基于多互感比前端检测定位的实本征态靶向磁能控制方法

本发明涉及无线电能传输(wireless power transfer，wpt)，尤其涉及一种基于多互感比前端检测定位的实本征态靶向磁能控制方法。

背景技术：

1、无线电能传输(wpt)技术是支持无人操作、提高设备续航能力不可或缺的支撑技术。磁耦合无线电能传输(magnetic coupling wireless power transfer,mc-wpt)技术是目前技术最成熟、应用最广泛的wpt技术，已逐渐应用于消费电子、家用电器和电动汽车等多个领域。目前大多数mc-wpt系统是针对单对单的无线传能，但由于磁能的强衰减特性，单个发射线圈的传输距离短，传能范围小的缺点十分明显。

2、多发射无线电能传输(multi-transmitter wireless power transfer,multi-transmitter wpt)系统因其设有多个发射线圈和一个接收线圈，相较于单个发射线圈的无线传能具有无可比拟的优势：

3、1)多发射线圈位置的排列组合较为灵活，可以根据实际系统的空间要求设计发射线圈的位置。

4、2)通过增加发射线圈的数量，能够极大地扩展无线电能传输的范围和系统输出功率。

5、3)通过精确控制各发射线圈的磁场，能够提升系统的传输效率。

6、与单发射线圈的wpt系统相比，多发射线圈wpt系统具有以下劣势：

7、1)各发射线圈的电路结构相互独立，系统的整体结构较为复杂。

8、2)系统的功效的提升与发射线圈的数量没有直接关系，缺乏有效的磁能控制方法反而会导致漏磁较大，效率降低。

9、3)各发射线圈与接收线圈的互感往往差异较大，难以简单、快速和准确地检测多个互感参数。

10、多发射wpt技术近年来备受关注，但对多互感的检测和磁能控制的方法相关研究尚少。目前，针对多发射wpt互感检测的方法主要有三种：

11、1)以单发射互感识别为基础，逐个激励各发射线圈，单独提取各发射线圈之间的互感。因此，每个互感的检测都需要一个检测周期，该方法不仅检测时间较长，而且检测程序较为复杂。此外，根据所使用单发射-单接收互感检测的具体方法不同，可能还需要额外增加附加电路，产生额外的系统损耗，造成系统效率的降低。

12、2)在接收线圈处安装姿态传感器，通过前后端的通信，根据接收线圈的位置信息计算出互感电参数。采用姿态传感器检测互感的方法，不仅需要前端的发射线圈和后端的接收线圈的通信，还需要根据位置信息反推出实际互感值。这不仅会造成检测成本的增加，而且在实际wpt系统中极大的增加了系统的复杂性。

13、3)在lcc-s拓扑的基础上，检测各个发射线圈的电压与电流，进而推导各个发射线圈的互感，但此方法也只适用于lcc特定拓扑下的系统，通常不适用于常用的ss、ps等拓扑结构，且对于检测电路检测精度的要求较高。

14、现有多发射wpt的磁能控制方法主要是基于磁耦合谐振式工作机制，即将系统工作频率固定为线圈固有频率，但该工作机制仅分析了工作频率为线圈固有频率的情况，在负载和耦合变化的复杂工况下，往往难以兼顾系统的输出功率和传输效率。

15、综上所述，多发射wpt技术近年来虽备受关注，但对互感的检测和磁能的控制相关研究尚少，目前都没有很好的解决方案。现有的方法难以同时兼顾快速、准确并且不依靠通信来实现多互感的检测，也缺乏合适的工作机制即兼顾系统传输效率，又满足复杂工况下的大功率输出。

技术实现思路

1、本发明提供基于多互感比前端检测定位的实本征态靶向磁能控制方法，解决的技术问题在于：如何简单、快速、精确控制靶向磁能传能模式，既能保障系统的传输效率，又保证系统的输出功率。

2、为解决以上技术问题，本发明提供基于多互感比前端检测定位的实本征态靶向磁能控制方法，包括步骤：

3、s1、在多发射无线电能传输系统发射端的直流电源udc与每个逆变电路之间增加一个调压电路；多发射无线电能传输系统发射端包括直流电源udc及与之并联的n个相同的逆变电路，与n个逆变电路一一对应连接的n个相同的发射回路；

