CN113675957A - 一种基于位置调控的近场无线充电、最大功率跟踪控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于位置调控的近场无线充电、最大功率跟踪控制系统及方法,属于无线电能传输技术领域,旨在解决现有技术中利用无线充电设备谐振器之间耦合程度靠人为控制,人为控制效率低精度差的问题,本申请将能量传输模块和信息处理及控制模块结合,通过信息处理及控制模块的位置信息单元、信号处理单元、电信号单元以及中央处理单元协同工作,能够基于近场无线充电本身电学信号处理反映能量传输水平,通过最大功率跟踪以及位置寻优策略实现自动位置调控,实现能量最大传输的目的。

Description

一种基于位置调控的近场无线充电、最大功率跟踪控制系统 及方法
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域,具体涉及一种基于位置调控的近场无线充电、最大功率跟踪控制系统及方法。
背景技术
当前无线充电技术的应用主要分为近场应用、中场应用以及远场应用。其中最为广泛的近场应用主要集中在小功率智能化移动电子设备无线充电以及中、大功率电动汽车无线充电。无线电能传输系统发射线圈和接收线圈的耦合程度极大的影响了能量传输的功率以及效率。目前利用无线充电的设备谐振器之间耦合程度的调整控制基本上靠人为控制,并且没有非常准确、有效以及可靠地判断。由此造成的能源资源的浪费、工作效率低下、电磁辐射安全等问题需要进一步解决。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种基于位置调控的近场无线充电、最大功率跟踪控制系统及方法,旨在解决现有技术中利用无线充电的设备谐振器之间耦合程度的调整控制基本上靠人为控制,没有准确、有效以及可靠地判断,造成的能源资源的浪费的缺陷性技术问题。
本发明提供一种基于位置调控的近场无线充电、最大功率跟踪控制系统,包括能量传输模块和信息处理及控制模块;所述能量传输模块包括能量发射装置、能量补偿单元和能量接收单元,所述信息处理及控制模块包括位置单元、信号处理单元、中央处理单元和电信号单元;
所述能量发射装置能够将能量补偿单元获得的电能转化为磁场能量发射到能量接收单元;
所述位置单元用于采集信号发射装置的位置信息,并采用信号处理单元对位置信息进行调控;电信号单元用于处理能量接收端的电学信号,并将电学信号进行处理传给中央处理单元;信号处理单元用于处理位置单元的位置信息,并将处理后的位置信息传输给中央处理单元,中央处理单元用于整合信号处理单元和电信号单元的电学信号,并将电学信号的处理结果传输给信号处理单元。
优选地,所述能量补偿单元包括电源、整流电路I和补偿网络I;所述能量接收单元包括能量接收装置、补偿网络II、整流电路II和负载;
电源,用于为整流电路I提供能量来源;
整流电路I,能够将电能转换为需要的大小和频率;
补偿网络I,能够补偿整流电路I当中的感性分量;
能量发射装置,能够将电能转换为磁场能量,并将磁场能量发射出去;
能量接收装置,能够接收能量发射装置发射的磁场能量,并将磁场能量转化成为电能;
补偿网络II,能够进行接收侧网络补偿;
整流电路II,用于调整电能的类型、大小和频率;
负载,用于实现电能的使用。
优选地,所述位置单元包括位置信号采集部分和位置控制驱动部分;信号处理单元包括位置信号处理部分和位置信息控制部分;电信号单元包括电学信号采集部分和信号计算处理部分;中央处理单元包括信号整合部分和信号处理部分;
位置单元的位置信号采集部分用于采集能量发射装置的位置信息,并将位置信息传输到信号处理单元中的位置信号处理部分;位置单元的位置控制驱动部分用于接收信号处理单元中位置信息控制部分的控制信号,对能量发射装置进行位置调控。
