CN105337425B - 一种动态无线传能系统、方法及发射线圈装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种动态无线传能系统、方法及发射线圈装置，检测定位接收线圈的位置，转换成相应信息，根据信息做出判断，控制发射线圈在X轴方向移动和/或在Y轴方向移动；使动态无线传能发射线圈和接收线圈在进行能量传输的一段时间内的相对位置保持在传输效率最大的位置，进而能较大地提高系统的能量传输效率。本发明拓展了动态无线传能发射线圈机构设计方式，避免了传统发射线圈静止导致发射线圈和接收线圈错位的影响，克服了线圈错位导致的传输距离短、传输效率低等缺点，同时提高了传输能量，对动态无线传能发展提供有力的支持。
Description
技术领域
本发明涉及无线传能技术领域，提供用于无线传能的发射线圈技术方案，以及一种采用该发射线圈的高效动态无线传能系统及方法。
背景技术
无线传能技术在消费电子、医疗电子、工业电子中具有广阔的应用前景。磁感应耦合和磁共振耦合是目前无线传能中使用最广泛的技术，它们通过发送线圈与接收线圈之间的电磁耦合传输电能。
磁感应耦合和磁共振耦合的电能传输效率均与两个线圈之间的耦合系数密切相关。通常，耦合系数越大，电能传输效率越高。耦合系数由线圈的形状、大小、相对位置决定。在许多应用场合，如电动汽车动态无线充电，线圈的形状、大小是固定的，而发送线圈和接收线圈之间的位置是变化的。由于相对位置的不确定引起的耦合系数不确定，将使动态无线充电系统不能达到最优效率传输效率，甚至有可能由于接收电压的波动而损坏系统。虽然在某一固定耦合系数下，通过合理的补偿电路设计，并使电路工作在谐振状态下可以使传输效率达到最大，但是耦合系数的不确定将使补偿电路失效，除非补偿电路能根据耦合系数的变化进行调整，这大大加大了电路设计的难度，甚至变得不能实现。
发明内容
为解决动态无线传能中，由于发射线圈和接收线圈之间相对位置不确定使得系统传输效率不能达到最优甚至系统不能正常工作的问题，本发明设计了一种高效动态无线传能发射线圈机构，发射线圈在一段时间内能跟随接收线圈移动。
本发明的技术方案提供一种无线动态传能系统，包括以下部分，
检测定位模块1，用于检测定位接收线圈的位置，转换成相应信息，所述信息包括接收线圈6在到达发射线圈5所在位置预定距离范围内时移动的位置和速度；
分析控制模块2，用于接收检测定位模块1发送的信息，做出判断，控制X轴移动控制模块3和/或Y轴移动控制模块4工作，使发射线圈5向接收线圈6传递交变电磁场时与接收线圈的相对位置处于传输效率最大的位置；
X轴移动控制模块3，用于依据接收到的控制命令，控制发射线圈5在X轴方向移动；
Y轴移动控制模块4，用于依据接收到的控制命令，控制发射线圈5在Y轴方向移动；
发射线圈5，用于发射交变电磁场；
接收线圈6，用于接收交变电磁场。
而且，发射线圈5固定在滑轮上，滑轮通过电机带动在X轴方向和Y轴方向移动。
而且，发射线圈5和接收线圈6的外部覆盖电磁屏蔽层，所述接收线圈6与发射线圈5的形状、结构、圈数和材料都相同，通过并联电容进行调节，达到与发射线圈5有共同的共振频率。
本发明还提供一种无线动态传能方法，包括以下操作，
检测定位接收线圈6的位置，转换成相应信息，所述信息包括接收线圈6在到达发射线圈5所在位置预定距离范围内时移动的位置和速度；
根据检测定位所得信息，做出判断，发出X轴移动的控制命令和/或Y轴移动的控制命令；
依据控制命令，控制发射线圈5在X轴方向移动和/或在Y轴方向移动，使发射线圈5向接收线圈6传递交变电磁场时与接收线圈的相对位置处于传输效率最大的位置；
