CN115765219A - 动态无线电能传输负载检测***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动态无线电能传输负载检测***及方法，在发射端设置有原边LCC谐振网络、发射线圈、第一检测线圈和第二检测线圈，在拾取端设置有副边LCC谐振网络和接收线圈，在接收线圈上串接有第一辅助线圈并产生第一辅助电磁信号；副边LCC谐振网络中的补偿电感采用第二辅助线圈构成且产生第二辅助电磁信号，第一检测线圈与第一辅助线圈对应设置形成有第一拾取电压；第二检测线圈与第二辅助线圈对应设置形成有第二拾取电压，控制器通过第一拾取电压和第二拾取电压来判定负载状态。其效果是：在不依赖无线通讯的条件下快速监测负载的状态，并根据监测数据调节***的输出功率，检测速度可达到微秒级，较原有方案有了较大的提升。
Description
技术领域
本发明涉及无线能量传输技术，具体地说，涉及一种动态无线电能传输负载检测***及方法。
背景技术
动态无线电能传输技术可以实现用电设备在移动过程中以无接触的方式获得源源不断的电能，在半导体晶圆运输、液晶玻璃基板运输，直线物流分拣机中有着广泛的应用。动态无线电能传输***可分为固定端和移动端两部分，其中固定端由原边控制柜和轨道线组成，主要作用是将工频交流电转化为高频交流电，该高频交流电在轨道中产生高频交变磁场，使能量以磁能的方式散射到空间中；移动端一般随用电设备移动，设备在移动的过程中由移动端装置捕获空间中的高频交变磁场，产生感应电动势，将磁能转化为电能，通过电能变换器为用电设备提供电能。目前的动态无线电能传输***中的用电设备只能沿轨道做固定轨迹的往复或循环运动，原副边的垂直距离在运动的过程中可保持固定。
传统的动态无线电能传输***只是单独实现了固定端与移动端两个子***的各自的闭环控制，无法实现整个***的闭环，关键原因在于轨道较长时，固定端与移动端通讯距离增加，导致无线通讯信号逐渐衰减。有方案采用室内WIFI模式通讯，但在交错轨道中，无法实现移动端与两个固定端之间的准确实时切换；有方案将移动端状态随用电设备总数据通过无线通讯链路传入地面总控室后解析，再与地面总控室接收到的固定端控制柜的状态比对，但整个过程数据延迟将达到百毫秒级，无法实现快速准确的闭环控制。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明首先提供一种动态无线电能传输负载检测***，使固定端能够在不依赖无线通讯的条件下快速监测负载的状态，并根据监测数据调节***的控制模式，实现整个***的闭环控制，检测速度可达到微秒级，较原有方案有了较大的提升。
为实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
一种动态无线电能传输负载检测***，在发射端设置有原边LCC谐振网络和发射线圈，在拾取端设置有副边LCC谐振网络和接收线圈，其关键在于：在所述接收线圈上串接有第一辅助线圈并通过流通所述接收线圈的拾取电流来产生第一辅助电磁信号；所述副边LCC谐振网络中的补偿电感采用第二辅助线圈构成，且通过所述第二辅助线圈来产生第二辅助电磁信号，在所述发射端还设置有第一检测线圈和第二检测线圈，其中所述第一检测线圈与所述第一辅助线圈对应设置，用于检测通过第一辅助电磁信号所形成的第一拾取电压；所述第二检测线圈与所述第二辅助线圈对应设置，用于检测通过第二辅助电磁信号所形成的第二拾取电压，在发射端还设置有通过第一拾取电压和第二拾取电压来判定负载状态的控制器。
可选地，所述第一辅助线圈和所述第一检测线圈为平面线圈。
可选地，所述第二辅助线圈和所述第二检测线圈为平面线圈。
可选地，所述第一辅助线圈和所述第一检测线圈按平面圆形线圈螺旋绕制。
可选地，所述第二辅助线圈和所述第二检测线圈按平面方形线圈螺旋绕制。
可选地，在发射端设置有直流电源和全桥逆变器，所述控制器还用于根据负载状态控制所述全桥逆变器的输出功率。
可选地，所述拾取端设置有整流滤波电路和负载接口。
可选地，所述发射线圈采用导轨式结构，所述拾取端沿着所述发射线圈的铺设路径移动，在所述拾取端的移动路径上设置有多个第一检测线圈和多个第二检测线圈。
基于上述***，本发明还提供一种动态无线电能传输负载检测方法，其关键在于，包括以下步骤：
S1：按照前文所述的动态无线电能传输负载检测***进行***搭建，并确定ω、Cf2、MLd1-Lsa和MLd2-Lf2，其中ω为***工作角频率，Cf2为副边LCC谐振网络中与补偿电感并联的补偿电容值，MLd1-Lsa为第一辅助线圈和第一检测线圈之间的互感值，MLd2-Lf2为第二辅助线圈和第二检测线圈之间的互感值；
