CN107453456A - 基于多线圈仿中继结构定位的分段发射线圈切换控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多线圈仿中继结构定位的分段发射线圈切换控制方法，适用于为移动型负载动态无线供电或充电的系统，属于无线电能传输技术领域。本发明主要包括基于多线圈仿中继结构定位的分段发射线圈切换控制系统基本结构以及系统工作原理，还包括采用多线圈仿中继结构定位方案，基于以上特征最终形成适用于移动型负载动态无线充电或者供电的能量发射端分段发射线圈切换控制方法。本发明可有效解决在移动式动态无线充电或供电系统中，移动型负载自适应定位以及能量无线发射端的分段发射线圈切换控制面临的问题。

Description

基于多线圈仿中继结构定位的分段发射线圈切换控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于多线圈仿中继结构定位的分段发射线圈切换控制技术，属于无线电能传输技术领域。

背景技术

目前包括电动汽车、移动机器人等在内的电驱动移动型用电设备得到了越来越广泛的应用，对于解决能源问题、环境问题以及降低人工成本、提高工作效率等具有重要意义。通常这类移动型用电设备多采用安装电池的方式实现能量供应，需要定期补充电能。电池充电方式需要是在指定位置利用机械装置对接充电口实现电能的有接触补充。将无线电能传输技术应用于各类移动型用电设备能量补给中，对于提高移动型用电设备全天候工作能力具有重要意义，为此，本发明专利提出一种基于多线圈仿中继结构定位的分段发射线圈切换控制方法。

发明内容

为了解决动态无线供电系统所面临的移动负载定位问题以及对于源端多个分段式发射线圈的有序切换控制问题，本发明提出了一种基于多线圈仿中继结构定位的分段发射线圈切换控制方法。

无线电能传输技术是目前比较新型的电能传输技术之一，可通过空气等媒介，避开电缆线的直接物理连接实现能量的有效传递，依托感应、磁耦合谐振、微波等技术可实现传输距离为几厘米至几米，传输功率几瓦至几十千瓦，完全可满足电动汽车充放电功率和距离的需求，同时也具备了供电方式灵活，绿色环保、无接触电火花、充电过程中无人工插拔操作、无机构磨损等一系列优点。

本发明的目的是这样实现的：

本发明首先提出一种基于多线圈仿中继结构定位的分段发射线圈切换控制系统，该系统包括初级线圈、感知线圈、次级线圈、微控制器、模数转换装置和全桥整流电路。

所述初级线圈为短分段的长矩形螺旋线圈，在全部移动型负载运动区均采用该初级线圈分段铺设，其为移动型负载动态无线供电或作为充电系统的能量发射端，故亦称为分段发射线圈，其可通过所述微控制器进行自由切换控制，并且，每个时刻只存在单个该初级线圈通电；

所述次级线圈为短矩形螺旋线圈，其为移动型负载动态无线供电或作为充电系统的能量拾取机构，所述能量拾取机构包括间隔一定距离的两个相同的次级线圈Ⅰ和次级线圈Ⅱ串联构成；

当所述能量拾取机构的几何中心到达特定位置时，分段的初级线圈将会切换通电状态，前一个初级线圈断开电源，后一个初级线圈接入电源，切换的特定位置为切换点；

所述感知线圈为匝数较大的微型矩形线圈，其放置在当前通电分段的初级线圈的下一个初级线圈旁；

首先单个初级线圈与次级线圈Ⅰ耦合，进而次级线圈Ⅰ可以以无线方式获取电能，次级线圈Ⅰ与次级线圈Ⅱ有线连接，进而次级线圈Ⅱ也可得电，由于感知线圈此时处于次级线圈Ⅱ的下方，因此通过次级线圈Ⅱ与感知线圈的耦合，感知线圈两端产生感应电压；在这一过程中，虽然感知线圈与初级线圈不耦合(由于二者相距太远且处于同一平面，二者之间的互感可忽略不计)，但是通过这种仿中继的方式仍可以实现在感知线圈两端产生感应电压，进而实现多线圈仿中继结构定位。

