CN106410978A - 一种无线电能传输系统中耦合线圈互感系数的在线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线电能传输系统中耦合线圈互感系数的在线测量方法，其通过对信号发射端和接收端的信号载波幅值、无线电能系统的结构参数的运算处理，在不增加额外硬件成本的情况下，实现了无线电能传输系统中耦合线圈互感系数的在线测量。本发明可以有效解决外界因素导致耦合线圈互感系数变化所引发的系统工作点偏移问题，即通过对互感系数的在线实时测量，并结合控制器自动控制，可实现耦合线圈位置的自动调整以及无线电能传输系统的输出闭环控制。本发明可应用于无线电能传输系统的金属异物检测，相比于传统的平衡线圈金属检测技术，本发明没有在耦合线圈之间引入额外线圈或硬件设备，降低硬件设计难度，提高了检测可靠性。

Description

一种无线电能传输系统中耦合线圈互感系数的在线测量方法

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种无线电能传输系统中耦合线圈互感系数的在线测量方法。

背景技术

近年来无线电能传输作为替代有线输电的一种新型输电方式，在移动设备、植入医疗设备以及电动汽车等领域得到广泛应用。无线电能传输不仅避免了有线输电方式存在的电线摩擦、老化、插座接插等问题，同时还可以满足一些特殊应用场合的需要，如植入医疗设备的充电。医疗设备的充电。目前，投入应用的无线电能传输主要有两种方式：电磁感应耦合方式和磁共振耦合方式。

在电磁感应耦合式无线电能传输系统中，原、副边耦合线圈的互感系数变化对输出功率、传输效率会产生直接影响。在传统的无线电能传输系统中并没有对耦合线圈互感系数进行在线监测、测量的设备和方法，当系统长时间运行或受到外界震动等影响导致耦合线圈的互感系数发生变化时，系统会偏离最佳工作点。因此，实现互感系数的在线测量可以直接用于耦合线圈位置自动调整和无线电能传输系统的输出闭环控制。

此外，耦合线圈之间的金属异物检测是无线电能传输系统实际应用中的一项技术难题。当无线电能传输系统耦合线圈之间混入金属时，由于涡流效应，金属中会感应出涡流并急剧升温，导致安全事故。传统的平衡线圈金属检测技术，引入一对平衡接收线圈，通过检测两线圈之间的感应电势差来判断是否存在金属异物。但这种方式在耦合线圈之间有限的空间内引入额外探测线圈，增加了系统的设计难度；同时，该方法对平衡线圈的放置位置要求苛刻，系统的震动、耦合线圈位置的变化都会导致该测量方法精度降低。基于耦合线圈间混入金属异物后会改变耦合线圈的互感系数这一原理，互感系数的在线测量亦可以用于无线电能传输系统中的金属异物检测。

公开号为CN103595145A的中国专利提出了一种基于公共电感耦合实现高速通信和无线能量传输的系统，该系统通过在原、副边谐振回路耦合通讯模块，实现了共用无线电能传输系统耦合线圈的能量和信号复合传输，即无需引入额外通信信道或线圈，便实现了通信信号双向传输。该系统架构为原、副边耦合线圈的互感系数的在线测量方法提供了硬件基础。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种无线电能传输系统中耦合线圈互感系数的在线测量方法，能够实现对耦合线圈互感系数的在线实时测量，适用于耦合线圈位置自动调整、无线电能传输系统的输出闭环控制以及金属异物检测等应用。

一种无线电能传输系统中耦合线圈互感系数的在线测量方法，所述的无线电能传输系统包括原边供电单元和副边受电单元，原边供电单元与副边受电单元通过耦合线圈实现电能传输；所述原边供电单元由直流电源、逆变电路以及原边谐振回路依次连接组成后与耦合线圈原边相连，所述副边受电单元由负载、整流电路以及副边谐振回路依次连接组成后与耦合线圈副边相连；

所述在线测量方法的具体实现过程如下：

首先，利用通讯信号发射模块通过磁接口与副边谐振回路耦合，使所述通讯信号发射模块产生载波幅值为V_t的通讯信号A叠加至副边受电单元的功率载波上，且所述通讯信号A与功率载波基于不同的传输频率；

加载有通讯信号A的功率载波通过耦合线圈传输至原边供电单元后，利用通讯信号接收模块通过磁接口与原边谐振回路耦合以对该功率载波进行滤波，得到经耦合传输衰减后载波幅值为V_r的通讯信号A'；