通过发射线圈5发射交变电磁场；
通过接收线圈6接收交变电磁场。
而且，发射线圈5固定在滑轮上，滑轮通过电机带动在X轴方向和Y轴方向移动。
而且，发射线圈5和接收线圈6的外部覆盖电磁屏蔽层，所述接收线圈6与发射线圈5的形状、结构、圈数和材料都相同，通过并联电容进行调节，达到与发射线圈5有共同的共振频率。
本发明还提供一种用于无线动态传能系统的发射线圈装置，包括以下部分，
检测定位模块1，用于检测定位接收线圈的位置，转换成相应信息，所述信息包括接收线圈6在到达发射线圈5所在位置预定距离范围内时移动的位置和速度；
分析控制模块2，用于接收检测定位模块1发送的信息，做出判断，控制X轴移动控制模块3和/或Y轴移动控制模块4工作，使发射线圈5向接收线圈6传递交变电磁场时与接收线圈的相对位置处于传输效率最大的位置；
X轴移动控制模块3，用于依据接收到的控制命令，控制发射线圈5在X轴方向移动；
Y轴移动控制模块4，用于依据接收到的控制命令，控制发射线圈5在Y轴方向移动；
发射线圈5，用于发射交变电磁场。
而且，发射线圈5固定在滑轮上，滑轮通过电机带动在X轴方向和Y轴方向移动。
而且，发射线圈5的外部覆盖电磁屏蔽层。
本发明所提供的高效动态无线传能系统，包括采用检测定位模块1、分析控制模块2、X轴移动控制模块3、Y轴移动控制模块4、发射线圈5组成的高效动态无线传能发射线圈机构装置，配合接收线圈6使用。此技术方案还考虑了电磁辐射的影响，在发射线圈外部利用电磁屏蔽技术进行处理，有效约束了电磁场的辐射范围，减小电磁场对环境的影响，提高了系统能量传输效率。该设计避免了传统动态无线传能发射线圈静止导致发射线圈和接收线圈错位的影响，克服了线圈错位导致的传输距离短、传输效率低等缺点，同时提高了传输能量，对动态无线传能发展提供有力的支持。采用本发明技术方案制造出来的发射线圈机构装置用于动态无线传能系统能有效提高电能的传输效率，解决了动态无线传能系统中发射线圈机构设计的优化问题。
附图说明
图1是本发明实施例的发射线圈装置整体结构框图；
图2是本发明实施例的发射线圈装置功能示意图；
图3是本发明实施例的检测定位模块实现示意图；
图4是本发明实施例的发射线圈的结构图；
图5是本发明实施例的接收线圈的结构图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明技术方案进行具体描述。
考虑到如果能使发送线圈在对接收线圈传输电能的时间段内保持相对位置静止，接收线圈在这段时间内与发送线圈之间的耦合系数也将是固定的，本发明提出一种高效动态无线传能系统，进行发射线圈机构设计。将动态无线传能发射线圈设计成可以在X轴和Y轴方向自由移动的线圈，根据动态无线传能接收线圈的位置和移动速度，确定发射线圈在X轴和Y轴方向分别移动的距离、时刻和速度，使动态无线传能发射线圈和接收线圈在进行能量传输的一段时间内的相对位置保持在传输效率最大的位置，进而能较大地提高系统的能量传输效率。
本发明进一步提出，所述的发射线圈在X轴和Y轴方向可以自由移动，包括所述的发射线圈在X轴和Y轴方向上的移动速度、时刻和距离，通过机械设备控制，例如电机和滑轮。发射线圈5固定在滑轮上，滑轮通过电机带动在X轴方向和Y轴方向移动。
本发明进一步提出，由接收线圈速度和位置的预测信息控制发射线圈在X轴和Y轴方向上的移动速度、时刻和距离。
本发明进一步提出，所述的发射线圈通过移动在某一段时间内（即发射线圈向接收线圈传递交变电磁场这段时间）与接收线圈的相对位置处于传输效率最大的位置。