优选地,信号处理单元的位置信号处理部分用于接收来自位置单元的位置信息,将处理后的位置信息传输到中央处理单元的信号整合部分;信号处理单元的位置信息控制部分接收来自中央处理单元的信号进行处理,并将位置调整信息传输到位置单元中的位置控制驱动部分。
优选地,中央处理单元的信号整合部分将来自信号处理单元的位置信号和来自电信号单元的电学信号进行整合;中央处理单元的信号处理部分对整合的信息进行存储与分析处理,并且将其传输到信号处理单元。
优选地,电信号单元的电学信号采集部分用于采集来自能量接收端的电学信号,电信号单元的信号计算处理部分对所采集的电学信号进行计算处理并且传输到中央处理单元中的信号整合部分。
本发明还提出了一种基于位置调控的近场无线充电、最大功率跟踪控制系统的控制方法,首先,将能量发射装置的位置信息与输出功率联合存储,通过预设范围扫描确定最大功率点;其次,细化能量发射装置的预设范围与扫描精度进行扫描,确定新的最大功率点;最后,再次对细化预设范围与扫描精度进行扫描,直到前后两次功率差值满足预设精度;
其中,预设精度是判断整个算法是否停止以及位置调控是否达标的标准。
优选地,包括如下步骤:
第一步:预设能量发射装置的位置范围以及采样点数量;
第二步:根据预设的位置范围和采样点数量来控制能量发射装置的位置信息;
第三步:通过位置单元采集能量发射装置的位置信息,通过电信号单元采集能量接收端的电学信号,通过信号处理单元、电信号单元以及中央处理单元对电学信号进行计算、加工和整合处理,进一步得到位置信息、扫描精度和功率信息;
第四步:结合采样点数量来预设能量发射装置的位置信息,判断位置信息是否达到预设次数,不满足预设次数的条件则重复第二到第四步,满足预设次数的条件则进行下一步;
第五步:通过中央处理单元对电学信号进行处理存储以及最大功率跟踪,结合预设位置信息判断是否需要细化预设范围,当需要细化预设范围则进行区域范围细化设定并重新进行第一到第五步,当不需要细化预设范围则进行下一步;
第六步:根据中央处理单元选择最大功率位置,通过位置单元对能量发射装置进行位置调控。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明提出的一种基于位置调控的近场无线充电、最大功率跟踪控制系统,通过在能量发射装置的前后分别连接有能量补偿单元和能量接收单元,能够在能量补偿单元处获取电能并将电能转化为磁场能量发射到能量接收单元;在能量发射装置处连接有位置单元,能够获取能量发射装置处的位置信息,并将位置信息传输给信号处理单元,信号处理单元用来处理位置信息并将处理后的位置信息传给中央处理单元;电信号单元用来采集能量接收单元内能量接收端的电学信号,并将电学信号传给中央处理单元,中央处理单元整合电学信号和位置信息,再将整合结果传输给信号处理单元,信号处理单元将位置调整信息传输到位置单元中实现位置调控,本发明提出的基于位置调控的近场无线充电、最大功率跟踪控制系统,解决了现有技术中利用无线充电的设备谐振器之间耦合程度的调整控制靠人为控制的问题,该系统结构简洁,通过信息处理及控制模块与能量传输模块的结合可以实现系统的自动控制。
进一步地,扫描精度决定了结果的精确程度,精度设置的越高,精确程度就越高,其次工作量也会随着精度的增高变大。
进一步地,预测次数是扫描精度的另一种表现方式,扫描精度越高,预设次数越多。
本发明还提出的一种基于位置调控的近场无线充电、最大功率跟踪控制系统的控制方法,该方法操作步骤简单便于理解,在无线电能传输领域具有较好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图;
图2为本发明控制方法的流程图;
图3为本发明的位置相关性与耦合器耦合程度、电能传输效率以及电能传输功率关系的等效示意图;
图4为本发明的空间位置与传输功率关系的等效示意图。
