CN113904466A - 一种船舶无线充电系统谐振线圈自对准控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种船舶无线充电系统谐振线圈自对准控制方法：一是基于系统线圈互感值估计的线圈粗对准控制，二是基于四象限探测的线圈精对准控制。线圈粗对准控制包括利用测量得到的系统发射端与接收端电压电流参数进行线圈互感值实时估计，通过互感值的变化情况来判定系统线圈发生了偏移，当位移发生后，通过依次调节控制系统接收端线圈水平方向和垂直方向的步进电机正转或反转，达到线圈对准的目的；线圈精对准控制包括利用红外激光照射在光电探测器上的区域来反映线圈之间的偏移量，继而通过依次调节控制系统接收端线圈水平方向和垂直方向的步进电机正转或反转。本发明还提供了一种船舶无线充电系统谐振线圈自对准装置。

Description

一种船舶无线充电系统谐振线圈自对准控制方法及装置
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，尤其涉及一种船舶无线充电系统谐振线圈自对准控制方法及装置。
背景技术
无线电能传输技术日趋成熟，其主要运用领域有电动汽车无线充电、手机等便携式设备无线充电、无人设备无线充电、港口船舶无线充电等。无线充电技术的优点主要表现在充电过程无人化、便利化。由于不需要插拔插头，系统在充电工作过程中也不产生火花，降低了火灾隐患，增加了用电的安全性。然而，在港口船舶无线充电的场景中存在一个亟需解决的问题，即在充电过程中固定在船体上的系统接收端线圈易受海浪波动而产生偏移，最终导致系统的充电效率下降。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种船舶无线充电系统谐振线圈自对准控制方法及装置，实现系统谐振线圈的自对准，继而克服海洋波动，保持系统始终工作在较高的传输效率状态下，本发明至少解决了现有技术中的部分问题。
本发明是这样实现的：
本发明提供一种船舶无线充电系统谐振线圈自对准控制方法：利用基于线圈互感值估计的方法实现谐振线圈粗对准控制，在谐振线圈粗对准控制的基础上，利用四象限探测方法实现谐振线圈精对准控制，最终实现船舶无线充电系统谐振线圈的自对准控制。
作为优选，所述谐振线圈粗对准控制包括：S1、首先利用测量得到的系统发射端与接收端电压电流参数进行线圈互感值实时估计，通过线圈互感值的变化情况来判定系统线圈发生了偏移；S2、其次当位移发生后，通过依次调节控制系统接收端线圈水平方向和垂直方向的步进电机正转或反转，达到线圈对准的目的；S3、最后以实时测量估计的线圈互感值恢复原互感值为终止调节信号结束线圈粗对准控制。
作为优选，线圈互感值的大小与系统发射端线圈与接收端线圈的相对位置有关，当系统接收端线圈在水平方向或垂直方向发生偏移时，会造成系统发射端线圈与接收端线圈之间的互感值降低，系统的充电效率也随之减小。
作为优选，所述谐振线圈粗对准控制具体包括：当接收端线圈发生了扰动偏移，估算出来的线圈互感值减小，系统根据偏移量与互感变化的关系估算出线圈偏移的距离，并依次调节系统接收端线圈在水平方向和竖直方向上的步进电机，具体地，调节接收端线圈水平方向上的步进电机正转或反转直到系统估算的互感值增大，则进一步调节接收端线圈竖直方向上的步进电机正转或反转，直到互感值进一步增大并逐步恢复到互感值减小前的水平。
作为优选，所述谐振线圈精对准控制包括：在系统发射端线圈底部安装光电探测器，在系统接收端线圈底部安装红外激光发射器，利用红外激光照射在光电探测器上的区域来反映线圈之间的偏移量，继而通过依次调节控制系统接收端线圈水平方向和垂直方向的步进电机正转或反转，达到线圈对准的目的，最后以红外激光对准光电探测器的圆心点为终止调节信号结束线圈精对准控制。
