而控制开关的闭合基于输入模块的输入信号的频率，若输入信号的频率不等于谐振频率，则基于差值对控制开关进行控制，使第一固定电容和第二固定电容组合的等效电容改变，直至谐振频率等于输入信号的频率，采用这种方式所需要的部件简单，且无需复杂的控制结构，降低了制造成本。

11、作为优选，所述输出模块包括负载电容和负载电阻，所述负载电容与负载电阻并联。

12、本方案中，将负载电容和负载电阻并联可以对输出模块的输出信号进行稳压处理，提高了输出模块的输出信号的信号稳定性，从而提高了对电路调谐的精确程度，提升了调谐质量。

13、第二方面，本发明实施例中提供的另一种技术方案是：一种自动调谐方法，包括以下步骤：

14、s1、设定第一固定电容和第二固定电容的电容值；

15、s2、基于第一固定电容和第二固定电容的电容值获取调谐模块的等效电容；检测输入模块的输入信号的工作频率，基于工作频率和谐振频率的数值比较结果生成对应的偏移电压；

16、s3、基于偏移电压调节调谐模块两端的电压，基于电压调节结果调节调谐模块的等效电容，直至工作频率等于谐振频率。

17、本方案中，为了实现对电路的自动调谐，通过对电路进行分析，再根据分析结果设置第一固定电容和第二固定电容的电容值，通过对第一固定电容和第二固定电容综合分析，将其与控制开关连接的电路等效视为一个可以根据电路输入信号的变化而变化的可调节的等效电容，通过对等效电容根据输入信号的自适应条件来实现对电路的自动调谐，同时由于第一固定电容和第二固定电容的存在，使等效电容在调节时可以在电容增大和减小两种模式之间平滑切换，扩大了调谐范围且调谐过程简单，同时也降低了调谐成本。

18、作为优选，s1中，设定第一固定电容和第二固定电容的电容值，包括以下步骤：获取输入模块的初始谐振频率和自感值，基于输入模块的初始谐振频率和自感值设定第一固定电容和第二固定电容的电容值。

19、本方案中，为了保证在调谐时，调谐模块的等效电容增大与减小两种模式的平滑切换，将第一固定电容和第二固定电容设置为相同大小的电容，方便对电容充分电过程的调节，从而保证了调谐的平滑，从而提高了调谐效果；为了方便对调谐时系统的分析，将第一固定电容和第二固定电容的电容值与电路的谐振频率与自感相关联，可以更加方便的得到电路失谐时重新回到谐振状态的条件，从而基于条件对电路进行调谐，提高了调谐效率。

20、作为优选，s2中，检测输入模块的输入信号的工作频率，基于工作频率和谐振频率的数值比较结果生成对应的偏移电压，包括以下步骤：

21、若工作频率等于谐振频率，不生成偏移电压；

22、若工作频率小于谐振频率，生成负向偏移电压；

23、若工作频率大于谐振频率，生成正向偏移电压。

24、本方案中，通过对输入电路的信号进行分析，将工作频率与谐振频率的大小进行比较，若工作频率等于谐振频率，则说明电路处于谐振状态，此时无需对电路进行调谐，若工作频率小于谐振频率，则说明电路处于失谐状态，需要对电路的谐振频率进行调节，通过生成负向偏移电压来降低电路的谐振频率，以此让电路重新回到谐振状态，若工作频率大于谐振频率，则说明电路处于失谐状态，需要对电路的谐振频率进行调节，通过生成正向偏移电压来增大电路的谐振频率，以此让电路重新回到谐振状态，实现了对电路的双向调节，保证了对电路谐振频率增大和减小两种调节模式切换平滑。

25、作为优选，若工作频率小于谐振频率，生成负向偏移电压，包括以下步骤：

26、若工作频率小于谐振频率，则生成电路的输入电流和输入电压的超前相位差；

27、基于超前相位差缩短第一固定电容和第二固定电容的充电时间，延长放电时间；

28、基于第一固定电容和第二固定电容的充电时间和放电时间的变化生成负向偏移电压。

29、本方案中，为了将谐振频率降低，通过检测电路的输入电流和输入电压的相位，由于输入电压的相位与驱动信号保持同相，但是工作频率降低，因此输入电流的相位会超前于输入电压的相位，因此两者之间生成了超前相位差，为了将输入电流与输入电压的相位调整为同相，需要缩短第一固定电容和第二固定电容的充电时间，延长放电时间，从而产生了负向偏移电压，负向偏移电压用于降低调谐模块两端的电压，以此来降低谐振频率。