最后，利用原边控制模块对通讯信号A'的载波幅值V_r进行采样，并结合耦合线圈、通讯信号发射模块和通讯信号接收模块的结构参数通过计算得到耦合线圈的互感系数。

所述的通讯信号发射模块包括载波信号发生器、信号开关S₁、电阻R_t、电容C_t和电感L_t4；其中，载波信号发生器的正极与电阻R_t的一端相连，电阻R_t的另一端与电感L_t4的同名端相连，电感L_t4的异名端与电容C_t的一端相连，电容C_t的另一端与信号开关S₁的一端相连，开关S₁的另一端与载波信号发生器的负极相连，所述电感L_t4与副边谐振回路耦合，信号开关S₁的控制端接副边控制模块提供的开关信号；所述载波信号发生器与信号开关S₁组成作为调制器，所述电阻R_t、电容C_t和电感L_t4组成作为发射选频器。

所述调制器采用ASK(幅移键控)或PSK(相移键控)的调制方式。

所述通讯信号接收模块由解调器、电阻R_r、电容C_r和电感L_r3并联组成，所述电感L_r3与原边谐振回路耦合，所述电阻R_r、电容C_r和电感L_r3组成作为接收选频器。

所述的磁接口采用耦合电感或变压器。

所述的副边控制模块通过调制器将关于载波幅值V_t的信息调制至通讯信号A中，所述的解调器对通讯信号A'进行解调得到载波幅值V_t并将其发送给原边控制模块。

所述原边控制模块通过以下公式计算耦合线圈的互感系数：

其中：M为耦合线圈的互感系数，ω_d为通讯信号A的载波角频率，R_r为通讯信号接收模块中电阻R_r的电阻值，R_t为通讯信号发射模块中电阻R_t的电阻值，L_t4为通讯信号发射模块中电感L_t4的电感值，L₁和L₂分别为耦合线圈的原边电感值和副边电感值。

对于所述无线电能传输系统原副边谐振回路类型可以为原边串联补偿-副边串联补偿、原边串联补偿-副边并联补偿、原边并联补偿-副边串联补偿、原边并联补偿-副边并联补偿，互感系数的计算方法均相同。

本发明的有益技术效果在于：

(1)本发明基于无线能量、信号复合传输系统，通过对信号发射端和接收端的信号载波幅值、无线电能系统的结构参数的运算处理，在不增加额外硬件成本的情况下，实现了无线电能传输系统中耦合线圈互感系数的在线测量。

(2)本发明可以有效解决外界因素导致耦合线圈互感系数变化所引发的系统工作点偏移问题，即通过对互感系数的在线实时测量，并结合控制器自动控制，可实现耦合线圈位置的自动调整以及无线电能传输系统的输出闭环控制。

(3)本发明可应用于无线电能传输系统的金属异物检测，相比于传统的平衡线圈金属检测技术，本发明没有在耦合线圈之间引入额外线圈或硬件设备，降低硬件设计难度，提高了检测可靠性。

附图说明

图1为本发明无线电能传输互感系数在线测量系统的结构示意图。

图2为本发明无线电能传输互感系数在线测量系统的电路原理图。

图3(a)为互感系数M＝20uH下通讯信号发射模块发射的通讯信号波形图。

图3(b)为互感系数M＝20uH下通讯信号接收模块接收的通讯信号波形图。

图4(a)为互感系数M＝30uH下通讯信号发射模块发射的通讯信号波形图。

图4(b)为互感系数M＝30uH下通讯信号接收模块接收的通讯信号波形图。

图5(a)为互感系数M＝40uH下通讯信号发射模块发射的通讯信号波形图。

图5(b)为互感系数M＝40uH下通讯信号接收模块接收的通讯信号波形图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的测量方法进行详细说明。

如图1所示，本发明无线电能传输互感系数在线测量系统，包括原边和副边；原边包括电源、逆变电路和原边谐振回路、通讯信号接收模块、原边控制模块，副边包括整流电路和副边谐振回路、通讯信号发送模块、副边控制模块、负载。电能由电源供给，依次经过逆变电路、原边谐振回路、副边谐振回路、整流电路，到达负载，实现无线电能传输；通讯信号由通讯信号发射模块发出，经由副边谐振回路、原边谐振回路，到达通讯信号接收模块，实现无线信号传输；电能和通讯信号的传输共用了原边谐振回路和副边谐振回路中的耦合线圈，实现无线电能、信号的复合传输。

