CN108390464A - 一种非接触电能传输装置及柔性行波激励方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触电能传输装置与柔性行波激励方法，该非接触电能传输装置包括原边功率变换单元、原边绕组、原边磁芯、原边控制器、副边绕组、副边磁芯、副边功率变换单元及负载。所述控制方法为：通过对原边绕组施加自由、灵活的激励来构造波峰（长轴）波谷（磁场短轴）位置可调的空间磁场，从而适应不同绕阻结构、位置的副边绕组。本发明装置及控制方法，通过将磁场长/短轴定向至盘式/DD绕组的中心，实现了对空间磁场的柔性调控，解决了非接触电能传输系统输出特性对位置的敏感度高、特殊位置无功率输出能力（感应盲点）以及不同绕组结构的副边绕组的互操作性、兼容性问题，提高了非接触电能传输系统的实用性与适用性。

Description

一种非接触电能传输装置及柔性行波激励方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术、非接触供电技术，具体涉及一种“柔性行波磁场定向调控”非接触电能传输装置及其控制方法。

背景技术

非接触供电利用磁场耦合实现“无线供电”，即采用原副边完全分离的非接触变压器，通过高频磁场的耦合传输电能，使得在能量传递过程中原边(供电侧)和副边(用电侧)无物理连接。与传统的接触式供电相比，非接触供电使用方便、安全，无火花及触电危险，无积尘和接触损耗，无机械磨损和相应的维护问题，可适应多种恶劣天气和环境，便于实现自动供电，具有良好的应用前景。

虽然非接触供电优点突出，但是依然存在一些实际问题需要解决，其中一个关键问题就是大范围位置变化下的稳定功率传输问题。当副边绕组对位不准或存在错位时，输出功率会出现明显下降，甚至会出现下降至0即感应盲点问题。对此，其中常用的两类绕组结构(DD(图2)以及盘式(图3))存在不同的解决方案。

为了解决盘式绕组的功率传输能力的位置敏感度高的问题，香港城市大学，S.Y.R.Hui and W.W.C.Ho,‘A New Generation ofUniversal Contactless BatteryCharging Platform for Portable Consumer Electronic Equipment’,IEEETransactions on Power Electronics,vol.20,no.3,pp.620–627,May 2005.提出了蜂窝状六边形PCB原边绕组阵列，通过增加原边绕组的数量，多层绕组优化、分布布局，以一种“多对一”的方式在负载线圈平面构造一个更为均匀的磁场，从而保证副边在不同位置下的功率传输能力。但是，因为该方案使用了大量紧密层叠的原边绕组阵列，铜重增加，且不同绕组串联同时供电，铜损大，效率低。福州大学X.Huang,W.Chen,and Q.Chen,‘A designalgorithm of circular transmitting coil to achieve uniform magnetic fielddistribution in WPT applications’,in Future Energy Electronics Conference(IFEEC),2015 IEEE 2nd International,2015,pp.1–5.采用基于充电平台内有限点的磁感应强度的数值计算以及以均匀磁场为目标的自适应基因算法，设计不同半径处的匝数分配，以一种“大对小”的方式减小负载线圈在不同位置的输出差异。但是该方案依然存在原边铜损大，效率低的问题，在为单个负载供电时该缺点尤为明显。

针对非接触无线电能传输系统中另一类线圈结构，DD型绕组(磁场如图4所示)在1/3的横向错位时出现磁场抵消-输出功率降为0(如图5所示)问题，很多文献在副边DD绕组的基础上增加Q绕组来解决“感应盲点问题”。但是该解决方案只是解决了“感应盲点”问题，只能适应较小的错位情况，当错位更大时，输出功率下降的问题依然存在。

从上述讨论不难发现，针对盘式以及DD这两类绕组的错位容忍度的解决方法都各有不足。此外，由于这两类绕组结构在磁场设计(如图4、图6)优化方面存在矛盾，因此上述两类解决办法都只能适用于特定的一类绕组，无法兼容。所以，实际应用中依靠一套原边系统来解决不同绕组结构的副边在大范围错位下稳定功率传输问题，即“互操作”性问题，仍然没有解决。

可见，位置变化带来的“感应盲点”、大范围错位下传输功率下降、“互操作”性、系统效率下降以及可靠性问题，都制约了非接触供电的发展及市场推广，亟待解决。对此，本发明提出了“柔性行波磁场定向调控”激励方法。所谓“柔性行波磁场定向调控”，即通过对非接触供电系统的原边绕组施加自由、灵活、可变的激励来实现对空间磁场动态调节，从而适应副边位置、绕组结构等关键参数的变化，实现自适应的优化控制。其优点在于,通过“柔性行波磁场”可以进行自适应磁场匹配与优化，解决无线系统互操作性难、错位容忍度低的难题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种磁场定向控制的非接触电能传输装置及其控制方法。

