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与流程

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

1、本发明的目的

为了克服现有技术的不足，本发明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、本发明所采用的技术方案

本发明公开了一种多输入/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。

本发明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、本发明所采用的有益效果

(1)本发明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)本发明节约能源降低辐射。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。本发明公开的方法中，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)本发明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，而且得到的互感值准确性高。

附图说明

图1互感估计子线圈和无线充电子线圈的缠绕结构图；

图2为多发射线圈/单接收线圈无线充电的电路示意图；

图3为多发射线圈/单接收线圈无线充电系统的相对位置示意图；

图4为互感估计模式下，当接收子线圈沿轴(y＝0m,z＝0.05m)运动时，三个互感估计发射子线圈(txm1，txm2，txm3)上感应电动势的变化图；

图5为无线充电模式下，不同位置下无线充电系统的输出功率对比图。

具体实施方式

下面结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实例作进一步地详细描述。

实施例1

本发明提出的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，该系统由两个多输入/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(n个)和一个接收线圈组成，两个子系统的结构相似但谐振频率互不相同。互感估计子系统能够仅利用发射线圈上的电压值就能够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文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。

两个子系统具体结构为：

(1)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。该子系统的工作频率设为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。互感估计发射子线圈上都装有电压检测电阻和电压检测探头，电压检测探头可以检测到电压检测电阻上产生的感应电压值，并传输至计算机中计算出互感估计收/发子线圈间的互感。采样周期为t。

(2)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。每个无线充电发射子线圈都接入一个dc/ac变换器，该变换器由计算机控制，可以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，计算机运用互感估计子系统计算出的互感并结合本文提出的波束形成控制方法，控制dc/ac变换器产生一定波形和相位的驱动电压，从而驱动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稳定的电能。

如图1所示的线圈结构，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，所述的两个子系统均为独立控制，独立工作；两个子系统的工作频率互不相同，且fm＝10f。两个子系统之间无电磁干扰。

在无线充电子系统中，所述的每个发射子线圈的交流电压源均为独立控制，且每个电压源都可以产生任意幅值和相位的交流电。

所述的波束形成控制方法得数学表达式为：

为驱动发射子线圈的最优驱动电压矩阵，m1、m2为发射子线圈之间及收/发子线圈之间的互感矩阵，为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。

本发明提出的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，按照如下步骤进行：

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、逆变产生交流电激励互感估计接收子线圈产生交变电磁场并与发射线圈耦合，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v′i，同时该电动势的大小被电压/电流检测探针所获得，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

可以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可以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。矩阵元素如表格所示。

步骤4、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代入波束形成控制方法中，生成无线充电子系统发射子线圈的驱动电压矩阵以达到最优传输。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。矩阵元素如表格所示

步骤5、计算机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。

对于电动车动态无线充电系统而言，系统必须能够随时通过收/发线圈间的互感调整发射线圈上的驱动电压，达到为行驶中的电动车提供功率稳定的电能。因此本发明通过两个子系统的协同工作，即互感估计子系统时刻计算收/发线圈间的互感，无线充电子系统则利用估计出的互感与本发明提出的波束形成控制法结合，计算出能实现稳定功率输出的发射线圈驱动电压。

互感估计子线圈和无线充电子线圈的结构由图1所示，两个子线圈混合绕制在一起。且两个子线圈独立工作，具有不同的谐振频率，且属于不同的子电路。

如图2所示，两个子系统具体结构为：

(1)互感估计子系统(图2中虚线电路所示)由n个互感估计发射子线圈(txm)和一个互感估计接收子线圈(rxm)组成。该子系统的工作频率设为fm＝1mhz。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。互感估计发射子线圈上都装有电压检测电阻和电压检测探头，电压检测探头可以检测到电压检测电阻上产生的感应电压值，并传输至计算机中计算出互感估计收/发子线圈间的互感。采样周期为t。

(2)无线充电子系统(图2中实线电路所示)由n个无线充电发射子线圈(tx)和一个无线充电接收子线圈(rx)组成。该子系统的工作频率设为f＝84.6khz。每个无线充电发射子线圈都接入一个dc/ac变换器，该变换器由计算机控制，可以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，计算机运用互感估计子系统计算出的互感并结合本文提出的波束形成控制方法，控制dc/ac变换器产生一定波形和相位的驱动电压，从而驱动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稳定的电能。

如图3所示，将3个发射线圈(包含三个txm和三个tx)安装在同一个平面上，接收线圈(包含一个rxm和一个rx)平行于发射线圈且距离为14厘米。接收线圈可以在发射线圈上方5厘米处平行移动。图3为无线充电系统的实物图。

动态无线充电的控制，按如下步骤进行：

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＝1mhz的交流驱动电压ve。ve驱动互感估计接收子线圈(rxm)在周围空间产生交变电磁场。

步骤2、处于该磁场中的互感估计发射子线圈(txm)受到电磁耦合的作用，产生感应电动势vmi，同时该感应电动势会被线圈上安装的电压检测探针所获得。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

可以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可以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。矩阵元素如表格所示。

图4为在互感估计过程中，当接收子线圈沿轴(y＝0m,z＝0.05m)运动时，三个互感估计发射子线圈(txm1，txm2，txm3)上感应电动势的变化。

步骤4、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代入波束形成控制方法中，生成无线充电子系统发射子线圈的驱动电压矩阵以达到最优传输。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。矩阵元素如表格所示

步骤5、计算机控制无线充电发射子线圈上的dc/ac变换器产生相应的驱动电压为接收端提供电压稳定的电能。图5为在无线充电过程中，无线充电接收子线圈(rx)沿轴(y＝0m,z＝0.05m)运动时，在不同位置下接收到的功率大小。图中点线代表的是不使用波束形成控制法时，接收子线圈上接收到的功率变化图。对比可知，波束形成控制法可以使系统输出功率更加稳定的电能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。