多输入/单输出无线充电系统及相应的波束形成控制方法及多元无线充电系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多输入/单输出无线充电系统及相应的波束形成控制方法及多元无线充电系统。该多输入/单输出无线充电系统由两个子系统组成：即互感估计子系统和无线充电子系统。互感估计子系统能够仅利用发射线圈上的电压值准确计算出在任意相对位置下发射线圈与接收线圈间的互感；无线充电子系统的功能是利用估计出的互感并结合本发明专利技术提出的波束形成控制方法，为移动中的电动车提供稳定的电能。为了使两个子系统能够独立工作，它们各自的工作频率不同。本发明专利技术能够在运动过程中准确快速的对收/发线圈间的互感进行计算，同时又能在不受互感估计过程干扰的情况下为负载提供功率稳定的电能。

【技术实现步骤摘要】
多输入/单输出无线充电系统及相应的波束形成控制方法及多元无线充电系统
本专利技术涉及电动汽车的动态无线充电领域，特别是涉及一种可用于对行驶中的纯电动汽车进行功率稳定的无线充电的系统。
技术介绍
现有的纯电动车的动态无线充电技术中，通常将无线传输系统的多个发射线圈安装在道路下方，同时将接收线圈安装在电动车底盘上。当电动车行驶过发射线圈上方时，收/发线圈之间产生电磁耦合，发射线圈将电能以电磁波的形式无线传输至接收线圈，达到无线充电的目的。然而这种传输模式却存在明显的缺陷。首先，无线充电的传输功率大小与收/发线圈间相对位置的直接相关，传输功率在两线圈同轴正对时达到最大，在线圈间发生径向错位时急剧减小。因此，当电动车依次驶过多个发射线圈上方时，传输功率会发生显著的上下波动。这将接收端电池充电功率不稳定，不仅降低了无线充电的速率，而且会损害电池寿命。为了达到稳定输出功率的目的，一些研究者通过根据收/发线圈间的互感来控制每个发射线圈的驱动电压，进而控制多个发射线圈联合为接收线圈提供稳定电能。而这样的设计必须要时刻准确的估计运动中的收/发线圈在不同相对位置下的互感，在得到互感后，再控制发射线圈的驱动电压进行稳定功率的传输。在现有的无线充电系统中，由于互感估计过程的存在，使得无线传输系统必须在互感估计和无线充电两个状态下不停切换，使得传输的效率大大降低。更严重的是，在互感估计过程中，传统的互感估计方式都是利用发射线圈通电产生电磁波，再对接收线圈进行耦合，最后通过基尔霍夫理论计算出互感。然而，发射线圈的内阻很小，在收/发线圈距离较远而欠耦合时，发射线圈上即使加载很小的电压也有可能产生很大的电流，极易导致发射线圈发热，不仅产生能量损失，还会导致安全隐患。当电动车与某个发射线圈距离较远时，该发射线圈处于空载状态，即收/发线圈此时处于零耦合状态，此时如果盲目加入发射线圈驱动电压，就会产生过载电流，烧坏电路，引起安全事故。
技术实现思路
1、本专利技术的目的为了克服现有技术的不足，本专利技术提出了一种基于包含两个子系统的多输入/单输出无线充电系统及相应的波束形成控制方法，能够在任意位置下为运动中的电动车进行功率稳定的电能供给。2、本专利技术所采用的技术方案本专利技术公开了一种多输入/单输出无线充电系统及相应的波束形成控制方法，包括步骤1、位于互感估计子系统中的12V电压源和DC/AC变换器产生频率为fm的交流驱动电压VE；步骤2、逆变产生的交流电驱动互感估计接收子线圈产生交变电磁场并与发射子线圈产生耦合，即从电池组获取电能并进行调压逆变后为互感估计接收子线圈提供与之谐振频率相同的交流电压VE；此时，互感估计接收子线圈受到电压VE的激发在周围空间形成交变电磁场；步骤3、互感估计发射子线圈在电磁场中产生感应电动势Vmi，同时该电动势被安装在线圈上的电压检测探头所获得并传入计算机，即利用基尔霍夫电学方程对两线圈中的电学信息进行联立求解，即可得到每个发射线圈与接收线圈的互感，即利用方程组计算出所有互感估计发射子线圈与接收子线圈之间的互感矩阵Mm2；由于互感估计接收子线圈中的交流驱动电压VE受AC/DC调压变换器控制逆变得来，因此VE为已知量；互感估计发射子线圈的感应电动势由电压检测探头测得，Mm1中包含着所有互感估计发射子线圈间的互感信息，为已知质量；IE为互感估计接收子线圈上的电流值；Rmr为发射子线圈的内阻，Rma为电压检测电阻矩阵。更进一步，矩阵元素为：更进一步，互感估计子系统将计算出的互感矩阵Mm2传给无线充电子系统，计算机将互感Mm2代入(1)中，生成无线充电子系统发射子线圈的驱动电压矩阵稳定电能传输功率；波束形成控制法的表达式如下：其中M1＝Mm1、M2＝Mm2，为无线充电子系统发射子线圈上的电流矩阵，RL为无线充电子系统接收子线圈上的负载阻抗，Rr为该接收子线圈的内阻，可忽略。更进一步，矩阵元素如下：计算控制无线充电发射子线圈上的DC/AC变换器产生驱动电压开始为接收端充电。本专利技术公开了一种多元无线充电系统，包括两个多输入、单输出的子系统组成，即互感估计子系统和无线充电子系统；两个子系统均由数目一致的发射线圈和一个接收线圈组成，但谐振频率互不相同；互感估计子系统利用发射线圈上的电压值计算出在任意相对位置下发射线圈与接收线圈间的互感；无线充电子系统利用估计出的互感并结合根据权利要求1-4任一所述的波束形成控制方法为移动中的电动车提供电能。更进一步，互感估计子系统由n个互感估计发射子线圈和一个互感估计接收子线圈组成；其工作频率设为fm；互感估计接收子线圈由一个12V电压源和一个DC/AC变换器驱动产生频率为fm的交变电磁场；每个互感估计发射子线圈上都装有一个电压检测电阻和一个电压检测探头，电压检测探头检测到电压检测电阻上产生的感应电压值，并计算出发射子线圈和接收子线圈间的互感；检测探头的电压采样周期为T。更进一步，无线充电子系统由n个无线充电发射子线圈和一个无线充电接收子线圈组成；该子系统的工作频率设为f，f<<fm；每个无线充电发射子线圈都接入一个DC/AC变换器，为无线充电发射子线圈提供独立的交流驱动电压；在每个采样周期T中，波束形成控制方法控制DC/AC变换器产生波形和相位的驱动电压，从而驱动相应的无线充电发射子线圈为移动中的无线充电接收子线圈提供电压稳定的电能。更进一步，互感估计发射子线圈、互感估计接收子线圈与无线充电发射子线圈、无线充电发射接收子线圈相间混合缠绕；两个子线圈独立工作，且属于不同的子电路。更进一步，互感估计子系统中的发射子线圈与接收子线圈间的互感大小等于无线充电系统中的发射子线圈与接收子线圈间的互感大小。更进一步，互感估计接收子线圈上的驱动电流的大小不超过该子线圈所能承载的最大电流；无线充电发射子线圈上的驱动电流的大小不超过该子线圈所设定的驱动电流上限。3、本专利技术所采用的有益效果(1)本专利技术提高无线传输的时间利用率。互感估计过程与无线充电过程分别由两个子系统同时完成，因此无线充电过程可以自始至终不间断进行。而传统的无线充电系统中，由于只应用了一套发射线圈与接收线圈，因此它们在工作时需要在互感估计过程与无线充电过程之间来回切换，使得系统无法全程为电动车充电。(2)本专利技术节约能源降低辐射。传统无线充电的互感估计过程中，通常使用所有发射线圈发出电磁波耦合接收线圈，用以测量收/发线圈间互感。因此，无论耦合与否，所有发射线圈始终处于工作状态，因此造成了能量的浪费。本专利技术公开的方法中，所有互感估计发射子线圈处于休眠状态，而使用接收子线圈发出电磁波来反向耦合发射子线圈。因此只有在处在接收线圈磁场内的部分发射子线圈才会产生感应电压而被唤醒进行能量传输，达到节约能源的效果。(3)本专利技术不使用经验公式以及任何附加的电子设备来估计互感，不仅估计过程简单可靠，可以在任何工作环境下一次估计出所有发射线圈与接收线圈间的互感值，而本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多输入/单输出无线充电系统及相应的波束形成控制方法，其特征在于:步骤1、位于互感估计子系统中的12V电压源和DC/AC变换器产生频率为f