S2：通过控制器检测第一检测线圈的拾取电压VLd1和第二检测线圈的拾取电压VLd2；
S3：按照Req＝VLd1VLd2/ωCf2MLd1-LsaMLd2-Lf2计算等效负载电阻Req来确定负载状态。
可选地，所述发射线圈采用导轨式结构，所述拾取端沿着所述发射线圈的铺设路径移动，在所述拾取端的移动路径上对应每个驻停位置分别设置第一检测线圈和多个第二检测线圈，所述控制器通过计算多个驻停位置的等效负载电阻的平均值来确定负载状态。
本发明的显著效果是：
本发明提供了一种不依赖于无线通讯的方式离散式检测负载状态的动态无线电能传输负载检测***与检测方法，通过在移动端增加一个串联线圈，固定端增加两个检测线圈的模式，根据电路中的电压电流参数计算出负载值的大小，固定端可以以此为控制反馈量调节整个***的输出功率，快速监测***的工作状态，大大提升***检测速度，满足负载变化时***快速实现自适应控制。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明具体实施例中的***电路原理图；
图2为本发明具体实施例中第一辅助线圈和第一检测线圈的结构示意图；
图3为本发明具体实施例中第二辅助线圈和第二检测线圈的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1-图3所示，本实施例提供一种动态无线电能传输负载检测***，在发射端设置有直流电源、全桥逆变器、原边LCC谐振网络和发射线圈，一般情况下，***输入为单相或三相交流，经过功率因数校正电路后得到一个稳定的高压直流源，图1中将功率因数校正电路省略后，将整个***的输入端等效为直流电源Uin，S1，S2，S3和S4组成了全桥逆变器，其主要功能为将直流电转化为高频交流电，电感Lf1、电容Cp和电容Cf1构成原边LCC谐振网络，Lp为发射线圈，本实施例中，发射线圈Lp为***固定端的轨道线缆，高频交流电流在Lp中完成电能向磁能的转换。
在拾取端设置有副边LCC谐振网络和接收线圈，在接收线圈上串接有第一辅助线圈并通过流通所述接收线圈的拾取电流来产生第一辅助电磁信号；副边LCC谐振网络中的补偿电感采用第二辅助线圈构成，且通过第二辅助线圈来产生第二辅助电磁信号，通过图1可以看出，Lsm为接收线圈，用于感应Lp发射出的高频交变磁场，Lsa为第一辅助线圈与Lsm串联，流过的电流为Is，电容Cs、电容Cf2和补偿电感Lf2组成副边LCC谐振网络，在拾取端还设置有整流滤波电路和负载接口，电流经补偿电感Lf2后进入拾取端的整流滤波电路，将高频交流转化为直流电向负载供电，本例中可将整流桥及后面的电路视为动态无线供电***的等效负载Req。
对应的，在发射端还设置有第一检测线圈Ld1和第二检测线圈Ld2，其中第一检测线圈Ld1与第一辅助线圈Lsa对应设置，用于检测通过第一辅助电磁信号所形成的第一拾取电压VLD1；第二检测线圈Ld2与第二辅助线圈Lf2对应设置，用于检测通过第二辅助电磁信号所形成的第二拾取电压VLD2，在发射端还设置有通过第一拾取电压VLD1和第二拾取电压VLD2来判定负载状态的控制器，该控制器还用于根据负载状态控制所述全桥逆变器的输出功率。
具体实施时，通过图2可以看出，第一辅助线圈Lsa和第一检测线圈Ld1为平面线圈，且按平面圆形线圈螺旋绕制，线圈的匝数和尺寸完全一致，互感MLd1-Ls在任何时候都完全一致；通过图3可以看出，第二辅助线圈Lf2和第二检测线圈Ld2为平面线圈，且按平面方形线圈螺旋绕制，线圈的匝数和尺寸完全一致，互感MLd2-Lf2在任何时候都完全一致。
根据图1所提供的***，***阻抗变换公式：
Req＝isωCf2iLf2 (1)
***工作时，辅助线圈Ld1和Ld2上的感应电压为：
VLd1＝ωMLd1-Lsais (2)
VLd2＝ωMLd2-Lf2iLf2 (3)
将上式转化为is和iLf2的等式，可得：
is＝VLd1/ωMLd1-Lsais (4)
iLf2＝VLd2/ωMLd2-Lf2 (5)
将式(4)和(5)带入(1)中，可得：
Req＝VLd1VLd2/ωCf2MLd1-LsaMLd2-Lf2 (6)
式(6)中ω、Cf2为定值；MLd1-Lsa和MLd2-Lf2的值与移动端与轨道横向的相对位置有关，可在设计之初确定其平均值或最大值。通过式(6)可以看出，只要检测出VLd1和VLd2即可计算此时的实时负载。
结合上述分析，本实施例还提供一种动态无线电能传输负载检测方法，包括以下步骤：
