CN109895643A - 一种基于差分电感的在线式电动汽车无线充电定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于差分电感的在线式电动汽车无线充电定位系统，其根据放置于原边功率线圈上的至少三个差分电感线圈与副边功率线圈之间的耦合系数计算出副边功率线圈相对于原边功率线圈的位置；利用差分电感，屏蔽了原边功率线圈带来的干扰，仅保留与副边功率线圈之间的耦合电压；在原边侧增加少量硬件，车载的副边侧无需做任何改动的情况下，实现了电动汽车无线充电系统中的定位；充分利用原副边功率线圈，无需在原边侧增加专门的信号发射电路，在充电的情况下可以进行实时的位置检测。因此，本发明系统可以有效解决因功率线圈原副边之间相对距离过大导致的充电速度慢、效率低的问题。

Description

一种基于差分电感的在线式电动汽车无线充电定位系统

技术领域

本发明属于电动汽车无线充电技术领域，具体涉及一种基于差分电感的在线式电动汽车无线充电定位系统。

背景技术

随着能源危机和环境污染问题的不断加剧，电动汽车逐步替代传统能源汽车的趋势也愈加明显，然而很多因素限制了电动汽车的应用，例如电池体积大、价格高、续航时间短等。目前电动汽车普遍采用的插入式充电方式存在接触口老化易出现电火花；输电线缆长度和拖曳阻碍限制了移动设备的灵活性；传输设备在高温高压等恶劣环境下耐受性差，维护成本高等问题；电动汽车想要大规模推广，需要采用一种新的充电方式。

相比较于传统的插入式充电系统，非接触式电能传输系统无需物理线路的连接，可以克服传统充电方法带来的易受电击、易受环境影响等不足，实现电能绿色、高效、安全地传输。

目前实际应用的电动汽车无线充电技术主要为感应耦合型，即利用电磁感应原理，通过磁场在耦合线圈上产生的感应电动势来进行能量传导。一般原边功率线圈安装于地面发射功率，副边功率线圈安装于电动汽车底部，接收功率；原副边线圈之间在水平方向上偏移会导致无线能量传输系统效率的下降以及系统内电力电子器件电压电流应力的提高。因此，采用定位系统帮助司机将电动汽车停靠在正确的位置，即保证无线能量传输系统原副边线圈在水平方向上无偏移。

公开号为CN108233549A的中国专利提出了一种基于辅助线圈和车载功率线圈耦合实现定位功能的系统，该系统在原边增加了信号发射模块和多个发射线圈，在位于车辆上的副边增加了信号接收和处理装置，在原副边都增加了硬件设施，不便于推广，且不能够实现车辆位置的在线式检测。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种基于差分电感的在线式电动汽车无线充电定位系统，能够快速准确地给出副边功率线圈相对于原边功率线圈的位置，帮助电动汽车驾驶员将车停靠于最高充电效率的位置。

一种基于差分电感的在线式电动汽车无线充电定位系统，包括放置于地面的原边单元和车载的副边单元；所述原边单元包括原边功率线圈、至少三个以不同位置放置于原边功率线圈之上的差分电感线圈以及一个信号处理模块，所述差分电感线圈与信号处理模块通过磁接口耦合，所述副边单元包括副边功率线圈，所述副边功率线圈与差分电感线圈和原边功率线圈耦合；

所述原边功率线圈通电后产生固定频率和幅值的电流，并通过耦合引起副边功率线圈产生相同频率的感应电流，从而为电动汽车充电；

所述副边功率线圈通过耦合使得差分电感线圈上产生输出电压；

所述信号处理模块采集原边功率线圈上的电流幅值以及各差分电感线圈上的输出电压幅值，进而通过查表计算出副边单元(即电动汽车)的位置坐标。

进一步地，所述差分电感线圈由两个接收线圈l₁和l₂组成，接收线圈l₁和l₂的一同名端相互连接，接收线圈l₁和l₂的另一同名端通过磁接口耦合的形式连接至信号处理模块；在移除副边功率线圈的情况下，接收线圈l₁与原边功率线圈的互感为M_p1，接收线圈l₂与原边功率线圈的互感为M_p2，且M_p1＝M_p2使得原边功率线圈在接收线圈l₁和l₂上的感应电压相互抵消。

进一步地，所述差分电感线圈的输出电压U_so如下：

U_so＝I₂·jω(M_r1-M_r2)

其中：I₁为通电后原边功率线圈上的电流幅值，I₂为副边功率线圈上的感应电流幅值，ω为通电后原边功率线圈上的电流角频率，j为虚数单位，M为原边功率线圈与副边功率线圈之间的互感，M_r1和M_r2分别为接收线圈l₁和l₂与副边功率线圈之间的互感，R_Z和L_Z分别为副边功率线圈所连负载的阻抗和感抗。