如图1所示，本发明实施例所提供高效动态无线传能系统，设置有如下部分：
检测定位模块1，检测定位接收线圈的位置，转换成相应信息，所述信息包括接收线圈6在到达发射线圈5所在位置预定距离范围内时移动的位置和速度；
分析控制模块2，接收检测定位模块1发送的信息，做出判断，控制下一级（X轴移动控制模块3和Y轴移动控制模块4）工作，使发射线圈5向接收线圈6传递交变电磁场时与接收线圈的相对位置处于传输效率最大的位置；
X轴移动控制模块3，依据接收到的控制命令，控制发射线圈5在X轴方向移动；
Y轴移动控制模块4，依据接收到的控制命令，控制发射线圈5在Y轴方向移动；
发射线圈5，发射交变电磁场；
接收线圈6，接收交变电磁场。
所述的高效动态无线传能系统中设置的检测定位模块1，检测定位接收线圈6在将要到达发射线圈5所在位置一定距离范围内移动的位置和速度，并将所得信息发送到分析控制模块2，具体实施时，可以根据接收线圈运动速度设定该距离，一般距离将要到达的发射线圈位置很近，时间在2-5s之间；分析控制模块2，接收检测定位模块1发送的信息，根据定位接收线圈6在将要到达发射线圈5所在位置一定距离范围内移动的位置和速度，可以采用拟合等方式预测接收线圈6在到达发射线圈5所在位置时的移动路线和速度，对发射线圈5将要移动的方向、速度、时刻和距离做出判断，发送相应的命令，控制下一级工作，可以同时控制X轴移动控制模块3和Y轴移动控制模块4，可以同时实现X轴移动和Y轴移动，也可以只实现X轴移动或Y轴移动，不移动的等同于移动速度和距离都为0。具体实施时，预测实现可以根据车辆行驶过程中的速度和路线连续性，用拟合的方法，拟合出后面一段时间内（即预测）的速度和路线，判断实现可依照预测所得接收线圈将要移动的速度、时刻和距离，在保证发射线圈和接收线圈处于传输效率最大的位置，确定发射线圈的移动特性，分为X轴和Y轴两个方向移动，本领域技术人员可自行根据需要预先设定具体拟合方式和效率判断规则。X轴移动控制模块3，接收分析控制模块2的控制命令信息，依据所接收到的控制命令，通过控制相应的机械设备控制发射线圈5在X轴方向移动的速度、时刻和距离；Y轴移动控制模块4，接收分析控制模块2的控制命令信息，依据接收到的控制命令，通过控制相应的机械设备控制发射线圈5在Y轴方向移动的速度、时刻和距离；发射线圈5，具体实施时可通过并联电容调节共振频率与电源频率相同，使发射得交变电磁场最大；接收线圈6，具体实施时可通过并联电容调节共振频率与发射线圈5的共振频率相同，使电能传输效率最高。
本发明实施例相应提出的无线动态传能方法，包括检测定位接收线圈6的位置，转换成相应信息；根据检测定位所得信息，做出判断，发出X轴移动的控制命令和/或Y轴移动的控制命令；依据控制命令，控制发射线圈5在X轴方向移动和/或在Y轴方向移动；通过发射线圈5发射交变电磁场；通过接收线圈6接收交变电磁场。具体实施时，可利用现有的成熟设备实现方法过程，例如可采用单片机等微处理器实现分析控制模块2，可采用电机驱动等设备实现X轴移动控制模块和Y轴移动控制模块。
如图2所示，所述的高效动态无线传能系统，将动态无线传能发射线圈5设计成可以在X轴和Y轴方向自由移动的线圈，根据检测到的动态无线传能接收线圈6的位置和移动速度，确定发射线圈在X轴和Y轴方向分别移动的距离、时刻和速度，使动态无线传能发射线圈和接收线圈在进行能量传输的一段时间内的相对位置保持在传输效率最大的位置，进而能较大地提高系统的能量传输效率。