一种非接触电能传输装置及位置检测方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于柔性行波预激励的位置检测方法及非接触电能传输装置，该非接触电能传输装置包括：预激励用功率变换单元、预激励绕组、原边磁芯、原边控制器、副边功率绕组、副边磁芯、负载以及副边功率变换单元。所述位置检测方法为：对原边预激励绕组预先施加自由、灵活、可变的激励来构造磁场幅度和波峰、波谷位置可调的柔性行波，依据变激励最值搜索找到输出反馈或原边采样信号的峰值所对应的激励特征来判断得到副边绕组的中心位置，从而提供位置信息用于原副边绕组对位或者非接触电能传输系统控制。本发明专利技术所提基于柔性行波预激励的位置检测方法，其原边预激励绕组可以为原边功率发射绕组，也可以为附加绕组。且该方法对两种典型副边绕组结构（盘式、DD）均适用。

A contactless power transmission device and position detection method

The invention discloses a position detection method based on flexible traveling wave pre-excitation and a non-contact power transmission device. The non-contact power transmission device comprises a power conversion unit for pre-excitation, a pre-excitation winding, a primary core, a primary controller, a secondary power winding, a secondary core, a load and a single secondary power conversion unit. Yuan. The position detection method is that a flexible traveling wave with adjustable magnetic field amplitude, wave crest and trough position is constructed by applying free, flexible and variable excitation to the original pre-excited winding in advance, and the excitation characteristic corresponding to the peak value of output feedback or original sampled signal is found by searching for the variable excitation maximum value to judge the secondary winding. The center position provides position information for the control of the original secondary winding alignment or contactless power transmission system. A position detection method based on flexible traveling wave pre-excitation is proposed. The original side pre-excitation winding can be either the original side power transmitting winding or the additional winding. The method is applicable to two typical secondary winding structures (disk and DD).

【技术实现步骤摘要】
一种非接触电能传输装置及位置检测方法
本专利技术涉及电力电子技术、非接触供电技术，具体涉及一种基于“柔性行波预激励”的位置检测方法及非接触电能传输装置。
技术介绍
