一种三相无线供电系统负载位置检测及控制方法
【专利摘要】一种三相无线供电系统负载位置检测及控制方法，属于无线供电系统的控制方法。这种三相无线供电系统包括直流电源、三相组合式逆变器、原边补偿机构、原边线圈选择开关、原边磁能发射机构、副边磁能拾取机构、副边补偿机构、副边整流滤波电路以及负载；原边磁能发射机构由3n个完全相同的线圈按蜂窝状排列组成原边线圈阵列，副边磁能拾取机构包含一个拾取线圈，根据负载位置检测方法检测出副边磁能拾取机构在原边线圈阵列中的位置，据此通过控制原边线圈选择开关开通一组原边线圈组成三相无线供电系统，为负载提供能量。效果是：三相无线供电系统在保证负载灵活供电的前提下，满足负载位置随机变化系统的可靠、高效供电。
【专利说明】一种三相无线供电系统负载位置检测及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无线供电系统的控制方法，具体涉及一种三相无线供电系统负载 位置检测及控制方法。
【背景技术】
[0002] 日常生活中，桌面电气设备为人们生活带来了许多方便，如手机、笔记本电脑、电 视机等。然而，现有电气设备目前都是通过电线和插头的组合方式获取电能，但随着电气设 备的日益增多以及人类对便捷生活的日益追求，这种传统的有线供电方式暴露出众多的弊 端，如接触火花、线缆繁杂、易发生误触电的危险等。因此，基于感应耦合原理的无线电能传 输（Wireless Power Transfer，WPT)技术应运而生。桌面电气设备无线供电解决了传统有 线供电方式的接触火花、磨损、供电线缆繁杂等问题，但对于桌面无线供电负载，如鼠标、手 机等，由于负载摆放位置不确定、位置变化随机性大等特性，因此传统的桌面无线供电系统 存在负载位置变化容忍度低、供电效率低等问题。
[0003] 针对桌面无线供电系统负载位置不确定的特点，文章《通用非接触供电平台设计 及实现》中提出了一种单相无线供电平台系统，该系统原边采用多个圆形线圈平铺在一起 组成通用供电平台，将无线供电负载放置在供电平台上便可实现能量的无线传输。该系 统虽然能够满足负载在较大的范围内随机移动，但是由于原边线圈在空间中产生的磁场分 布不均匀，从而导致负载在不同位置的能量传输效率不同，而且一旦负载摆放位置处于弱 磁场区，则能量拾取效率将非常低，甚至无法满足负载的供电要求；另一方面，文章中并没 有针对负载实际摆放位置而选择开通相应位置的原边线圈，而是采取原边线圈一直处于 常开状态，因此电能的浪费较严重，系统效率较低；文章《Power Transfer Stabilization of the Three-Phase Contactless Energy Transfer Desktop by Means of Coil Commutation》中提出一种三相无线供电平台系统，该系统原边包含多个磁能发射机构，畐ij 边包含一个拾取机构，文章分析了该系统存在的电压拾取"盲点"问题，并且就此问题给出 了电压拾取"盲点"的消除办法，但对于桌面无线供电系统存在的负载位置不确定、位置变 化随机性大等方面未给出相应的解决措施。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对传统桌面无线供电系统存在负载位置变化容忍度低、供电效 率低等缺点，提供一种三相无线供电系统负载位置检测及控制方法，既可提高系统的供电 可靠性和灵活性，又能保证负载的高效供电。
[0005] 本发明的目的是这样实现的，本发明包括三相无线供电系统和负载位置检测及控 制方法，具体方案如下：
