本技術(shù)屬于無線電能傳輸，具體涉及基于位置檢測線圈的分段切換式動態(tài)無線供電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、電動汽車?(electric?vehicle,?ev)?作為一種環(huán)境友好型交通工具，可有效減少溫室氣體的排放。然而，續(xù)航里程短的問題一直困擾著ev的發(fā)展。動態(tài)無線供電?(dynamicwireless?power?transfer,?dwpt)?技術(shù)是解決該問題的一個可行方案，dwpt技術(shù)可在ev行駛時對車載線圈供能為車載電池充電，不但能延長ev的續(xù)航里程，還能減少車載電池的體積和重量。

2、根據(jù)發(fā)射線圈相對于接收線圈的長度比例，dwpt技術(shù)可分為長導(dǎo)軌型dwpt系統(tǒng)和分段導(dǎo)軌型dwpt系統(tǒng)。長導(dǎo)軌型dwpt系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，能夠同時給多個負載供能。但是，其由于發(fā)射線圈長度遠大于接收線圈，會導(dǎo)致較大的漏磁和電磁輻射?(electromagneticinterference,?emi)，并且發(fā)射線圈和接收線圈的耦合系數(shù)低，系統(tǒng)效率不高。而分段導(dǎo)軌型dwpt系統(tǒng)能夠利用發(fā)射線圈的分段切換提升系統(tǒng)效率。但是，發(fā)射線圈的分段切換十分依賴接收線圈的準確位置信息，因此接收線圈位置的準確檢測是分段導(dǎo)軌型dwpt系統(tǒng)的關(guān)鍵。

3、接收線圈的位置檢測方法可分為三類，分別為通訊類，參數(shù)識別類和檢測線圈類。對于通訊類方法來說，全球定位系統(tǒng)?(global?positioning?system)?是最常用的定位方式，但是其對于移動物體的定位精度并不高。射頻(radio?frequency,?rf)通訊技術(shù)也可用于接收線圈的位置檢測，通過設(shè)置rfid模塊邊可實現(xiàn)接收線圈的位置檢測。然而，發(fā)射端和接收端之間的通訊延時會導(dǎo)致發(fā)射線圈切換不及時，積水、沙塵等阻隔信號導(dǎo)致的通訊失效會影響位置檢測的精度。

4、對于參數(shù)識別類的位置檢測方法來說，其通過檢測車載接收線圈來臨/遠離時的系統(tǒng)參數(shù)變化實現(xiàn)接收線圈的位置檢測。通過測量系統(tǒng)發(fā)射端的反射阻抗，可而實現(xiàn)接收線圈的位置檢測。也可直接測量系統(tǒng)發(fā)射端的電流，處理電流數(shù)據(jù)實現(xiàn)接收線圈位置檢測與發(fā)射線圈分段切換。還有研究通過控制發(fā)射端逆變器開關(guān)器件形成閉合回路，當接收線圈靠近時，通過測量閉合回路中的感應(yīng)電流便能實現(xiàn)位置檢測。然而，利用參數(shù)識別類方法對接受線圈進行位置檢測時，需要周期性激活逆變器或者發(fā)射線圈進行探測，使得待機損耗增加。

5、對于檢測線圈類方法而言，其無需周期性的激活發(fā)射線圈。有研究人員通過在發(fā)射端和接收端設(shè)置多個檢測線圈，利用接收端的檢測線圈磁場激活發(fā)射端檢測線圈實現(xiàn)位置檢測。通過在發(fā)射端設(shè)置品字形檢測線圈，在實現(xiàn)接收線圈的位置檢測的同時還能探測到接收線圈的偏移。有研究人員在發(fā)射端設(shè)置正交十字檢測線圈，當檢測線圈感應(yīng)電壓達到閾值時，即認為接收線圈被探測到便進行發(fā)射線圈切換。為了避免檢測線圈與dwpt主電路產(chǎn)生串擾，現(xiàn)有的檢測線圈類方法要求檢測線圈電路的工作頻率遠大于dwpt主電路的頻率，因此需在車載端額外設(shè)置高頻逆變器。然而，多檢測線圈、額外逆變器與其余配套硬件使得系統(tǒng)變得冗雜。

6、現(xiàn)有技術(shù)中，為了實現(xiàn)接收線圈的位置檢測，有的需要設(shè)置車-地通訊模塊，有的需要傳感器、多個檢測線圈或者其他硬件，并且都需要控制器處理位置信號實現(xiàn)分段切換，而且分段切換開關(guān)也需額外的輔助電源進行供電。因此，在dwpt系統(tǒng)實際應(yīng)用并鋪設(shè)大量的發(fā)射線圈時，現(xiàn)有方法無疑會增加其復(fù)雜度與成本。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本實用新型的目的在于：

2、為解決動態(tài)無線供電系統(tǒng)中位置檢測與分段切換系統(tǒng)過于復(fù)雜的問題，提供基于位置檢測線圈的分段切換式動態(tài)無線供電系統(tǒng)。