本发明的具体技术方案如下：

该柔性行波磁场定向调控的非接触电能传输装置，包括原边功率变换单元、原边绕组、原边磁芯、原边控制器、副边绕组、副边磁芯、副边功率变换单元以及负载；

其中,原边绕组可包括一个或多个绕组单元，每个绕组单元至少包含两个空间位置不同的独立线圈，且至少有两个线圈的激励电流大小以及相位可由原边控制器通过原边功率变换单元独立调节，来构造形成磁场幅度和波峰波谷位置连续受控可调的柔性行波磁场；原边功率变换单元包含逆变器和补偿网络为线圈提供激励；原边控制器通过功率变化单元来对原边绕组施加可变的行波激励，使强磁场分布区域自动追踪副边位置，实现磁场定向控制。

其中，所述原边绕组可由多个绕组单元通过平移、旋转及其组合方式，构成得到。

其中，所述装置还包括原副边电压和/或电流和/或功率检测或估算电路；原副边可通过蓝牙、WIFI、ZigBee、磁反馈、红外、射频等无线方式进行通信。

一种柔性行波激励方法，其特征在于，在副边位置已知的条件下可以由磁场定向调控直接确定原边绕组各线圈电流的激励关系，副边位置未知的条件下通过激励搜索的方式确定最优激励方法，实现副边变结构、变位置下的互操作性与兼容性。如附图7的流程图所示，其具体步骤如下：

S100：判断是否具备副边位置信息，若有，则执行S102,否则执行S103；

S102:实施磁场定向调控；

A.给出副边绕组的中心轴线的位置坐标x_s。其中，副边绕组的位置坐标x_s可由摄像头、GPS、行波测距、毫米波测距、RFID测距、超声波测距等方法得到；

B.根据给定的位置坐标，确定原边绕组空间磁场的关键特征参数，包括(长轴位置x_m、短轴位置x_n)：若副边为DD绕组，则短轴位置x_n取x_s；若副边为盘式绕组，则长轴位置x_m取x_s，磁场幅度L取1～10之间任一值。传统的行波激励方式，原边激励参数固定，尤其是相位关系，不随副边位置调整。而本发明所提磁场定向调控方式，根据副边位置的不同对原边激励参数实施动态调整，将最强磁场分布区域自动追踪副边位置，实现了对空间磁场的最大利用，在相同的磁场幅度L下，兼顾了系统的功率输出能力与系统效率，为本控制方法不同于其他控制方法的核心所在。

C.根据长轴位置(x_m)或短轴位置(x_n)参数确定原边绕组各线圈电流所施加电流的幅值及相位关系：I₁＝I₁*；I₂＝I₂*；然后执行S109。其中，长轴(x_m)、短轴(x_n)位置与原边绕组各线圈所激励电流的关系可以由控制器实时计算或查表插值得到。

为了便于理解，此处对磁场长轴、短轴的含义作出说明。如附图8所示，以原边绕组有两个线圈构成为例，当副边方形线圈的中心位置(x_s)变化时，此处以沿x轴移动为例，不同位置x_s下的副边输出电压不同。而对于传统行波磁场，不同位置x_s下的输出电压相同，但输出电压较小，增益低，且功率传输效率不高。在本发明中，对于任一固定的原边线圈激励关系(幅值大小、相位关系)，副边中心移动至输出电压最大的位置，即为磁场长轴位置x_m(磁场波峰)；副边输出电压最小值所在位置，即为磁场短轴位置x_n(磁场波谷)。最大输出电压V_o表征该种激励条件下的磁场幅度L。在不同的原边激励下，长轴位置x_m、短轴位置x_n也各不同。本专利所提方案中，原边绕组优先采用分布式绕制，保证波峰、波谷位置在不同激励条件下实现连续受控可调。长轴位置(x_m)、短轴位置(x_n)与原边绕组各线圈电流的激励关系，随原边绕组的分布的变化而变化，分布绕组。可根据麦克斯韦方程组、毕奥萨伐尔定律实时计算得到，或者离线计算生成离线表，也可由Ansys、Comsol等电磁场仿真软件通过仿真得到离线查找表。