进一步地，所述感知线圈后端直接连接全桥整流电路，全桥整流电路后端开路，高频感应交流电压经整流后得到的脉动直流电压直接连接模数转换装置，将模拟信号转化为数字信号，传递给微控制器，与预先设置的感应电压阈值比较，进行判断处理后决定是否需要进行切换动作。

进一步地，对于分段发射线圈定位切换所需的感应电压阈值设定需按照以下步骤：

步骤一、根据磁耦合谐振式无线电能传输系统互感理论电路计算得到能量拾取机构所流经的电流，能量拾取机构所流经的电流

其中：M_sum为能量拾取机构与初级线圈之间的等效总互感值，

U_in为初级线圈侧电源电压，

L_f1为初级线圈侧的前端补偿电感大小，

R_L为等效交流负载，

R_ssum为次级线圈侧的能量拾取机构整体总内阻；

步骤二、所述感知线圈上产生感应电动势有效值大小为U_sc＝ωI_s|M_sc|，其中ω＝2πf，f为系统工作频率，M_sc为感知线圈与能量拾取机构之间的互感总值；

步骤三、经全桥整流后，忽略整流二极管压降，整流桥输出直流电压平均值可表示为

步骤四、通过涅伊曼公式，采用数值计算的方法，得到当能量拾取机构到达切换点位置时的各互感参数；

步骤五、代入步骤三中的公式得到的直流电压值作为分段发射线圈定位切换所需的感应电压阈值。

基于以上分段发射线圈定位切换所需的感应电压阈值获取方案，提出一种基于多线圈仿中继结构定位的分段发射线圈切换控制方法，具体如下：

步骤一、设置感知线圈感应电压整流后的直流电压阈值U_{sc_dc_th}，以flag(j)表示第j个分段发射线圈通电状态，flag(j)＝1表示第j个发射线圈通电，flag(j)＝0表示第j个发射线圈断电；

步骤二、假设当前通电的初级线圈为第i个分段初级线圈，flag(j)＝1(j＝i)，除此以外的分段初级线圈未通电，flag(j)＝0(j≠i)；

步骤三、随着能量拾取机构的移动，当次级线圈Ⅱ接近下一个分段发射线圈对应的感知线圈时，感知线圈感应电压逐渐升高，实时检测感应电压整流后直流电压U_{sc_dc}(i+1)，当达到直流电压阈值U_{sc_dc_th}时，表示定位检测完成，进而改变相应各分段发射线圈通电状态标志位(flag(j))，flag(j)＝1(j＝i+1)，flag(j)＝0(j≠i+1)，到此实现巡检机器人的定位检测以及分段发射线圈的切换控制。

有益效果

本发明专利提出一种基于多线圈仿中继结构定位的分段发射线圈切换控制方法，可有效解决在移动式动态无线充电或供电系统中，移动型负载自适应定位以及能量无线发射端的短分段发射线圈切换控制面临的问题。对于解决能源问题、环境问题以及降低人工成本、提高工作效率等具有重要意义。

附图说明

图1为应用基于多线圈仿中继结构定位的分段发射线圈切换控制方法的系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细说明。

如图1所示，为一种基于多线圈仿中继结构定位的分段发射线圈切换控制系统，该切换控制方法适用于为移动型负载动态无线供电或充电。该移动型负载动态无线供电或充电系统的能量发射端为初级线圈，其采用短分段的长矩形螺旋线圈，可通过相关微控制器进行自由切换控制，故亦称为分段发射线圈。全部移动型负载运动区均采用该种类型的初级线圈铺设，本发明中每个时刻只存在单个初级线圈通电。该移动型负载动态无线供电或充电系统的能量拾取机构采用间隔一定距离的两个相同的次级线圈串联构成，该次级线圈为短矩形螺旋线圈，其为移动型负载动态无线供电或作为充电系统的能量接收装置。图中以次级线圈Ⅰ和次级线圈Ⅱ示意。当能量拾取机构的几何中心到达特定位置时，分段的初级线圈将会切换通电状态，前一个初级线圈断开电源，后一个初级线圈接入电源，切换的特定位置为切换点。

