CN109383315A - 对多发射端/单接收端无线充电系统的互感估计方法 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种多发射端/单接收端无线充电系统的互感估计方法。多个独立设置的发射线圈上的开关断开发射线圈，再将接受线圈与耦合驱动支路连通从而产生电磁场，使系统计入互感估计状态，无电流；发射线圈在电磁场中产生感应电动势，测得每个发射线圈的电动势；通过基尔霍夫电学理论对两线圈中的求解，即可得到每个发射线圈与接收线圈的互感；然后将接收线圈与负载回路连接，再闭合发射线圈开关，使系统进入电能传输状态。本发明由于发射线圈处于断开状态，只有感应电动势，而无电流，避免了过载的风险。该方法的优势是快速、准确并且安全的对收/发线圈之间的互感做出估计，使得多发射端/单接收端无线充电系统对电动车的高效充电成为了可能。

Description

对多发射端/单接收端无线充电系统的互感估计方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种可用于对静止中的纯电动汽车进行无线充电的互感估计法。
背景技术
现有的纯电动汽车无线充电技术中，通常单个发射线圈固定安装在地面停车位上，电动汽车必须准确停在规定位置，使电动汽车底盘上的接收线圈与地面的发射线圈处于正对位置后才能进行充电。然而这种一对一的无线充电系统对线圈间的相对位置非常敏感。当两线圈未同轴正对时，传输功率以及传输效率都将大打折扣。
因此越来越多的无线系统开始使用多发射线圈来为接收线圈供电。多个线圈的加入使得传输的感应面积大大增加，但同时使收/发线圈之间的情况耦合变得复杂。为了使所有发射线圈发出的电磁波在在接收线圈上能正向叠加增强，那么必须先要计算出每个发射线圈与接收线圈之间的互感，然后再用计算得出的互感值计算出每个发射线圈的最优驱动电压幅值相位。主流的互感估计方式有两种：一是使用经验公式进行计算，但这种计算方法由于涉及的参数有限，实际应用时的误差很大；或者通过复杂的检测与通信系统，将发射线圈以及接受线圈中的所有电信息收集起来，再进行计算。这种计算虽然更精确，但是使得无线传输系统的结构变得更加复杂，增加了故障率，也不利于小型化。
同时，传统的无线充电方式都是利用发射线圈通电产生电磁波，再对接收线圈进行耦合，最后通过耦合的关系计算出互感。然而，发射线圈的内阻很小，在收/发线圈间欠耦合时，即使加载很小的电压也有可能产生很大的电流，造成发射线圈过载，产生安全隐患。在汽车无线充电中，当汽车远离充电位置时，发射线圈处于空载状态，收/发线圈此时处于零耦合状态，此时如果盲目加入发射线圈驱动电压，就会产生过载电流，烧坏电路，引起安全事故。
发明内容
1、发明目的
为了克服现有技术中，为对发射线圈的驱动电压进行优化配置，容易烧坏电路的问题，公开了一种多发射端/单接收端无线充电系统以及相应的互感估计法。
2、本发明所采用的技术方案
本发明先发射线圈上的开关断开发射线圈，再将接受线圈与耦合驱动支路连通从而产生电磁场，使系统计入互感估计状态。发射线圈在电磁场中产生感应电动势，同时该电动势的大小被电压/电流检测探针所获得。由于发射线圈断开，此时发射线圈中没有电流。通过基尔霍夫电学理论对两线圈中的电学信息进行联立求解，即可得到每个发射线圈与接收线圈的互感。然后将接收线圈与负载回路连接，再闭合发射线圈开关，使系统进入电能传输状态。
具体包括以下步骤：
步骤1、发射线圈由n个线圈组成。每一个发射线圈都有一个独立的交流电压源Vi进行供电，每个电压源都可以产生任意幅值和相位的交流电。每个发射线圈上装有一个单刀开关，用于连接或者断开发射线圈谐振回路；同时，每个发射线圈上都装有电压/电流检测探头，用于实时监控每个发射线圈上的电压/电流的值。
步骤2、接收线圈上装有一个单刀双掷开关并两支路相连。开关的一端接在负载支路，负载支路中包含用电的负载RL；开关的另一端接在耦合驱动支路上，耦合驱动支路由一个交流电压源VE与限流电阻RE组成。
步骤3、先将所有发射线圈上的开关断开，使得发射线圈开路。再将接收线圈上的单刀双掷开关与耦合驱动支路连接。此时驱动支路中的交流电压源与限流电阻接入电路。此时系统处于互感估计状态。
