CN112398239B - 可校正位置的导轨式动态无线充电系统及其位置校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轨道式动态无线充电技术领域，具体公开了一种可校正位置的导轨式动态无线充电系统及其位置校正方法，该系统的原边结构包括多段导轨式无线能量发射线圈以及布置在多段导轨式无线能量发射线圈两侧的多段导轨式原边位置检测线圈，副边结构包括与多段导轨式无线能量发射线圈相适配的无线能量接收线圈以及布置在无线能量接收线圈上方的副边位置检测线圈。本发明通过检测原边位置检测线圈的电流变化来反映原副边位置检测线圈的耦合情况变化，进而检测出副边结构的位置偏移情况，进一步调整副边结构的位置，从而提高了导轨式动态无线充电系统的位置偏移检测精度，提升了导轨式动态无线充电系统的抗偏移性，实现了原副边结构的高效传能。

Description

可校正位置的导轨式动态无线充电系统及其位置校正方法
技术领域
本发明涉及轨道式动态无线充电技术领域，尤其涉及一种可校正位置的导轨式动态无线充电系统及其位置校正方法。
背景技术
在轨道式动态无线充电应用场合中，如AGV、巡检机器人的无线充电系统，实时检测接收端是否偏离充电轨道并进行纠正是一个必然要解决的问题。现有的动态导引技术一般是利用单根导线或磁钉进行线路跟踪，偏移检测精度不高，对基于能量发射导轨的动态无线供电系统，不能很好地实现偏移信息检测。此外，对于坐标定位方法，如超声定位和GPS定位，虽然可以实现精确的位置标定，但检测精度仍然不够高，导致位置调整不够准确，导轨式动态无线充电系统的抗偏移性还有较大的上升空间。
发明内容
本发明提供一种可校正位置的导轨式动态无线充电系统及其位置校正方法，解决的技术问题在于：如何实现导轨式动态无线充电系统其接收端(副边结构)的高精度位置检测及位置调整，以提高导轨式动态无线充电系统的抗偏移性。
为解决以上技术问题，本发明提供一种可校正位置的导轨式动态无线充电系统，包括原边结构和副边结构，所述原边结构包括多段导轨式无线能量发射线圈，所述副边结构包括与所述多段导轨式无线能量发射线圈相适配的无线能量接收线圈；
所述原边结构还包括布置在所述多段导轨式无线能量发射线圈两侧的多段导轨式原边位置检测线圈，所述副边结构还包括布置在所述无线能量接收线圈上方的副边位置检测线圈。
优选的，每一段导轨式原边位置检测线圈设置呈Q型原边位置检测线圈结构，所述副边位置检测线圈设置呈Q型副边位置检测线圈结构。
优选的，每一段导轨式无线能量发射线圈沿轨道宽度方向并行设置呈DD型能量发射线圈结构，所述无线能量接收线圈相对于所述多段导轨式无线能量发射线圈整体按照宽度方向并行设置呈DD型能量接收线圈结构。
优选的，所述DD型能量发射线圈结构由两个第一矩形线圈串联而成，两个所述第一矩形线圈并行布置在同一平面上，二者的匝数相同但绕线方向相反；所述DD型能量接收线圈结构由两个第二矩形线圈串联而成，两个所述第二矩形线圈并行布置在同一平面上，二者的匝数相同但绕线方向相反。
优选的，所述多段导轨式原边位置检测线圈与所述多段导轨式无线能量发射线圈位于同一平面；两侧的所述多段导轨式原边位置检测线圈匝数和绕线方向均相同。
优选的，所述原边结构还包括连接所述多段导轨式原边位置检测线圈的原边电流检测装置，用于检测所述多段导轨式原边位置检测线圈的电流大小；以及连接所述副边位置检测线圈的副边位置检测补偿网络和连接所述副边位置检测补偿网络的固定负载，用于对所述副边位置检测线圈进行谐振补偿。
优选的，所述原边结构还包括顺序连接的电源、原边电能变换装置、位置检测端原边补偿网络，以及连接所述原边电能变换装置的原边控制器和连接所述原边控制器的位置校正信号发射装置，所述位置检测端原边补偿网络还连接所述原边电流检测装置；
所述位置检测端原边补偿网络用于对所述多段导轨式原边位置检测线圈进行谐振补偿；
所述原边控制器用于根据所述原边电流检测装置获取的电流大小生成对应的位置校正信号，并通过所述位置校正信号发射装置发送至所述副边结构。
优选的，所述副边结构还包括顺序连接的位置校正信号接收装置、副边控制器和位置调整结构，所述副边控制器通过所述位置校正信号接收装置接收所述位置校正信号并根据所述位置校正信号控制所述位置调整结构动作。