[0006] 该三相无线供电系统包括：直流电源、三相组合式逆变器、原边补偿机构、原边线 圈选择开关、原边磁能发射机构、副边磁能拾取机构、副边补偿机构、副边整流滤波电路以 及负载；直流电源与三相组合式逆变器的输入端连接，三相组合式逆变器的输出端与原边 补偿机构的输入端连接，原边补偿机构的输出端与原边磁能发射机构连接，在原边补偿机 构与原边磁能发射机构之间连接有原边线圈选择开关；原边磁能发射机构与副边磁能拾取 机构通过电磁感应原理相耦合，副边磁能拾取机构通过副边补偿机构与副边整流电路的输 入端连接，副边整流电路的输出端与并联的副边滤波电路和负载连接。
[0007] 所述的直流电源可由工频交流电经整流滤波后得到。
[0008] 所述的三相组合式逆变器由三个单相桥式逆变器星型联结组成，作为系统原边高 频逆变器。
[0009] 所述的原边磁能发射机构是由3组共3n个完全相同的正六边形线圈按蜂窝状排 列组成的原边线圈阵列，任一顶点处三个线圈分别来自A、B、C三个不同的组，原边同相线 圈采取复用逆变器的结构，原边A、B、C三组线圈分别与三相组合式逆变器的三相输出相 连。
[0010] 所述的原边线圈选择开关与每个原边线圈串联，通过该开关控制原边线圈的开通 与关断。
[0011] 所述的副边磁能拾取机构仅包含一个拾取线圈，副边整流滤波电路采用带大电容 滤波的二极管不控整流电路。
[0012] 所述的原边补偿机构和副边补偿机构的补偿方式均采用串联谐振补偿，目的在于 避免输入直流电源与谐振补偿电容发生短路且简化了原、副边补偿机构的设计。
[0013] 所述三相组合式逆变器采用电流滞环控制策略分别对三个单相逆变器单独控制， 给定三相参考电流幅值相等相位互差120°，保证三相组合式逆变器输出三相对称。
[0014] 所述原边磁能发射机构中所有线圈的材料、尺寸、匝数、线圈绕向、电感参数完全 一致。
[0015] 所述的负载位置检测方法：负载位置检测算法以射频识别（RFID)技术为检测方 法，DSP为控制器，通过原边线圈选择开关控制原边线圈的选通与关断，其具体检测方法 为：
[0016] 1)在原边线圈阵列中建立一个平面直角坐标系，根据线圈在坐标系中的位置对 其进行编码，其编码原则为：规定原点处坐标为\(0,0)，设坐标系中某一(：相线圈坐标为 S e(x，y)，则从其正上方第一个线圈开始按顺时针方向旋转一周各线圈的坐标依次为：SA(x， y+1)、S B (x+1, y)、SA (x+1, y)、SB (x, y-1)、SA (x-1, y)、SB (x-1, y);
[0017] 2)在所有原边C相线圈中心位置粘贴电子标签作为RFID系统应答器，标签中的微 芯片包含C相线圈坐标信息，在无线供电负载内部安装RFID阅读器，阅读器天线在副边磁 能拾取机构的中心位置；
[0018] 3)当有无线供电负载放到供电平台上时，RFID阅读器接收到感应磁场范围内标 签天线发回的载波信号，通过对载波信号的解调和编码将信号送入DSP控制器，获取标签 内C相线圈坐标信息，当RFID阅读器接收到来自标签天线发出的载波信号时，接收到的载 波信号的个数即与副边磁能拾取机构发生耦合的C相线圈个数；
[0019] 4)通过编码器将原边线圈阵列的A、B、C三组线圈所对应的原边线圈选择开关分 别与DSP的通用I/O端口联接，根据所检测到C相线圈数量和坐标信息，通过DSP控制原边 线圈选择开关开通负载所在位置处某一顶点上三个线圈作为原边磁能发射线圈。
[0020] 所述的原边线圈选择开关控制方法为：
[0021] 1)当副边磁能拾取机构与一个C相线圈发生耦合时，设此C相线圈的坐标Ssc(x， y),此时选择开通的A相线圈坐标为S A(x+l, y), B相线圈坐标为SB(x+l, y), C相线圈坐标 为 Sc(x, y);