其中:1-电源;2-整流电路;3-补偿网络I;4-能量发射装置;5-能量接收装置;6-补偿网络II;7-整流电路;8-负载;9-位置单元;10-信号处理单元;11-电信号单元;12-中央处理单元。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是,本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
如图1所示,本发明提供一种基于位置调控的近场无线充电、最大功率跟踪控制系统,该系统能够实现基于位置调控的近场无线充电、最大功率跟踪控制。
上述系统模型结构主要包括能量传输模块以及信息处理及控制模块,所述能量传输模块包括能量发射装置4、能量补偿单元和能量接收单元,所述能量补偿单元包括电源1、整流电路I 2和补偿网络I 3;所述能量接收单元包括能量接收装置5、补偿网络II 6、整流电路II 7和负载8;所述信息处理及控制模块包括位置单元9、信号处理单元10、中央处理单元11和电信号单元12;
所述能量发射装置4能够将能量补偿单元获得的电能转化为磁场能量发射到能量接收单元;
所述位置单元9用于采集信号发射装置4的位置信息,并采用信号处理单元10对位置信息进行调控;电信号单元11用于处理能量接收端的电学信号,并将电学信号进行处理传给中央处理单元12;信号处理单元10用于处理位置单元9的位置信息,并将处理后的位置信息传输给中央处理单元12,中央处理单元12用于整合信号处理单元10和电信号单元11的电学信号,并将电学信号的处理结果传输给信号处理单元10。
能量传输模块包括电源1、整流电路I 2、补偿网络I 3、能量发射装置4、能量接收装置5、补偿网络II 6、整流电路II 7和负载8:
电源1,用于为的整流电路I 2提供能量来源;
整流电路I 2,将电能转换为需要的大小和频率,确保空间以及硬件条件固定时能量传输最大;
补偿网络I 3,补偿整流电路I 2当中感性分量,减小无功损耗;
能量发射装置4,将电能转换为磁场能量并且将磁场能量发射出去,并且具备一定的空间自由度,能够进行位置微调;
能量接收装置5,接收能量发射装置4发射的磁场能量,并将磁场能量转化成为电能;
补偿网络II 6,进行接收侧网络补偿,以保证能量利用的最大化;
整流电路II 7,将电能进行类型、大小、频率等方面的调整,以供负载8使用;
负载8,用于实现电能的使用。
上述基于位置调控的近场无线充电、最大功率跟踪控制系统中信息处理及控制模块包括:
位置单元9,该位置单元9分为位置信号采集部分以及位置控制驱动,位置信号采集部分用于采集能量发射装置4的位置信息,并将位置信息传输到信号处理单元10中的位置信号处理部分;位置单元9的位置控制驱动部分接收信号处理单元10中位置信息控制部分的控制信号,对能量发射装置4进行位置调控;
信号处理单元10,该信号处理单元10分为位置信号处理部分和位置信息控制部分,位置信号处理部分接收来自位置单元9的位置信息,并且进行处理后传输到中央处理单元12中的信号整合部分,位置信息控制部分接收来自中央处理单元12的信号进行处理,并将位置调整信息传输到位置单元9中的位置控制驱动部分;
电信号单元11,该电信号单元11分为电学信号采集部分和信号计算处理部分,电学信号采集用于采集来自能量接收端的电学信号,信号计算处理部分对所采集的电学信号进行计算处理并且传输到中央处理单元12中的信号整合部分;
中央处理单元12,该中央处理单元包括信号整合与信号处理,信号整合将来自信号处理单元10的位置信息和来自电信号单元11的电学信息进行整合,信号处理部分对整合的信息进行存储与分析处理,并结合预设信息发出指令信息并且将其传输到信号处理单元10。
本发明还提出了一种基于位置调控的近场无线充电、最大功率跟踪控制系统的控制方法,首先,将能量发射装置4的位置信息与输出功率联合存储,通过预设范围扫描确定最大功率点;其次,细化能量发射装置4的预设范围与扫描精度进行扫描,确定新的最大功率点;最后,再次对细化预设范围与扫描精度进行扫描,直到前后两次功率差值满足预设精度。