【技术特征摘要】
1.一种多输入/单输出无线充电系统及相应的波束形成控制方法，其特征在于:步骤1、位于互感估计子系统中的12V电压源和DC/AC变换器产生频率为fm的交流驱动电压VE；
步骤2、逆变产生的交流电驱动互感估计接收子线圈产生交变电磁场并与发射子线圈产生耦合，即从电池组获取电能并进行调压逆变后为互感估计接收子线圈提供与之谐振频率相同的交流电压VE；此时，互感估计接收子线圈受到电压VE的激发在周围空间形成交变电磁场；
步骤3、互感估计发射子线圈在电磁场中产生感应电动势Vmi，同时该电动势被安装在线圈上的电压检测探头所获得并传入计算机，即利用基尔霍夫电学方程对两线圈中的电学信息进行联立求解，即可得到每个发射线圈与接收线圈的互感，即利用方程组



计算出所有互感估计发射子线圈与接收子线圈之间的互感矩阵Mm2；由于互感估计接收子线圈中的交流驱动电压VE受AC/DC调压变换器控制逆变得来，因此VE为已知量；互感估计发射子线圈的感应电动势由电压检测探头测得，Mm1中包含着所有互感估计发射子线圈间的互感信息，为已知质量；IE为互感估计接收子线圈上的电流值；Rmr为发射子线圈的内阻，Rma为电压检测电阻矩阵。


2.根据权利要求1所述的多输入/单输出无线充电系统及相应的波束形成控制方法，其特征在于:矩阵元素为：





3.根据权利要求2所述的多输入/单输出无线充电系统及相应的波束形成控制方法，其特征在于:互感估计子系统将计算出的互感矩阵Mm2传给无线充电子系统，计算机将互感Mm2代入(1)中，生成无线充电子系统发射子线圈的驱动电压矩阵稳定电能传输功率；波束形成控制法的表达式如下：






其中M1＝Mm1、M2＝Mm2，为无线充电子系统发射子线圈上的电流矩阵，RL为无线充电子系统接收子线圈上的负载阻抗，Rr为该接收子线圈的内阻，可忽略。


4.根据权利要求3所述的多输入/单输出无线充电系统及相应的波束形成控制方法，其特征在于矩阵元素如下：



计算控制无线充电发射子线圈上的DC/AC变换器产生驱动电压开始为接收端充电。


5.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：康乐，杨浩东，胡松，高珏，
申请(专利权)人：常熟理工学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32