3、本實用新型采用的技術(shù)方案如下：

4、基于位置檢測線圈的分段切換式動態(tài)無線供電系統(tǒng)，包括發(fā)射端和接收端，所述發(fā)射端包括發(fā)射線圈，所述發(fā)射線圈在地面上設(shè)置有多個形成陣列，所述發(fā)射線圈的上方設(shè)置有可沿發(fā)射線圈陣列移動的接收線圈，每個發(fā)射線圈外圍均設(shè)置有一個檢測線圈，所述檢測線圈圍繞發(fā)射線圈中心繞制，檢測線圈與發(fā)射線圈長度相同。

5、進一步地，所述發(fā)射端包括分段切換開關(guān) s i、電感 l1 i、電感 ldt i、電感 lt i、電容 c1 i、電容 ct i和解耦電容 cm i，解耦電容 cm i用于抵消發(fā)射線圈t i和檢測線圈dt i之間的互感 mtd i使兩線圈解耦；切換開關(guān) s i的一端連接至逆變器輸出端負極，另外一端同時與電容 c1 i的一端和電容 cm i的一端連接；電感 l1 i的一端連接逆變器輸出端正極，電感 l1 i的另外一端同時與電容 c1 i的一端和電容 ct i的一端連接；電容 c1 i的一端同時連接至電感 l1 i的一端和電容 ct i的一端，電容 c1 i的另外一端同時與電容 cm i的一端和切換開關(guān) s i的一端連接；電容 ct i的一端同時連接電容的 c1 i一端和電感 l1 i的一端，電容 ct i另外一端與電感 lt i的一端連接；電容 cm i的一端同時連接電容的 c1 i一端和切換開關(guān) s i的一端，電容 cm i另外一端同時與電感 ldt i的一端和電感 lt i的一端連接。

6、解耦電容 cm i用于抵消發(fā)射線圈t i和檢測線圈dt i之間的互感 mtd i使兩線圈解耦，解耦電容 cm i的電容值大小如下：

7、（1）

8、其中， f為系統(tǒng)諧振頻率， mtd i為發(fā)射線圈t i與檢測線圈dt i之間的互感， mrd i為檢測線圈dt i與接收線圈r1之間的互感， mtr i為發(fā)射線圈t i與接收線圈r1之間的互感，檢測線圈輸出電壓 uc i經(jīng)過后級dc/dc模塊穩(wěn)壓后輸出 ub i驅(qū)動分段切換開關(guān) s i和 s( i+1)；所述接收端包括補償電容 cr、二極管 d1、 d2、 d3和 d4、電容 cl和負載 rl，接收線圈自感為 lr；

9、補償電容 cr的一端與接收線圈 lr的一端相連接，補償電容 cr的另外一端連接二極管 d1的正極；電容 cl的正極同時連接等效負載 rl的正極、二極管 d2的負極和二極管 d1的負極，電容 cl的負極同時連接等效負載 rl的負極、二極管 d4的正極和二極管 d3的正極；等效負載 rl的正極同時連接 cl的正極、二極管 d2的負極和二極管 d1的負極，等效負載 rl的負極同時連接 cl的負極、二極管 d4的負極和二極管 d3的正極。

10、進一步地，利用基波分析法和基爾霍夫電壓定律，系統(tǒng)描述為如下等式：

11、（2）

12、式（2）中阻抗矩陣每個阻抗變量的具體表達式如下，

13、（3）

14、規(guī)定系統(tǒng)的諧振角頻率為 ω，其定義如下，

15、（4）

16、將等式（3）和等式（4）代入等式（2）中，得到接收線圈電流 ir的表達式，

17、（5）

18、在實際系統(tǒng)中，檢測線圈的后級電路等效電阻 rdeq i遠大于負載的等效電阻 rleq，故對式（5）進行簡化，具體簡化過程如下：

19、（6）

20、式（6）中變量 b、 c、 d、 e、 f、 g和 h的具體表達式如下：

21、（7）

22、將系統(tǒng)各參數(shù)的實際值帶入式（7）中，得到變量 c在數(shù)值上遠大于變量b和d，變量 g在數(shù)值上遠大于變量 e、 f和 h，故接收線圈的電流 ir的表達式簡化為下式：

23、（8）

24、檢測線圈的感應(yīng)電壓與檢測線圈感應(yīng)電壓整流后的輸出電壓 uc i的表達式如下所示：

25、（9）

26、式（9）中 ud i和 ir分別是和 ir的有效值。

27、進一步地，發(fā)射線圈的分段切換方法如下：

28、為了實現(xiàn)發(fā)射線圈的無控制器分段切換，需遵循兩條原則：

29、1)?為了接收線圈運動到兩發(fā)射線圈之間分段區(qū)間時輸出電壓的穩(wěn)定性，一個檢測線圈需同時驅(qū)動兩個發(fā)射線圈的切換開關(guān)，即dt i需同時驅(qū)動 s i和 s( i+1)來開通t i和t( i+1)，且為了保證分段切換不影響輸出電壓的穩(wěn)定性， s i只有在t i和r1互感幾乎為零時才能關(guān)斷，可在t i和r1互感小于0.1μh時關(guān)斷；