原边绕组由两线圈构成时的一种离线表构成如下：

S103：以原边绕组中的任一点设为原边位置参考点；

S104：固定副边负载；其中负载可为副边实际工作长挂的死负载，也可为由开关通断仅在预激励过程程中接入的固定死负载，也可为实际工作时所接负载；

S105：选择激励搜索方法，若选择遍历搜索寻优，则执行S106，若选择特定激励变化轨迹搜索寻优，则执行S107；若选择最优寻优方法，则执行S108。

S106：遍历搜索寻优，具体的实施流程图如附图9所示，步骤如下：

A.固定原边各线圈的激励电流幅值为一固定值，以某一线圈激励电流为相位(如)参考，对相位依次遍历；表示线圈2相对与线圈1的激励电流相位关系。

B.控制器记录、存储每组激励下的各线圈激励电流的大小、相位关系以及该组激励下的响应(响应包括输出功率和/或效率和/或输出电压和/或输出电流)；

C.遍历完成后，以最大输出功率或最大效率为目标存储对应的激励条件：I₁＝I₁*；I₂＝I₂*；然后执行S109；

其中，步骤S106中，变化原边绕组各线圈激励，还可以采用固定各线圈输入交流电压幅值如10～50V，对两者之间的相位差进行一次遍历；还可以采用固定各线圈电流相位为[0,2π]任一相位，对电流幅值在[0,2]A以0.01A～0.5A内任一间隔进行依次遍历。

S107：特定激励变化轨迹搜索寻优，具体的实施流程图如附图10所示，步骤如下：

A.改变激励条件，由控制器实时计算或查离线表得到x_m、x_n、L,对x_m和或/x_n依次进行遍历；

B.检测并存储原边输入功率或副边输出功率，统称为Q，形成(x_m,x_n,Q/L²)数据；

C.以最大Q/L²为目标搜索找到其相应的激励关系：I₁＝I₁*；I₂＝I₂*；然后执行S109；

S108：A.以冒泡、二分法等最优搜索改变激励条件；B.存储、比较各组激励下原边各线圈的激励电流的大小、相位关系以及该组激励下的响应(响应包括输出功率和/或效率和/或输出电压和/或输出电流)；C.比较得到满足优化条件(最大输出功率、最大效率)所对应的激励条件：I₁＝I₁*；I₂＝I₂*；然后执行S109。

S109:保证原边绕组内各线圈所施加电流的幅值比例及相位关系不变，采用基于输出误差反馈的闭环调节方法，改变激励电流的幅值大小、频率、相位等使得副边输出电压、输出电流或输出功率满足要求。

其中，步骤S102C、S107中的长轴位置(x_m)、短轴位置(x_n)与原边绕组各线圈电流的激励关系，可根据麦克斯韦方程组、毕奥萨伐尔定律实时计算得到，或者离线计算生成离线表，也可由Ansys、Comsol等电磁场仿真软件通过仿真得到离线表。离线表内包含每个长轴位置、短轴位置下的激励电流关系。

更特殊的，若原边预激励绕组单元由沿直线布置、重叠50％的两个独立线圈组成的原边预激励绕组单元构成，长轴位置x_m、短轴位置x_n以及磁场幅度L与所需施加激励关系如下式所示：

当或：

当

其中I₁、I₂为两个线圈的电流大小，为I₂相对于I₁相位差，a为线圈宽度。将施加激励的电流大小、相位带入上式可以计算得到x_m、x_n以及L。将所需的x_m、x_n、L的带入上述方程同样可以求解得到所需施加的电流激励大小及相位差。在满足长短轴位置(x_m、x_n)以及磁场幅度的L的前提下，原边绕组各线圈电流的相位差优选0或者π之一。所述原边线圈数量越多，磁场长短轴的移动范围越大。其中，当原边绕组由更多线圈构成时，其磁场长短轴与激励电流关系可由两线圈公式推广得到。

所述原边磁芯和副边磁芯均可选用硅钢片、铁氧体、非晶、微晶、超微晶、坡莫合金、或粉芯等导磁材料制成；或者空气、陶瓷、环氧或塑料等非导磁材料制成；或者由一种或多种导磁材料和/或一种或多种非导磁材料组合来实现。

所述原边绕组、副边绕组的导线均可选用实心导线、Litz线、铜皮、铜管，或PCB绕组。

所述原边和/或副边外侧设有磁屏蔽层，该磁屏蔽层采用屏蔽板、箔、膜、或由屏蔽材料编织而成的屏蔽网或屏蔽布制成；

所述磁屏蔽层的材料采用磁性材料粉芯、磁薄膜、铁氧体、非晶、微晶、超微晶、或坡莫合金制成；或者采用导电不导磁的金属材料铜、银、铝、或铅制成；

所述原边磁芯外侧磁屏蔽层采用磁性材料粉芯、磁薄膜、铁氧体、非晶、微晶、超微晶、或坡莫合金的作屏蔽时，原边屏蔽部分与原边磁芯不相连。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1、本发明中原边绕组各线圈可单独施加幅值、频率、相位可控的激励，通过柔性行波激励方法，磁场定向调控实现了对空间磁场的自适应控制，从而可以适应副边不同的绕组结构(盘式或DD绕组),提高了系统的兼容性、互操作性。