步骤4、接收线圈接通后，在交流电压源的驱动下，电路中将产生交变电流，交变电流通过电感与电容组成的谐振体后形成交变的电磁场。处在交变电磁场中的发射线圈在电磁感应的作用下将产生感应电动势。但由于发射线圈的开关处于断开状态，所以发射线圈中没有电流，只有感应电动势(V′i)。
步骤5、此时，所有发射线圈以及接收线圈的电学关系可以通过基尔霍夫理论列出，
每个发射线圈与接收线圈间的互感Mi可由上述方程组得出:
V′i为每个发射线圈的感应电动势，VE为接收线圈中的交流电压源，RE为接收线圈中的限流电；V′i,为测得的每个发射线圈的感应电动势,1≤i≤n。
步骤6、当测得当前状态下的互感后，先将接收线圈开关与负载支路接通，再闭合所有发射线圈开关。此时系统处于电能传输状态，便可利用求得的互感对每个发射线圈的驱动电压的幅值、相位进行配置，达到最大无线充电的目的。
3、与现有技术相比，本发明有四大优势：
(1)本发明不使用经验公式以及任何附加的电子设备来估计互感，不仅估计过程简单可靠，可以在任何工作环境下一次估计出所有发射线圈与接收线圈间的互感值，而且得到的互感值准确性高。
(2)本发明采用接收线圈发射电磁波，使得发射线圈中只有感应电动势而没有感应电流，避免了发射线圈电流超载的风险。
(3)本发明由于发射线圈上电流为零，所以发射线圈之间不会产生电磁耦合干扰。使得发射线圈与接收线圈之间互感的估计更加简便、准确。
(4)本发明的发射线圈在受到来自接收线圈的电磁感应而启动之前，始终处于断开状态；只有在接收线圈需要充电时才会启动，达到节约能源的效果，而传统的无线充电中，无论耦合与否，发射线圈始终处于工作状态，因此造成了能量的浪费。
附图说明
图1为多发射线圈/单接收线圈无线充电的电路示意图；
图2为操作流程图；
图3为在互感估计状态下，发射线圈上与接收线圈上电压的幅值；
图4为在互感估计状态下，发射线圈上与接收线圈上电流的幅值。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。参照图1，本发明公开的多发射端/单接收端无线充电系统以及相应的互感估计法的具体实施方式如下：
步骤1、如图1所示，发射线圈由5个线圈组成。每一个发射线圈都有一个独立的交流电压源(Vi)进行供电，可以产生任意幅值和相位的交流电。发射线圈中电感(Li)和电容(Ci)组成谐振体，谐振角频率为(ω)。线圈的分布电阻由(Ri)表示。每个发射线圈上装有一个单刀开关(Si)，用于连接或者断开发射线圈谐振回路；同时，每个发射线圈上都装有电压/电流检测探头，用于实时监控每个发射线圈上的电压/电流的值。发射线圈与接收线圈之间的互感记为(Mi)。
步骤2、接收线圈上装有一个单刀双掷开关(SR)与两支路相连。开关的一端(触点1)接在负载支路，负载支路中包含用电的负载(RL)；开关的另一端(触点2)接在耦合驱动支路上，耦合驱动支路由一个交流电压源(VE)与限流电阻(RE)组成。为了与发射线圈产生谐振耦合，接收线圈中电感(LR)和电容(CR)组成谐振体，谐振角频率同样为(ω)。
步骤3、先将所有发射线圈上的开关(Si)断开，使得发射线圈开路。再将接收线圈上的单刀双掷开关(SR)拨到触点2与耦合驱动支路连接。此时耦合驱动支路中的交流电压源(VE)与限流电阻(RE)接入电路。系统处于互感估计状态。
步骤4、接收线圈导通后，在交流电压源(VE)的驱动下，接收电路中将产生交变电流(IE)，交变电流通过电感器(LR)与电容器(CR)组成的谐振体后在空间中激发出交变电磁场。处在交变电磁场中的发射线圈在电磁感应的作用下将产生感应电动势(V′i)。但由于发射线圈的开关(Si)处于断开状态，所以发射线圈中没有电流(Ii＝0)，只有感应电动势(V′i)。
步骤5、此时，所有发射线圈以及接收线圈的电学关系可以通过基尔霍夫理论列出：
由于接收线圈中的交流电压源(VE)与限流电阻(RE)预设值，因此电流(IE)可以求得，每个发射线圈的感应电动势(V′i)可以由电压/电流检测探头测得。因此每个发射线圈与接收线圈间的互感(Mi)可由上述方程组得出：