如图2所示，本实施方式中逆变电路结构为全桥变换器，其控制信号由原边控制模块发出，开关管Q₁，Q₄互补开通，开关管Q₂，Q₃互补开通，并且Q₁与Q₂驱动信号相位相差180度，所有开关管的驱动信号的频率调谐于原边谐振回路的谐振频率；原边谐振回路为串联谐振连接结构，由原边耦合线圈L₁，电容C₁组成，电阻R₁为谐振回路的寄生电阻；副边谐振电路为串联谐振连接结构，由副边耦合线圈L₂，电容C₂组成，电阻R₂为谐振回路的寄生电阻；M为耦合线圈L₁和L₂的互感系数；整流电路为二极管全波整流桥，输出端接滤波电容C_L和负载。

本实施方式中L₁和L₂的电感值L₁＝L₂＝153uH，C₁和C₂的电容值C₁＝C₂＝330nF，R₁和R₂的电阻值R₁＝R₂＝0.2Ω，原边谐振回路和副边谐振回路调谐于同一谐振频率22.4kHz；逆变电路的全桥变换器中的开关管采用IRF公司的IRFB4227型MOSFET，整流电路的二极管全波整流桥中的二极管采用MCC公司的MUR160型二极管。

如图1和图2所示，本实施方式中通讯信号发射模块由调制器和发射选频器组成；调制器由高频交流电源V_t和控制开关S₁组成，控制开关由副边控制模块控制，具体地，S₁导通，调制器发送“1”，S₁关断，调制器发送“0”，即采用ASK调制方式；发射选频器由变压器原边L_t4、电容C_t和电阻R_t的串联电路构成，并通过变压器副边L₄耦合于副边谐振回路。

本实施方式中，调制器的高频交流电源幅值(发射端通讯信号载波幅值)V_t＝12V，频率为1.69MHz，即通讯信号载波频率为1.69MHz；发射选频器中变压器原、副边电感值L_t4＝L₄＝4uH，C_t电容值C_t＝2.2nF，R_t电阻值R_t＝6.8Ω，因而发射选频器调谐于通讯信号载波频率1.69MHz。

如图1和图2所示，本实施方式中通讯信号接收模块由解制器和接收选频器组成；解调器由模拟多路复用器芯片搭建，解调器由原边控制模块控制以实现通讯信号解调，解调器将通讯信号解调为数字信号并传输给原边控制模块；接收选频器由变压器原边L_r3、电容C_r和电阻R_r的并联电路构成，并通过变压器副边L₃耦合于副边谐振回路。

本实施方式中解调器选用ONSEMI公司的NLAST4052型模拟多路复用器芯片；接收选频器中变压器原、副边电感值L_r3＝L₃＝4uH，C_r电容值C_r＝2.2nF，R_r电阻值R_r＝100kΩ，因而接收选频器调谐于通讯信号载波频率1.69MHz。

本实施方式中原边控制模块和副边控制模块均采用TI公司TMS320F28035型数字信号处理器，该芯片自带A/D采样功能。

基于上述系统的耦合线圈互感系数在线测量方法，包括如下步骤：

(1)副边控制模块通过控制调制器中的控制开关S₁的开通和关断，将发射端载波幅值信息V_t调制为ASK通讯信号，并经过发射选频器滤波、放大。

(2)发射选频器中变压器原边L_t4上的通讯信号，通过变压器原、副边之间的磁耦合，传输到变压器副边L₄，进而传输到无线电能传输系统的副边谐振回路。

(3)副边谐振回路中副边耦合线圈L₂上的通讯信号，通过与原边耦合线圈L₁之间的磁耦合，传输到原边耦合线圈L₁，进而传输到无线电能传输系统的原边谐振回路。

(4)原边谐振回路中变压器副边L₃上的通讯信号，通过变压器原、副边之间的磁耦合，传输到变压器原边L_r3,进而传输到接收选频器中的电阻R_r上，R_r上接收到的通讯信号载波幅值为V_r。

(5)原边控制模块利用发射通讯信号载波幅值V_t和接收通讯信号幅值V_r，以及原、副边谐振回路结构参数，在线计算出无线电能传输系统中原、副边耦合线圈的互感系数M。

原边控制模块控制解调器工作并得到其输出端的数字信号，读取出发射通讯信号幅值V_t，原边控制模块通过采样测量得到R_r上的接收通讯信号幅值V_r。原边控制模块利用发射通讯信号幅值V_t和接收通讯信号幅值V_r，以及原、副边谐振回路结构参数，计算原、副边耦合线圈的互感系数的具体方法如下：