其中,预设范围是根据实际空间范围的尺寸进行人工设定,首先可以根据实际情况进行人工设定一个大致的范围,然后进行下一步。
扫描精度的作用:首先决定了结果的精确程度,精度设置的越高,精确程度就越高,其次工作量也会随着精度的增高儿变大。
一种基于位置调控的近场无线充电、最大功率跟踪控制方法的详细流程如图2所示,实现步骤如下:
第一步:预设能量发射装置4的位置范围以及采样点数量;
第二步:根据预设信息控制能量发射装置位置;
第三步:通过位置单元9和电信号单元11采集能量发射装置4的位置信息以及能量接收端的电信号,通过信号处理单元10、电信号单元11以及中央处理单元12对信号进行计算、加工、整合等处理,进一步得到位置信息、扫描精度和功率信息;
第四步:结合采样点数量来预设信息判断是否达到预设次数,不满足预设次数的条件,则重复第二步到第四步,满足预设次数的条件则进行下一步;
第五步:通过中央处理单元12对电学信号进行处理存储以及最大功率跟踪,结合预设位置信息判断是否需要细化预设范围;当需要细化预设范围则进行区域范围细化设定并重新进行第一步到第五步,当不需要细化预设范围则进行下一步;
第六步:根据中央处理单元12选择最大功率位置,通过位置单元9对能量发射装置4进行位置调控。
其中,根据预设范围进行扫描,完成后会根据算法和结果对预设范围和精度进行更改,然后进行下一步扫描,然后再根据算法进行更改重复,在此期间会有进行精度的判别,满足就会停止。
图3和图4为不同位置情况对耦合程度以及电学量影响的等效结果图。利用AnsysMaxwell和Twin Builder有限元仿真软件对平面双螺旋线圈进行空间磁场的分布以及场路联合仿真,得到了不同位置情况对耦合程度以及电学量的影响:
图3表明,在高度位置固定的情况下,线圈相对位置靠近的程度,即两线圈对齐的程度与线圈的磁场的耦合程度、系统能量传输的功率以及系统能量传输的效率正相关;
图4表明,在预设区域内,不同的位置负载侧的能量接收功率不同,其中耦合程度最大所对应的位置能量的接收功率最大。
以上内容仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于位置调控的近场无线充电、最大功率跟踪控制系统,其特征在于,包括能量传输模块和信息处理及控制模块;所述能量传输模块包括能量发射装置(4)、能量补偿单元和能量接收单元,所述信息处理及控制模块包括位置单元(9)、信号处理单元(10)、中央处理单元(11)和电信号单元(12);
所述能量发射装置(4)能够将能量补偿单元获得的电能转化为磁场能量发射到能量接收单元;
所述位置单元(9)用于采集能量发射装置(4)的位置信息,并采用信号处理单元(10)对位置信息进行调控;电信号单元(11)用于处理能量接收端的电学信号,并将电学信号进行处理传给中央处理单元(12);信号处理单元(10)用于处理位置单元(9)的位置信息,并将处理后的位置信息传输给中央处理单元(12),中央处理单元(12)用于整合信号处理单元(10)和电信号单元(11)的电学信号,并将电学信号的处理结果传输给信号处理单元(10)。
2.根据权利要求1所述的基于位置调控的近场无线充电、最大功率跟踪控制系统,其特征在于,所述能量补偿单元包括电源(1)、整流电路I(2)和补偿网络I(3);所述能量接收单元包括能量接收装置(5)、补偿网络II(6)、整流电路II(7)和负载(8);
电源(1),用于为整流电路I(2)提供能量来源;
整流电路I(2),能够将电能转换为需要的大小和频率;
补偿网络I(3),能够补偿整流电路I(2)当中的感性分量;
能量发射装置(4),能够将电能转换为磁场能量,并将磁场能量发射出去;