4、s2、通过控制对应的调压电路和逆变电路，先后激励任意两路发射回路，在激励任一发射回路时，其余未激励的n-1路发射回路与其逆变电路构成n-1个响应回路；

5、s3、测量两次激励对应的n-1个响应回路的电流，并根据测量的电流计算n个反射线圈与接收线圈之间的互感比；

6、s4、控制n个调压电路的输出电压控制信号比为计算的互感比；

7、s5、在起始频率和终止频率范围内，每次增加设定步长，调节n个逆变电路的激励频率；

8、s6、测量每一次激励频率下的任一发射回路的输入电压电流的相位差，并将相位差为零的从小到大的激励频率依次记录为本征频率f1,f2,f3；

9、s7、根据系统控制需求以本征频率f1或f2或f3对n个逆变电路进行激励，进行靶向磁能控制的无线传能。

10、进一步地，在所述步骤s3中，根据测量的电流计算n个反射线圈与接收线圈之间的互感比具体为：

11、令第一次激励时未激励的n-1路发射回路的电流比等于该n-1路发射回路与接收线圈之间的互感比，建立第一互感比电流比约束关系；

12、令第二次激励时未激励的n-1路发射回路的电流比等于该n-1路发射回路与接收线圈之间的互感比，建立第二互感比电流比约束关系；

13、联立所述第一互感比电流比约束关系和所述第二互感比电流比约束关系，解得当前n个发射回路与接收线圈之间的互感比。

14、进一步地，所述步骤s7具体为：

15、若系统控制需求为高效率传输，则以f2激励n个逆变电路；

16、若系统控制需求为大功率传输，则以f1或f3激励n个逆变电路。

17、进一步地，在步骤s4中，调压电路采用buck-boost升降压斩波电路，调压电路i的控制信号定义为δi＝toni/toffi，toni、toff分别为调压电路i的开关管开通时间与关断时间，i＝1,2,,…,n。

18、进一步地，步骤s4至s6具体包括步骤：

19、b1、输入计算的各发射线圈之间的互感比m1s:…:mns，mis表示发射线圈li与接收线圈ls之间的互感；

20、b2、根据互感比m1s:…:mns，控制调压电路1,2,…,n的开关管s1,…,sn，控制信号为δ1:…:δn＝m1s:…:mns；

21、b3、调节逆变电路1,2,…,n的激励频率，以起始频率激励系统；

22、b4、测量任一发射回路的输入电压和电流的相位差；

23、b5、对相位差进行判断，若相位差为零，则记录此时激励频率，从小到大依次为f1,f2,f3；若相位差不为零，则判断激励频率是否达到终止频率，若激励频率尚未达到终止频率，则以步长增加激励频率，并重新返回步骤b4；

24、b6、输出本征频率f1,f2,f3。

25、进一步地，发射回路i包括发射线圈li和原边串联补偿电容ci。

26、进一步地，多发射无线电能传输系统的接收端包括接收线圈ls、副边串联补偿电容cs和等效负载电阻rl。

27、进一步地，在步骤s2中，激励任意两路发射回路的激励频率为发射回路线圈固有频率。

28、本发明提供的基于多互感比前端检测定位的实本征态靶向磁能控制方法，首先在直流电源与各逆变电路之间加入调压电路，然后通过激励两次系统获取两次发射回路电流计算出互感比，进一步根据互感比调节调压电路，再通过频率扫描的方式确定系统的本征频率(一个定频和两个浮频)，从而使得系统可以根据互感比和充电需求选择对应的本征频率进行激励。在多互感比和本征频率的检测上，该方法无需前端的发射线圈与后端接收线圈进行通信，识别互感比的时间短，并且消除了本征态频率检测时复杂的计算过程，极大降低了本征频率值识别的难度，简化了系统的复杂性。该方法根据实本征态工作机制多互感比和激励电流的约束条件，精确控制靶向磁能的传能模式，既能保障系统的传输效率，又保证系统的输出功率。该方法可以在换浮频模式和定频模式中进行切换，浮频模式拥有更大的输出功率，定频模式拥有更高的传输效率，两种模式的切换使整个系统具有很强的应对复杂工况的能力。该方法根据耦合情况激励各发射线圈，减小了发射线圈的漏磁，提升了系统的传输效率。本发明可以在无人机、无人地面车辆等复杂工况的无线充电应用场合中实现系统关键参数的辨识和靶向磁能的精确控制。