CN105656214A - 一种多线圈切换式无线电能传输耦合装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多线圈切换式无线电能传输耦合装置，包括交流电压源、整流器、逆变器、开关组、耦合器、负载、光栅传感器、接收端控制器、发射端控制器和组合逻辑电路，交流电压源、整流器、逆变器、耦合器、负载依次串接，光栅传感器与接收端控制器相连，接收端控制器与发射端控制器无线通讯连接，发射端控制器与组合逻辑电路相连，组合逻辑电路与开关组相连，开关组和耦合器相连。发射端控制器可将耦合器发射端工作线圈切换至与接收端正对的区域，精准地调节耦合器发射端与接收端横向位置偏移度，并可控制逆变器中开关器件的导通角度，精确地调节逆变器输出功率。本发明还公开了一种多线圈切换式无线电能传输耦合装置的控制方法。

Description

一种多线圈切换式无线电能传输耦合装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及无线电能领域，特别涉及一种多线圈切换式无线电能传输耦合装置及其控制方法。

背景技术

目前在感应式无线电能传输系统中，为了解决耦合器发射端与接收端之间存在相对位置偏差时系统的发射端电流升高且接收端功率下降的问题，通常采取将耦合器设计成不对称式结构、发射端与接收端相对可移动式结构或者外加补偿网络等方式。但是不对称式的线圈结构会引起较大的漏磁，进而影响了系统效率；发射端与接收端相对可移动式的结构需要增加额外的位置检测与传动装置；复杂的补偿网络又会增加系统复杂程度。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低、效率高的多线圈切换式无线电能传输耦合装置，并提供一种多线圈切换式无线电能传输耦合装置的控制方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种多线圈切换式无线电能传输耦合装置，包括交流电压源、整流器、逆变器、开关组、耦合器、负载、光栅传感器、接收端控制器、发射端控制器和组合逻辑电路，所述交流电压源、整流器、逆变器、耦合器、负载依次串接，所述光栅传感器安装在耦合器上，光栅传感器的信号输出端与接收端控制器相连，接收端控制器与发射端控制器无线通讯连接，所述发射端控制器与组合逻辑电路的输入端相连，组合逻辑电路的输出端与开关组相连，开关组和耦合器相连，光栅传感器检测耦合器接收端与发射端的横向位置偏移信号并将偏移信号送入接收端控制器，接收端控制器根据光栅传感器输入的偏移信号输出相应的信号并无线传输到发射端控制器中，作为发射端控制器的输入信号，发射端控制器根据输入信号输出相应的信号至组合逻辑电路，组合逻辑电路根据接收的信号输出相应的控制信号至耦合器，控制耦合器的发射端线圈。

上述多线圈切换式无线电能传输耦合装置中，所述耦合器包括发射端和接收端，发射端与逆变器的输出端相连，发射端包括依次串接的发射端补偿电容、第八线圈、第一线圈、第二线圈、第三线圈、第四线圈、第五线圈、第六线圈、第七线圈、第九线圈、第十线圈、第十一线圈、第十二线圈和第十三线圈，接收端与负载相连，接收端包括依次串接的接收端补偿电容、第十四线圈、第十五线圈、第十六线圈、第十七线圈、第十八线圈、第十九线圈、第二十线圈。

上述多线圈切换式无线电能传输耦合装置中，所述开关组包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，所述耦合器发射端的第一线圈、第二线圈、第三线圈构成第一组线圈，第四线圈、第五线圈、第六线圈构成第二组线圈，第七线圈、第九线圈、第十线圈构成第三组线圈，第十一线圈、第十二线圈、第十三线圈构成第四组线圈，第八线圈为第五组线圈，所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关分别并接在第一组线圈、第二组线圈、第三组线圈、第四组线圈两端，第一开关、第二开关、第三开关、第四开关依次串接构成所述开关组，第一开关、第二开关、第三开关、第四开关的控制端与组合逻辑电路相连。