2、本发明所提“柔性行波磁场定向调控”方案，解决了副边绕组在某些位置条件下磁通互相抵消，副边输出电压为零的“感应盲点”问题。

3、本发明中原边激励控制器，可实现“柔性行波磁场定向调控”，将空间磁场长轴或短轴定向副边绕组的中心，降低了非接触电能传输系统功率以及效率对位置变化的敏感度，实现了最优控制。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明柔性行波磁场定向调控非接触电能传输装置示意图；

图2为现有DD绕组结构示意图；

图3为现有盘式绕组结构示意图；

图4为现有DD绕组耦合情况示意图；

图5为现有DD绕组错位时“感应盲点”问题；

图6为现有盘式绕组耦合情况示意图；

图7为本发明控制流程图；

图8为本发明磁场长轴位置x_m、短轴位置x_n示意图；

图9为本发明遍历搜索寻优流程图；

图10为本发明特定激励变化轨迹搜索寻优流程图；

图11为本发明第一实施例整体结构示意图；

图12为本发明第一实施例绕组结构及位置示意图；

图13为本发明第一实施例控制流程图；

图14为本发明第二实施例绕组结构及位置示意图；

图15为本发明第七实施例原边绕组结构示意图；

图16为本发明测试实例一特定激励变化轨迹搜索寻优仿真效果图(盘式绕组)；

图17为本发明测试实例一柔性行波磁场定向调控仿真效果图(盘式绕组)；

图18为本发明测试实例二特定激励变化轨迹搜索寻优仿真效果图(DD绕组)；

图19为本发明测试实例二柔性行波磁场定向调控仿真效果图(DD绕组)；

图20为本发明测试实例三的绕组结构及位置示意图；

图21为本发明测试实例三特定激励变化轨迹搜索寻优仿真效果图(DD绕组)；

图22为本发明测试实例三柔性行波磁场定向调控仿真效果图(DD绕组)；

图中，101表示原边功率变换单元(包含逆变器、补偿网络)，102(包含原边绕组单元102A、102B、102C、102D、102E、102F)为原边绕组，103表示原边磁芯，104为原边控制器；201为副边绕组，202为副边磁芯；301为气隙。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例一：

图11-图12为本发明实施例一的示意图。

如图11所示，该装置由原边功率变换单元101(包含逆变器和LCL补偿网络)，原边绕组单元102A(包含两个空间位置不同的线圈102A1、102A2)，原边磁芯103，原边控制器104，副边绕组201，副边磁芯202。原副边之间有气隙301。

如图12所示，原边线圈102A1、102A2沿x方向直线布置，互相重叠50％；两线圈x方向宽度即横向宽度为a。线圈内激励电流的大小及相位可由控制器通过原边功率变换单元自由、灵活的调节，与负载大小以及耦合状况无关。副边绕组为盘式绕组，其中心位置设为x_s。

采用基于最大功率传输的激励遍历寻优方法，具体实施步骤如下：

(1)保证副边负载不变，改变原边绕组内施加预激励的电流幅值、相位关系。控制器采样、处理得到不同激励下的输出功率，以最大输出功率作为指标来选取激励参数；

其中，步骤(1)中：对预激励绕组所施加的变激励，可采用“固定绕组电流幅值改变电流相位”或“固定绕组电流相位改变电流幅值”的搜索方法,也可采用同时改变电流幅值、相位的方法。

本例采用同时改变电流幅值和相位的激励搜索方法。绕组单元102A中仅仅包含两个线圈，故激励选择方法只需固定I₁的电流大小为1A，改变I₂的电流大小(0～1A)及相位(0～2π)，以其中最大输出功率时的激励大小比例及相位关系，作为步骤(2)中的激励电流关系。

当原边绕组的数量更多时，基于最大功率输出目标的激励搜索的控制流程图如图13所示。类似的，本步骤中对电流幅值、相位的搜索可以采用变冒泡、二分法等最优搜索方法。

(2)根据步骤(1)中得到的激励电流参数，保证施加电流比例及相位关系不变，根据输出误差反馈信号，闭环调节激励电流的幅值大小、频率、相位等满足输出电压、输出电流或输出功率的要求。

实施例二：

本实施例的装置构成与实施例一相同，由原边功率变换单元101(包含逆变器和补偿网络)，原边绕组单元102A(包含两个空间位置不同的线圈102A1、102A2)，原边磁芯103，原边控制器104，副边绕组201，副边磁芯202。原副边之间有气隙301。副边绕组为盘式绕组，其中心位置设为x_s。

本例采用基于柔性行波磁场定向调控的的控制方法，具体实施步骤如下：

(1)以原边绕组为参考，给出副边绕组的中心位置x_s，此处设在[a/2,a]内；其中，a为线圈宽度，以线圈最左侧为坐标原点；副边绕组的位置中心可由摄像头、GPS、行波测距、毫米波测距、RFID测距、超声波测距等方法得到。