[0022] 2)当副边磁能拾取机构与两个C相线圈发生耦合时，此时可分为三种情况：
[0023] (1)与副边磁能拾取机构发生耦合的两个C相线圈相对位置为斜向上，设坐标为 Sc(x,y)、S c(x+l,y+l),此时选择开通的A相线圈坐标为SA(x,y+l) ,B相线圈坐标为SB(x+l, y)，C相线圈坐标为Sc(x,y);
[0024] (2)与副边磁能拾取机构发生耦合的两个C相线圈相对位置为水平方向，设坐标 为Sc(x,y)、S c(x+2,y),此时选择开通的A相线圈坐标为SA(x+l,y) ,B相线圈坐标为SB(x+l, y)，C相线圈坐标为Sc(x,y);
[0025] (3)与副边磁能拾取机构发生耦合的两个C相线圈相对位置为斜向下，设坐标为 Sc(x，y)、S c(x+1, y-1)，此时选择开通的A相线圈坐标为SA(x+l, y)，B相线圈坐标为SB(x， y-l),C相线圈坐标为Sc(x,y);
[0026] 3)当副边磁能拾取机构与三个C相线圈发生耦合时，此时可分为两种情况：
[0027] (1)与副边磁能拾取机构发生耦合的三个C相线圈相对位置呈倒三角，设坐标为 Sc(x，y)、S c(x+2, y)、Sc(x+l，y-1)，此时选择开通的A相线圈坐标为SA(x+l，y)，B相线圈坐 标为3 15(1+1，7)，(：相线圈坐标为3[^，7);
[0028] (2)与副边磁能拾取机构发生耦合的三个C相线圈相对位置呈正三角，设坐标为 Sc(x，y)、S c(x+2, y)、Sc(x+l，y+1)，此时选择开通的A相线圈坐标为SA(x+l，y)，B相线圈坐 标为S B(x+l，y)，C相线圈坐标为Sc(x，y)。
[0029] 负载位置检测的控制方法：直流电源通过三相组合式逆变器后产生三相高频交流 电，根据负载在原边线圈阵列中的摆放位置，利用负载位置检测方法自动检测出负载位置， 并控制原边线圈选择开关开通负载所在位置处某一顶点上的三个线圈作为原边磁能发射 线圈，逆变器输出高频交流电经原边补偿机构后转换成三相对称高频正弦交流电，再通过 已选通的三个原边磁能发射线圈向空间发射电磁场能量，基于电磁感应原理，副边磁能拾 取机构感应出同频率交流电，经副边补偿机构及副边整流滤波电路后为负载提供能量；具 体步骤为：
[0030] 1)上电初始化，系统处于待机模式，此时控制原边线圈选择开关全部处于断开状 态，系统能耗很低。
[0031] 2)当平台上放置有无线供电负载时，通过负载位置检测算法检测出副边磁能拾取 机构在原边线圈阵列中的位置，依据优化算法选择开通一组原边线圈组成三相无线供电系 统，为负载供电。
[0032] 3)系统进入循环扫描状态，判断阅读器读取的坐标信息是否变化，从而判断负载 位置是否发生改变。若负载位置改变，重复上述（2)过程，若重新检测平台上没有负载存 在，返回（1)过程，系统重新进入待机模式。
[0033] 有益效果，由于采用了上述方案，三相组合式逆变器的设计使得原边三相线圈的 控制相互独立，同时原边磁能发射机构组成原边线圈阵列并且每个原边线圈串联控制开 关，可实现原边线圈的独立、自由切换，保证供电可靠性和灵活性，同时基于负载位置检测 方法和原边线圈选择开关控制方法，选择开通耦合效率最高的原边线圈组成三相无线供电 系统，保证了负载位置随机变化系统的供电效率。
[0034] 优点：基于原边线圈阵列和新型负载位置检测及控制方法的三相无线供电系统， 供电可靠性高、灵活性强且可实现负载位置随机变化系统的高效供电。
【专利附图】
【附图说明】
[0035] 图1是本发明的主电路拓扑结构。
