本发明涉及通用型无线电能传输系统耦合机构的耦合系数辨识方法，属于无线电能传输技术领域。
背景技术：
无线电能传输技术目前广泛应用于电动汽车、手机无线充电以及工业机器人无线充电等行业。当前无线电能传输技术面临一个重要技术问题，即系统工作状态不易获取。系统工作时耦合机构接收端靠近发射端，依靠耦合机构间的相互耦合，负载可以从电源处获取功率。此时系统耦合机构间的相对位置直接影响了系统传输功率以及传输效率，因此获取耦合机构间的相对位置可以更加便捷地实现系统功率控制。
耦合机构间相对位置表现为平移、旋转以及翻转等三维空间内的位置变化，通常难以利用相关传感器来准确获取其三维坐标以及旋转角度等参数。经研究得知耦合机构间复杂的相对位置可以转化为耦合系数进行分析，通过耦合系数可以确定系统的工作状态。
目前的方法是，通过检测系统工作时某一节点处电压、电流以及相位信息来计算耦合系数，这种方法在系统工作的过程中获得耦合系数，因此不能预先确定系统工作的安全性。如果系统在空载或过载的工作状态下，特别容易因为过流而造成元器件烧毁。
技术实现要素：
本发明目的是为了解决无线电能传输系统发射端和接收端之间的耦合系数不能预先辨识，易造成电路故障的问题，提供了一种通用型无线电能传输系统耦合机构的耦合系数辨识方法。
本发明所述通用型无线电能传输系统耦合机构的耦合系数辨识方法，所述无线电能传输系统包括逆变器、原边补偿网络、原边阻波器、主耦合机构、副边阻波器、副边补偿网络及整流电路，所述耦合系数辨识方法基于耦合系数辨识接收单元和耦合系数辨识发射单元实现；
逆变器用于提供交流能量，逆变器的输出端连接原边补偿网络的输入端，原边补偿网络的一个输出端连接原边阻波器后，与另一个输出端共同连接主耦合机构原边发射线圈的输入端，耦合系数辨识接收单元与主耦合机构原边发射线圈并联；主耦合机构副边接收线圈与耦合系数辨识发射单元并联，主耦合机构副边接收线圈的一个输出端连接副边阻波器后，与另一个输出端共同连接副边补偿网络的输入端，副边补偿网络的输出端连接整流电路的输入端，整流电路的输出端用于连接负载；
所述原边阻波器包括电容c31、电容c32及电感l31，所述原边补偿网络的一个输出端连接电容c31的一端，电容c31的另一端连接电容c32的一端，电容c32的另一端作为原边阻波器的输出端连接主耦合机构原边发射线圈的一个输入端；电感l31与电容c32相并联；
所述耦合系数辨识接收单元包括电容c41、电容c42、电感l41、电感l42及信号处理单元，电容c42与电感l42串联后与主耦合机构原边发射线圈并联，电感l42与电感l41组成原边耦合变压器，电感l41与电容c41并联，电容c41与信号处理单元并联；
耦合系数辨识发射单元包括高频信号源ud、电容c61、电容c62、电感l61及电感l62，电感l62和电容c62串联后与主耦合机构副边接收线圈并联，电感l62与电感l61组成副边耦合变压器，电感l61、电容c61与高频信号源ud形成回路；
所述耦合系数辨识方法包括，
使所述高频信号源ud的工作频率ω满足：
使电容c31满足：
其中ωp为主耦合机构的能量传输工作频率，
使电感l42与电感l62的值相等；
所述高频信号源ud表示为：
ud＝ucosωt，
式中u为高频交流信号幅值，t为时间；
此时信号处理单元通过主耦合机构的耦合接收到的电压ul为：
式中j为虚数，k为主耦合机构的耦合系数，lp为主耦合机构原边发射线圈的电感，ls为主耦合机构副边接收线圈的电感；
则确定主耦合机构的耦合系数为：
本发明的优点：本发明针对无线电能传输中耦合机构工作状态不易获取的问题，结合电能传输中各元件参量的特点，预先获取耦合机构的耦合系数，使系统的工作状态能被预先确定。
本发明的耦合系数辨识方法具有通用性，能够适应不同补偿拓扑的无线电能传输系统；并且本发明方法在不启动系统能量传输的前提下预先确定耦合系数，具有良好的安全性。
附图说明
图1是本发明方法对应的一种无线电能传输系统的原理框图；
图2是原边阻波器的电路结构示意图；
图3是一种无线电能传输系统在未启动能量传输时耦合原理示意图；
图4是串联电容(s)型补偿网络的无线电能传输系统原理框图；
图5是lc-lc型补偿网络的无线电能传输系统原理框图；
图6是lc-s型补偿网络的无线电能传输系统原理框图；
图7是lcc-lcc型补偿网络的无线电能传输系统原理框图；
图8是lcc-s型补偿网络的无线电能传输系统原理框图；
图9是lcc-lc型补偿网络的无线电能传输系统原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：
结合图1所示，本发明所述的通用型无线电能传输系统耦合机构的耦合系数辨识方法，所述无线电能传输系统包括逆变器1、原边补偿网络2、原边阻波器3、主耦合机构5、副边阻波器7、副边补偿网络8及整流电路9，所述耦合系数辨识方法基于耦合系数辨识接收单元4和耦合系数辨识发射单元6实现；