(2)采用基于磁场定向调控的控制方法来快速给定电流激励关系,将磁场长(短)轴定向至盘式(DD)绕组的中心：若副边为盘式绕组，则以副边绕组的中心位置x_s作为长轴位置x_m来选取激励参数；若副边为DD绕组，则短轴位置x_n取副边绕组中心位置x_s。

下表为通过仿真得到的离线表。本例副边为盘式绕组，故实施长轴定向调控，不同长轴(x_m)位置与实际激励电流的关系可通过查下表一、插值得到。

表一

(3)根据步骤(2)中得到的激励电流参数，保证施加电流比例及相位关系不变，改变激励电流的幅值大小、频率、相位等满足输出电压、输出电流或输出功率的要求。

实施例三：

本实施例的装置构成与实施例一相同，由原边功率变换单元101(包含逆变器和补偿网络)，原边绕组单元102A(包含两个空间位置不同的线圈102A1、102A2)，原边磁芯103，原边控制器104，副边绕组201，副边磁芯202。原副边之间有气隙301。副边绕组为盘式绕组，其中心位置设为x_s。

不同于上例，本例副边线圈的中心位置x_s未知，本例采用特定激励变化轨迹寻优-柔性行波遍历的方法，具体实施步骤如下：

(1)对原边绕组施加激励构成行波磁场，根据激励的电流大小及相位关系可实时计算或查表得到相应的长轴位置x_m、短轴位置x_n、磁场幅度为L，控制器检测、存储每组预激励下输出功率、效率或输出电压之一，统称为Q，形成(x_m,x_n,Q/L²)数据；

本例中，激励的电流的大小及相位关系与长轴位置x_m、短轴位置x_n、磁场幅度L的具体关系可根据麦克斯韦方程组、毕奥萨伐尔定律计算得到。最终化简后的表达式如下：

当

或：

当

其中I₁、I₂为两个线圈的电流大小，为I₂相对于I₁相位差，a为线圈宽度。将施加激励的电流大小、相位带入上式可以计算得到x_m、x_n以及L。

变化激励，对Q/L²的最大值进行搜索，控制器存储最大Q/L²值所对应激励作为步骤(2)中的激励参数。

(2)根据步骤(1)中得到的激励电流参数，保证施加电流比例及相位不变，根据副边输出反馈信号(输出电压、输出电流或输出功率之一)，闭环调节原边激励电流幅值的大小：若反馈信号偏小则提高原边激励电流，偏大则减小输出电流，使输出满足稳压、稳流或稳功率的目标之一。

实施例四：

图14为本发明实施例四绕组结构及相对位置示意图。

与实施例一类似，本装置由原边功率变换单元101(包含逆变器和补偿网络)，原边绕组单元102A(包含两个线圈102A1、102A2)，原边磁芯103，原边控制器104，副边绕组201，副边磁芯202。原副边之间有气隙301。

如图14所述原边线圈102A1、102A2x方向宽度即横向宽度为a,所施加电流的大小及相位可由控制器自由、灵活的调节,与负载以及耦合大小无关。

不同之处实施例一,副边绕组为DD绕组,宽度为2b,其中心位置设为x_s。

采用基于最高效率传输的激励遍历寻优方法，具体实施步骤如下：

(1)保证副边负载不变，改变原边绕组内施加预激励的电流幅值、相位，控制器采样、处理得到不同激励下的效率。本例采用同时改变电流幅值和相位的激励搜索方法。绕组单元102A中仅仅包含两个线圈，故激励选择方法只需固定I₁的电流大小为1A，改变I₂的电流大小(0～1A)及相位(0～2π)，以其中最大输出功率时的激励大小比例及相位关系，作为步骤(2)中的激励电流关系。

当原边绕组的数量更多时，基于最大功率输出目标的激励搜索的控制流程图与图13类似，只是优化目标改为最高效率。类似的，本步骤中对电流幅值、相位的搜索可以采用变冒泡、二分法等最优搜索方法。

(2)根据步骤(1)中得到的激励电流参数，保证施加电流比例及相位关系不变，根据输出误差反馈信号，闭环调节激励电流的幅值大小、频率、相位等满足输出电压、输出电流或输出功率的要求。

实施例五：

本发明实施例四绕组结构及相对位置示意图同图14。

本实施例装置由原边功率变换单元101(包含逆变器和补偿网络)，原边绕组单元102A(包含两个线圈102A1、102A2)，原边磁芯103，原边控制器104，副边绕组201，副边磁芯202。原副边之间有气隙301。副边绕组为DD绕组,其中心位置设为x_s。

本例采用柔性行波磁场定向调控的的控制方法，具体实施步骤如下：

(1)以原边绕组为参考，给出副边绕组的中心位置x_s，此处设在[a/2,a]内；其中，a为线圈宽度，以线圈最左侧为坐标原点；副边绕组的位置中心可由摄像头、GPS、行波测距、毫米波测距、RFID测距、超声波测距等方法得到。

