CN112590574B - 三角定位法中激励接收端线圈的电路拓扑结构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种三角定位法中激励接收端线圈的电路拓扑结构及控制方法，包括：接收线圈支路，包括串联的电容C_R、电感L_R和电阻R_R；开关S_R，与所述接收线圈支路并联；第一辅助线圈支路，包括串联的电容C₁、电感L₁和电阻R₁；开关S₁，与所述第一辅助线圈支路并联；第二辅助线圈支路，包括串联的电容C₂、电感L₂和电阻R₂；开关S₂，与所述第二辅助线圈支路并联；直流电源，与开关S、开关S_R、开关S₁、开关S₂串联连接。本发明的电路拓扑结构，通过设置开关互补工作的开关频率和导通时间，进而调整电路拓扑结构的谐振频率，可以使电路拓扑结构的接收线圈支路、第一辅助线圈支路和第二辅助线圈支路分别工作在相应线圈支路的谐振频率下。

Description

三角定位法中激励接收端线圈的电路拓扑结构及控制方法

技术领域

本发明属于电动汽车无线充电领域，涉及无线充电的三角定位法技术，更具体地，涉及电动汽车无线充电三角定位法中激励接收端线圈的电路拓扑结构及控制方法。

背景技术

为了节约能源，减少环境污染，电动汽车受到了世界各国的大力推广。由于电池容量及充电基础设施等条件的限制，充电问题成为电动汽车发展过程中面临的最主要瓶颈问题。由于无线充电技术可以解决传统传导式充电面临的接口限制、安全问题等而逐渐发展成为电动汽车充电的主要方式。然而有线充电存在诸多不便。在这样的背景下，电动汽车无线充电技术应运而生，通过非接触的方式为电动汽车提供能量供给。

电动汽车无线充电过程中，汽车的停放位置不准确会导致无线电能传输***性能剧烈下降，严重影响电能传输效率。研究表明，只有5％的司机能够在没有其他任何帮助的情况下，很好地把电动车停在合适的充电位置。因此，汽车定位问题成为了电动车无线充电***广泛被应用的主要障碍。

为了解决该问题，利用三角定位法进行发射线圈和接收线圈的定位。在三角定位法中，接收端有三个线圈，分别是接收线圈和两个辅助线圈。依次激励接收端的三个线圈，通过测量该三个线圈上的电流，并计算发射端线圈与接收端三个线圈的横向距离，进而可得到发射线圈相对于接收线圈的准确位置。

发明内容

为了利用三角定位法进行发射线圈和接收线圈的定位，本发明设计了三角定位法中激励接收端三个线圈的电路拓扑结构，通过控制电路中的开关，可以使电路拓扑结构的接收线圈支路、第一辅助线圈支路和第二辅助线圈支路分别工作在相应线圈支路的谐振频率下。

根据本发明的一个方面，提供一种三角定位法中激励接收端线圈的电路拓扑结构，包括：

接收线圈支路，包括串联的电容C_R、电感L_R和电阻R_R；

开关S_R，与所述接收线圈支路并联；

第一辅助线圈支路，包括串联的电容C₁、电感L₁和电阻R₁；

开关S₁，与所述第一辅助线圈支路并联；

第二辅助线圈支路，包括串联的电容C₂、电感L₂和电阻R₂；

开关S₂，与所述第二辅助线圈支路并联；

直流电源，与开关S、开关S_R、开关S₁、开关S₂串联连接。

进一步地，还包括发射端线圈支路，包括串联连接的电容C_T、电阻R_T和电感L_T。

根据本发明的另一个方面，提供一种三角定位法中激励接收端线圈的电路拓扑结构的控制方法，包括：

控制开关S、S₁、S₂和S_R，设置开关互补工作的开关频率和导通时间，使得电路拓扑结构的接收线圈支路、第一辅助线圈支路和第二辅助线圈支路分别工作在相应线圈支路的谐振频率下；