作为优选，利用红外激光照射在光电探测器上的区域来反映线圈之间的偏移量具体为：在系统发射端与接收端线圈完全对准情况下，安装在接收端线圈底部的红外激光发生器射出红外激光正好落于光电探测器圆心，光电探测器圆心即原点，安装在系统发射端线圈底部的光电探测器与发射端线圈是同形状的，光电探测器以圆心为中心，被均分为四个象限区域，以红外激光落在不同象限区域来计算落点与原点的偏移量，继而计算线圈之间的偏移量，最后驱动设置在系统接收端线圈水平方向和垂直方向的步进电机实现线圈自对准控制。
作为优选，所述谐振线圈精对准控制具体包括：将系统发射端线圈与接收端线圈调试对准，设置此时光斑在光电探测器圆心时为基准光斑，当海浪扰动，系统接收端线圈偏移导致红外激光光斑位置发生变化时，将新的光斑位置与基准光斑位置进行对比，将对比结果反馈给系统接收端线圈在水平方向和竖直方向上的步进电机，由步进电机带动接收端线圈进行光斑对准，直到光斑回到基准光斑位置。
本发明提供一种船舶无线充电系统谐振线圈自对准装置，包括安装在码头上的系统输电设备和发射线圈、安装在船舶上的用电设备和接收线圈，还包括控制接收线圈在水平方向移动的步进电机、控制接收线圈在垂直方向移动的步进电机，接收线圈底部安装红外激光发射器，发射线圈底部安装四象限光电探测器，当接收线圈因海浪发生偏移时，步进电机驱使接收线圈在水平方向和垂直方向移动，使得红外激光发射器发射的红外激光落到四象限光电探测器的圆心点上，实现谐振线圈自对准控制。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明基于互感估计和四象限探测技术，并利用安装在船舶无线充电系统的接收端线圈步进电机可实现系统线圈的自动对准控制，继而解决因海浪波动带来的线圈偏移和系统传输效率恶化问题。本发明在允许范围内为船舶无线充电系统提高了充电的稳定性，增加了系统的整体充电效率。
2、本发明提供了一种基于互感估计与四象限探测的船舶无线充电系统线圈自对准控制方法，利用本发明的装置可通过互感估计手段实时实现系统谐振线圈的自对准，继而克服海洋波动，保持系统始终工作在较高的传输效率状态下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的船舶无线充电系统结构图；
图2为本发明实施例提供的船舶无线充电系统的等效电路图；
图3为本发明实施例提供的系统发射端线圈与接收端线圈的相对位置模型示意图；
图4为本发明实施例提供的线圈在径向发生偏移时偏移距离和线圈互感的关系曲线图；
图5为本发明实施例提供的互感值与系统充电效率关系曲线图；
图6为本发明实施例提供的基于互感估计的线圈粗对准控制原理流程图；
图7为本发明实施例提供的基于四象限探测的线圈精对准控制装置结构图；
图8为本发明实施例提供的四象限光电探测器象限分区示意图；
图9为本发明实施例提供的基于四象限探测的线圈精对准控制流程图。
具体实施方式
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图9，本发明实施例提供一种基于互感估计和四象限探测的船舶无线充电系统谐振线圈自对准控制方法：利用基于线圈互感值估计的方法实现谐振线圈粗对准控制，利用四象限探测技术实现谐振线圈精对准控制，最终实现船舶无线充电系统线圈自对准控制。
本发明所述的基于系统线圈互感值估计的粗对准：首先利用测量得到的系统发射端与接收端电压电流参数进行线圈互感值(线圈互感系数M)实时估计，通过线圈互感值的变化情况来判定系统线圈发生了偏移；其次当位移发生后，通过依次调节控制系统接收端线圈水平方向和垂直方向的步进电机正转或反转，达到线圈对准的目的；最后以实时测量估计的线圈互感值恢复原互感值(估计的线圈互感值稳定在原互感值±10％水平)为终止调节信号结束线圈粗对准控制。
本发明所述的基于四象限探测的线圈精对准：在系统发射端线圈(发射线圈1)底部安装光电探测器(四象限光电探测器4)，在系统接收端线圈(接收线圈2)底部安装红外激光发射器3，利用红外激光5照射在光电探测器上的区域来反映线圈之间的偏移量，继而通过依次调节控制系统接收端线圈水平方向和垂直方向的步进电机正转或反转，达到线圈对准的目的，最后以红外激光5对准光电探测器的圆心点(中心圆点6)为终止调节信号结束线圈精对准控制。