30、作为优选，若工作频率大于谐振频率，生成负向偏移电压，包括以下步骤：

31、若工作频率大于谐振频率，则生成电路的输入电流和输入电压的滞后相位差；

32、基于滞后相位差延长第一固定电容和第二固定电容的充电时间，缩短放电时间；

33、基于第一固定电容和第二固定电容的充电时间和放电时间的变化生成正向偏移电压。

34、本方案中，为了将谐振频率提高，通过检测电路的输入电流和输入电压的相位，由于输入电压的相位与驱动信号保持同相，但是工作频率增大，因此输入电流的相位会滞后于输入电压的相位，因此两者之间生成了滞后相位差，为了将输入电流与输入电压的相位调整为同相，需要增大第一固定电容和第二固定电容的充电时间，缩短放电时间，从而产生了正向偏移电压，正向偏移电压用于升高调谐模块两端的电压，以此来提高谐振频率。

35、作为优选，s3中，基于偏移电压调节调谐模块两端的电压，基于电压调节结果调节调谐模块的等效电容，直至工作频率等于谐振频率，包括以下步骤：

36、若没有生成偏移电压，则调谐模块两端的电压不变，调谐模块的等效电容不变；

37、若生成负向偏移电压，则基于负向偏移电压降低调谐模块两端的电压，调谐模块的等效电容增加，基于等效电容的增加值降低谐振频率，直至与工作频率相等；

38、若生成正向偏移电压，则基于正向偏移电压增大调谐模块两端的电压，调谐模块的等效电容减小，基于等效电容的减小值增大谐振频率，直至与工作频率相等。

39、本方案中，为了通过调节调谐模块两端的电压来实现对电路的调谐，通过生成的偏移电压类型来对调谐模块两端的电压进行调整，将调谐模块两端的电压等效为一个等效电容，当调谐模块两端的电压降低时，等效电容增加，则电路的谐振频率降低，以此来适应降低的工作频率，从而让电路恢复谐振状态，当调谐模块两端的电压升高时，等效电容降低，则电路的谐振频率升高，以此来适应增大的工作频率，从而让电路恢复谐振状态，可以灵活地选择增加或减少lc电路中的电容，实现双向调谐，增加了调谐范围。

40、本发明的有益效果：(1)本发明通过将第一可调电容电路和第二可调电容电路并联，可以灵活地根据工作频率选择增大或减小电容，实现了双向调谐，有效扩大了调谐范围；

41、(2)本发明通过基于电路的输入电压和输入电流来对控制开关的闭合进行控制，以此来调节固定电容的充放电时间，从而改变调谐模块两端的电压和有效电容，电容增大和电容减小两种调谐模式可以平滑切换，在模式切换过程中，控制开关无需进行突变，既保证了模式切换的灵活性，又避免了复杂控制系统的使用。

42、上述
技术实现要素：
仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

技术特征：

1.一种自动调谐装置，适用于wpt系统，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种自动调谐装置，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的一种自动调谐装置，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的一种自动调谐装置，其特征在于：

5.一种自动调谐方法，适用于权利要求1-4任一项所述的一种自动调谐装置，其特征在于：包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种自动调谐方法，其特征在于：

7.根据权利要求5所述的一种自动调谐方法，其特征在于：

8.根据权利要求7所述的一种自动调谐方法，其特征在于：

9.根据权利要求7所述的一种自动调谐方法，其特征在于：

10.根据权利要求5所述的一种自动调谐方法，其特征在于：

技术总结
本发明公开了一种自动调谐装置及方法，属于自动调谐技术领域，通过将两个可调电容电路并联，当出现失谐时，通过对输入信号进行分析，基于分析结果生成控制信号，根据控制信号对可调电容电路进行控制从而调节可调电容电路之间的等效电容，根据等效电容的改变来对WPT系统进行调谐，利用电压的变化实现调谐模块等效电容的双向调节，扩大了调谐范围，且能够在电容增大与减小两种模式之间灵活切换而不需要额外的控制系统，从而显著提高了调谐效果，结构更加简单，且适用性强，适用于大部分LC电路。

技术研发人员：张科,尹聪聪,药炜,张雨前,陈彦,张一鸣,戴林,方银权,于海波,王赛国
受保护的技术使用者：国网浙江省电力有限公司余姚市供电公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5