优选的，所述原边结构还包括连接在所述原边电能变换装置与所述多段导轨式无线能量发射线圈之间的能量发射端补偿网络；
所述副边结构还包括连接所述无线能量接收线圈的能量接收端补偿网络，连接所述能量接收端补偿网络的电能变换电路，以及连接所述电能变换电路的用电设备。
本发明还提供一种可校正位置的导轨式动态无线充电系统的位置校正方法，包括步骤：
S1.获取前述可校正位置的导轨式动态无线充电系统中所述多段导轨式原边位置检测线圈的电流变化的方位和大小；
S2.根据所述电流变化的方位和大小计算位置校正量；
S3.根据所述位置校正量调整前述可校正位置的导轨式动态无线充电系统中所述副边结构的位置。
本发明提供的一种可校正位置的导轨式动态无线充电系统及其位置校正方法，在多段导轨式无线能量发射线圈的两侧布置相应的多段导轨式原边位置检测线圈，以及在无线能量接收线圈上方布置副边位置检测线圈，通过检测多段导轨式原边位置检测线圈的电流变化来反映原副边位置检测线圈的耦合情况变化，进而检测出副边结构的位置偏移情况，进一步根据该位置偏移情况调整副边结构的位置，从而提高了导轨式动态无线充电系统的位置偏移检测精度，提升了导轨式动态无线充电系统的抗偏移性，实现了原副边结构的高效传能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的可校正位置的导轨式动态无线充电系统的线圈部分的立体图；
图2是本发明实施例提供的DDQ解耦型原边线圈结构的俯视图；
图3是本发明实施例提供的DDQ解耦型副边线圈结构的俯视图；
图4是本发明实施例提供的可校正位置的导轨式动态无线充电系统的原理框图；
图5是本发明实施例提供的可校正位置的导轨式动态无线充电系统进行位置校正时的工作流程图；
图6是本发明实施例提供的实验中原副边位置检测线圈的磁场分布图。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
本实施例提供一种可校正位置的导轨式动态无线充电系统，包括原边结构(或称为发射端)和副边结构(或称为接收端)。如图1的立体结构所示，原边结构包括水平放置的多段导轨式无线能量发射线圈(简称为能量发射导轨或无线能量发射线圈)，副边结构包括与多段导轨式无线能量发射线圈相适配的无线能量接收线圈。无线能量接收线圈在能量发射导轨的正上方运动，分别与对应的每一段无线能量发射线圈耦合以拾取能量。
在副边结构的运动过程中，为实时检测其是否偏离能量发射导轨，保证原副边能量线圈之间的高效传能，本实施例的原边结构还包括布置在能量发射导轨两侧的多段导轨式原边位置检测线圈，如图1和图2所示。与此相对应，副边结构还包括布置在无线能量接收线圈上方的副边位置检测线圈，虽原则上也可布置在无线能量接收线圈的下方，但会增大能量传输的距离。通过多段导轨式原边位置检测线圈与副边位置检测线圈的耦合情况，来反映副边结构是否偏离能量发射导轨，并判断其偏离方向与偏离程度。在这里，两位置检测线圈之间的耦合情况变化通过检测发射端辅助线圈电流变化来反映。
同时，为消除能量传输部分和位置偏移检测部分的相互干扰，提高检测准确性和灵敏性，本实施例将DDQ解耦型线圈结构应用在耦合机构中，具体是将：
每一段导轨式原边位置检测线圈设置呈Q型原边位置检测线圈结构，副边位置检测线圈设置呈Q型副边位置检测线圈结构；以及每一段导轨式无线能量发射线圈沿轨道宽度方向并行设置呈DD型能量发射线圈结构，无线能量接收线圈相对于多段导轨式无线能量发射线圈整体按照宽度方向并行设置呈DD型能量接收线圈结构，如图1、图2和图3所示。这样，当副边结构在能量发射导轨上方正常运行时，Q型原边位置检测线圈结构与能量发射导轨解耦；当副边结构偏离能量发射导轨时，Q型原边位置检测线圈结构与Q型副边位置检测线圈结构之间耦合情况发生变化，导致Q型原边位置检测线圈结构的电流发生变化。通过判断电流变化的位置和电流变化的大小可以得到接收端的偏移方向和偏移程度，从而进行位置校正。