本发明所述的利用红外激光照射在光电探测器上的区域来反映线圈之间的偏移量：在系统发射端与接收端线圈完全对准情况下，安装在接收端线圈底部的红外激光发生器3射出红外激光5正好落于光电探测器圆心(中心圆点6)，光电探测器圆心为原点。安装在系统发射端线圈底部的光电探测器(四象限光电探测器4)与发射端线圈是同形状的，其比例为1：10。光电探测器以圆心为中心，被均分为四个象限区域，因此可以以光电(红外激光5)落在不同象限区域来计算落点与原点的偏移量，继而计算线圈之间的偏移量，最后驱动设置在系统接收端线圈径向y轴(水平方向)和径向z轴(垂直方向)上的步进电机实现线圈自对准控制。
本发明实施例还提供一种船舶无线充电系统谐振线圈自对准装置，包括安装在码头上的系统输电设备和发射线圈1(系统发射端线圈)、安装在船舶上的用电设备和接收线圈2(系统接收端线圈)，还包括控制接收线圈2在水平方向移动的步进电机、控制接收线圈2在垂直方向移动的步进电机，接收线圈2底部安装红外激光发射器3，发射线圈1底部安装四象限光电探测器4，四象限光电探测器4与发射线圈1形状相同，其大小比例为1:10，当接收线圈2因海浪发生偏移时，步进电机驱使接收线圈2在水平方向和垂直方向移动，使得红外激光发射器3发射的红外激光5落到四象限光电探测器4的圆心点上，实现谐振线圈自对准控制。
1.船舶无线充电系统简介
如图1所示为船舶无线充电系统的结构图，从图中可看出，系统分为两个部分，一是安装在码头上的系统输电设备和发射线圈1，二是安装在船舶上的接收线圈2和用电设备，发射线圈1和接收线圈2为谐振线圈。传统的充电方式是采用电缆充电，需要在船舶和码头之间人为架设电缆，而新型的充电方式采用无线充电系统，依靠发射线圈1和接收线圈2之间的高频电磁场来传输电能。
2.外界扰动与传输效率分析
从图1还可以看出，当海洋中海浪较大时，船舶船体会随着海浪发生波动，而这种波动会导致船舶无线充电系统的发射端线圈(发射线圈1)与接收端线圈(接收线圈2)发生偏移。如图2所示为船舶无线充电系统的等效电路图，图中Us为码头输电设备供给的直流电压源，R1和R2分别为系统发射端和接收端的等效电阻，L1和L2为分别发射端和接收端线圈谐振电感，C1和C2分别为发射端和接收端谐振电容，RL为用电设备等效电阻，M为线圈之间的互感值(线圈互感系数)。
系统线圈之间互感值M的大小与线圈的相对位置有关，如图3所示为系统发射端线圈与接收端线圈的相对位置模型。以发射线圈1的圆心为坐标系原点，以平行于码头地面的方向为线圈轴向方向x，垂直与码头地面的方向为线圈径向方向z，平行于码头地面并垂直于线圈轴向为线圈径向方向y。Rf为发射线圈1的半径；Rs为接收线圈2的半径；D为耦合线圈(谐振线圈)的轴向偏移；L为耦合线圈的径向z方向偏移；θ为接收线圈2的俯仰角。
如图4所示为接收端线圈在径向y方向发生偏移时偏移距离和线圈互感的关系曲线，从图中可以看出，无论线圈发生正向还是负向偏移时，都会造成线圈之间的互感值降低，由于圆形线圈是对称结构，因此同样的趋势也会发生在径向z方向发生偏移时的场景。线圈在径向z方向发生偏移时，无论线圈发生正向还是负向偏移时，都会造成线圈之间的互感值降低。
图2中的船舶无线充电系统的等效电路图，由基尔霍夫电压和电流定律可得：
Figure BDA0003229212110000071
公式中的→代表相量，Us为码头输电设备供给的直流电压源，I1为发射端的电流、I2为接收端的电流，R1和R2分别为系统发射端和接收端的等效电阻，L1和L2为分别发射端和接收端线圈谐振电感，C1和C2分别为发射端和接收端谐振电容，RL为用电设备等效电阻，M为线圈之间的互感值，j为虚数单位，ω为系统工作角频率，由此可以算得发射端与接收端的电流I1，I2分别为：