分别测量所述接收线圈支路的电流i_R、第一辅助线圈支路的电流i₁和第二辅助线圈支路的电流i₂，计算发射线圈与接收线圈、第一辅助线圈、第二辅助线圈之间的耦合距离；

根据耦合距离判断所述发射线圈是否在接收线圈、第一辅助线圈和/或第二辅助线圈的感应区内。

进一步地，当所述接收线圈支路被激励用于测量发射线圈与接收线圈之间的相对位置时，开关S₁、S₂常闭，开关S与开关S_R互补工作。

进一步地，所述开关S和S_R的工作模态为：

S导通，S_R断开，开关S₁、S₂常闭，S_R两端电压为V_dc；

S断开，S_R导通，开关S₁、S₂常闭，S_R两端电压为0。

进一步地，当所述第一辅助线圈支路被激励用于测量发射线圈与第一辅助线圈之间的相对位置时，开关S_R、S₂常闭，开关S与开关S₁互补工作。

进一步地，所述开关S和S₁的工作模态为：

S导通，S₁断开，开关S_R、S₂常闭，S₁两端电压为V_dc；

S断开，S₁导通，开关S_R、S₂常闭，S₁两端电压为0。

进一步地，当所述第二辅助线圈支路被激励用于测量发射线圈与第二辅助线圈之间的相对位置时，开关S_R、S₁常闭，开关S与开关S₂互补工作。

进一步地，所述开关S和S₂的工作模态为：

S导通，S₂断开，开关S_R、S₁常闭，S₂两端电压为V_dc；

S断开，S₂导通，开关S_R、S₁常闭，S₂两端电压为0。

进一步地，还包括确定所述发射线圈所在区域，移动所述接收线圈，使发射线圈到达目标区域。

本发明的电路拓扑结构，通过设置开关互补工作的开关频率和导通时间，进而调整电路拓扑结构的谐振频率，可以使电路拓扑结构的接收线圈支路、第一辅助线圈支路和第二辅助线圈支路分别工作在相应线圈支路的谐振频率下。

通过在接收线圈支路、第一辅助线圈支路和第二辅助线圈支路分别被激励时测量电流信息，计算发射线圈与接收侧三个线圈之间的耦合距离，可以分别判断发射线圈是否在接收侧三个线圈的感应区内，进而判断发射线圈所在区域。确定发射线圈所在区域后，通过对接收线圈相应的移动，可让发射线圈到达目标区域。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1为根据本发明实施例的接收侧三个线圈的感应区及其分区。

图2为根据本发明实施例的激励接收端线圈的电路拓扑结构示意图。

图3为根据本发明实施例的电路拓扑结构的工作模态图。

图4为根据本发明实施例的激励接收端接收线圈的仿真波形图。

图5为根据本发明实施例的电路拓扑结构的工作控制流程图。

图6为根据本发明实施例的电路拓扑结构的控制方法流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在三角定位法中，在发射端设置发射线圈，在接收端设置三个线圈：接收线圈、第一辅助线圈和第二辅助线圈，分别具有相应的感应区。采用三角定位法的前提是，发射线圈位于接收线圈和两个辅助线圈的共同感应区内。但是，实际应用时，并不需要准确的位置信息，所以引入了分区算法。根据线圈间耦合系数与横向距离之间的单解区域，可以定义线圈的感应区。如图1所示，可以把接收侧的三个线圈的感应区分为8个区域，分别是C区、A₁、A₂、A₃、B₁、B₂、B₃、B₄。其中C区为目标区域，圆-Rx、圆-1、圆-2分别代表接收线圈、第一辅助线圈1、第二辅助线圈2的感应区。根据三个线圈的感应区重叠情况，可以区分8个区域分别所处的感应区范围。

优选地，可以依次激励接收端的三个线圈，通过测量三个线圈上的电流，并计算发射端线圈与接收端三个线圈的横向距离，进而可得到发射线圈相对于接收线圈的准确位置。确定发射线圈所在区域后，通过对接收端的移动，可让发射线圈到达目标区域。