进一步地，所述接收线圈l₁和l₂的另一同名端之间连接有谐振电容，该谐振电容的电容值C_r＝1/ω²L_s，L_s为差分接收线圈的等效电感且L_s＝L_s1+L_s2+2M_s12，L_s1和L_s2分别为接收线圈l₁和l₂的电感值，M_s12为接收线圈l₁与l₂的互感；能够提高差分电感线圈输出电压信号的幅度。

此时，所述差分电感线圈的输出电压U_sr如下：

其中：I₁为通电后原边功率线圈上的电流幅值，I₂为副边功率线圈上的感应电流幅值，ω为通电后原边功率线圈上的电流角频率，j为虚数单位，M为原边功率线圈与副边功率线圈之间的互感，M_r1和M_r2分别为接收线圈l₁和l₂与副边功率线圈之间的互感，R_Z和L_Z分别为副边功率线圈所连负载的阻抗和感抗，C_r为谐振电容的电容值，L_s为差分接收线圈的等效电感且L_s＝L_s1+L_s2+2M_s12，L_s1和L_s2分别为接收线圈l₁和l₂的电感值，M_s12为接收线圈l₁与l₂的互感，R_s为接收线圈l₁和l₂的电阻值总和。

进一步地，所述信号处理模块包括有信号调理电路以及MCU，信号调理电路用于对差分电感线圈的输出电压信号进行调理整形，MCU中存有关于差分电感线圈输出电压与副边单元位置坐标的关系表，MCU获取到原边功率线圈上的电流幅值以及各差分电感线圈上的输出电压幅值后根据该关系表通过插值计算，得到副边单元的位置坐标。

进一步地，所述差分电感线圈与信号处理模块之间的磁接口采用耦合电感或高频变压器实现。

本发明根据放置于原边功率线圈上的至少三个差分电感线圈与副边功率线圈之间的耦合系数计算出副边功率线圈相对于原边功率线圈的位置；利用差分电感，屏蔽了原边功率线圈带来的干扰，仅保留与副边功率线圈之间的耦合电压；在原边侧增加少量硬件，车载的副边侧无需做任何改动的情况下，实现了电动汽车无线充电系统中的定位；充分利用原副边功率线圈，无需在原边侧增加专门的信号发射电路，在充电的情况下可以进行实时的位置检测。因此，本发明可以有效解决因功率线圈原副边之间相对距离过大导致的充电速度慢、效率低的问题。

附图说明

图1为本发明差分电感线圈的结构示意图。

图2为本发明原副边功率线圈和单个差分电感线圈耦合的等效电路图。

图3为本发明定位系统的结构示意图。

图4为本发明定位系统的具体实施电路结构示意图。

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。

本发明基于差分电感的在线式电动汽车无线充电定位系统，包括放置于地面的原边单元和车载的副边单元，原边单元包括原边功率线圈、至少三个以不同位置放置于原边功率线圈之上的差分电感线圈以及一个信号处理模块，差分电感线圈均与信号处理模块通过磁接口耦合；副边单元包括副边功率线圈，副边功率线圈与差分电感线圈耦合；其中：

如图1所示，差分电感线圈由接收线圈101和接收线圈102构成一对差分接收线圈；移除被测的副边功率线圈后，设定原边功率线圈与线圈101之间的互感为M_p1，原边功率线圈与线圈102之间的互感为M_p2，则M_p1与M_p2相等；接收线圈101与接收线圈102的一个同名端相互连接，另一个同名端作为接收信号U_s连接到信号接收处理模块。

定位的具体测量过程为：(1)在原边功率线圈上输出固定频率和峰值的电流，通过磁耦合，引起副边功率线圈产生相同频率的感应电流，副边功率线圈对电动汽车进行充电，同时位于原边不同位置的差分电感与副边功率线圈通过磁耦合产生不同的输出电压；(2)测量原边所有差分电感输出的电压；(3)根据差分电感输出电压的幅值和原边功率线圈电流的幅值，可以由信号处理模块计算出副边功率线圈的坐标，进而确定电动汽车的定位。

具体地，当无线充电系统准备向电动汽车充电时，位于地面的原边功率线圈输入侧加一个恒定的较低幅值的交流电压，在原边线圈内产生幅值为I₁的交流电流。如图2所示，原边功率线圈的自电感为L₁，副边功率线圈的自电感为L₂，原边功率线圈与副边功率线圈之间的互感为M，通过原副边功率线圈之间的磁耦合，车载的副边功率线圈会感应出幅值为I₂的同频率的交流电流，副边功率线圈的交流电流向电动汽车充电。