S1：按照前文所述的动态无线电能传输负载检测***进行***搭建，并确定ω、Cf2、MLd1-Lsa和MLd2-Lf2，其中ω为***工作角频率，Cf2为副边LCC谐振网络中与补偿电感并联的补偿电容值，MLd1-Lsa为第一辅助线圈和第一检测线圈之间的互感值，MLd2-Lf2为第二辅助线圈和第二检测线圈之间的互感值；
S2：通过控制器检测第一检测线圈的拾取电压VLd1和第二检测线圈的拾取电压VLd2；
S3：按照Req＝VLd1VLd2/ωCf2MLd1-LsaMLd2-Lf2计算等效负载电阻Req来确定负载状态。
具体应用过程中，其应用场景可分为两类，一是拾取端驻停处需要启动设备上多个电机时，此时负载会产生突变，在驻停处布置辅助检测线圈Ld1和Ld2，可实时检测负载需求的功率值，此时MLd1-Lsa和MLd2-Lf2取最大值计算，可得到准确的负载功率需求；二是在拾取端运行的过程中，随机在轨道布置检测线圈Ld1和Ld2，可通过此方法计算负载的平均值，以验证移动端电路是否出现异常。因此，发射线圈采用导轨式结构时，拾取端沿着发射线圈的铺设路径移动，可以在拾取端的移动路径上设置有多个第一检测线圈和多个第二检测线圈，控制器通过计算多个驻停位置的等效负载电阻的平均值来确定负载状态。
综上所述，本发明通过在移动端增加一个串联辅助线圈，固定端增加两个检测线圈的模式，根据电路中的电压电流参数计算出负载值的大小，固定端可以以此为控制反馈量调节整个***的输出功率，快速监测***的工作状态。其检测速度可达到微秒级，较原有方案有了较大的提升。
最后需要说明的是，以上所揭露的技术方案仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种动态无线电能传输负载检测***，在发射端设置有原边LCC谐振网络和发射线圈，在拾取端设置有副边LCC谐振网络和接收线圈，其特征在于：在所述接收线圈上串接有第一辅助线圈并通过流通所述接收线圈的拾取电流来产生第一辅助电磁信号；所述副边LCC谐振网络中的补偿电感采用第二辅助线圈构成，且通过所述第二辅助线圈来产生第二辅助电磁信号，在所述发射端还设置有第一检测线圈和第二检测线圈，其中所述第一检测线圈与所述第一辅助线圈对应设置，用于检测通过第一辅助电磁信号所形成的第一拾取电压；所述第二检测线圈与所述第二辅助线圈对应设置，用于检测通过第二辅助电磁信号所形成的第二拾取电压，在发射端还设置有通过第一拾取电压和第二拾取电压来判定负载状态的控制器。
2.根据权利要求1所述的动态无线电能传输负载检测***，其特征在于：所述第一辅助线圈和所述第一检测线圈为平面线圈。
3.根据权利要求1或2所述的动态无线电能传输负载检测***，其特征在于：所述第二辅助线圈和所述第二检测线圈为平面线圈。
4.根据权利要求3所述的动态无线电能传输负载检测***，其特征在于：所述第一辅助线圈和所述第一检测线圈按平面圆形线圈螺旋绕制。
5.根据权利要求3所述的动态无线电能传输负载检测***，其特征在于：所述第二辅助线圈和所述第二检测线圈按平面方形线圈螺旋绕制。
6.根据权利要求4或5所述的动态无线电能传输负载检测***，其特征在于：在发射端设置有直流电源和全桥逆变器，所述控制器还用于根据负载状态控制所述全桥逆变器的输出功率。
7.根据权利要求6所述的动态无线电能传输负载检测***，其特征在于：所述拾取端设置有整流滤波电路和负载接口。
8.根据权利要求1或7所述的动态无线电能传输负载检测***，其特征在于：所述发射线圈采用导轨式结构，所述拾取端沿着所述发射线圈的铺设路径移动，在所述拾取端的移动路径上设置有多个第一检测线圈和多个第二检测线圈。
9.一种动态无线电能传输负载检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：按照权利要求1-8任一所述的动态无线电能传输负载检测***进行***搭建，并确定ω、
和
其中ω为***工作角频率，
为副边LCC谐振网络中与补偿电感并联的补偿电容值，
为第一辅助线圈和第一检测线圈之间的互感值，
为第二辅助线圈和第二检测线圈之间的互感值；
S2：通过控制器检测第一检测线圈的拾取电压
和第二检测线圈的拾取电压
S3：按照
计算等效负载电阻Req来确定负载状态。
10.根据权利要求9所述的动态无线电能传输负载检测方法，其特征在于，所述发射线圈采用导轨式结构，所述拾取端沿着所述发射线圈的铺设路径移动，在所述拾取端的移动路径上对应每个驻停位置分别设置第一检测线圈和多个第二检测线圈，所述控制器通过计算多个驻停位置的等效负载电阻的平均值来确定负载状态。
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