本发明提出了一种三角定位法中激励接收端线圈的电路拓扑结构，包括：

接收线圈支路，包括串联的电容C_R、电感L_R和电阻R_R；

开关S_R，与所述接收线圈支路并联；

第一辅助线圈支路，包括串联的电容C₁、电感L₁和电阻R₁；

开关S₁，与所述第一辅助线圈支路并联；

第二辅助线圈支路，包括串联的电容C₂、电感L₂和电阻R₂；

开关S₂，与所述第二辅助线圈支路并联；

直流电源，与开关S、开关S_R、开关S₁、开关S₂串联连接。

进一步地，还包括发射端线圈支路，包括串联连接的电容C_T、电阻R_T和电感L_T。

如图5所示，本发明还提供了一种三角定位法中激励接收端线圈的电路拓扑结构的工作控制方法，包括：

控制开关S、S₁、S₂和S_R，设置开关互补工作的开关频率和导通时间，使得电路拓扑结构的接收线圈支路、第一辅助线圈支路和第二辅助线圈支路分别工作在相应线圈支路的谐振频率下；

分别测量所述接收线圈支路的电流i_R、第一辅助线圈支路的电流i₁和第二辅助线圈支路的电流i₂，计算发射线圈与接收线圈、第一辅助线圈、第二辅助线圈之间的耦合距离；

根据耦合距离判断所述发射线圈是否在接收线圈、第一辅助线圈和/或第二辅助线圈的感应区内。

进一步地，当所述接收线圈支路被激励用于测量发射线圈与接收线圈之间的相对位置时，开关S₁、S₂常闭，开关S与开关S_R互补工作。

进一步地，所述开关S和S_R的工作模态为：

S导通，S_R断开，开关S₁、S₂常闭，S_R两端电压为V_dc；

S断开，S_R导通，开关S₁、S₂常闭，S_R两端电压为0。

进一步地，当所述第一辅助线圈支路被激励用于测量发射线圈与第一辅助线圈之间的相对位置时，开关S_R、S₂常闭，开关S与开关S₁互补工作。

进一步地，所述开关S和S₁的工作模态为：

S导通，S₁断开，开关S_R、S₂常闭，S₁两端电压为V_dc；

S断开，S₁导通，开关S_R、S₂常闭，S₁两端电压为0。

进一步地，当所述第二辅助线圈支路被激励用于测量发射线圈与第二辅助线圈之间的相对位置时，开关S_R、S₁常闭，开关S与开关S₂互补工作。

进一步地，所述开关S和S₂的工作模态为：

S导通，S₂断开，开关S_R、S₁常闭，S₂两端电压为V_dc；

S断开，S₂导通，开关S_R、S₁常闭，S₂两端电压为0。

为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。

为了依次激励接收侧三个线圈，得到电流信息，本实施例提出如图2所示的电路拓扑。图2中电感L_R、L₁、L₂分别为接收端的接收线圈支路、第一辅助线圈支路、第二辅助线圈支路的等效电感；电容C_R、C₁、C₂分别为接收端的接收线圈支路、第一辅助线圈支路、第二辅助线圈支路的补偿电容；电阻R_R、R₁、R₂分别为接收端的接收线圈支路、第一辅助线圈支路、第二辅助线圈支路总的等效电阻。

