一种基于阵列检测线圈组的无线充电线圈定位方法及电路

1.本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种基于阵列检测线圈组的无线充电线圈定位方法及电路。


背景技术：

2.无线充电技术是利用电感耦合的一种非接触式充电方式。无线充电快捷、方便，减少了输电线路在日常生活中的空间位置，提高了人们的日常用电安全，因此无线充电被广泛应用于各类电器设备。
3.对于无线充电技术，特别是在电动汽车的电感或磁耦合无线充电系统中，借助交变磁场将电力从初级发射线圈传输到次级接收线圈，线圈之间的错位将降低充电功率和效率；如何判断发射线圈和接收线圈是否对准，是需要解决的技术问题。


技术实现要素：

4.针对现有方法的不足，本发明通过配置的不同数目的检测线圈组在定位磁场中产生的定位信号，可检测发射线圈与接收线圈的对准情况，还能显示接收线圈的坐标，从而便于工作人员进行对准调整，以提高无线充电效率。
5.本发明所采用的技术方案是：一种基于阵列检测线圈组的无线充电线圈定位方法包括以下步骤：
6.步骤一、定位磁场和定位信号的产生；
7.进一步的，具体包括：
8.连通发射线圈的激励源us开始工作，在发射线圈内接入电流接收线圈与发射线圈共振建立定位磁场，n个检测线圈在定位磁场的作用下产生定位信号。
9.进一步的，定位信号满足：
[0010][0011]
其中，为n个检测线圈在定位磁场中的感应电压值，ω为发射线圈与接收线圈的共振频率，m
tr
为发射线圈与接收线圈之间的互感，m
rc-x
为接收线圈与检测线圈之间的互感，rr为接收线圈的寄生电阻，为发射线圈接入的电流。
[0012]
步骤二、构建离线指纹映射图谱；
[0013]
进一步的，具体包括：
[0014]
设置发射线圈与接收线圈的垂直距离，固定发射线圈，接收线圈在发射线圈垂直距离的二维平面内移动，接收线圈的每个位置的指纹向量与n个检测线圈的感应电压信号相对应；
[0015]
在柱坐标系下，柱坐标系是以发射线圈的中心为原点，建立柱坐标系，接收线圈的坐标(r,θ,z)与柱坐标系下指纹向量的关系表示为：
[0016][0017]
其中，φ
(r,θ,z)
代表接收线圈的坐标(r,θ,z)处的指纹向量，v
x
是的均方根，是的极性(x＝1,2,
…
,n)，z为柱坐标系下接收线圈的中心点与发射线圈平面垂直距离，r为柱坐标系下接收线圈的中心与z轴的距离，θ为柱坐标系下接收线圈的中心与极点的连线在极坐标平面上的投影和极轴之间的夹角；
[0018]
离线指纹映射图谱由指纹向量构成，表示为：
[0019][0020]
其中，φ
(z)
代表离线指纹映射图谱；r
min
,r
max
为柱坐标系下接收线圈的中心与z轴距离的边界值，θ
min
,θ
max
为柱坐标系下接收线圈的中心与极点的连线在极坐标平面上的投影和极轴之间的夹角的边界值，z
min
和z
max
为柱坐标系下接收线圈的中心点与发射线圈平面垂直距离的边界值。
[0021]
步骤三、构建分区算法；
[0022]
进一步的，具体包括：
[0023]
步骤31、测量检测线圈的感应电压v1,vi,
…vn
，1＝《i《＝n；
[0024]
步骤32、计算感应电压的最大值v
max
，v
max
＝max(v1,vi,
…vn
)；
[0025]
步骤33、当vi＝v
max
且定位信号的极性为正时，接收线圈的扇区编号为r[i]；当vi＝v
max
且定位信号的极性为负时，接收线圈的扇区编号为r[n+i]。
[0026]
步骤四、指纹映射图谱在线重构；
[0027]
进一步的，具体包括：
[0028]
离线指纹映射图谱记录某个扇区内的指纹向量；剩余扇区的指纹信息根据某个扇区进行在线重构；指纹向量包括扇区的电压极性、电压值和位置坐标。
[0029]
在线重构包括极性重构和感应电压重构；极性重构是根据某个扇区内指纹向量的电压极性测量得到剩余扇区的电压极性；
[0030]
感应电压重构是根据某个扇区内指纹向量的感应电压均方根值测量得到剩余扇区的指纹向量的感应电压均方根值。
[0031]
进一步的，电压极性是根据接收线圈在某个扇区的角平分线的左侧还是右侧确定。
[0032]
进一步的，指纹向量的位置坐标公式为：
[0033][0034]
其中，r
co
、θ
co
和z
co
分别为离线指纹映射图谱中某个扇区的柱坐标系下接收线圈的中心与z轴的距离、柱坐标系下接收线圈的中心与极点的连线在极坐标平面上的投影和极轴之间的夹角、柱坐标系下接收线圈的中心点与发射线圈平面垂直距离；ri、θi和zi分别为离线指纹映射图谱中某个扇区在线重构的其它扇区的柱坐标系下接收线圈的中心与z轴的距离、柱坐标系下接收线圈的中心与极点的连线在极坐标平面上的投影和极轴之间的夹角、柱坐标系下接收线圈的中心点与发射线圈平面垂直距离。
[0035]
步骤五、将实时测得的检测线圈定位信号的电压向量与离线指纹映射图谱进行匹配，预测接收线圈的位置；
[0036]
进一步的，具体包括：
[0037]
计算测得的检测线圈电压向量与离线指纹映射图谱电压向量的二阶minkowski距离的最小值。