能量接收装置(5),能够接收能量发射装置(4)发射的磁场能量,并将磁场能量转化成为电能;
补偿网络II(6),能够进行接收侧网络补偿;
整流电路II(7),用于调整电能的类型、大小和频率;
负载(8),用于实现电能的使用。
3.根据权利要求1所述的基于位置调控的近场无线充电、最大功率跟踪控制系统,其特征在于,所述位置单元(9)包括位置信号采集部分和位置控制驱动部分;信号处理单元(10)包括位置信号处理部分和位置信息控制部分;电信号单元(11)包括电学信号采集部分和信号计算处理部分;中央处理单元(12)包括信号整合部分和信号处理部分;
位置单元(9)的位置信号采集部分用于采集能量发射装置(4)的位置信息,并将位置信息传输到信号处理单元(10)中的位置信号处理部分;位置单元(9)的位置控制驱动部分用于接收信号处理单元(10)中位置信息控制部分的控制信号,对能量发射装置(4)进行位置调控。
4.根据权利要求3所述的基于位置调控的近场无线充电、最大功率跟踪控制系统,其特征在于,信号处理单元(10)的位置信号处理部分用于接收来自位置单元(9)的位置信息,将处理后的位置信息传输到中央处理单元(12)的信号整合部分;信号处理单元(10)的位置信息控制部分接收来自中央处理单元(12)的信号进行处理,并将位置调整信息传输到位置单元(9)中的位置控制驱动部分。
5.根据权利要求4所述的基于位置调控的近场无线充电、最大功率跟踪控制系统,其特征在于,中央处理单元(12)的信号整合部分将来自信号处理单元(10)的位置信号和来自电信号单元(11)的电学信号进行整合;中央处理单元(12)的信号处理部分对整合的信息进行存储与分析处理,并且将其传输到信号处理单元(10)。
6.根据权利要求4所述的基于位置调控的近场无线充电、最大功率跟踪控制系统,其特征在于,电信号单元(11)的电学信号采集部分用于采集来自能量接收端的电学信号,电信号单元(11)的信号计算处理部分对所采集的电学信号进行计算处理并且传输到中央处理单元(12)中的信号整合部分。
7.采用权利要求1~6任意一项所述的基于位置调控的近场无线充电、最大功率跟踪控制系统的控制方法,其特征在于,首先,将能量发射装置(4)的位置信息与输出功率联合存储,通过预设范围扫描确定最大功率点;其次,细化能量发射装置(4)的预设范围与扫描精度进行扫描,确定新的最大功率点;最后,再次对细化预设范围与扫描精度进行扫描,直到前后两次功率差值满足预设精度;
其中,预设精度是判断整个算法是否停止以及位置调控是否达标的标准。
8.根据权利要求7所述的基于位置调控的近场无线充电、最大功率跟踪控制系统的控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
第一步:预设能量发射装置(4)的位置范围以及采样点数量;
第二步:根据预设的位置范围和采样点数量来控制能量发射装置(4)的位置信息;
第三步:通过位置单元(9)采集能量发射装置(4)的位置信息,通过电信号单元(11)采集能量接收端的电学信号,通过信号处理单元(10)、电信号单元(11)以及中央处理单元(12)对电学信号进行计算、加工和整合处理,进一步得到位置信息、扫描精度和功率信息;
第四步:结合采样点数量来预设能量发射装置(4)的位置信息,判断位置信息是否达到预设次数,不满足预设次数的条件则重复第二到第四步,满足预设次数的条件则进行下一步;
第五步:通过中央处理单元(12)对电学信号进行处理存储以及最大功率跟踪,结合预设位置信息判断是否需要细化预设范围,当需要细化预设范围则进行区域范围细化设定并重新进行第一到第五步,当不需要细化预设范围则进行下一步;
第六步:根据中央处理单元(12)选择最大功率位置,通过位置单元(9)对能量发射装置(4)进行位置调控。
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