Figure BDA0003229212110000081
其中Z1，Z2分别为系统发射端与接收端的等效阻抗，Zref为映射阻抗，I1、I2、Us、j、ω、M的意思同上，三者的大小为：
Figure BDA0003229212110000082
Z1、Z2、Zref、j、ω、M、R1、R2、RL、L1、L2、C1、C2的意思同上，
将
Figure BDA0003229212110000083
代入公式(3)中可以得到：
Figure BDA0003229212110000084
I1、I2、Z1、Z2、Us、j、ω、M的意思同上，
由此可以算出系统的输出功率PL为：
Figure BDA0003229212110000085
I2、RL、ω、M、Us、Z1、Z2的意思同上，
同理可得系统的输入功率P1为：
Figure BDA0003229212110000091
I1、Us、Z1、Z2、ω、M的意思同上，
所以系统的传输效率η为：
Figure BDA0003229212110000092
PL、P1、Z1、Z2、ω、M、RL的意思同上。
如图5所示为系统的传输效率η与线圈互感系数M的关系曲线，从图中可以看出系统的充电效率(传输效率)与线圈互感值成正比关系，随着线圈互感值的减小，系统的充电效率也跟着减小，即线圈互感值的变化直接影响着系统充电效率的变化。结合图4线圈发生径向偏移时偏移距离与线圈互感的变化关系可知，当系统线圈发生偏移时会造成系统的充电效率降低。
3.基于互感估计的线圈粗对准控制原理
本发明所述的基于互感估计的线圈粗对准控制原理，其控制流程如图6。当接收端线圈发生了扰动偏移，估算出来的线圈互感值减小，系统根据偏移量与互感变化的关系估算出线圈偏移的距离，并依次调节系统接收端线圈在水平方向和竖直方向上的步进电机，具体地，调节接收端线圈水平方向上的步进电机正转或反转直到系统估算的互感值增大，则进一步调节接收端线圈竖直方向上的步进电机正转或反转，直到互感值进一步增大并逐步恢复到互感值减小前的水平。
首先，系统线圈之间的互感值M可由以下公式估算得到：
Figure BDA0003229212110000093
其中，Us、R1、I2、R2、Z2的意思同上，UL为等效负载RL两端的电压，ω1为系统发射端谐振线圈的固有频率。当估算出来的互感值减小时，根据图4的变化规律可知，系统此时线圈发生了扰动偏移。
其次，系统根据偏移量与互感变化的关系估算出线圈偏移的距离，并依次调节系统接收端线圈在径向y轴和径向z轴上的步进电机。假设此次调节系统径向y轴上的步进电机正转后发现系统估算的互感值增大，则进一步调节线圈径向z轴上的步进电机正转或反转，直到互感值进一步增大并逐步恢复到互感值减小前的水平。
最后，当估计的线圈互感值稳定在原互感值±10％水平时，判定此次线圈粗对准控制终止。
4.基于四象限探测的线圈精对准控制原理
如图7所示为基于四象限探测的线圈精对准控制装置结构图，从图中可以看出系统接收端线圈(接收线圈2)底部安装有红外激光发生器3，系统发射端线圈(发射线圈1)底部安装有四象限光电探测器4。如图8所示四象限光电探测器4以其圆点为中心，将四象限光电探测器4的探测区域分为四个象限。当系统发射端与接收端线圈完全对准时，接收端的红外激光5正好投射到四象限光电探测器4的中心圆点6。当系统接收端线圈随着船舶和海浪一并发生偏移时，红外激光5光斑靶点的位置随接收线圈2的偏移而发生移动。
本发明所述的基于四象限探测的线圈精对准控制流程如图9。
首先，将系统发射端与接收端线圈调试对准，并设置此时光斑在圆点6时为基准光斑O，其坐标为(0，0)。
其次，当线圈偏移导致激光光斑位置发生变化时，假设为M，其坐标为(Δy，Δz)，此时将M点位置信息与圆点O进行对比，然后将对比结果反馈给系统接收端在径向y和z轴上的步进电机。