[0036] 图2是原边线圈阵列及其相应的坐标信息。
[0037] 图3是副边磁能拾取机构与一个C相线圈发生耦合示意图。
[0038] 图4是副边磁能拾取机构与斜向上两个C相线圈发生耦合示意图。
[0039] 图5是副边磁能拾取机构与水平两个C相线圈发生耦合示意图。
[0040] 图6是副边磁能拾取机构与斜向下两个C相线圈发生耦合示意图。
[0041] 图7是副边磁能拾取机构与呈倒三角三个C相线圈发生耦合示意图。
[0042] 图8是副边磁能拾取机构与呈正三角三个C相线圈发生耦合示意图。
[0043] 图9是系统工作流程图。
[0044] 图10是原边磁能发射机构输出三相电流波形仿真图。
[0045] 图11是补偿后的副边感应电压、电流波形仿真图。
[0046] 图12是负载端输出直流电压波形仿真图。
[0047] 图中，1、直流电源；2、三相组合式逆变器；3、原边补偿机构；4、原边线圈选择开 关；5、原边磁能发射机构；6、副边磁能拾取机构；7、副边补偿机构；8、副边整流电路；9、副 边滤波电路；10、负载。
【具体实施方式】
[0048] 实施例1 :本发明包括一种三相无线供电系统负载位置检测及控制方法，具体方 案如下：
[0049] 一种三相无线供电系统，包括直流电源1、三相组合式逆变器2、原边补偿机构3、 原边线圈选择开关4、原边磁能发射机构5、副边磁能拾取机构6、副边补偿机构7、副边整流 电路8、副边滤波电路9和负载10 ;直流电源1与三相组合式逆变器2的输入端连接，三相 组合式逆变器2的输出端与原边补偿机构3的输入端连接，原边补偿机构3的输出端与原 边磁能发射机构5连接，在原边补偿机构3与原边磁能发射机构5之间连接有原边线圈选 择开关4 ;原边磁能发射机构5与副边磁能拾取机构6相稱合，副边磁能拾取机构6通过副 边补偿机构7与副边整流电路8的输入端连接，副边整流电路8的输出端与并联的副边滤 波电路9和负载10连接。
[0050] 所述直流电源1可由工频交流电经整流滤波后得到。
[0051] 所述三相组合式逆变器2由三个单相桥式逆变器星型联结组成，作为系统原边高 频逆变器。
[0052] 所述的原边磁能发射机构5是由3组共3n个完全相同的正六边形线圈按蜂窝状 排列组成的原边线圈阵列，任一顶点处三个线圈分别来自A、B、C三个不同的组，原边同相 线圈采取复用逆变器的结构，原边A、B、C组线圈分别与三相组合式逆变器2的三相输出相 连；所述的3组为A组、B组和C组；所述的3n为Ai?A n，?Bn，Q?Cn，n为正整数。
[0053] 所述的原边线圈选择开关4与每个原边线圈串联，通过该开关控制原边线圈的开 通与关断；所述的选择开关4分别为K A1?、，KB1?KBn，Ka?KCn。
[0054] 所述的副边磁能拾取机构6仅包含一个拾取线圈，副边整流电路8采用二极管不 控整流，滤波电路9为大电容滤波；
[0055] 所述的原边补偿机构3和副边补偿机构7的补偿方式均采用串联谐振补偿，目的 在于避免输入直流电源与谐振补偿电容发生短路且简化了原、副边补偿机构的设计。
[0056] 所述三相组合式逆变器2采用电流滞环控制策略分别对三个单相逆变器单独控 制，给定三相参考电流幅值相等相位互差120°，保证三相组合式逆变器2输出三相对称。
[0057] 所述原边磁能发射机构5中每个发射线圈的材料、尺寸、匝数、线圈绕向、电感参 数完全一致。
[0058] 图1为系统主电路拓扑结构，三相无线供电系统主电路设计方法，忽略原边磁能 发射机构之间互感影响以及逆变器开关器件的开关损耗，原边三相组合式逆变器看成三个 单相桥式逆变器的星型组合；