(2)采用基于磁场定向调控的控制方法来快速给定电流激励关系,将磁场长(短)轴定向至盘式(DD)绕组的中心：若副边为盘式绕组，则以副边绕组的中心位置x_s作为长轴位置x_m来选取激励参数；若副边为DD绕组，则短轴位置x_n取副边绕组中心位置x_s。

下表为通过仿真得到的离线表。本例副边为DD绕组，故实施短轴定向调控，不同短轴(x_n)位置与实际激励电流的关系可通过查表、插值得到。

表二

(3)根据步骤(2)中得到的激励电流参数，保证施加电流比例及相位关系不变，根据输出误差反馈信号，闭环调节激励电流的幅值大小、频率、相位等满足输出电压、输出电流或输出功率的要求。

实施例六：

本发明实施例四绕组结构及相对位置示意图同图14。

本实施例装置由原边功率变换单元101(包含逆变器和补偿网络)，原边绕组单元102A(包含两个线圈102A1、102A2)，原边磁芯103，原边控制器104，副边绕组201，副边磁芯202。原副边之间有气隙301。副边绕组为DD绕组,其中心位置设为x_s。

不同于上例，本例副边线圈的中心位置x_s未知,因此本例采用特定激励变化轨迹-柔性行波遍历的方法，具体实施步骤如下：

(1)对原边绕组施加激励构成行波磁场，根据激励的电流大小及相位关系可实时计算或查表得到相应的长轴位置x_m、短轴位置x_n、磁场幅度为L，控制器检测、存储每组预激励下输出功率、效率或输出电压之一，统称为Q，形成(x_m,x_n,Q/L²)数据；

本例中，激励的电流的大小及相位关系与长轴位置x_m、短轴位置x_n、磁场幅度L的具体关系可根据麦克斯韦方程组、毕奥萨伐尔定律计算得到。最终的表达式如下：

当

或：

当

其中I₁、I₂为两个线圈的电流大小，为I₂相对于I₁相位差，a为线圈宽度。

将施加激励的电流大小、相位带入上式可以计算得到x_m、x_n以及L。

变化激励，对Q/L²的最大值进行搜索，控制器存储最大Q/L²值所对应激励作为步骤(2)中的激励参数。

(2)根据步骤(1)中得到的激励电流参数，保证施加电流比例及相位不变，根据副边输出反馈信号(输出电压、输出电流或输出功率之一)调节原边激励电流值的大小：若反馈信号偏小则提高原边激励电流，偏大则减小输出电流，使输出满足稳压、稳流或稳功率的目标之一。

实施例七：

图15给出了本实施例原边绕组分布示意图；102A、102B、102C、102D、102E、102F为多个原边绕组单元通过平移、旋转构成原边绕组的示意图。非接触电能传输装置的其余部分，包括：原边功率变换单元101(包含逆变器和补偿网络)，原边磁芯103，原边控制器104，副边绕组201，副边磁芯202。原副边之间有气隙301。本实施例控制方法，同上述实施例类似，此处不再赘述。

测试实例一：

本测试电路参照实施例一中所示电路，进行柔性行波磁场定向调控的仿真验证。非接触变压器的原边绕组、副边绕组均采用Lize线绕制，原边基本线圈单元内每个线圈的尺寸为：15cm*6cm,7匝，分布绕制；原副边磁芯采用铁氧体；原边控制器输出PWM波信号，对电流检测模块的输出信号进行采样、存储；原边功率变换单元为“全桥逆变+LCL型谐振补偿电路+电流检测模块”，功率变换单元的输出电流(即为与其相联的原边线圈的输入电流)的频率、大小、相位取决于控制器的输入PWM波占空比的频率、大小、相位；副边功率变换单元同样为谐振补偿网络，输出一个副边感应到的磁感应强度有效值大小成正比的电压，作为Q。

由于原边绕组只有两个线圈，此时“柔性行波磁场”长轴移动范围为7.5～15cm，若增加原边线圈数量，可以扩大柔性行波磁场调控区域。

根据(1)式离线计算得到恒定磁场幅度L激励下的不同长轴位置、短轴位置与其对应所需施加激励电流大小和相位如表一,此处不再赘述。

本测试例副边绕组为盘式绕组，尺寸为5*5cm，共14匝；负载电阻R_L固定，为5欧姆。

控制方法与实施例三类似，图16给出了本发明测试实例一特定激励变化轨迹-柔性行波遍历测试效果图(盘式绕组)；不难看出，无论副边位置如何变化(在长轴移动范围内)，通过柔性行波磁场激励遍历，副边绕组总能在某激励条件下取得输出电压(输出功率)极大值，从而副边在位置变动时无功率输出问题(即感应盲点)得以解决。