目前一般在传递电磁场能量较强和对人影响较大（距人距离或者经常接触）的线圈才会考虑电磁屏蔽，而本实施例中，发射线圈5和接收线圈6表面均部分覆盖氧化铁电磁屏蔽层，见图中电磁屏蔽7，然后用PVC材料封装制作成长方形平板式，防止外部环境对线圈的损坏，同时约束磁场，接收线圈安装于负载表面，发射线圈固定在滑轮上，滑轮通过电机带动可以在X轴方向和Y轴方向自由移动，依据预测的接收线圈6在发射线圈5能够自由移动的范围内的路线，分析控制模块2经X轴移动控制模块3和/或Y轴移动控制模块4通过控制电机的开断和转速、转向，控制发射线圈5的移动，保证在发射线圈进行能量传输的时间段内，发射线圈5和接收线圈6的相对位置一直处于最大传输效率的位置。具体实施时，所选的屏蔽材料、封装材料的厚度、形状等均可根据实际情况调整，移动发射线圈的机械设备和传动控制方式等可根据具体的施工环境、要求调整。
如图3所示，所述的检测定位模块4用于检测定位接收线圈的位置和速度，并转化成相应的信息。本实施例中检测定位模块4由GPS定位装置和红外传感器、超声波传感器组成。在接收线圈6距离发射线圈5一定距离之外，由GPS定位装置定位接收线圈6的行驶位置；在接收线圈6移动到距离发射线圈5一定距离之内，由红外传感器和超声波传感器精确定位接收线圈6的位置和移动速度。该距离可预设为经验值。所采用的检测定位手段和方法均可依照具体情况进行调整，例如任选红外传感器和超声波传感器其中一种进行精确定位。
如图4所示，所述的发射线圈5由外加绝缘层的金属导体绕制而成，线圈外部覆盖电磁屏蔽层，约束电磁场。本实施例中发射线圈5为多匝环形跑道形状，两端为两个半圆形，中间为两段直线型，由半径4mm的铜线从中心开始呈顺时针方向绕制4 圈，内半圆半径为1000mm，外半圆半径为外直径为1450mm，中间段直线长2000mm，径向节距为10mm，所绕制接收线圈的形状、尺寸、匝数以及导体的材料与半径均可依照具体情况进行调整。
如图5所示，所述的接收线圈6由外加绝缘层的金属导体绕制而成，线圈外部覆盖电磁屏蔽层，约束电磁场。本实施例中接收线圈6与发射线圈5的形状、结构、圈数和材料都相同，通过并联电容进行调节，达到与发射线圈5有共同的共振频率，保证在动态充电过程中效率和能量最大。接收线圈的形状、结构、圈数和材料等可依据实际需求进行调整，接收线圈本身有共振频率，通过并联电容，电容和线圈构成的整体频率发生改变，实现调节。
具体实施时，一般预先在移动对象（例如车辆）上设置接收线圈，发射线圈装置可以另行设置，因此可以单独实现发射线圈装置作为产品售卖，实施例所提供发射线圈装置包括以下部分，
检测定位模块1，用于检测定位接收线圈的位置，转换成相应信息，所述信息包括接收线圈6在到达发射线圈5所在位置预定距离范围内时移动的位置和速度；
分析控制模块2，用于接收检测定位模块1发送的信息，做出判断，控制X轴移动控制模块3和/或Y轴移动控制模块4工作，使发射线圈5向接收线圈6传递交变电磁场时与接收线圈的相对位置处于传输效率最大的位置；
X轴移动控制模块3，用于依据接收到的控制命令，控制发射线圈5在X轴方向移动；
Y轴移动控制模块4，用于依据接收到的控制命令，控制发射线圈5在Y轴方向移动；
发射线圈5，用于发射交变电磁场。
本发明提供了本领域技术人员能够实现的技术方案。以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案，都落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种无线动态传能系统，其特征在于：包括以下部分，
检测定位模块(1)，用于检测定位接收线圈的位置，转换成相应信息，所述信息包括接收线圈(6)在到达发射线圈(5)所在位置预定距离范围内时移动的位置和速度；