30、2)?為了發(fā)射線圈能夠隨著接收線圈的移動不斷的被開通/關(guān)斷，對于兩個相鄰的檢測線圈dt i和dt( i+1)來說，dt( i+1)須在dt i休眠之前被激活，以保證發(fā)射線圈分段切換的連續(xù)性。

31、當檢測線圈感應(yīng)電壓 uc i大于dc/dc模塊的閾值電壓 ubinl時，分段切換開關(guān) s i被導(dǎo)通；以發(fā)射線圈t1、t2和t3為例，接收線圈沿 x軸移動時發(fā)射線圈的分段切換劃分為三種狀態(tài)：

32、狀態(tài)1：接收線圈r1移動到發(fā)射線圈t1上方，三線圈結(jié)構(gòu)形成，檢測線圈dt1被激活，切換開關(guān) s1和 s2導(dǎo)通，發(fā)射線圈t1和t2被開通；

33、狀態(tài)2：接收線圈r1移動到發(fā)射線圈t1和t2的分段區(qū)間，互感 mrd1變小的同時互感 mrd2變大，導(dǎo)致 uc1增大 uc2減?。磺? uc1與 uc2的交點電壓大于dc/dc模塊的閾值電壓 ubinl，表明當r1運動到某個點時，dt2先被激活使得t3開通，之后dt1被休眠使t1關(guān)斷，低速時r1移動到分段區(qū)間后半段dt2即被激活，高速時r1需運動到t2上方dt2才能被激活；

34、狀態(tài)3：接收線圈r1運動至發(fā)射線圈t2上方，檢測線圈dt1休眠，檢測線圈dt2仍保持激活狀態(tài)驅(qū)動開關(guān) s2和 s3，并開啟發(fā)射線圈t2和t3。

35、狀態(tài)1和狀態(tài)2可認為是分段切換的一個周期，其余周期也可被類似的分析。對于系統(tǒng)的第一個發(fā)射線圈而言，其仍需要傳感器或者其他輔助手段開通，而對于后續(xù)的發(fā)射線圈，只需接收線圈沿運動方向運動，即可實現(xiàn)分段切換，無需分段切換控制器。

36、進一步地，接收線圈的位置檢測方法如下：

37、利用接收線圈磁場激活檢測線圈實現(xiàn)位置檢測，分為兩個階段：

38、階段1：發(fā)射線圈通過磁耦合傳輸能量到接收線圈，接收線圈感應(yīng)出電壓并產(chǎn)生電流 ir；

39、階段2：接收線圈的高頻磁場在檢測線圈中感應(yīng)出電壓，經(jīng)后級電路處理后輸出電壓 ub i，直接驅(qū)動分段切換開關(guān) s i和 s( i+1)，接收線圈被探測到；此過程中建立的能量通道為：發(fā)射線圈→接收線圈→檢測線圈。因此，只要接收線圈運動到恰當?shù)奈恢?，同時與發(fā)射線圈和檢測線圈進行耦合，發(fā)射線圈、接收線圈和檢測線圈組成的三線圈結(jié)構(gòu)形成，接收線圈就能被檢測線圈探測到。

40、當接收線圈運動到發(fā)射線圈t i上方時，三線圈結(jié)構(gòu)形成，接收線圈r1作為中繼線圈，檢測線圈dt i被激活，接收線圈r1的位置被探測到；當接收線圈r1未位于發(fā)射線圈t i上方時，其與發(fā)射線圈和接收線圈的互感為零，三線圈結(jié)構(gòu)未形成，檢測線圈也無法被激活；檢測線圈的感應(yīng)電壓作為位置檢測信號，同時驅(qū)動切換開關(guān)。

41、綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本實用新型的有益效果是：

42、本實用新型系統(tǒng)中的發(fā)射線圈能夠隨著接收線圈的移動切換，無需控制器、傳感器、通訊裝置和輔助電源，通過接收線圈磁場激活發(fā)射端的檢測線圈，檢測線圈不但能實現(xiàn)接收線圈的位置檢測，還能對分段切換開關(guān)進行供能。利用檢測線圈感應(yīng)電壓直接驅(qū)動分段切換開關(guān)，只需一個檢測線圈便能實現(xiàn)位置檢測，無需傳感器或者通訊，相較于現(xiàn)有的檢測線圈類方法，簡化了系統(tǒng)。同時，隨著接收線圈的移動，對應(yīng)發(fā)射端的檢測線圈被激活/休眠，被激活檢測線圈的輸出電壓直接驅(qū)動分段切換開關(guān)，開通/關(guān)斷對應(yīng)的發(fā)射線圈，無需通訊、傳感器、輔助電源或者周期性地激活發(fā)射線圈，便能實現(xiàn)分段切換。