一种用于电磁感应式无线充电的磁性线圈位置检测装置及位置检测方法与流程

技术领域:

本发明涉及电学领域，尤其涉及无线充电技术，特别是一种用于电磁感应式无线充电的磁性线圈位置检测装置及位置检测方法。

背景技术：
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电磁感应式无线充电已被广泛应用于电动汽车、手机通讯以及无线卫星等领域。该充电方式中的能量发射线圈与接收线圈间的相对位置对于电能传输的效率有着严重的影响。通常，两线圈间的耦合系数越大，传输电能的效率越高。但线圈不同的相对位置，将会使两线圈的耦合系数产生很大的差异，从而带来效率的急剧变化。因而，采用低成本、简单、可靠的位置检测装置，对于提升感应式无线能量传输系统的效率具有重要的意义。

技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种用于电磁感应式无线充电的磁性线圈位置检测装置，所述的这种用于电磁感应式无线充电的磁性线圈位置检测装置要解决现有技术中传统电磁感应充电装置的能量发射线圈与接收线圈相互间的位置关系和移动机构的导引不当导致两线圈耦合系数不高、电磁感应充电效率低下的技术问题。

本发明的这种用于电磁感应式无线充电的磁性线圈位置检测装置，包括第一检测线圈、第二检测线圈、第三检测线圈、发射线圈、接收线圈和电磁感应充电装置的副边线圈，其中，所述的副边线圈设置在接收线圈上平面中央，所述的发射线圈设置在接收线圈上方，所述的第一检测线圈、第二检测线圈、第三检测线圈设置在接收线圈上平面且分别各自围成面积大小完全等同的圆形形状，所述的圆形形状的中心连线在同一平面上呈正三角形排布，所述的正三角形的中心与电磁感应充电装置的副边线圈的中心重合，所述的第一检测线圈、第二检测线圈、第三检测线圈均由导电线圈绕制。

进一步的，第一检测线圈、第二检测线圈、第三检测线圈所用材料和导电特性完全一致。

进一步的，第一检测线圈、第二检测线圈、第三检测线圈均是非闭合线圈。

本发明还提供了一种利用上述检测装置实现的磁性线圈位置检测方法，其中，将输入的感应电动势信号通过精密整流电路，后接滤波电阻、滤波电容构成的rc滤波电路，将经过整流电路输出的电压变为稳定直流电压以供测量。

进一步的，将感应电动势信号与同频的正弦或余弦三角函数相乘后，再经过低通滤波器无限积分，得到解调后的信号及幅值信息以供测量。

本发明和已有技术相比较，其效果是积极和明显的。本发明的这种用于电磁感应式无线充电的磁性线圈位置检测装置及位置检测方法，包括三个检测线圈，检测线圈感应电动势的测量，以及最后的实现控制策略。三个检测线圈是由导电线圈绕制；检测线圈感应电动势的测量包括两种方法，第一种是采用精密整流电路加rc滤波的方式，另一种是通过本振、模拟乘法器加滤波器的方式；实现控制策略包括将测量的感应电动势进行计算，并得出为对准能量发射线圈和接收线圈应如何移动位置。所述的三个检测线圈都是非闭合线圈，三个检测线圈所用材料和导电特性完全一致，三个检测线圈分别围成的形状为圆形且在同一平面内，面积相等，大小完全相同，三个检测线圈围成的圆形的中心在平面上呈正三角形排布，且正三角形的中心与电磁感应充电装置的副边线圈的中心重合。

所述的检测线圈感应电动势的测量的第一种方法是由一个经典精密整流电路构成的，将检测线圈上感应出的正弦电压整流，并通过rc滤波电路，变为稳定的直流电压以便测量。

所述的检测线圈感应电动势的测量的第二种方法由本振、模拟乘法器和滤波器构成，充分利用检测线圈上感应出的为正弦电压及正弦函数的正交性，并通过滤波器解调，从而测出感应电动势。

实现控制策略为在同一次测量中，得出u1:u2:u3的比值(三个检测线圈感应电动势的比值)，由此来判断能量发射线圈与接收线圈间的相对位置，并按照电压最高的那个检测线圈方向移动接收线圈位置来将能量发射线圈与接收线圈对准。

本发明能够精确测量能量发射线圈和接收线圈相互间的位置关系，给出移动机构的导引，以便之后的校准，有利于提高能量发射线圈和接收线圈间的耦合系数，可大大提高电磁感应充电的效率；本发明的结构精简，便于实现，经济实用性很强，可实现批量生产使用。

附图说明：

图1是本发明的用于电磁感应式无线充电的磁性线圈位置检测装置的工作流程图。

图2是本发明的用于电磁感应式无线充电的磁性线圈位置检测装置中三个检测线圈相互位置关系的结构示意图。

图3是本发明的用于电磁感应式无线充电的磁性线圈位置检测装置中三个检测线圈与能量接收线圈相互位置关系的结构示意图。

图4是本发明的用于电磁感应式无线充电的磁性线圈位置检测方法中通过精密整流联合rc滤波方法检测线圈感应电动势的示意图。

图5是本发明的用于电磁感应式无线充电的磁性线圈位置检测方法中通过本振、模拟乘法器加滤波器联合工作检测线圈感应电动势的示意图。

图6、图7是本发明的用于电磁感应式无线充电的磁性线圈位置检测装置实现控制策略的示意图。

具体实施方式：

实施例一:

如图1、图2和图3所示，本发明的这种用于电磁感应式无线充电的磁性线圈位置检测装置，包括第一检测线圈v5、第二检测线圈v4、第三检测线圈v3、发射线圈1、接收线圈2和电磁感应充电装置的副边线圈s1，其中，所述的副边线圈s1设置在接收线圈2上平面中央，所述的发射线圈1设置在接收线圈2上方，所述的第一检测线圈v5、第二检测线圈v4、第三检测线圈v3设置在接收线圈2上平面且分别各自围成面积大小完全等同的圆形形状，所述的圆形形状的中心连线在同一平面上呈正三角形排布，所述的正三角形的中心与电磁感应充电装置的副边线圈s1的中心重合，所述的第一检测线圈v5、第二检测线圈v4、第三检测线圈v3均由导电线圈绕制。

进一步的，第一检测线圈v5、第二检测线圈v4、第三检测线圈v3所用材料和导电特性完全一致。

进一步的，第一检测线圈v5、第二检测线圈v4、第三检测线圈v3均是非闭合线圈。

进一步的，根据本发明的用于电磁感应式无线充电的磁性线圈位置检测装置的位置检测方法，其特征在于：将输入的感应电动势信号通过精密整流电路，后接滤波电阻rf、滤波电容cf构成的rc滤波电路，将经过整流电路输出的电压变为稳定直流电压以供测量。

进一步的，根据本发明的用于电磁感应式无线充电的磁性线圈位置检测装置的位置检测方法，其特征在于：将感应电动势信号与同频的正弦或余弦三角函数相乘后，再经过低通滤波器无限积分，得到解调后的信号及幅值信息以供测量。

如图4所示，精密整流联合rc滤波方法检测线圈感应电动势的位置检测方法，包括由运算放大器u1和u2、二极管d1和d2和若干电阻构成的精密整流电路和滤波电阻rf、滤波电容cf构成的rc滤波电路。当输入电压为正时，d1截止，d2导通。这时r1、r3和u1共同构成一个放大倍数为-1的反向放大电路。r2、r4、r7和u2共同构成了个反向加法电路。通过电阻r7的支路的放大倍数为-1，通过r4的支路的放大倍数为-2，所以对于正电压输入，整个电路的放大倍数为1；当输入为负电压时，d1导通，d2截止，这时u1的作用为将r1的左端电位钳位在0v，而u2的反馈作用使得r4的右端电位为0，因此，r1、r4这个支路两端电位相等、没有电流的，实际上是不起任何作用的，这时整个电路其实就是r2、r7和u2组成的放大倍数为-1反向放大电路。综合上面两种情况，该电路的功能就是将输入信号求绝对值，也就是精密整流功能。后接滤波电阻rf、滤波电容cf构成的rc滤波电路，将整流出的电压变为稳定直流电压以供测量。

如图5所示，本振、模拟乘法器和滤波器构成的检测线圈感应电动势的位置检测方法中，设无线充电频率为ω，则感应出的电动势的频率也为ω。利用本振产生频率同为ω的正弦波而在无线充电过程中，由于有噪声干扰信号n(t)混入，并且产生一定的衰减和延时，其感应出的电信号为其中有用信号为θ为有用感应信号与本振信号的相位差。根据三角函数系的正交原理，任意满足狄利赫里条件的信号都可以通过傅里叶展开为三角正交函数集的线性组合的形式，而且只有两个相同频率的正弦或是余弦三角函数相乘以后再经过无限积分可得到两者幅值与sinθ或是cosθ(其中θ是两者相位差)的乘积，而不同频率的正弦或是余弦三角函数相乘后再经过无限积分得到的都是0。因此我们用一个同频的正弦或是余弦三角函数与感应电动势信号相乘，然后再将乘积无限积分，这样感应电动势信号中与本振信号中频率不同的信号分量(即干扰噪声分量)就会在与本振信号相乘后积分为0，而将与本振信号相同频率的信号分量(即有用信号分量)的幅值从干扰信号中提取出来，实现解调。而无限积分环节可以由低通滤波器实现，这样可以得到解调后的信号为y＝0.5abcosθ，由此得到幅值信息。

如图6、图7所示，实现控制策略时，分别检测三个检测线圈v3、v4、v5上的感应电动势u1，u2和u3，在同一次测量中，得出u1:u2:u3的比值(三个检测线圈感应电动势的比值)，由此来判断能量发射线圈1与接收线圈2间的相对位置，并按照电压最高的那个检测线圈方向移动接收线圈2位置来将能量发射线圈1与接收线圈2对准。例如u1:u2:u3＝1.2:1:1，故应将接收线圈2向第一检测线圈v5方向移动并一直监测u1:u2:u3，校准最终得到u1:u2:u3＝1:1:1时表明原副边线圈s1中心已对准。

本发明能够精确测量能量发射线圈和接收线圈相互间的位置关系，给出移动机构的导引，以便之后的校准，有利于提高能量发射线圈和接收线圈间的耦合系数，可大大提高电磁感应充电的效率；本发明的结构精简，便于实现，经济实用性很强，可实现批量生产使用。