原边功率线圈和副边功率线圈都和位于地面的差分电感线圈存在磁耦合，其等效电路如图2所示，其中L_s1、L_s2分别是差分电感的接收线圈101、102的自电感；M_p1、M_p2分别是移除副边功率线圈后接收线圈101、102与原边功率线圈之间的互感；M_r1、M_r2分别是接收线圈101、102与副边功率线圈之间的互感。在本方法中，要求M_p1＝M_p2，M_r1≠M_r2。接收线圈101、102的同名端相连后作为接收信号U_s输出到信号处理电路，由于原边功率线圈在差分接收线圈101、102上的感应电压相互抵消，因而不会影响副边功率线圈上的交流电流感应到差分接收线圈上的信号。记副边功率线圈的负载Z＝R_Z+jωL_Z，则差分接收线圈的开路输出电压U_so为：

U_so＝I₂·jω(M_r1-M_r2)

差分接收线圈的输出电压，本质上是由原边功率电流耦合到副边功率线圈，经由副边，耦合到各个差分线圈，因此输出电压幅度可能较小。为提高差分接收线圈输出信号的幅度，可以在信号输出端并联谐振电容C_r，使差分接收线圈的等效电感L_s与补偿电容的谐振点ω_r接近工作频率ω，即其中L_s＝L_s1+L_s2-2M_st2，M_st2为两个差分线圈间的互感。此时差分接收线圈的输出电压U_sr为：

在工作频率ω和并联谐振电容C_r均维持恒定的情况下，开路输出电压U_so和谐振后的输出电压U_sr是确定的映射关系，因此U_sr可以成比例的反映出开路输出电压U_so的幅值。

根据原边线圈侧的n个差分电感经谐振放大后的输出电压的幅值与原边功率线圈电流的幅值，通过查差分电感电压值-位置关系表，就可以得到副边线圈所处的位置坐标。

如图3所示，采用本发明的系统装置涉及4个部件：包括放置于地面的原边功率线圈、至少三个以不同位置放置于原边功率线圈之上的差分电感线圈、一个信号处理模块和车载的副边功率线圈；激励信号由原边功率线圈发出，与副边线圈耦合后，再由副边线圈与各个差分线圈耦合，根据在各个差分电感两端耦合出的电压幅值和激励信号的强度，就可以通过查表法确定副边相对于原边的具体位置，实现定位功能。

确定差分线圈在原边侧的安装数量和安装位置是本发明实施的关键，安装数量上，为了确定副边线圈相对于原边侧的空间三维坐标，至少要在原边线圈的不同位置放置三个差分电感线圈；安装位置上，要求组成一个差分线圈的两个接收线圈各自与原边线圈的互感量相等，从而通过同名端相连组成差分电感来抵消原边功率电流带来的影响。因此，差分电感的两个接收线圈可以采用两个相同的电感线圈，镜像放置于原边功率线圈的两侧，或者采用两个自感量不同的电感线圈，安装在原边线圈的一侧，通过调整位置来确保两个接收线圈各自与原边线圈的互感量相等。

图4给出了一种实现本发明方法的电路框图，系统由MCU控制，四个差分电感线圈位于原边功率线圈的四个顶点处，每个差分电感的两个接收线圈均位于原边功率线圈的两侧，呈镜像位置安装；差分电感输出电压经由谐振电容放大后通过磁耦合的方式接入信号处理电路，经过信号处理电路后由MCU进行AD采样，得到四路不同电感线圈的采样值；原边功率线圈通过电流互感器测量电流值，经过信号处理电路后，经过AD采样，送入MCU芯片中；MCU芯片将读取的差分线圈电压值与原边功率线圈电流值作比较后，根据MCU内部存储的四个差分线圈电压-副边线圈位置关系表，通过插值计算，得到当前副边线圈所在的位置，并将位置信号存储并输出。

差分线圈电压-副边线圈位置关系表是在定位系统投入使用之前，在实验阶段构建并存储在MCU中的。以原边线圈的位置为基准，建立起描述副边线圈所处位置的空间直角坐标系，在三个坐标轴上分别以每一个单位长度为长度间隔，作垂直与坐标轴的一系列平面，形成密集的三维空间网格，空间网格的每个交点的位置坐标是已知的；将副边线圈的中心点固定在空间网格的某一个交点位置，原边功率线圈输入固定的原边电流，测量此时四个差分电感的输出电压并记录；遍历空间网格的所有位置，将三维空间网格每一个交点处的四个差分电感值测量并记录，即构建起了差分线圈电压-副边线圈位置关系表，关系表是在固定原边电流为I₁的情况下测量得到的，表中的每一行有7个元素，分别为三维空间的三个坐标值和对应该坐标点的四个差分电感的输出电压值。