最后，由步进电机带动接收端线圈进行光斑对准，直至光斑新的位置坐标与圆点坐标误差在0.1％以内结束线圈精对准控制。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种船舶无线充电系统谐振线圈自对准控制方法，其特征在于：利用基于线圈互感值估计的方法实现谐振线圈粗对准控制，在谐振线圈粗对准控制的基础上，利用四象限探测方法实现谐振线圈精对准控制，最终实现船舶无线充电系统谐振线圈的自对准控制。
2.如权利要求1所述的船舶无线充电系统谐振线圈自对准控制方法，其特征在于：所述谐振线圈粗对准控制包括：S1、首先利用测量得到的系统发射端与接收端电压电流参数进行线圈互感值实时估计，通过线圈互感值的变化情况来判定系统线圈发生了偏移；S2、其次当位移发生后，通过依次调节控制系统接收端线圈水平方向和垂直方向的步进电机正转或反转，达到线圈对准的目的；S3、最后以实时测量估计的线圈互感值恢复原互感值为终止调节信号结束线圈粗对准控制。
3.如权利要求2所述的船舶无线充电系统谐振线圈自对准控制方法，其特征在于：线圈互感值的大小与系统发射端线圈与接收端线圈的相对位置有关，当系统接收端线圈在水平方向或垂直方向发生偏移时，会造成系统发射端线圈与接收端线圈之间的互感值降低，系统的充电效率也随之减小。
4.如权利要求3所述的船舶无线充电系统谐振线圈自对准控制方法，其特征在于：所述谐振线圈粗对准控制具体包括：当接收端线圈发生了扰动偏移，估算出来的线圈互感值减小，系统根据偏移量与互感变化的关系估算出线圈偏移的距离，并依次调节系统接收端线圈在水平方向和竖直方向上的步进电机，具体地，调节接收端线圈水平方向上的步进电机正转或反转直到系统估算的互感值增大，则进一步调节接收端线圈竖直方向上的步进电机正转或反转，直到互感值进一步增大并逐步恢复到互感值减小前的水平。
5.如权利要求1所述的船舶无线充电系统谐振线圈自对准控制方法，其特征在于：所述谐振线圈精对准控制包括：在系统发射端线圈底部安装光电探测器，在系统接收端线圈底部安装红外激光发射器，利用红外激光照射在光电探测器上的区域来反映线圈之间的偏移量，继而通过依次调节控制系统接收端线圈水平方向和垂直方向的步进电机正转或反转，达到线圈对准的目的，最后以红外激光对准光电探测器的圆心点为终止调节信号结束线圈精对准控制。
6.如权利要求5所述的船舶无线充电系统谐振线圈自对准控制方法，其特征在于：利用红外激光照射在光电探测器上的区域来反映线圈之间的偏移量具体为：在系统发射端与接收端线圈完全对准情况下，安装在接收端线圈底部的红外激光发生器射出红外激光正好落于光电探测器圆心，光电探测器圆心即原点，安装在系统发射端线圈底部的光电探测器与发射端线圈是同形状的，光电探测器以圆心为中心，被均分为四个象限区域，以红外激光落在不同象限区域来计算落点与原点的偏移量，继而计算线圈之间的偏移量，最后驱动设置在系统接收端线圈水平方向和垂直方向的步进电机实现线圈自对准控制。
7.如权利要求6所述的船舶无线充电系统谐振线圈自对准控制方法，其特征在于：所述谐振线圈精对准控制具体包括：将系统发射端线圈与接收端线圈调试对准，设置此时光斑在光电探测器圆心时为基准光斑，当海浪扰动，系统接收端线圈偏移导致红外激光光斑位置发生变化时，将新的光斑位置与基准光斑位置进行对比，将对比结果反馈给系统接收端线圈在水平方向和竖直方向上的步进电机，由步进电机带动接收端线圈进行光斑对准，直到光斑回到基准光斑位置。
8.一种船舶无线充电系统谐振线圈自对准装置，其特征在于：包括安装在码头上的系统输电设备和发射线圈、安装在船舶上的用电设备和接收线圈，还包括控制接收线圈在水平方向移动的步进电机、控制接收线圈在垂直方向移动的步进电机，接收线圈底部安装红外激光发射器，发射线圈底部安装四象限光电探测器，当接收线圈因海浪发生偏移时，步进电机驱使接收线圈在水平方向和垂直方向移动，使得红外激光发射器发射的红外激光落到四象限光电探测器的圆心点上，实现谐振线圈自对准控制。
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