非接触供电利用磁场耦合实现“无线供电”，即采用原副边完全分离的非接触变压器，通过高频磁场的耦合传输电能，使得在能量传递过程中原边(供电侧)和副边(用电侧)无物理连接。与传统的接触式供电相比，非接触供电使用方便、安全，无火花及触电危险，无积尘和接触损耗，无机械磨损和相应的维护问题，可适应多种恶劣天气和环境，便于实现自动供电，具有良好的应用前景。虽然非接触供电优点突出，但是依然存在一些实际问题需要解决，其中一个关键问题就是原副边绕组的准确对位问题。一般情况下，当原副边变压器错位时，原副边耦合变差导致非接触电能传输系统的功率传输能力与效率明显下降：损耗增加，器件应力增加，系统可靠性降低，充电时间延长，用户体验变差。原副边相对位置检测(即位置检测)，可以为绕组持续提供准确的导引信息，直至原副边准确对位；也可以为原边系统提供副边的位置信息，从而方便原边系统调节激励、绕组结构、补偿参数等，实现小范围错位时功率的高效、稳定传输。因此，快速、准确的定位系统是整个非接触电能传输系统中不可或缺的一部分。现有的位置检测方法包括，图像识别、GPS、mmWave、光栅、RFID等方法，不能同时满足非接触电能传输系统在成本、精度、体积、场景等方面的实际要求。如果能够利用非接触电能传输系统本身的磁场特性实现一定精度的位置检测，将极大的降低成本，提高其实用性。非接触电能传输的实际应用中，副边绕组可以为DD绕组(绕组结构如图2，其主磁通示意图如图4)，可以为盘式绕组(绕组结构如图3，主磁通示意图如图5)。传统的依据预激励的磁场特性的位置检测方法，如图6所示，副边输出电压随着副边位置的相对偏移而变化，由输出感应电压的数值规律可以判断得到副边的相对偏移程度，即副边位置。但是，不同匝数的副边绕组在相同的错位下的输出电压并不相同，如图6中绕组1测试曲线以及绕组2的测试曲线。因此该种方法只能针对特定结构特定尺寸、匝数的副边绕组，或者依赖数据库，适用性有限。对此，本专利技术提出了基于“柔性行波磁场预激励”的位置检测方法。所谓“柔性行波磁场定向调控”，即通过对非接触供电系统的原边绕组施加自由、灵活、可变的激励来实现对空间磁场动态调节，根据原副边的反馈信号来判断得到副边绕组结构中心位置。不局限于传统预激励方法，本专利技术利用柔性行波激励，通过比较不同激励条件下的副边输出相对电压或相对功率，以最大输出功率和/或最大输出电压和/或最大输出电流对对应的激励条件来反推副边相对位置，降低了对副边输出的绝对数值的依赖性以及对副边参数、结构提前预知的要求。此外,本专利技术并不额外增加位置检测装置，利用主功率线圈本身实现较为准确的位置检测，解决非接触电能传输系统中原副边绕组的对位问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：主要解决非接触电能传输系统中原副边绕组相对位置信息获取。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：该装置包括预激励用功率变换单元、预激励绕组、原边磁芯、控制器、副边/原边功率绕组、副边磁芯、副边功率变换单元及负载；其中，所述预激励绕组可以置于原边，也可以置于副边；预激励绕组可以共用原边/副边功率绕组，也可以为独立附加绕组；预激励绕组可包括一个或多个预激励绕组单元，每个预激励绕组单元至少包含两个空间位置不同的独立线圈，且至少有两个线圈的激励电流大小以及相位可由控制器通过预激励用功率变换单元独立调节，来构造形成磁场幅度和波峰、波谷位置连续受控可调的柔性行波磁场；预激励用功率变换单元包含逆变器和补偿网络为线圈提供激励；控制器通过施加可变的行波激励，实现原副边相对位置的检测。其中，所述预激励绕组可由多个预激励绕组单元通过平移、旋转及其组合方式，构成得到。其中，所述装置还包括副/原边电压和/或电流和/或功率检测或估算电路，原副边可通过蓝牙、WIFI、ZigBee、磁反馈、射频或红外等进行无线通信。传统原边DD绕组、盘式绕组的空间磁场的长短轴位置(波峰波谷位置)固定，不可调。相比于传统无线充电装置，本专利技术所提装置的本质差别在于，预激励绕组线圈电流施加行波激励可构成柔性行波磁场-波峰位置(长轴位置xm)、波谷位置(短轴位置xn)受控且连续可调的空间磁场。为便于理解，此处首先对磁场长轴位置(xm)、短轴位置(xn)的含义作出说明。如附图7所示，以原边绕组(预激励绕组)有两个线圈构成为例，当副边方形线圈的中心位置(xs)变化时，此处以沿x轴移动为例，不同位置xs下的副边输出电压不同。而对于传统行波磁场，不同位置xs下的输出电压相同，但输出电压较小，增益低，且功率传输效率不高。并且传统的行波激励方法，预激励绕组电流的幅值、相位关系固定不变，不随副边绕组位置变化。在本专利技术中，对于任一固定的原边线圈激励关系(幅值大小、相位关系)，副边中心移动至输出电压最大的位置，即为磁场长轴位置xm或波峰位置；副边输出电压最小值所在位置，即为磁场短轴位置xn或磁场波谷。最大输出电压Vo表征该种激励条件下的磁场幅度L。在不同的原边激励下，长轴位置xm、短轴位置xn也各不同。本专利所提方案中，原边绕组优先采用分布式绕制，保证波峰、波谷位置在不同激励条件下实现连续受控可调。长轴位置(xm)、短轴位置(xn)与原边绕组各线圈电流的激励关系，随原边绕组的分布的变化而变化，控制器根据麦克斯韦方程组、毕奥萨伐尔定律实时计算得到，或通过查由Ansys、Comsol等电磁场仿真软件通过仿真或计算得到离线表得到。