对于无线电能传输系统原、副边谐振回路类型为原边串联补偿-副边串联补偿、原边串联补偿-副边并联补偿、原边并联补偿-副边串联补偿、原边并联补偿-副边并联补偿，互感系数计算方法均相同。

本实施方式中，无线电能传输系统原、副边谐振回路类型为原边串联补偿-副边串联补偿，无线电能传输系统中耦合线圈原边电感量为L₁＝153uH，副边电感量为L₂＝153uH，发射选频器中变压器原边电感值为L_t4＝4uH，发射选频器中电阻值为R_t＝6.8Ω，接收选频器中电阻值为R_r＝100kΩ，通讯信号载波角频率为ω_d＝2π·1.69M rad/s，耦合线圈互感系数为M，则原边控制模块通过解如下方程，即可求得互感系数M：

基于上述耦合线圈互感系数的在线测量方法，图3～图5给出用于不同互感系数下测量的发射和接收的通讯信号波形，表1给出本实施方式的测量结果：

表1

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无线电能传输系统中耦合线圈互感系数的在线测量方法，所述的无线电能传输系统包括原边供电单元和副边受电单元，原边供电单元与副边受电单元通过耦合线圈实现电能传输；所述原边供电单元由直流电源、逆变电路以及原边谐振回路依次连接组成后与耦合线圈原边相连，所述副边受电单元由负载、整流电路以及副边谐振回路依次连接组成后与耦合线圈副边相连；其特征在于，所述在线测量方法的具体实现过程如下：

首先，利用通讯信号发射模块通过磁接口与副边谐振回路耦合，使所述通讯信号发射模块产生载波幅值为V_t的通讯信号A叠加至副边受电单元的功率载波上，且所述通讯信号A与功率载波基于不同的传输频率；

加载有通讯信号A的功率载波通过耦合线圈传输至原边供电单元后，利用通讯信号接收模块通过磁接口与原边谐振回路耦合以对该功率载波进行滤波，得到经耦合传输衰减后载波幅值为V_r的通讯信号A'；

最后，利用原边控制模块对通讯信号A'的载波幅值V_r进行采样，并结合耦合线圈、通讯信号发射模块和通讯信号接收模块的结构参数通过计算得到耦合线圈的互感系数。

2.根据权利要求1所述的在线测量方法，其特征在于：所述的通讯信号发射模块包括载波信号发生器、信号开关S₁、电阻R_t、电容C_t和电感L_t4；其中，载波信号发生器的正极与电阻R_t的一端相连，电阻R_t的另一端与电感L_t4的同名端相连，电感L_t4的异名端与电容C_t的一端相连，电容C_t的另一端与信号开关S₁的一端相连，开关S₁的另一端与载波信号发生器的负极相连，所述电感L_t4与副边谐振回路耦合，信号开关S₁的控制端接副边控制模块提供的开关信号；所述载波信号发生器与信号开关S₁组成作为调制器，所述电阻R_t、电容C_t和电感L_t4组成作为发射选频器。

3.根据权利要求2所述的在线测量方法，其特征在于：所述调制器采用ASK或PSK的调制方式。

4.根据权利要求2所述的在线测量方法，其特征在于：所述通讯信号接收模块由解调器、电阻R_r、电容C_r和电感L_r3并联组成，所述电感L_r3与原边谐振回路耦合，所述电阻R_r、电容C_r和电感L_r3组成作为接收选频器。

5.根据权利要求1所述的在线测量方法，其特征在于：所述的磁接口采用耦合电感或变压器。

6.根据权利要求4所述的在线测量方法，其特征在于：所述的副边控制模块通过调制器将关于载波幅值V_t的信息调制至通讯信号A中，所述的解调器对通讯信号A'进行解调得到载波幅值V_t并将其发送给原边控制模块。

7.根据权利要求4所述的在线测量方法，其特征在于：所述原边控制模块通过以下公式计算耦合线圈的互感系数：

$\frac{V_r}{V_t}=\frac{{\mathrm{\ω}}_d^2{L}_{t4}{R}_{r}M}{\sqrt{R_t^2{\mathrm{\ω}}_d^4{(M^2-L_1{L}_2)}^2+{\left({\mathrm{\ω}}_d{L}_2{R}_t{R}_r\right)}^2}}$

其中：M为耦合线圈的互感系数，ω_d为通讯信号A的载波角频率，R_r为通讯信号接收模块中电阻R_r的电阻值，R_t为通讯信号发射模块中电阻R_t的电阻值，L_t4为通讯信号发射模块中电感L_t4的电感值，L₁和L₂分别为耦合线圈的原边电感值和副边电感值。