图17给出了柔性行波磁场定向调控的实施效果仿真图。控制方法与实施例二类似，采用本发明所提方法，通过调节原边绕组的激励电流，输出电压随位置变化在开环条件下的脉动已经很小，输出功率随位置变化敏感度大为降低，提升非接触电能传输系统的实用性。

测试实例二：

本测试电路参照实施例四中所示电路，进行柔性行波磁场激励遍历与定向调控的验证。基本电路拓扑与上例类似，差别在于此例副边绕组为DD绕组，其尺寸为(2*(5*5cm),14匝)。

由于本例副边为DD结构，因此此时柔性行波磁场激励的控制焦点为磁场短轴位置。因为本例原边绕组依然只有两个线圈，故“柔性行波磁场”短轴移动范围同样为7.5～15cm；若增加原边线圈数量，可以扩大柔性行波磁场调控区域。

根据(1)式离线计算得到恒定磁场幅度L激励下的不同长轴位置、短轴位置与其对应所需施加激励大小和相位如表二,此处不再赘述。

图18给出了本发明测试实例二特定激励变化轨迹-柔性行波激励遍历”仿真效果图(DD绕组)；不难看出，无论副边中心位置如何变化(在长轴移动范围内)，通过柔性行波磁场激励遍历，副边绕组总能在某激励条件下取得输出电压(输出功率)极大值，从而DD副边在位置变动时无功率输出问题(即感应盲点)得以解决。

图19给出的柔性行波磁场定向调控的实施效果仿真图同样证明了该非接触电能传输系统无感应盲点问题，并且在开环、横向位置变化75％的条件下，依然有50％的功率输出能力，提升非接触电能传输系统的实用性。

通过“输出误差反馈+闭环控制”可以实现稳压或稳流或稳功率输出。

测试例三：

图20给出了本测试例原副边绕组结构及相对位置示意图原边。电路与上例类似，副边为DD结构，尺寸为(5*(5+5)cm)原边基本线圈单元内每个线圈的尺寸为：15cm*6cm,7匝，分布绕制。

不同于测试例二，为了使得本发明磁场定向调控控制效果更为明显，原边绕组单元由三个线圈构成，沿直线布置，相邻两线圈重叠50％。此时“柔性行波磁场”长(短)轴的移动范围为7.5～22.5cm。若原边线圈的数量继续增加，柔性行波磁场调控区域也将同步增加。

图21给出了本发明测试实例三“柔性行波激励遍历”仿真效果图(DD绕组)。不难看出，通过柔性行波磁场激励遍历，副边绕组总能在某激励条件下实现磁场定向，即将磁场短轴定向副边线圈中心，从而取得副边输出电压极大值(Q/L²)。相比预测试实例二，本例磁场可控范围扩大，并且除去边缘外，不同位置处输出电压极大值基本相同，对位置变化的敏感度极大降低。

图22给出了最终的柔性行波磁场定向调控的实施效果仿真图，证明了该非接触电能传输系统无感应盲点问题，并且在开环、横向位置变化50％的条件下，输出功率几乎不变，在开环、横向位置变化100％的范围内，输出功率只下降了不到15％。

以上所述，仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于柔性行波磁场定向调控的非接触电能传输装置，装置包括原边功率变换单元、原边绕组、原边磁芯、原边控制器、副边绕组、副边磁芯、副边功率变换单元以及负载；

其特征在于：原边绕组包括一个或多个绕组单元，每个绕组单元至少包含两个空间位置不同的独立线圈，且至少有两个线圈的激励电流大小以及相位可由原边控制器通过原边功率变换单元独立调节，来构造形成磁场幅度和波峰、波谷位置连续受控可调的柔性行波磁场；原边功率变换单元包含逆变器和补偿网络为线圈提供激励；原边控制器通过功率变化单元来对原边绕组施加可变的柔性行波激励，使强磁场分布区域自动追踪副边位置，实现磁场定向调控。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述原边绕组由多个绕组单元通过平移、旋转或它们的组合方式构成得到。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括原副边电压和/或电流和/或功率检测或估算电路；原副边通过蓝牙、WIFI、ZigBee、磁反馈、射频或红外进行无线通信。

4.一种基于权利要求1所述非接触电能传输装置的柔性行波激励方法，其具体步骤如下：

S100：判断是否具备副边位置信息，若有，则执行S102,否则执行S103；

S102:实施磁场定向调控；

A.给出副边绕组的中心轴线的位置坐标x_s。其中，副边绕组的位置坐标x_s可由摄像头、GPS、行波测距、毫米波测距、RFID测距或超声波测距得到；

B.根据步骤A中给出的位置坐标x_s，确定原边绕组空间磁场的关键特征参数，包括长轴位置x_m、短轴位置x_n、磁场幅度L：若副边为DD绕组，则短轴位置x_n取x_s；若副边为盘式绕组，则长轴位置x_m取x_s；磁场幅度L取大于0的任一值；

