一种用于动态无线充电的多接收线圈组结构及无源控制算法的制作方法

1.本发明涉及无线充电技术领域，特别是一种用于动态无线充电的多接收线圈组结构及无源控制算法。


背景技术：

2.随着物流行业的快速发展，对智能化搬运需求在不断增加，通过对智能化搬运车的使用，极大提高了相应的工作效率，降低了运营成本，相应的优势非常明显。由于小车的优势，使用者对其续航能力、充电设备的高效性以及安全性都有了更高的要求。传统的小车通过固定位插头充电、更换电池及采用刷板刷块的方式充电，这些方法或者存在安全隐患、或者影响工作效率，在这样的背景下，小车动态无线充电技术由于安全可靠且能够提高小车的续航能力，得到了大力发展。
3.但是现有的应用于小车的动态无线充电线圈结构很难保证在动态充电过程中的原副边线圈的互感值恒定，同时就很难保证小车运动过程中的充电电流的稳定，降低了充电效率，也达不到锂电池恒流充电的要求，不但影响充电效率，而且对锂电池的使用寿命有着直接的影响。综上，提供一种相对于其他静态锂电池充电方式，在动态无线充电过程中，能保证锂电池接近恒压恒流充电的结构及方法显得尤为必要。


技术实现要素：

4.为了克服现有小车在运动过程中动态无线充电效率不高，达不到锂电池的恒流恒压充电要求的弊端，本发明提供了采用多个接收端线圈(副边)同时接收能量(原边)的结构，可以满足在小车在运动过程中，原副边线圈一直能有稳定的电流互感，同时采用基于pi结合无源控制算法等来得出稳定控制负载充电的电压和电流值是否符合标准，进而为小车上锂电池恒压恒流充电起到了有力技术支撑的一种用于动态无线充电的多接收线圈组结构及无源控制算法。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.一种用于动态无线充电的多接收线圈组结构及无源控制算法，其特征在于无线充电系统的原边发射端线圈及小车上接收端副边线圈采用双矩形线圈，每单个线圈的由两个小的矩形项圈组成并在线圈下方铺设三条磁芯组成，原边发射端线圈铺设方式在小车经过的路径上、每隔一个线圈宽度铺设一个发射线圈；接收端副边线圈采用2个线圈或者4个线圈组成一个线圈组，线圈组可以保证原副边线圈互感值的稳定，同时在同样的电路参数下，可以增大接收功率的等级；采用plecs软件通过以下对小车无源控制恒压恒流充电进行验证，验证过程如下，a：在plecs中先对系统各个模块进行模型搭建，然后将各个模型进行连接构成仿真系统，具体操作是在plecs里搭建一个接收线圈的仿真模型，其中动态原副边线圈数据由ahsys线圈仿真获得；b：验证控制原边及副边端dc-dc电路的前段电压来提高输出功率，具体验证时，控制线圈外环采用pi控制负载电流，线圈内环控制采用无源控制方法控制dc-dc电路的前段电压值；c：验证忽略寄生参数条件下，描述动态无线充电dc-dc电路状
态平均值；d：利用pi控制算法验证外环的dc-dc输入电压控制；e:内环的电流控制中，利用无源控制算法来给定dcd-c电路igbt的pwm波形。
7.进一步地，所述验证a-e过程分别对接收端副边线圈1个接收线圈、2个接收线圈组和4个接收线圈组进行动态无线充电仿真。
8.进一步地，所述过程a中，当使用四个接收线圈时的仿真电路图，其中原边发射端线圈配套选用的元器件包括谐振电感、谐振电容、补偿电容、dc-dc电路电感，副边接收端线圈配套选用的所选元器件包括谐振电感、谐振电容、补偿电容、dc-dc电路滤波电容。
9.进一步地，所述过程c采用的公式如下：其中cd1、cd2和l分别表示输入电容、输出电容和电感，u
cd1
、u
cd2
、i
l
和i
in
分别表示输入电容器电压、输出电容器电压、电感器电流和输入电流，r是电路的输出负载电阻值。
10.进一步地，所述过程d采用的公式如下，进一步地，所述过程d采用的公式如下，其中k
p
和ki大于0，是pi控制的比例积分参数，i
l
是无源控制所需要的电流，im是限制所需要的电流的最大值，比例积分控制的输出作为无源控制的输入。
11.进一步地，所述过程e采用的公式如下，其中d为dc-dc电路igbt的占空比，r是电路的虚拟阻抗。
12.本发明有益效果是：本发明采用多个接收端线圈(副边)同时接收能量(原边)的结构，可以满足在小车在运动过程中，原副边线圈一直能有稳定的电流互感。本发明分别通过对1个接收线圈，2个接收线圈组和4个接收线圈组的动态无线充电仿真，控制电路采用pi结合无源控制方法来控制dc-dc电路前端电压及负载充电电流的稳定，通过电路仿真得出具体数据，同时采用基于pi结合无源控制算法等来得出稳定控制负载充电的电压和电流值是否符合标准，进而为小车上锂电池恒压恒流充电起到了有力技术支撑。基于上述，本发明具有好的应用前景。
附图说明
13.图1是本发明搭建的动态无线充电系统结构示意图。
14.图2是本发明两个线圈为一组的动态无线充电接收线圈结构示意图。
15.图3是本发明四个线圈为一组的动态无线充电接收线圈结构示意图。
16.图4是本发明一个接收线圈的电路仿真模型图。
17.图5是本发明四个接收线圈的电路仿真模型图。
18.图6是本发明接收端dc-dc电路图。
19.图7是不同数量接收线圈动态无线充电负载电流示意图。
20.图8是不同数量接收线圈动态无线充电dc-dc电压示意图。
具体实施方式