[0059] 对于单相全桥不控整流电路，当采用大电容滤波时，从整流电路的交流侧看进去 等效负载为：
【权利要求】
1. 一种三相无线供电系统，其特征在于：该三相无线供电系统包括：直流电源、三相组 合式逆变器、原边补偿机构、原边线圈选择开关、原边磁能发射机构、副边磁能拾取机构、副 边补偿机构、副边整流滤波电路以及负载；直流电源与三相组合式逆变器的输入端连接，三 相组合式逆变器的输出端与原边补偿机构的输入端连接，原边补偿机构的输出端与原边磁 能发射机构连接，在原边补偿机构与原边磁能发射机构之间连接有原边线圈选择开关；原 边磁能发射机构与副边磁能拾取机构通过电磁感应原理相稱合，副边磁能拾取机构通过副 边补偿机构与副边整流电路的输入端连接，副边整流电路的输出端与并联的副边滤波电路 和负载连接。
2. 根据权利要求1所述的一种三相无线供电系统，其特征在于：所述的原边磁能发射 机构是由3组共3/7个完全相同的正六边形线圈按蜂窝状排列组成的原边线圈阵列，任一顶 点处三个线圈分别来自A、B、C三个不同的组，原边同相线圈采取复用逆变器的结构，原边 A、B、C三组线圈分别与三相组合式逆变器的三相输出相连。
3. 根据权利要求1所述的一种三相无线供电系统，其特征在于：所述的原边线圈选择 开关与每个原边线圈串联，通过该开关控制原边线圈的开通与关断。
4. 根据权利要求1所述的一种三相无线供电系统，其特征在于：所述的副边磁能拾取 机构仅包含一个拾取线圈，副边整流滤波电路采用带大电容滤波的二极管不控整流电路。
5. 根据权利要求1所述的一种三相无线供电系统，其特征在于：所述的原边补偿机构 和副边补偿机构的补偿方式均采用串联谐振补偿，避免输入直流电源与谐振补偿电容发生 短路。
6. 根据权利要求1所述的一种三相无线供电系统，其特征在于：三相组合式逆变器采 用电流滞环控制策略分别对三个单相逆变器单独控制，给定三相参考电流幅值相等相位互 差120°，保证三相组合式逆变器输出三相对称。
7. 根据权利要求1所述的一种三相无线供电系统，其特征在于：原边磁能发射机构中 所有线圈的材料、尺寸、匝数、线圈绕向、电感参数完全一致。
8. 权利要求1所述的一种三相无线供电系统的负载位置检测方法，其特征在于：以射 频识别（RFID)技术作为检测方法，DSP为控制器，通过原边线圈选择开关控制原边线圈的 选通与关断，其具体检测方法为： 1) 在原边线圈阵列中建立一个平面直角坐标系，根据线圈在坐标系中的位置对其进行 编码，其编码原则为：规定原点处坐标为S。(0,0),设坐标系中某一C相线圈坐标为SeCr,_F), 则从其正上方第一个线圈开始按顺时针方向旋转一周各线圈的坐标依次为：SA〇r，_F+l)、 SBCr+1，，）、SACr+1，，）、SBCr，，_1)、SACr-1，，）、SBCr-1，，）； 2) 在所有原边C相线圈中心位置粘贴电子标签作为RFID系统应答器，标签中的微芯片 包含C相线圈坐标信息，在无线供电负载内部安装RFID阅读器，阅读器天线在副边磁能拾 取机构的中心位置； 3) 当有无线供电负载放到三相无线供电平台上时，RFID阅读器接收到感应磁场范围内 标签天线发回的载波信号，通过对载波信号的解调和编码将信号送入DSP控制器获取标签 内C相线圈坐标信息，当RFID阅读器接收到来自标签天线发出的载波信号时，接收到的载 波信号的个数即与副边磁能拾取机构发生耦合的C相线圈个数； 4) 通过编码器将原边线圈阵列的A、B、C三组线圈所对应的原边线圈选择开关分别与 DSP的通用I/O端口联接，根据所检测到C相线圈数量和坐标信息，通过DSP控制原边线圈 选择开关开通负载所在位置处某一顶点上三个线圈作为系统原边磁能发射线圈。