C.根据长轴位置x_m或短轴位置x_n参数确定原边绕组各线圈电流所施加电流的幅值及相位关系：I₁＝I₁*；I₂＝I₂*；其中，长轴x_m、短轴x_n位置与原边绕组各线圈所激励电流的关系由控制器实时计算或查表插值得到，然后执行S109；

S103：以原边任一点设为原边位置参考点；

S104：固定副边负载；其中负载可为副边长期接入的死负载，或为仅在预激励过程中接入的固定死负载，或为副边实际负载；

S105：选择激励搜索方法来确定原边绕组所施加激励的参数，若选择遍历寻优，则执行S106；若选择特定激励变化轨迹，则执行S107；若选择最优寻优方法，则执行S108；

S106：A.固定原边各线圈的激励电流幅值为一固定值，以原边某一线圈激励电流为相位参考，首先对相位在[0,2π]之间遍历；表示原边线圈2相对与原边线圈1的激励电流的相位关系；控制器记录、存储不同下的副边输出响应，以最大副边输出功率或最大效率为目标找到对应的最优相位关系：

B.固定上一步骤中得到最优相位关系：类似的，控制器对 依次遍历，找到并存储满足上述目标的相位

C.遍历完成后，存储下满足上述目标的对应的激励条件：I₁＝I₁*；I₂＝I₂*；然后执行S109；

S107：A.改变原边绕组内各线圈的激励电流，由控制器实时计算或查表得到每组激励条件所对应的磁场特征x_m、x_n、L,调整原边各线圈的激励电流使得对x_m和/或x_n以一固定间隔在磁场长轴x_m和/或短轴x_n位置区间内依次遍历；

B.检测并存储每组激励条件下原边总输入功率或副边输出功率，统称为Q，形成(x_m,x_n，Q/L²)数据表；

C.以最大Q/L²为优化目标搜索找到其相应的激励关系：I₁＝I₁*；I₂＝I₂*；然后执行S109；

S108：A.以冒泡搜索或二分最优搜索方法改变原边绕组内各线圈的激励电流；B.存储各组激励下原边各绕组电流的大小和相位关系，比较各组激励条件下的输出响应；C.比较得到满足上述优化条件所对应的激励条件：I₁＝I₁*；I₂＝I₂*；然后执行S109；

S109:保证原边绕组内各线圈所施加电流的幅值比例及相位关系不变，采用基于副边输出误差反馈的闭环调节方法，改变原边激励电流的幅值大小、频率之一或两者组合使得副边输出电压、输出电流或输出功率满足要求。

5.根据权利要求4所述的柔性行波激励方法,其特征在于，步骤S102C、S107中的长轴位置x_m、短轴位置x_n、磁场幅度L与原边绕组各线圈电流的激励关系，根据麦克斯韦方程组、毕奥萨伐尔定律实时计算得到，或者离线计算生成离线表，或由Ansys、Comsol等电磁场仿真软件通过仿真得到离线表。控制器通过查上述离线表得到不同x_m、x_n下的原边各线圈施加电流的幅值大小比例及相位关系；控制器由原边各线圈施加电流的幅值大小比例及相位关系，通过查上述离线表可查得该激励条件下对应的长轴位置x_m、短轴位置x_n、磁场幅度L。

6.根据权利要求4所述的柔性行波激励方法，其特征在于，步骤S106中变化原边绕组各线圈激励参数，采用固定各线圈激励电流幅值I，对相位在[0,2π]的范围内依次遍历；或采用固定各线圈电流相位 为[0,2π]任一相位，对原边各线圈的电流I₁、I₂、I₃…幅值在[0,2A]以0.01A～0.5A内任一间隔进行依次遍历。

7.根据权利要求4或5所述的柔性行波激励方法，其特征在于，若原边预激励绕组单元由沿直线布置、重叠50％的两个独立线圈组成的原边预激励绕组单元构成，长轴位置x_m、短轴位置x_n(相对于原边线圈最左侧点为坐标原点)以及磁场幅度L与所需施加激励关系如下式所示：

当或：

当

其中I₁、I₂为两个线圈的电流大小，为I₂相对于I₁相位差，a为原边线圈宽度，长、短轴位置以原边绕组线圈最左侧为原点；将施加激励的电流大小、相位带入上式可以计算得到x_m、x_n以及L；将所需的x_m、x_n、L的带入上述方程同样可以求解得到所需施加的电流激励大小及相位差。

8.根据权利要求书4、5或7任一所述的柔性行波激励方法，其特征在于，在满足长、短轴位置(x_m、x_n)以及磁场幅度L的前提下，原边绕组各线圈电流的相位差优选0或者π。