上述多线圈切换式无线电能传输耦合装置中，五组线圈构成三个供电区域，其中第一组线圈、第二组线圈、第五组线圈构成供电区域Ⅰ，第二组线圈、第三组线圈、第五组线圈构成供电区域Ⅱ，第三组线圈、第四组线圈、第五组线圈构成供电区域Ⅲ；当光栅传感器检测到与耦合器接收端正对的为发射端三个供电区域中的某一区域时，组合逻辑电路闭合并联在该供电区域线圈两端的两个开关，即组合逻辑电路的逻辑表达式为：其中S₁、S₂、S₃、S₄分别表示第一开关、第二开关、第三开关、第四开关。

上述多线圈切换式无线电能传输耦合装置中，所述耦合器发射端和接收端的所有线圈均呈六边形。

上述多线圈切换式无线电能传输耦合装置还包括功率检测模块和驱动电路，所述功率检测模块的输入端与负载相连，功率检测模块的输出端与接收端控制器相连，所述驱动电路的输入端与发射端控制器相连，驱动电路的输出端与逆变器相连，功率检测模块检测负载的输入功率并将功率送入接收端控制器，接收端控制器根据负载的输入功率输出相应的信号并无线传输到发射端控制器中，作为发射端控制器的输入信号，发射端控制器根据输入信号输出相应的信号至驱动电路，驱动电路产生控制信号，控制逆变器的开关器件。

上述多线圈切换式无线电能传输耦合装置中，所述整流器为桥式整流器。

上述多线圈切换式无线电能传输耦合装置中，所述逆变器为全桥逆变器。

一种多线圈切换式无线电能传输耦合装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤一，光栅传感器检测耦合器接收端与发射端的横向位置偏移信号并将偏移信号送入接收端控制器；

步骤二，功率检测模块检测负载端的输入功率信号并将功率信号送入接收端控制器；

步骤三，接收端控制器根据光栅传感器输入的偏移信号与功率检测模块输入的功率信号生成两组调制信号送入无线通信模块；

步骤四，无线通信模块将接收端控制器生成的两组调制信号发送至发射端控制器；

步骤五，发射端控制器将无线通信模块送入的调制信号解调并生成两组控制信号，分别传送至逻辑组合电路与驱动电路；

第六步，逻辑组合电路根据发射端控制器送入的控制信号生成开关动作信号，从而达到控制开关组中每一个开关通断的目的；

第七步，驱动电路根据发射端控制器送入的控制信号生成驱动信号，作为逆变器的控制信号，从而实现对逆变器中开关器件的导通时间的控制。

本发明的有益效果在于：本发明设有光栅传感器、发射端控制器、功率检测模块，在光栅传感器检测耦合器发射端与接收端横向位置偏移信号的基础上，发射端控制器可将耦合器发射端工作线圈切换至与接收端正对的区域，精准地调节耦合器发射端与接收端横向位置偏移度；此外，以功率检测模块检测的负载输入功率为依据，发射端控制器可控制逆变器中开关器件的导通角度(时间)，精确地调节逆变器输出功率，通过精确调节系统横向位置偏移度及导通角度，巧妙地解决位置偏移的情况下逆变器输出电流上升与系统效率下降的问题，使感应式无线电能传输系统运行于高效稳定状态。

附图说明

图1为本发明的电路图。

图2为图1中耦合器发射端的结构示意图。

图3为本发明耦合器发射端的线圈编号及区域划分示意图。

图4为本发明耦合器发射端中单组线圈的连接示意图。

图5为本发明运行结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明包括交流电压源1、整流器2、逆变器3、开关组4、耦合器5、负载6、光栅传感器、接收端控制器、发射端控制器、组合逻辑电路、功率检测模块7和驱动电路，整流器2为二极管(D₁-D₄)桥式整流器，逆变器3为开关器件(V₁-V₄)两端带有反向续流二极管(D₅-D₈)的全桥逆变器。

所述交流电压源1、整流器2、逆变器3、耦合器5、负载6依次串接，所述光栅传感器安装在耦合器5上，光栅传感器的信号输出端与接收端控制器相连，接收端控制器与发射端控制器通过无线通信模块实现无线通讯连接，所述发射端控制器与组合逻辑电路的输入端相连，组合逻辑电路的输出端与开关组4相连，开关组4和耦合器5相连，功率检测模块7的输入端与负载6相连，功率检测模块7的输出端与接收端控制器相连，所述驱动电路的输入端与发射端控制器相连，驱动电路的输出端与逆变器3相连。