感知线圈放置在当前通电分段的初级线圈的下一个初级线圈旁，感知线圈采用匝数较大的微型矩形线圈。

感知线圈后端不经过电容补偿，直接连接全桥整流电路，全桥整流电路后端开路，不经电容滤波且不接任何负载，高频感应交流电压经整流后的得到的脉动直流电压直接连接模数转换装置，将模拟信号转化为数字信号，传递给微控制器，与预先设置的感应电压阈值比较，进行判断处理后决定是否需要进行切换动作。

工作时，首先单个初级线圈与次级线圈Ⅰ耦合，进而次级线圈Ⅰ可以以无线方式获取电能，次级线圈Ⅰ与次级线圈Ⅱ有线连接，进而次级线圈Ⅱ也可得电，由于感知线圈此时处于次级线圈Ⅱ的下方，因此通过次级线圈Ⅱ与感知线圈的耦合，感知线圈两端产生感应电压；在这一过程中，虽然感知线圈与初级线圈不耦合(由于二者相距太远且处于同一平面，二者之间的互感可忽略不计)，但是通过本文这种仿中继的方式仍可以实现在感知线圈两端产生感应电压，进而实现多线圈仿中继结构定位。采用“仿中继”这一说法是为了区别于现有的“中继”概念，中继是为了将能量或功率传输到更远的地方，而本发明重点强调仿照中继的方式，拓展能量拾取机构的功能，以类似中继的方式实现在感知线圈两端产生感应电压，实现定位，

对于分段发射线圈定位切换所需的感应电压阈值设定需按照以下步骤：

首先根据磁耦合谐振式无线电能传输系统互感理论电路计算得到能量拾取机构所流经的电流，能量拾取机构所流经的电流其中M_sum为能量拾取机构与初级线圈之间的等效总互感值，U_in为初级线圈侧的电源电压，L_f1为初级线圈侧的前端补偿电感大小，R_L为等效交流负载，R_ssum为次级线圈侧的能量拾取机构整体总内阻。

其次本专利所述的感知线圈上产生感应电动势有效值大小为U_sc＝ωI_s|M_sc|，其中ω＝2πf，f为系统工作频率，M_sc为感知线圈与次级多线圈能量拾取机构之间的互感总值。

经全桥整流后，忽略整流二极管压降，整流桥输出直流电压平均值可表示为

进而通过涅伊曼公式，采用数值计算的方法，得到当能量拾取机构到达切换点位置时的各互感参数。

最终代入上式得到的直流电压值作为分段发射线圈定位切换所需的感应电压阈值。

基于以上分段发射线圈定位切换所需的感应电压阈值获取方案，提出基于多线圈仿中继结构定位的分段发射线圈切换控制方法，具体如下：

步骤一、设置感知线圈感应电压整流后的直流电压阈值U_{sc_dc_th}。以flag(j)表示第j个分段发射线圈通电状态，flag(j)＝1表示第j个发射线圈通电，flag(j)＝0表示第j个发射线圈断电。

步骤二、假设当前通电的初级线圈为第i个分段初级线圈，flag(j)＝1(j＝i)，除次以外的分段初级线圈未通电，flag(j)＝0(j≠i)。

步骤三、随着能量拾取机构的移动，当次级线圈Ⅱ接近下一个分段发射线圈对应的感知线圈时，感知线圈感应电压逐渐升高，实时检测感应电压整流后直流电压U_{sc_dc}(i+1)，当达到直流电压阈值U_{sc_dc_th}时，表示定位检测完成。进而改变相应各分段发射线圈通电状态标志位(flag(j))，flag(j)＝1(j＝i+1)，flag(j)＝0(j≠i+1)，到此实现巡检机器人的定位检测以及分段发射线圈的切换控制。

本发明可有效解决在移动式动态无线充电或供电系统中，移动型负载自适应定位以及能量无线发射端的短分段发射线圈切换控制面临的问题。这对于解决能源问题、环境问题以及降低人工成本、提高工作效率等具有重要意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于多线圈仿中继结构定位的分段发射线圈切换控制系统，其特征在于，该系统包括初级线圈、感知线圈、次级线圈、微控制器、模数转换装置和全桥整流电路，

所述初级线圈为短分段的长矩形螺旋线圈，在全部移动型负载运动区均采用该初级线圈分段铺设，其为移动型负载动态无线供电或作为充电系统的能量发射端，故亦称为分段发射线圈，其可通过所述微控制器进行自由切换控制，并且，每个时刻只存在单个该初级线圈通电；