优选的，如图1、2、3所示，DD型能量发射线圈结构由两个第一矩形线圈串联而成，两个第一矩形线圈并行布置在同一平面上，二者的匝数相同但绕线方向相反；DD型能量接收线圈结构由两个第二矩形线圈串联而成，两个第二矩形线圈并行布置在同一平面上，二者的匝数相同但绕线方向相反。而Q型结构的线圈均为矩形线圈。
优选的，多段导轨式原边位置检测线圈与多段导轨式无线能量发射线圈位于同一平面，便于铺设及保证良好的解耦效果；两侧的多段导轨式原边位置检测线圈匝数和绕线方向均相同，便于铺设及后期电流检测及校正量的计算。
优选的，DD型结构的线圈和Q型结构的线圈均分别采用一根利兹线按照平面密绕方式绕制而成，且最里层一匝线圈围合形成有空心区域。
需要说明的是，上述“DD”、“Q”、“DDQ”仅仅是便于记忆的比喻，并不限制线圈的具体形状。
如图4所示的系统原理框图，本实施例提供的可校正位置的导轨式动态无线充电系统，其原边结构还包括连接两侧多段导轨式原边位置检测线圈(为了区分两侧，图中分别用左侧位置检测线圈和右侧位置检测线圈表示)的原边电流检测装置，用于检测多段导轨式原边位置检测线圈的电流大小；以及连接副边位置检测线圈的副边位置检测补偿网络和连接副边位置检测补偿网络的固定负载，用于对副边位置检测线圈进行谐振补偿。
原边结构还包括顺序连接的电源、原边电能变换装置、位置检测端原边补偿网络，以及连接原边电能变换装置的原边控制器和连接原边控制器的位置校正信号发射装置，位置检测端原边补偿网络还连接原边电流检测装置；
位置检测端原边补偿网络用于对多段导轨式原边位置检测线圈进行谐振补偿；
原边控制器用于根据原边电流检测装置获取的电流大小生成对应的位置校正信号，并通过位置校正信号发射装置发送至副边结构。
副边结构还包括顺序连接的位置校正信号接收装置、副边控制器和位置调整结构，副边控制器通过位置校正信号接收装置接收位置校正信号并根据位置校正信号控制位置调整结构动作。
原边结构还包括连接在原边电能变换装置与多段导轨式无线能量发射线圈之间的能量发射端补偿网络，用于对多段导轨式无线能量发射线圈进行谐振补偿；
副边结构还包括连接无线能量接收线圈的能量接收端补偿网络，连接能量接收端补偿网络的电能变换电路，以及连接电能变换电路的用电设备。
其中，原边控制器、原边电能变换装置、位置检测端原边补偿网络、原边电流检测装置、位置检测端副边补偿网络、固定负载参与位置校正工作。具体的工作流程如图5所示，主要包括步骤：
1、原边控制器判断原边电流检测装置是否检测到电流变化，若是则判断电流的方位是原边左侧位置检测线圈还是原边右侧位置检测线圈；
2、如果是原边左侧位置检测线圈(图5中的左侧线圈)电流发生明显变化，则原边控制器根据电流变化的大小计算校正量，然后根据校正量生成并发出右侧位置校正信号；如果是原边右侧位置检测线圈(图5中的右侧线圈)电流发生明显变化，则原边控制器根据电流变化的大小计算位置校正量，然后根据校正量生成并发出左侧位置校正信号；
3、位置校正信号接收装置接收位置(图5中简称为副边信号接收装置)校正信号发送至副边控制器；
4、副边控制器发送位置调整指令至位置调整结构(图5中也称为执行机构)；
5、位置调整结构根据位置调整指令调整位置，直至原边电流检测装置检测的电流不发生明显变化。
关于电流变化的大小和校正量的对应关系，不同的线圈结构有不同的对应关系，本实施例根据实验标定得到，电流变化的大小和校正量呈正比关系。
关于位置检测端原边补偿网络和位置检测端副边补偿网络，本实施例可采用串联补偿，对于其他的补偿网络也同样适用。
如图6(a)所示为正常位置下原副边位置检测线圈的磁场分布情况，可以看到，原副边位置检测线圈之间耦合较弱，几乎为零，不会引起原边位置检测线圈电流变化；图6(b)所示为偏移位置下原副边位置检测线圈的磁场分布情况，磁场耦合较强，可以引起原边位置检测线圈电流的显著变化，从而实现实时的位置偏移检测。
对应于上述可校正位置的导轨式动态无线充电系统，本实施例还提供一种该系统的位置校正方法，主要包括步骤：
S1、获取多段导轨式原边位置检测线圈的电流变化的方位和大小；
S2、根据所述电流变化的方位和大小计算位置校正量；
S3、根据所述位置校正量调整副边结构的位置。
关于该方法的更多实施细节，系统已经公开，本实施例不再赘述。