所述耦合器5包括发射端5-1和接收端5-2，发射端5-1与逆变器3的输出端相连，发射端5-1包括依次串接的发射端补偿电容C_P、第八线圈L8、第一线圈L1、第二线圈L2、第三线圈L3、第四线圈L4、第五线圈L5、第六线圈L6、第七线圈L7、第九线圈L9、第十线圈L10、第十一线圈L11、第十二线圈L12和第十三线圈L13，接收端5-2与负载6相连，接收端5-2包括依次串接的接收端补偿电容C_S、第十四线圈L14、第十五线圈L15、第十六线圈L16、第十七线圈L17、第十八线圈L18、第十九线圈L19、第二十线圈L20。

所述开关组4包括第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃和第四开关S₄，所述耦合器5发射端5-1的第一线圈L1、第二线圈L2、第三线圈L3构成第一组线圈L_A，第四线圈L4、第五线圈L5、第六线圈L6构成第二组线圈L_B，第七线圈L7、第九线圈L9、第十线圈L10构成第三组线圈L_C，第十一线圈L11、第十二线圈L12、第十三线圈L13构成第四组线圈L_D，第八线圈L8为第五组线圈L_E，所述第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃、第四开关S₄分别并接在第一组线圈L_A、第二组线圈L_B、第三组线圈L_C、第四组线圈L_D两端，第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃、第四开关S₄依次串接构成所述开关组4，第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃、第四开关S₄的控制端与组合逻辑电路相连。

如图3所示，图3中(a)为发射端5-1线圈，(b)为接收端5-2线圈，五组线圈构成三个供电区域，其中第一组线圈L_A、第二组线圈L_B、第五组线圈L_E构成供电区域Ⅰ，第二组线圈L_B、第三组线圈L_C、第五组线圈L_E构成供电区域Ⅱ，第三组线圈L_C、第四组线圈L_D、第五组线圈L_E构成供电区域Ⅲ；耦合器5发射端5-1中四组线圈(L_A-L_D)内部连接如图4所示，单组线圈内部串联后并有一个独立控制的开关(S₁-S₄)。第五组线圈L_E由于所处结构的特殊性，应当在三种供电区域中都工作，因此直接串联于开关组4之外。表1中示出了发射端5-1线圈分组与对应控制开关以及供电区域划分与对应开关状态。

表1

当光栅传感器检测到与耦合器5接收端5-2正对的为发射端5-1三个供电区域中的某一区域时，组合逻辑电路闭合并联在该供电区域线圈两端的两个开关，即组合逻辑电路的逻辑表达式为：S_i表示第i个开关闭合，表示第i个开关断开。

如图2所示，所述耦合器5包括塑料防护板11、线圈12、线圈架13、铁芯14、铝环15、铝质底板16。其中塑料防护板11是用来防止杂物跌落；线圈架13中包含了塑料底板与塑料钉，用于固定线圈12；其中铁芯14使用的是材质代号为PC40的软磁性材料，为非同向线圈间产生的磁力线提供最小磁阻路径；其中铝环15与铝质底板16共同构成一个封闭腔体结构，为耦合器5提供磁屏蔽。

如图1所示，逆变器输出电流I_a与系统效率η计算公式如下：

$I_a=\frac{Z_S{U}_{ab}}{Z_P{Z}_S+{\left(\mathrm{\ω}M\right)}^2}$

$\mathrm{\η}=\frac{R_{1oad}}{\frac{R_P\[{(R_P+R_{load})}^2+X_S^2\]}{{\left(\mathrm{\ω}M\right)}^2}+(R_S+R_{load})}$

X_S、Z_P、Z_S计算公式如下：

$X_S={\mathrm{j\ωL}}_S+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_S}$

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_P=R_P+j\mathrm{\ω}{L}_P+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_P}\\ Z_S=R_{load}+R_S+{\mathrm{j\ωL}}_S+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_S}\end{array}\right.$