9. 根据权利要求4所述的三相无线供电系统的负载位置检测方法，其特征在于：其原 边线圈选择开关控制方法为： 1) 当副边磁能拾取机构与一个C相线圈发生耦合时，设此C相线圈的坐标为ScCt，_f)， 此时选择开通的A相线圈坐标为SACr+l, ,B相线圈坐标为SBCr+l, ,C相线圈坐标为 ScCr，，）； 2) 当副边磁能拾取机构与两个C相线圈发生耦合时，此时可分为三种情况： (1) 与副边磁能拾取机构发生耦合的两个C相线圈相对位置为斜向上，设坐标为Sc〇r， _F)、ScCt+1,_f+1),此时选择开通的A相线圈坐标为SaCt,_f+1) ,B相线圈坐标为SbCt+1,_f), C相线圈坐标为ScCt,_f); (2) 与副边磁能拾取机构发生耦合的两个C相线圈相对位置为水平方向，设坐标为 ScCr，_F)、ScCt+2,_f),此时选择开通的A相线圈坐标为SaCt+1,_f) ,B相线圈坐标为SBCr+l， _F)，C相线圈坐标为ScCr,j〇 ; (3) 与副边磁能拾取机构发生耦合的两个C相线圈相对位置为斜向下，设坐标为Se〇r， _F)、ScCt+1,_f-1),此时选择开通的A相线圈坐标为SaCt+1,_f) ,B相线圈坐标为SbCt,_f_1), C相线圈坐标为ScCt,_f); 3) 当副边磁能拾取机构与三个C相线圈发生耦合时，此时可分为两种情况： (1) 与副边磁能拾取机构发生耦合的三个C相线圈相对位置呈倒三角，设坐标为Sc 〇r， _F)、ScCt+2,_f)、ScCt+1,_f-1),此时选择开通的A相线圈坐标为SaCt+1,_f) ,B相线圈坐标为 5!3(^+1,_7),(：相线圈坐标为5。(^,_7); (2) 与副边磁能拾取机构发生耦合的三个C相线圈相对位置呈正三角，设坐标为ScOr， _F)、ScCt+2,_f)、ScCt+1,_f+1),此时选择开通的A相线圈坐标为SaCt+1,_f) ,B相线圈坐标为 SBCr+l，j〇，C相线圈坐标为ScCt，_f)。
10. 根据权利要求1所述的一种三相无线供电系统负载位置检测的控制方法，其特征 是：负载位置检测的控制方法：直流电源通过三相组合式逆变器后产生三相高频交流电， 根据负载在原边线圈阵列中的摆放位置，利用负载位置检测方法自动检测出负载位置，并 控制原边线圈选择开关开通负载所在位置处某一顶点上的三个线圈作为原边磁能发射线 圈，逆变器输出高频交流电经原边补偿机构后转换成三相对称高频正弦交流电，再通过已 选通的三个原边磁能发射线圈向空间发射电磁场能量，基于电磁感应原理，副边磁能拾取 机构感应出同频率交流电，经副边补偿机构及副边整流滤波电路后为负载提供能量；具体 步骤为： 1) 上电初始化，系统处于待机模式，此时控制原边线圈选择开关全部处于断开状态，系 统能耗很低； 2) 当三相无线供电系统原边供电平台上放置有无线供电负载时，通过负载位置检测算 法检测出副边磁能拾取机构在原边线圈阵列中的位置，通过控制原边线圈选择开关开通某 一顶点上三个线圈组成三相无线供电系统，为负载供电； 3) 系统进入循环扫描状态，判断阅读器读取的坐标信息是否变化，从而判断负载位置 是否发生改变；若负载位置改变，重复上述（2)过程，若重新检测平台上没有负载存在，返 回（1)过程，系统重新进入待机模式。
【文档编号】H02J17/00GK104377841SQ201410655856
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月17日 优先权日:2014年11月17日
【发明者】夏晨阳, 解光庆, 陈国平, 林克章, 王卫, 张杨, 伍小杰 申请人:中国矿业大学