21.图1所示，一种用于动态无线充电的多接收线圈组结构及无源控制算法，根据小车的车体尺寸设计双矩形线圈，其无线充电系统的原边发射端线圈及小车上接收端副边线圈均采用双矩形线圈，每单个线圈由两个小的矩形项圈组成、并在线圈下方铺设三条磁芯组成，原边发射端线圈铺设方式在小车经过的路径上、每隔一个线圈宽度铺设一个发射线圈；接收端副边线圈采用2个线圈或者4个线圈组成一个线圈组，图2、3所示，这种设计的线圈组可以保证原副边线圈互感值的稳定，同时在同样的电路参数下，可以增大接收功率的等级(单个线圈的尺寸如表1)。采用此设计的线圈结构，当接收端分别采用1个线圈、2个线圈组成的线圈组及4个线圈组成的线圈组时，通过ansys电磁仿真实验，互感结果如表2所示，从实验结果可以得出2个线圈和4个线圈组成的线圈组不仅可以保持原副边线圈互感值的稳定，还可以提高互感值。
22.表1单个线圈的尺寸表
23.名称尺寸线圈板长度500毫米线圈板宽度250毫米单个磁片长度420毫米单个磁片宽度40毫米磁片间距30毫米线圈绕制匝数15
24.表2:原副边线圈ansys电磁仿真互感结果
[0025][0026][0027]
图1所示，本发明采用plecs软件通过以下对小车无源控制恒压恒流充电进行验证，验证过程如下文。由于动态无线充电仿真模型比较复杂，因此在plecs中先对系统各个模块进行模型搭建，然后将各个模型进行连接构成仿真系统。如图4所示，是在plecs里搭建的一个接收线圈的仿真模型，其中动态原副边线圈数据由ahsys线圈仿真获得。图5是当使用四个接收线圈时的仿真电路图，其中所选元器件参数如表3所示：
[0028]
表3:动态无线充电原副边元器件参数表
[0029][0030][0031]
图1所示，实际情况中，即使采用多个接收线圈，原副边线圈的耦合在仿真过程中是相对稳定的，但实际情况下是有一定波动的，并且为了提高输出功率，一定要控制原边就副边dc-dc电路的前段电压来提高输出功率，dc-dc电路原理如图4所示。本发明采用的控制方法是在控制线圈外环采用pi控制负载电流，线圈内环控制采用无源控制方法控制dc-dc电路的前段电压值。忽略寄生参数，描述动态无线充电dc-dc电路状态平均模型的微分方程模型如公式1-1所示：
[0032][0033]
其中cd1、cd2和l分别表示输入电容、输出电容和电感，u
cd1
、u
cd2
、i
l
和i
in
分别表示输入电容器电压、输出电容器电压、电感器电流和输入电流，r是电路的输出负载电阻值。如图4所示，外环的dcdc输入电压控制利用pi控制算法，如公式1-2和1-3所示，
[0034][0035][0036]
其中k
p
和ki大于0，是pi控制的比例积分参数，是无源控制所需要的电流，im是限制所需要的电流的最大值，比例积分控制的输出作为无源控制的输入。内环的电流控制利用利用无源控制算法来给定dc-dc电路igbt的pwm波形，如公式1-4所示。
[0037][0038]
其中d为d-cdc电路igbt(功率放大电路)的占空比，r是电路的虚拟阻抗。
[0039]
本发明分别做了1个接收线圈，2个接收线圈组和4个接收线圈组的动态无线充电仿真，控制电路采用pi结合无源控制方法来控制dc-dc电路前端电压及负载充电电流的稳定，通过电路仿真看出，本发明的pi结合无源控制方法在动态无线充电过程起到了稳定电压和电流的作用，并且验证了采用多个接收线圈的方法可以让负载获得稳定的充电电压和电流，从而满足在动态无线充电过程中电池恒流充电的要求，具体仿真结果如图7和8所示。图7分别展示了1个接收线圈，2个接收线圈组和4个接收线圈组的动态无线充电仿真负载电阻的动态电流值，从图中可以看出三条曲线都是平稳变化的，验证了dcdc控制方法的有效性；当接收线圈从1个、2个一组到4个一组，清晰的看出负载的电流越来越趋于平稳，验证了在动态无线充电过程中采用多个接收线圈的有效性，并且提高了负载的充电功率。图8分别展示了1个接收线圈，2个接收线圈组和4个接收线圈组的动态无线充电仿真时dc-dc电路的前端电压的动态曲线图，仿真所给定的dc-dc前端电压值为180伏，从图中可以看出三条曲线变化都在控制要求范围内，验证了dc-dc控制方法的有效性；当接收线圈从1个、2个一组到4个一组，也可以清晰的看出dc-dc电路的前端电压越来越趋于平稳，并在采用4个接收线圈组的时候，很好稳定在180伏附近，偏差非常小，验证了在动态无线充电过程中采用多个接收线圈的有效性。
[0040]
图1所示，本发明提出的在动态无线充电过程中采用多个接收线圈组的方案，有效提高了原副边线圈互感的数值及变化的平稳性，在电路仿真的结果也可以看出，提高了dc-dc前端电压和负载电流的平稳性，增加了电池动态运动过程中充电功率和恒流充电的要求。本发明动态无线充电pi结合无源控制算法，在动态无线充电过程起到了稳定电压和电流变化的作用，使得充电电压和电流平稳变化，保证电池充电过程中的稳定性，进而为小车上锂电池恒压恒流充电起到了有力技术支。基于本发明开发的动态无线充电的多接收线圈结构和pi加无源控制算法也可以扩展到其他功率等级的动态无线充电系统上使用，相应的和本技术接近的方案都属于本发明的保护范围之内。
[0041]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明
限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
[0042]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。