其中U_ab为逆变器输出电压，ω为中心频率，M为互感，R_P为发射端寄生电阻，L_P为发射端等效电感，C_P为发射端补偿电容，R_load为负载，R_S为接收端寄生电阻，L_S为接收端等效电感，C_S为接收端等效电容，X_S为接收端感抗与容抗之和，Z_P、Z_S为发射端自阻抗与接收端自阻抗，j为虚数单位。

由逆变器输出电流表达式与系统效率表达式分析可知，当其他参数保持不变时，互感M与逆变器输出电流I_a成反比，与系统效率η成正比。当发射端5-1与接收端5-2存在相对位置偏移时，互感值M将下降，将导致逆变器输出电流上升与系统效率下降。

一种多线圈切换式无线电能传输耦合装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤一，光栅传感器检测耦合器5接收端5-2与发射端5-1的横向位置偏移信号并将偏移信号送入接收端控制器；

步骤二，功率检测模块7检测负载6的输入功率信号并将功率信号送入接收端控制器；

步骤三，接收端控制器根据光栅传感器输入的偏移信号与功率检测模块输入的功率信号生成两组调制信号送入无线通信模块；

步骤四，无线通信模块将接收端控制器生成的两组调制信号发送至发射端控制器；

步骤五，发射端控制器将无线通信模块送入的调制信号解调并生成两组控制信号，分别传送至逻辑组合电路与驱动电路；

第六步，逻辑组合电路根据发射端控制器送入的控制信号生成开关动作信号，从而达到控制开关组中每一个开关通断的目的；

第七步，驱动电路根据发射端控制器送入的控制信号生成驱动信号，作为逆变器的控制信号，从而实现对逆变器中开关器件的导通时间的控制。

其中，发射端控制器根据输入信号输出三种输出信号，作为组合逻辑电路的输入信号，通过控制开关组中开关的通断，分别控制耦合器5发射端5-1线圈的三个工作区域；驱动电路产生四路驱动信号，作为逆变器3的控制信号，分别控制逆变器3中开关器件的导通时间。

如图5所示，图5中(a)为耦合器发射端线圈与接收端线圈之间存在16cm的横向偏移下逆变器输出电压(u_ab)与电流(i_a)，(b)为耦合器发射端线圈与接收端线圈之间存在16cm的横向偏移下负载两端电压(u_load)与电流(i_load)；(C)为切换供电区域后逆变器输出电压(u_ab)与电流(i_a)，(d)为切换后负载两端电压(u_load)与电流(i_load)。

对比切换前(a)与切换后(c)的逆变器输出电压(u_ab)与电流(i_a)，可得逆变器输出电压(u_ab)保持不变，电流(i_a)有所下降。即引入本发明中所述方法后的逆变器输入功率有所降低。与此同时，对比切换前(b)与切换后(d)的负载两端电压(u_load)与电流(i_load)，可得负载两端电压(u_load)与电流(i_load)均有所提高且保持稳定。即引入本发明中所述方法后的负载端输入功率有所提高且实现了恒功率运行，系统整体效率也得以提高。

本发明中感应式无线电能传输耦合装置最终将实现位置自校正与恒功率运行，巧妙地解决位置偏移的情况下逆变器输出电流上升与系统效率下降的问题，使感应式无线电能传输系统运行于高效稳定状态。

Claims (9)

1.一种多线圈切换式无线电能传输耦合装置，其特征在于：包括交流电压源、整流器、逆变器、开关组、耦合器、负载、光栅传感器、接收端控制器、发射端控制器和组合逻辑电路，所述交流电压源、整流器、逆变器、耦合器、负载依次串接，所述光栅传感器安装在耦合器上，光栅传感器的信号输出端与接收端控制器相连，接收端控制器与发射端控制器无线通讯连接，所述发射端控制器与组合逻辑电路的输入端相连，组合逻辑电路的输出端与开关组相连，开关组和耦合器相连，光栅传感器检测耦合器接收端与发射端的横向位置偏移信号并将偏移信号送入接收端控制器，接收端控制器根据光栅传感器输入的偏移信号输出相应的信号并无线传输到发射端控制器中，作为发射端控制器的输入信号，发射端控制器根据输入信号输出相应的信号至组合逻辑电路，组合逻辑电路根据接收的信号输出相应的控制信号至耦合器，控制耦合器的发射端线圈。