逆变器1用于提供交流能量，逆变器1的输出端连接原边补偿网络2的输入端，原边补偿网络2的一个输出端连接原边阻波器3后，与另一个输出端共同连接主耦合机构5原边发射线圈的输入端，耦合系数辨识接收单元4与主耦合机构5原边发射线圈并联；主耦合机构5副边接收线圈与耦合系数辨识发射单元6并联，主耦合机构5副边接收线圈的一个输出端连接副边阻波器7后，与另一个输出端共同连接副边补偿网络8的输入端，副边补偿网络8的输出端连接整流电路9的输入端，整流电路9的输出端用于连接负载；
结合图2所示，所述原边阻波器3包括电容c31、电容c32及电感l31，所述原边补偿网络2的一个输出端连接电容c31的一端，电容c31的另一端连接电容c32的一端，电容c32的另一端作为原边阻波器3的输出端连接主耦合机构5原边发射线圈的一个输入端；电感l31与电容c32相并联；
图3所示，是将图1中阻波器、逆变器、补偿网络及整流电路去掉后余下的电路，其中高频信号源ud的信号传输方向是由主耦合机构5的副边到原边方向。所述耦合系数辨识接收单元4包括电容c41、电容c42、电感l41、电感l42及信号处理单元，电容c42与电感l42串联后与主耦合机构5原边发射线圈并联，电感l42与电感l41组成原边耦合变压器，电感l41与电容c41并联，电容c41与信号处理单元并联；
耦合系数辨识发射单元6包括高频信号源ud、电容c61、电容c62、电感l61及电感l62，电感l62和电容c62串联后与主耦合机构5副边接收线圈并联，电感l62与电感l61组成副边耦合变压器，电感l61、电容c61与高频信号源ud形成回路；
所述耦合系数辨识方法包括，
使所述高频信号源ud的工作频率ω满足：
使电容c31满足：
其中ωp为主耦合机构5的能量传输工作频率，
使电感l42与电感l62的值相等；
所述高频信号源ud表示为：
ud＝ucosωt，
式中u为高频交流信号幅值，t为时间；
此时信号处理单元通过主耦合机构5的耦合接收到的电压ul为：
式中j为虚数，k为主耦合机构5的耦合系数，lp为主耦合机构5原边发射线圈的电感，ls为主耦合机构5副边接收线圈的电感；
则确定主耦合机构5的耦合系数为：
在辨识耦合系数时，适当选取较小的电感l41及电感l42组成原边耦合变压器，可以在主耦合机构5原边获取较高的信号电压，方便检测。
使所述电容c41与电容c61的值相等，电感l41与电感l61的值相等。其中，电容c42与电容c62的值可以不相等。
使所述电容c41、电容c42、电感l41、电感l42及电容c62按以下关系式取值：
本公开中，逆变器1为系统提供交流能量，它能根据不同的工作状态输出不同的有效值。原边补偿网络2用于补偿主耦合机构5原边发射线圈带来的感性，减少系统中的无功功率；副边补偿网络8用于补偿主耦合机构5副边接收线圈带来的感性，减少系统中的无功功率；原边补偿网络2和副边补偿网络8都分别包括电感、电容等元件，常用的补偿网络结构包含串联电容(s)型、并联电容型、lcc型以及lc型补偿网络。如图4至图9所示。
结合图2所示，原边阻波器3和副边阻波器7均为lc并联谐振电路，可以使其谐振频率对应于系统所采用的信号频率；由于阻波器谐振频率较高，其工作在低频能量传输系统时呈现感性，因此可增加补偿电容来补偿这部分电感。电容c31为补偿电容，用来补偿阻波器对能量传输回路的影响。
整流电路9与负载可以共同作为能量传输系统的负载，所述负载可以为直流负载，包括电机、电池以及电阻负载。
结合图3所示，耦合系数辨识发射单元6产生高频信号注入到能量传输回路当中，电感l62与电感l61组成副边耦合变压器可以完成能量信号的注入工作。电容c61、电容c62分别用来补偿对应回路的电感，电容c62的选取应考虑主耦合机构线圈所具有的电感。高频信号源ud产生的信号经副边耦合变压器注入能量传输回路，此时由于副边阻波器7的阻断作用，高频信号不会进入副边补偿网络8，而是经过主耦合机构5进入系统原边。
耦合系数辨识接收单元4用于提取耦合系数辨识发射单元6所产生的信号并进行处理，确定当前状态下的耦合系数。其中电感l41和电感l42用来完成信号的提取工作。电容c41和电容c42分别用来补偿对应回路的电感，电容c42的选取应考虑主耦合机构线圈所具有的电感。信号处理单元用来检测高频信号的幅值；耦合系数辨识发射单元6产生的高频信号进入系统原边后由于原边阻波器3的阻断作用，不会进入原边补偿网络2，高频信号经原边耦合变压器从能量传输回路提取到信号处理单元进行分析。信号处理单元可用于在高频信号源ud的工作频率ω确定后，根据接收到的电压ul计算获得主耦合机构5的耦合系数。
本公开为一种通用型实施方式，其应用场景包含大部分的无线能量传输系统，如电动汽车的无线充电、手机无线充电。
本发明所述系统进行充电时，耦合系数辨识发射单元6可以产生连续的高频交流信号，信号进入耦合系数辨识接收单元4后，经过分析其获取的电压数值，再进一步获取当前状态下的耦合系数，在确定的系统中电压数值会随耦合系数的大小而变化。
本发明方法的工作过程可以为以下过程：
用户启动总电源开关，系统进入待机状态；
使负载进入充电位置，耦合系数辨识发射单元6产生高频信号；
耦合系数辨识接收单元4接收到高频信号电压ul进行运算处理；
根据高频信号电压ul换算得到该状态下系统耦合系数k；
将耦合系数k反馈给电能传输系统。