步骤6、当测得当前状态下的互感后，先将接收线圈开关(SR)拨到触点1与负载支路接通，再闭合所有发射线圈开关(Si)。此时系统处于电能传输状态，便可利用求得的互感对每个发射线圈的驱动电压的幅值、相位进行配置，达到最大功率和最大效率无线充电的目的。
本实施例图2给出了该互感估计算法的操作流程图。如图2所示，先断开发射线圈开关(Si)后，再将接收线圈开关(SR)与触点2相连。这样做的目的是保证接收线圈产生电磁波时，发射线圈上产生过大的感应电流，保护发射电路。互感估计完成后，要先将接收线圈开关(SR)拨到触点1与负载支路接通，再闭合所有发射线圈开关(Si)，目的是使得发射线圈与电源接通时，接收线圈处于充电准备状态。
图3为互感估计时，不同的5发射线圈上感应电压的幅值。由于每个发射线圈与接收线圈间的互感各不相同，因此每个线圈的感应电压幅值也不相同，两个参数之间产生一一对应的数学关系，如式(1)所示。
图4为互感估计时，发射线圈上电流的幅值波形图。可以看出发射线圈电流大小为1*10-9A，几乎为零。印证了该方法在估计互感的同时，保护了发射线圈不会出现电流过载而引起的安全问题。与此同时，接收线圈上的电流大小，在合适的交流电压源(VE)与限流电阻(RE)的共同控制下，也处于安全可控的状态。
通过对比证明，该方法可以快速、准确地对多发射端/单接收端无线充电系统的互感进行估计，同时避免了发射线圈过载产生的安全风险。

Claims (4)

1.一种对多发射端/单接收端无线充电系统的互感估计方法，其特征在于:多个独立设置的发射线圈上的开关断开发射线圈，再将接受线圈与耦合驱动支路连通从而产生电磁场，使系统计入互感估计状态，无电流；发射线圈在电磁场中产生感应电动势，测得每个发射线圈的电动势；通过基尔霍夫电学理论对两线圈中的求解，即可得到每个发射线圈与接收线圈的互感；然后将接收线圈与负载回路连接，再闭合发射线圈开关，使系统进入电能传输状态。
2.根据权利要求1所述的对多发射端/单接收端无线充电系统的互感估计法，其特征在于具体包括如下步骤：
步骤1、发射线圈由n个线圈组成，n≥1；每一个发射线圈都有一个独立的交流电压源进行供电，每个电压源幅值和相位的交流电独立；每个发射线圈上装有开关，用于连接或者断开发射线圈谐振回路；
步骤2、接收线圈上装有一个单刀双掷开关并两支路相连；开关的一端接在负载支路，负载支路中包含用电的负载；开关的另一端接在耦合驱动支路上，耦合驱动支路由一个交流电压源与限流电阻组成；
步骤3、先将所有发射线圈上的开关断开，使得发射线圈开路；再将接收线圈上的单刀双掷开关与耦合驱动支路连接；驱动支路中的交流电压源与限流电阻接入电路，系统处于互感估计状态；
步骤4、接收线圈接通后，在交流电压源的驱动下，电路中将产生交变电流，交变电流通过电感与电容组成的谐振体后形成交变的电磁场；处在交变电磁场中的发射线圈在电磁感应的作用下将产生感应电动势；但由于发射线圈的开关处于断开状态，所以发射线圈中没有电流，只有感应电动势V′i；
步骤5、此时，所有发射线圈以及接收线圈的电学关系可以通过基尔霍夫理论列出，每个发射线圈与接收线圈间的互感Mi可由上述方程组得出:
V′i为每个发射线圈的感应电动势，VE为接收线圈中的交流电压源，RE为接收线圈中的限流电；V′i为测得的每个发射线圈的感应电动势，1≤i≤n。
步骤6、当测得当前状态下的互感后，先将接收线圈开关与负载支路接通，再闭合所有发射线圈开关；此时系统处于电能传输状态，利用求得的互感对每个发射线圈的驱动电压的幅值、相位进行配置，达到最大无线充电。
3.根据权利要求2所述的对多发射端/单接收端无线充电系统的互感估计法，其特征在于：步骤5中，每个发射线圈上都装有电压/电流检测探头，用于实时监控每个发射线圈上的电压/电流的值，测得每个发射线圈的感应电动势V′i。
4.根据权利要求2所述的对多发射端/单接收端无线充电系统的互感估计法，其特征在于：所述的步骤2中，接收线圈中负载支路中的负载RL通常为电池组及其电池组的充电保护系统。
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