具体地，接收线圈支路，包括串联的电容C_R、电感L_R和电阻R_R；

第一辅助线圈支路，包括串联的电容C₁、电感L₁和电阻R₁；

第二辅助线圈支路，包括串联的电容C₂、电感L₂和电阻R₂；

开关S_R、S₁、S₂分别与接收线圈支路、第一辅助线圈支路、第二辅助线圈支路并接；

直流电源，与开关S、开关S_R、开关S₁、开关S₂串联连接。

进一步地，还包括发射端线圈支路，包括串联连接的电容C_T、电阻R_T和电感L_T。

如图2所示，一共有4个开关，分别是S、S_R、S₁、S₂，所以应该会有16种组合，即16种工作模态，如表1所示。

当接收端的接收线圈被激励时，两个辅助线圈应该被短接，因此开关S₁、S₂常闭，开关S与开关S_R互补工作。

当接收端的第一辅助线圈1被激励时，开关S_R、S₂常闭，开关S与开关S₁互补工作。

当接收端的第二辅助线圈2被激励时，开关S_R、S₁常闭，开关S与开关S₂互补工作。

因此，模态8和15是用来激励接收端接收线圈，模态8和12是用来激励接收端第一辅助线圈1，模态8和14是用来激励接收端第二辅助线圈2。有效的开关状态有(1011)、(1101)、(1110)、(0111)，其余模态对于本实施例的应用场合来说，均属于无效模态。

表1开关管所有开关模态

图3对应的是激励各个线圈的工作模态图。

以接收线圈被激励的情况为例，根据S、S_R的工作状况可分为两种工作模态。

S导通，S_R断开，开关S₁、S₂常闭，S_R两端电压为V_dc；

S断开，S_R导通，开关S₁、S₂常闭，S_R两端电压为0。

因此，相当于有一个幅值为V_dc的方波接到接收线圈谐振支路，频率、占空比分别由开关S、S_R的开关频率和导通时间决定。当开关频率等于接收线圈谐振支路谐振频率时，将会发生谐振。

PSIM仿真波形图如图4所示。仿真模型中开关频率取100kHz，占空比取0.5，R_R、C_R、L_R分别取1Ω、0.253μF、10μH，输入直流电压V_dc取10V。图4中，Vg，Vg1，Vg2，VgR分别是开关管S，S₁，S₂和S_R的驱动信号。IL1，IL2和ILR分别是流过接收端第一辅助线圈，第二辅助线圈和接收线圈的电流，VSR是开关管S_R两端的电压。

从图4中可以看出，流过接收线圈的电流由于谐振是正弦波形，而流过辅助线圈的电流为0，即各个线圈激励互不影响。

当S导通，S_R关断，开关S₁、S₂常闭时，接收线圈电流为正，C_R谐振充电；当S_R导通，S关断，开关S₁、S₂常闭时，接收线圈电流为负，C_R谐振放电。由于谐振，i_R近似正弦波。

当测量两个辅助线圈的电流i₁、i₂时，工作原理与前面所述类似。因此，可根据电路拓扑工作模态建立表2。表2列出激励各个线圈的有效工作模态。

以“1”表示开关的导通状态，“0”表示开关的关断状态。如表2所示，有效的开关状态有(1011)、(1101)、(1110)、(0111)，(0111)又可分为(0111)₁、(0111)_R、(0111)₂。测量第一辅助线圈电流i₁时，所对应的开关状态为(1011)和(0111)₁；测量接收线圈电流i_R时，所对应的开关状态为(1101)和(0111)_R；测量第二辅助线圈电流i₂时，所对应的开关状态为(1110)和(0111)₂。

表2工作模态

如图6所示，本实施例的电路拓扑结构控制方法为：

首先，激励第一辅助线圈1，工作频率为f₁，测量第一辅助线圈1的电流i₁，比较电流i₁与阈值电流i_{1_th}，如果i₁<i_{1_th}，则可以判定发射线圈位于第一辅助线圈1感应区之内，可能位于A₁、A₂、B₁、B₂内。如果i₁>i_{1_th}，则可以判定发射线圈位于第一辅助线圈1感应区之外，可能位于A₃、B₃、B₄内。

接下来，激励第二辅助线圈2，工作频率为f₂，测量第二辅助线圈2的电流i₂，比较电流i₂与阈值电流i_{2_th}，如果i₂<i_{2_th}，则可以判定发射线圈位于第二辅助线圈2感应区之内，可能位于A₂、A₃、B₂、B₃内。如果i₂>i_{2_th}，则可以判定发射线圈位于第二辅助线圈2感应区之外，可能位于A₁、B₁、B₄内。