综上，本发明实施例提供的一种可校正位置的导轨式动态无线充电系统及其位置校正方法，在多段导轨式无线能量发射线圈的两侧布置相应的多段导轨式原边位置检测线圈，以及在无线能量接收线圈上方布置副边位置检测线圈，通过检测多段导轨式原边位置检测线圈的电流变化来反映原副边位置检测线圈的耦合情况变化，进而检测出副边结构的位置偏移情况，进一步根据该位置偏移情况调整副边结构的位置，同时引入DDQ型线圈结构来消除能量传输线圈与位置检测线圈之间的相互干扰，从而提高了导轨式动态无线充电系统的位置偏移检测精度，提升了导轨式动态无线充电系统的抗偏移性，实现了原副边结构的高效传能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.可校正位置的导轨式动态无线充电系统，包括原边结构和副边结构，所述原边结构包括多段导轨式无线能量发射线圈，所述副边结构包括与所述多段导轨式无线能量发射线圈相适配的无线能量接收线圈；其特征在于：
所述原边结构还包括布置在所述多段导轨式无线能量发射线圈两侧的多段导轨式原边位置检测线圈，所述副边结构还包括布置在所述无线能量接收线圈上方的副边位置检测线圈；
每一段导轨式原边位置检测线圈设置呈Q型原边位置检测线圈结构，所述副边位置检测线圈设置呈Q型副边位置检测线圈结构；
每一段导轨式无线能量发射线圈沿轨道宽度方向并行设置呈DD型能量发射线圈结构，所述无线能量接收线圈相对于所述多段导轨式无线能量发射线圈整体按照宽度方向并行设置呈DD型能量接收线圈结构。
2.如权利要求1所述的可校正位置的导轨式动态无线充电系统，其特征在于：所述DD型能量发射线圈结构由两个第一矩形线圈串联而成，两个所述第一矩形线圈并行布置在同一平面上，二者的匝数相同但绕线方向相反；所述DD型能量接收线圈结构由两个第二矩形线圈串联而成，两个所述第二矩形线圈并行布置在同一平面上，二者的匝数相同但绕线方向相反。
3.如权利要求1或2所述的可校正位置的导轨式动态无线充电系统，其特征在于：所述多段导轨式原边位置检测线圈与所述多段导轨式无线能量发射线圈位于同一平面；两侧的所述多段导轨式原边位置检测线圈匝数和绕线方向均相同。
4.如权利要求3所述的可校正位置的导轨式动态无线充电系统，其特征在于：所述原边结构还包括连接所述多段导轨式原边位置检测线圈的原边电流检测装置，用于检测所述多段导轨式原边位置检测线圈的电流大小；以及连接所述副边位置检测线圈的副边位置检测补偿网络和连接所述副边位置检测补偿网络的固定负载，用于对所述副边位置检测线圈进行谐振补偿。
5.如权利要求4所述的可校正位置的导轨式动态无线充电系统，其特征在于：所述原边结构还包括顺序连接的电源、原边电能变换装置、位置检测端原边补偿网络，以及连接所述原边电能变换装置的原边控制器和连接所述原边控制器的位置校正信号发射装置，所述位置检测端原边补偿网络还连接所述原边电流检测装置；
所述位置检测端原边补偿网络用于对所述多段导轨式原边位置检测线圈进行谐振补偿；
所述原边控制器用于根据所述原边电流检测装置获取的电流大小生成对应的位置校正信号，并通过所述位置校正信号发射装置发送至所述副边结构。
6.如权利要求5所述的可校正位置的导轨式动态无线充电系统，其特征在于：所述副边结构还包括顺序连接的位置校正信号接收装置、副边控制器和位置调整结构，所述副边控制器通过所述位置校正信号接收装置接收所述位置校正信号并根据所述位置校正信号控制所述位置调整结构动作。
7.如权利要求5所述的可校正位置的导轨式动态无线充电系统，其特征在于：所述原边结构还包括连接在所述原边电能变换装置与所述多段导轨式无线能量发射线圈之间的能量发射端补偿网络；
所述副边结构还包括连接所述无线能量接收线圈的能量接收端补偿网络，连接所述能量接收端补偿网络的电能变换电路，以及连接所述电能变换电路的用电设备。
8.一种采用权利要求1～7任意一项所述的可校正位置的导轨式动态无线充电系统的位置校正方法，其特征在于，包括步骤：
S1.获取多段导轨式原边位置检测线圈的电流变化的方位和大小；
S2.根据所述电流变化的方位和大小计算位置校正量；
S3.根据所述位置校正量调整所述副边结构的位置。
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