分析控制模块(2)，用于接收检测定位模块(1)发送的信息，预测接收线圈(6)在到达发射线圈(5)所在位置时的移动路线和速度，对发射线圈(5)将要移动的方向、速度、时刻和距离做出判断，控制X轴移动控制模块(3)和/或Y轴移动控制模块(4)工作，使发射线圈(5)向接收线圈(6)传递交变电磁场时与接收线圈的相对位置处于传输效率最大的位置；
X轴移动控制模块(3)，用于依据接收到的控制命令，控制发射线圈(5)在X轴方向移动；
Y轴移动控制模块(4)，用于依据接收到的控制命令，控制发射线圈(5)在Y轴方向移动；
发射线圈(5)，用于发射交变电磁场；
接收线圈(6)，用于接收交变电磁场。
2.根据权利要求1所述的无线动态传能系统，其特征在于：发射线圈(5)固定在滑轮上，滑轮通过电机带动在X轴方向和Y轴方向移动。
3.根据权利要求1或2所述的无线动态传能系统，其特征在于：发射线圈(5)和接收线圈(6)的外部覆盖电磁屏蔽层，所述接收线圈(6)与发射线圈(5)的形状、结构、圈数和材料都相同，通过并联电容进行调节，达到与发射线圈(5)有共同的共振频率。
4.一种无线动态传能方法，其特征在于：包括以下操作，
检测定位接收线圈(6)的位置，转换成相应信息，所述信息包括接收线圈(6)在到达发射线圈(5)所在位置预定距离范围内时移动的位置和速度；
根据检测定位所得信息，预测接收线圈(6)在到达发射线圈(5)所在位置时的移动路线和速度，对发射线圈(5)将要移动的方向、速度、时刻和距离做出判断，发出X轴移动的控制命令和/或Y轴移动的控制命令，使发射线圈(5)向接收线圈(6)传递交变电磁场时与接收线圈的相对位置处于传输效率最大的位置；
依据控制命令，控制发射线圈(5)在X轴方向移动和/或在Y轴方向移动；
通过发射线圈(5)发射交变电磁场；
通过接收线圈(6)接收交变电磁场。
5.根据权利要求4所述的无线动态传能方法，其特征在于：发射线圈(5)固定在滑轮上，滑轮通过电机带动在X轴方向和Y轴方向移动。
6.根据权利要求4或5所述的无线动态传能方法，其特征在于：发射线圈(5)和接收线圈(6)的外部覆盖电磁屏蔽层，所述接收线圈(6)与发射线圈(5)的形状、结构、圈数和材料都相同，通过并联电容进行调节，达到与发射线圈(5)有共同的共振频率。
7.一种用于无线动态传能系统的发射线圈装置，其特征在于：包括以下部分，
检测定位模块(1)，用于检测定位接收线圈的位置，转换成相应信息，所述信息包括接收线圈(6)在到达发射线圈(5)所在位置预定距离范围内时移动的位置和速度；
分析控制模块(2)，用于接收检测定位模块(1)发送的信息，预测接收线圈(6)在到达发射线圈(5)所在位置时的移动路线和速度，对发射线圈(5)将要移动的方向、速度、时刻和距离做出判断，控制X轴移动控制模块(3)和/或Y轴移动控制模块(4)工作，使发射线圈(5)向接收线圈(6)传递交变电磁场时与接收线圈的相对位置处于传输效率最大的位置；
X轴移动控制模块(3)，用于依据接收到的控制命令，控制发射线圈(5)在X轴方向移动；
Y轴移动控制模块(4)，用于依据接收到的控制命令，控制发射线圈(5)在Y轴方向移动；
发射线圈(5)，用于发射交变电磁场。
8.根据权利要求7所述的发射线圈装置，其特征在于：发射线圈(5)固定在滑轮上，滑轮通过电机带动在X轴方向和Y轴方向移动。
9.根据权利要求7或8所述的发射线圈装置，其特征在于：发射线圈(5)的外部覆盖电磁屏蔽层。
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