所述次级线圈为短矩形螺旋线圈，其为移动型负载动态无线供电或作为充电系统的能量拾取机构，所述能量拾取机构包括间隔一定距离的两个相同的次级线圈Ⅰ和次级线圈Ⅱ串联构成；

当所述能量拾取机构的几何中心到达特定位置时，分段的初级线圈将会切换通电状态，前一个初级线圈断开电源，后一个初级线圈接入电源，切换的特定位置为切换点；

所述感知线圈为匝数较大的微型矩形线圈，其放置在当前通电分段的初级线圈的下一个初级线圈旁；

首先单个初级线圈与次级线圈Ⅰ耦合，进而次级线圈Ⅰ可以以无线方式获取电能，次级线圈Ⅰ与次级线圈Ⅱ有线连接，进而次级线圈Ⅱ也可得电，由于感知线圈此时处于次级线圈Ⅱ的下方，因此通过次级线圈Ⅱ与感知线圈的耦合，感知线圈两端产生感应电压；在这一过程中，虽然感知线圈与初级线圈不耦合(由于二者相距太远且处于同一平面，二者之间的互感可忽略不计)，但是通过这种仿中继的方式仍可以实现在感知线圈两端产生感应电压，进而实现多线圈仿中继结构定位。

2.根据权利要求1所述的基于多线圈仿中继结构定位的分段发射线圈切换控制系统，其特征在于，所述感知线圈后端直接连接全桥整流电路，全桥整流电路后端开路，高频感应交流电压经整流后得到的脉动直流电压直接连接模数转换装置，将模拟信号转化为数字信号，传递给微控制器，与预先设置的感应电压阈值比较，进行判断处理后决定是否需要进行切换动作。

3.根据权利要求2所述的基于多线圈仿中继结构定位的分段发射线圈切换控制系统，其特征在于，对于分段发射线圈定位切换所需的感应电压阈值设定需按照以下步骤：

步骤一、根据磁耦合谐振式无线电能传输系统互感理论电路计算得到能量拾取机构所流经的电流，能量拾取机构所流经的电流

其中：M_sum为能量拾取机构与初级线圈之间的等效总互感值，

U_in为初级线圈侧电源电压，

L_f1为初级线圈侧的前端补偿电感大小，

R_L为等效交流负载，

R_ssum为次级线圈侧的能量拾取机构整体总内阻；

步骤二、所述感知线圈上产生感应电动势有效值大小为U_sc＝ωI_s|M_sc|，其中ω＝2πf，f为系统工作频率，M_sc为感知线圈与能量拾取机构之间的互感总值；

步骤三、经全桥整流后，忽略整流二极管压降，整流桥输出直流电压平均值可表示为

步骤四、通过涅伊曼公式，采用数值计算的方法，得到当能量拾取机构到达切换点位置时的各互感参数；

步骤五、代入步骤三中的公式得到的直流电压值作为分段发射线圈定位切换所需的感应电压阈值。

4.一种基于多线圈仿中继结构定位的分段发射线圈切换控制方法，具体如下：

步骤一、设置感知线圈感应电压整流后的直流电压阈值U_{sc_dc_th}，以flag(j)表示第j个分段发射线圈通电状态，flag(j)＝1表示第j个发射线圈通电，flag(j)＝0表示第j个发射线圈断电；

步骤二、假设当前通电的初级线圈为第i个分段初级线圈，flag(j)＝1(j＝i)，除此以外的分段初级线圈未通电，flag(j)＝0(j≠i)；

步骤三、随着能量拾取机构的移动，当次级线圈Ⅱ接近下一个分段发射线圈对应的感知线圈时，感知线圈感应电压逐渐升高，实时检测感应电压整流后直流电压U_{sc_dc}(i+1)，当达到直流电压阈值U_{sc_dc_th}时，表示定位检测完成，进而改变相应各分段发射线圈通电状态标志位(flag(j))，flag(j)＝1(j＝i+1)，flag(j)＝0(j≠i+1)，到此实现巡检机器人的定位检测以及分段发射线圈的切换控制。