接下来，激励接收线圈，工作频率为f_R，测量接收线圈的电流i_R，比较电流i_R与阈值电流i_{R_th}，如果i_R<i_{R_th}，则可以判定发射线圈位于接收线圈感应区之内，可能位于B₁、B₂、B₃、B₄内。如果i_R>i_{R_th}，则可以判定发射线圈位于接收线圈感应区之外，可能位于A₁、A₂、A₃内。

最后，根据三次激励获得的结果取交集，判断发射线圈所处的区域。

本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (7)

1.一种三角定位法中激励接收端线圈的电路拓扑结构的控制方法，基于三角定位法中激励接收端线圈的电路拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构，包括：

所述三角定位法中激励接收端线圈的电路拓扑结构包括：

接收线圈支路，包括串联的电容C_R、电感L_R和电阻R_R；

开关S_R，与所述接收线圈支路并联；

第一辅助线圈支路，包括串联的电容C₁、电感L₁和电阻R₁；

开关S₁，与所述第一辅助线圈支路并联；

第二辅助线圈支路，包括串联的电容C₂、电感L₂和电阻R₂；

开关S₂，与所述第二辅助线圈支路并联；

直流电源，与开关S、开关S_R、开关S₁、开关S₂串联连接；

发射端线圈支路，包括串联连接的电容C_T、电阻R_T和电感L_T；

所述控制方法包括：

控制开关S、S₁、S₂和S_R，设置开关互补工作的开关频率和导通时间，使得电路拓扑结构的接收线圈支路、第一辅助线圈支路和第二辅助线圈支路分别工作在相应线圈支路的谐振频率下；

分别测量所述接收线圈支路的电流i_R、第一辅助线圈支路的电流i₁和第二辅助线圈支路的电流i₂，计算发射线圈与接收线圈、第一辅助线圈、第二辅助线圈之间的耦合距离；

根据耦合距离判断所述发射线圈是否在接收线圈、第一辅助线圈和/或第二辅助线圈的感应区内；当所述接收线圈支路被激励用于测量发射线圈与接收线圈之间的相对位置时，开关S₁、S₂常闭，开关S与开关S_R互补工作。

2.根据权利要求1所述的三角定位法中激励接收端线圈的电路拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述开关S和S_R的工作模态为：

S导通，S_R断开，开关S₁、S₂常闭，S_R两端电压为V_dc；

S断开，S_R导通，开关S₁、S₂常闭，S_R两端电压为0。

3.根据权利要求1所述的三角定位法中激励接收端线圈的电路拓扑结构的控制方法，其特征在于，当所述第一辅助线圈支路被激励用于测量发射线圈与第一辅助线圈之间的相对位置时，开关S_R、S₂常闭，开关S与开关S₁互补工作。

4.根据权利要求3所述的三角定位法中激励接收端线圈的电路拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述开关S和S₁的工作模态为：

S导通，S₁断开，开关S_R、S₂常闭，S₁两端电压为V_dc；

S断开，S₁导通，开关S_R、S₂常闭，S₁两端电压为0。

5.根据权利要求1所述的三角定位法中激励接收端线圈的电路拓扑结构的控制方法，其特征在于，当所述第二辅助线圈支路被激励用于测量发射线圈与第二辅助线圈之间的相对位置时，开关S_R、S₁常闭，开关S与开关S₂互补工作。

6.根据权利要求5所述的三角定位法中激励接收端线圈的电路拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述开关S和S₂的工作模态为：

S导通，S₂断开，开关S_R、S₁常闭，S₂两端电压为V_dc；

S断开，S₂导通，开关S_R、S₁常闭，S₂两端电压为0。

7.根据权利要求1所述的三角定位法中激励发射端线圈的电路拓扑结构的控制方法，其特征在于，进一步包括确定所述发射线圈所在区域，移动所述接收线圈，使发射线圈到达目标区域。

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