一种基于柔性行波预激励的位置检测方法，该方法用于得到非接触电能传输装置原副边的相对位置，为后续功率控制或对位导引提供位置信息。其特征在于，实施步骤依次为：步骤(1).以预激励绕组中心为参考，确定磁场长轴移动的位置区间；步骤(2).对预激励绕组施加电流幅值和/或相位可变的激励构成柔性行波磁场,使得其长轴在上述区间内变化；根据预激励绕组所施加激励的电流大小及相位关系可实时计算或查离线表得到相应的长轴位置xm、短轴位置xn、磁场幅度为L，控制器检测、存储每组预激励下原边输入功率或副边输出功率，统称为Q，形成(xm,xn,Q/L2)数据；变化激励，对Q/L2的最大值进行搜索，控制器记录存储相应的长轴位置xm*以及短轴位置xn*；步骤(3)控制器根据最大Q/L2所对应的长轴位置xm*、短轴位置xn*、绕组结构(盘式结构或DD结构)，得到副/原边绕组相对于预激励绕组的位置，得到原副边的相对位置。其中，步骤(2)中：对预激励绕组所施加激励，可采用“固定绕组电流幅值改变电流相位”或“固定绕组电流相位改变电流幅值”或“恒定磁场幅度L激励”的方式进行Q/L2的最大值搜索，其中，恒定磁场幅度L激励下预激励绕组所施加的电流、相位关系可实时计算或查离线表得到。其中，步骤(2)中的原边输入功率/副边输出功率，若输入电压/输出电压恒定时，可用输入电流/输出电流大小表征输入功率/输出功率；若输入电流/输出电流恒定，可用输入电压/输出电压表征输入/输出功率。其中，步骤(2)中的Q/L2的最大值查找，可采用遍历查找，二分查找、冒泡排序、选择排序、变步长搜索等最值搜索方法。其中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于柔性行波预激励的非接触电能传输装置，装置包括预激励用功率变换单元、预激励绕组、原边磁芯、控制器、副边/原边功率绕组、副边磁芯、副边功率变换单元及负载；其特征在于：预激励绕组置于原边或副边；预激励绕组共用原边/副边功率绕组，或为独立附加绕组；预激励绕组包括一个或多个预激励绕组单元，每个预激励绕组单元至少包含两个空间位置不同的独立线圈，且至少有两个线圈的激励电流大小以及相位由控制器通过预激励用功率变换单元独立调节，来构造形成磁场幅度和波峰、波谷位置受控连续可调的柔性行波磁场；预激励用功率变换单元包含逆变器和补偿网络为线圈提供激励；控制器通过施加可变的行波激励，实现原副边相对位置的检测。

【技术特征摘要】
1.一种基于柔性行波预激励的非接触电能传输装置，装置包括预激励用功率变换单元、预激励绕组、原边磁芯、控制器、副边/原边功率绕组、副边磁芯、副边功率变换单元及负载；其特征在于：预激励绕组置于原边或副边；预激励绕组共用原边/副边功率绕组，或为独立附加绕组；预激励绕组包括一个或多个预激励绕组单元，每个预激励绕组单元至少包含两个空间位置不同的独立线圈，且至少有两个线圈的激励电流大小以及相位由控制器通过预激励用功率变换单元独立调节，来构造形成磁场幅度和波峰、波谷位置受控连续可调的柔性行波磁场；预激励用功率变换单元包含逆变器和补偿网络为线圈提供激励；控制器通过施加可变的行波激励，实现原副边相对位置的检测。2.根据权利要求1所述的非接触电能传输装置，其特征在于，所述预激励绕组可由多个预激励绕组单元通过平移、旋转及其组合方式，构成得到。3.根据权利要求1所述的非接触电能传输装置，其特征在于，所述装置还包括副/原边电压和/或电流和/或功率检测或估算电路，原副边还通过蓝牙、WIFI、ZigBee、磁反馈、射频或红外进行无线通信。4.基于权利要求1所述非接触电能传输的柔性行波预激励的位置检测方法，结合原边预激励绕组的位置检测方法，给出其实施步骤：(1)以预激励绕组中心为参考，确定磁场长轴移动的位置区间；其中，磁场长轴位置即为磁场波峰位置，短轴位置即为波谷位置；(2)对预激励绕组施加电流幅值和/或相位可变的激励构成柔性行波磁场,使得其长轴在上述区间内变化；根据激励的电流大小及相位关系可实时计算或查离线表得到相应的长轴位置xm、短轴位置xn、磁场幅度为L，控制器检测、存储每组预激励下原边输入功率或副边输出功率，统称为Q，形成(xm,xn,Q/L2)数据；变化激励，对Q/L2的最大值进行搜索，控制器记录最大Q/L2所对应的磁场长轴位置xm*以及短轴位置xn*；(3)控制器根据最大Q/L2所对应的长轴位置xm*、短轴位置xn*、绕组结构(盘式结构或DD结构)，得到副/原边绕组相对于预激励绕组的位置，转换得到原副边的相对位置。5.根据权利要求4所述的位置检测方法，其特征在于，步骤(2)中对预激励绕组施加电流幅值和/或相位可变的激励，可采用固定绕组电流幅值改变电流相位或固...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈乾宏，高伟，柯光洁，耿玉川，徐立刚，张斌，任小永，张之梁，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32