2.根据权利要求1所述的多线圈切换式无线电能传输耦合装置，其特征在于：所述耦合器包括发射端和接收端，发射端与逆变器的输出端相连，发射端包括依次串接的发射端补偿电容、第八线圈、第一线圈、第二线圈、第三线圈、第四线圈、第五线圈、第六线圈、第七线圈、第九线圈、第十线圈、第十一线圈、第十二线圈和第十三线圈，接收端与负载相连，接收端包括依次串接的接收端补偿电容、第十四线圈、第十五线圈、第十六线圈、第十七线圈、第十八线圈、第十九线圈、第二十线圈。

3.根据权利要求2所述的多线圈切换式无线电能传输耦合装置，其特征在于：所述开关组包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，所述耦合器发射端的第一线圈、第二线圈、第三线圈构成第一组线圈，第四线圈、第五线圈、第六线圈构成第二组线圈，第七线圈、第九线圈、第十线圈构成第三组线圈，第十一线圈、第十二线圈、第十三线圈构成第四组线圈，第八线圈为第五组线圈，所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关分别并接在第一组线圈、第二组线圈、第三组线圈、第四组线圈两端，第一开关、第二开关、第三开关、第四开关依次串接构成所述开关组，第一开关、第二开关、第三开关、第四开关的控制端与组合逻辑电路相连。

4.根据权利要求3所述的多线圈切换式无线电能传输耦合装置，其特征在于：五组线圈构成三个供电区域，其中第一组线圈、第二组线圈、第五组线圈构成供电区域Ⅰ，第二组线圈、第三组线圈、第五组线圈构成供电区域Ⅱ，第三组线圈、第四组线圈、第五组线圈构成供电区域Ⅲ；当光栅传感器检测到与耦合器接收端正对的为发射端三个供电区域中的某一区域时，组合逻辑电路闭合并联在该供电区域线圈两端的两个开关，即组合逻辑电路的逻辑表达式为：，其中S₁、S₂、S₃、S₄分别表示第一开关、第二开关、第三开关、第四开关。

5.根据权利要求4所述的多线圈切换式无线电能传输耦合装置，其特征在于：所述耦合器发射端和接收端的所有线圈均呈六边形。

6.根据权利要求1所述的多线圈切换式无线电能传输耦合装置，其特征在于：还包括功率检测模块和驱动电路，所述功率检测模块的输入端与负载相连，功率检测模块的输出端与接收端控制器相连，所述驱动电路的输入端与发射端控制器相连，驱动电路的输出端与逆变器相连，功率检测模块检测负载的输入功率并将功率送入接收端控制器，接收端控制器根据负载的输入功率输出相应的信号并无线传输到发射端控制器中，作为发射端控制器的输入信号，发射端控制器根据输入信号输出相应的信号至驱动电路，驱动电路产生控制信号，控制逆变器的开关器件。

7.根据权利要求1所述的多线圈切换式无线电能传输耦合装置，其特征在于：所述整流器为桥式整流器。

8.根据权利要求1所述的多线圈切换式无线电能传输耦合装置，其特征在于：所述逆变器为全桥逆变器。

9.一种多线圈切换式无线电能传输耦合装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤一，光栅传感器检测耦合器接收端与发射端的横向位置偏移信号并将偏移信号送入接收端控制器；

步骤二，功率检测模块检测负载端的输入功率信号并将功率信号送入接收端控制器；

步骤三，接收端控制器根据光栅传感器输入的偏移信号与功率检测模块输入的功率信号生成两组调制信号送入无线通信模块；

步骤四，无线通信模块将接收端控制器生成的两组调制信号发送至发射端控制器；

步骤五，发射端控制器将无线通信模块送入的调制信号解调并生成两组控制信号，分别传送至逻辑组合电路与驱动电路；

第六步，逻辑组合电路根据发射端控制器送入的控制信号生成开关动作信号，从而达到控制开关组中每一个开关通断的目的；

第七步，驱动电路根据发射端控制器送入的控制信号生成驱动信号，作为逆变器的控制信号，从而实现对逆变器中开关器件的导通时间的控制。