在实际使用定位系统时，MCU得到原边功率线圈的电流值和四个差分电感的电压值，将电压值分别除以原边实际电流值，再乘上I₁，即得到标幺化后的四个差分电感的电压值；查找差分线圈电压-副边线圈位置关系表，将关系表中电压值与四个差分电感电压值最接近的两个空间位置点找出，然后采用一次插值或二次插值，得到更精确的空间坐标，即为副边功率线圈的空间坐标。在精度要求不是特别高的应用场景，可以直接以关系表中电压值与四个差分电感电压值最接近的一个空间位置点的坐标近似地作为副边的实际位置坐标。

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)

1.一种基于差分电感的在线式电动汽车无线充电定位系统，包括放置于地面的原边单元和车载的副边单元；其特征在于：所述原边单元包括原边功率线圈、至少三个以不同位置放置于原边功率线圈之上的差分电感线圈以及一个信号处理模块，所述差分电感线圈与信号处理模块通过磁接口耦合，所述副边单元包括副边功率线圈，所述副边功率线圈与差分电感线圈和原边功率线圈耦合；

所述原边功率线圈通电后产生固定频率和幅值的电流，并通过耦合引起副边功率线圈产生相同频率的感应电流，从而为电动汽车充电；

所述副边功率线圈通过耦合使得差分电感线圈上产生输出电压；

所述信号处理模块采集原边功率线圈上的电流幅值以及各差分电感线圈上的输出电压幅值，进而通过查表计算出副边单元的位置坐标。

2.根据权利要求1所述的在线式电动汽车无线充电定位系统，其特征在于：所述差分电感线圈由两个接收线圈l₁和l₂组成，接收线圈l₁和l₂的一同名端相互连接，接收线圈l₁和l₂的另一同名端通过磁接口耦合的形式连接至信号处理模块；在移除副边功率线圈的情况下，接收线圈l₁与原边功率线圈的互感为M_p1，接收线圈l₂与原边功率线圈的互感为M_p2，且M_p1＝M_p2使得原边功率线圈在接收线圈l₁和l₂上的感应电压相互抵消。

3.根据权利要求2所述的在线式电动汽车无线充电定位系统，其特征在于：所述差分电感线圈的输出电压U_so如下：

U_so＝I₂·jω(M_r1-M_r2)

其中：I₁为通电后原边功率线圈上的电流幅值，I₂为副边功率线圈上的感应电流幅值，ω为通电后原边功率线圈上的电流角频率，j为虚数单位，M为原边功率线圈与副边功率线圈之间的互感，M_r1和M_r2分别为接收线圈l₁和l₂与副边功率线圈之间的互感，R_Z和L_Z分别为副边功率线圈所连负载的阻抗和感抗。

4.根据权利要求2所述的在线式电动汽车无线充电定位系统，其特征在于：所述接收线圈l₁和l₂的另一同名端之间连接有谐振电容，该谐振电容的电容值C_r＝1/ω²L_s，L_s为差分接收线圈的等效电感且L_s＝L_s1+L_s2+2M_s12，L_s1和L_s2分别为接收线圈l₁和l₂的电感值，M_s12为接收线圈l₁与l₂的互感；能够提高差分电感线圈输出电压信号的幅度。

5.根据权利要求4所述的在线式电动汽车无线充电定位系统，其特征在于：所述差分电感线圈的输出电压U_sr如下：

其中：I₁为通电后原边功率线圈上的电流幅值，I₂为副边功率线圈上的感应电流幅值，ω为通电后原边功率线圈上的电流角频率，j为虚数单位，M为原边功率线圈与副边功率线圈之间的互感，M_r1和M_r2分别为接收线圈l₁和l₂与副边功率线圈之间的互感，R_Z和L_Z分别为副边功率线圈所连负载的阻抗和感抗，C_r为谐振电容的电容值，L_s为差分接收线圈的等效电感且L_s＝L_s1+L_s2+2M_s12，L_s1和L_s2分别为接收线圈l₁和l₂的电感值，M_s12为接收线圈l₁与l₂的互感，R_s为接收线圈l₁和l₂的电阻值总和。

6.根据权利要求1所述的在线式电动汽车无线充电定位系统，其特征在于：所述信号处理模块包括有信号调理电路以及MCU，信号调理电路用于对差分电感线圈的输出电压信号进行调理整形，MCU中存有关于差分电感线圈输出电压与副边单元位置坐标的关系表，MCU获取到原边功率线圈上的电流幅值以及各差分电感线圈上的输出电压幅值后根据该关系表通过插值计算，得到副边单元的位置坐标。

7.根据权利要求1所述的在线式电动汽车无线充电定位系统，其特征在于：所述差分电感线圈与信号处理模块之间的磁接口采用耦合电感或高频变压器实现。