[0038]
进一步的，一种基于阵列检测线圈组的无线充电线圈定位电路，包括：发射线圈、接收线圈和检测线圈，发射线圈、接收线圈和检测线圈包括自感l
t
、lr、lc和等效电阻r
t
、rr、rc，发射线圈、接收线圈还包括补偿电容c
t
和cr，检测线圈与发射线圈同轴同平面设置，通过移动接收线圈的位置构建检测线圈的离线指纹映射图谱，通过离线指纹映射图谱确定接收线圈的位置。
[0039]
以圆形线圈为基本单元的发射线圈和接收线圈，以扇形线圈为基本单元的检测线圈组，发射线圈和接收线圈使用多匝圆形线圈或盘式线圈，且有垂直距离，扇形检测线圈差分连接，检测线圈的数目n根据不同场合的定位要求进行设计，通常情况n大于等于2。
[0040]
本发明的有益效果：
[0041]
1、结构简单，生产成本低，定位精度高，通过在发射线圈同平面添加设计好的检测线圈，实现了无线电能传输过程中接收线圈的定位，不仅能检测发射线圈与接收线圈的对准情况，还能显示接收线圈的坐标，从而便于工作人员进行对准调整，以提高无线充电效率。
附图说明
[0042]
图1是阵列检测线圈组的无线充电线圈结构示意图；
[0043]
图2是单个检测线圈的差分连接示意图；
[0044]
图3是带有一个检测线圈的等效电路结构图；
[0045]
图4是接收线圈与发射线圈、检测线圈的位置关系图；
[0046]
图5是扇区划分示意图；
[0047]
图6是当离线指纹映射图谱记录的扇区r[1]得到接收线圈在r[2]、r[3]重构指纹向量示意图；
[0048]
图7是接收线圈定位结果示意图；
[0049]
图8是接收线圈定位误差和平均误差曲线图。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
[0051]
以圆形线圈为基本单元的发射线圈和接收线圈，以扇形线圈为基本单元的检测线圈组，发射线圈和接收线圈使用多匝圆形线圈或盘式线圈，且有一定的垂直距离，扇形检测线圈差分连接，与发射线圈同轴同平面放置，检测线圈的数目n根据不同场合的定位要求进行设计。
[0052]
一种基于阵列检测线圈组的无线充电线圈定位电路，如图1-3，包括：发射线圈、接收线圈和检测线圈。发射线圈参数包括：盘式线圈，外径500mm，内径372mm，线径3.05mm，固
定匝数11匝，固定匝间距2mm，自感85.7μh，等效电阻245mω。接收线圈参数包括：盘式线圈，外径368mm，内径240mm，线径3.05mm，固定匝数12匝，固定匝间距2mm，自感60.5μh，等效电阻216mω。检测线圈参数包括：扇形线圈，数目6，直径700mm，线径3.05mm，固定匝数1。发射线圈与接收线圈的垂直距离为20cm，6个差分连接的检测线圈与发射线圈同轴同平面放置。
[0053]
一种基于阵列检测线圈组的无线充电线圈定位方法包括以下步骤：
[0054]
步骤一、定位磁场和定位信号的产生；
[0055]
如图3，us是高频激励源，l
t
、lr、lc和r
t
、rr、rc分别是发射线圈、接收线圈和检测线圈的自感和等效电阻，c
t
和cr为补偿电容，r
l
代表负载电阻，m
tr
、m
tc
和m
rc
是线圈之间的互感。s、s1、s2是实现系统定位和功率传输之间转换的开关，其中s切换到s1为定位，换到s2为功率传输。在发射线圈内接入的电流为0.63a，发射线圈工作后，接收线圈与发射线圈共振建立定位磁场，检测线圈在定位磁场的作用下产生的定位信号满足下式：
[0056][0057]
式中，分别为6个检测线圈在定位磁场中的感应电压，ω为发射线圈与接收线圈的共振频率，m
tr
为发射线圈与接收线圈之间的互感，rr为接收线圈的寄生电阻，m
rc-x
为接收线圈与检测线圈之间的互感。
[0058]
步骤二、构建离线指纹映射图谱；
[0059]
如图4所示，以单个检测线圈为例，检测线圈与发射线圈同轴同平面，设中心点为o，接收线圈的中心点为p，发射线圈与接收线圈的垂直距离为z＝20cm，p点与z轴的垂直距离为r，接收线圈的中心与极点的连线在极坐标平面上的投影和极轴之间的夹角为θ；以发射线圈的中心为原点，在柱坐标系下，接收线圈在z＝20cm的平面内前后左右移动，接收线圈的所有位置与由6个检测线圈的感应电压信号组成的指纹向量一一对应(图4中只画了1个检测线圈)，接收线圈的坐标(r,θ,20)与此坐标下指纹向量的关系可以表示为：
[0060][0061]
式中，φ
(r,θ,20)
代表接收线圈的坐标(r,θ,20)处的指纹向量，v
x
是定位信号v
x
的均方根，是的极性(x＝1,2,
…
,6)，可取“+”或
“‑”
；
[0062]
离线指纹映射图谱由指纹向量构成，表示为：
[0063][0064]
式中，φ
(20)
代表z＝20时的离线指纹映射图谱，r
min
,r
max
为柱坐标系下接收线圈与z轴的距离边界值，θ
min
,θ
max
为接收线圈的中心与极点的连线在极坐标平面上的投影和极轴之间的夹角的边界值。
[0065]
依次类推采集接收线圈在不同z时的指纹向量，构建完整的接收线圈指纹向量图谱。
[0066]
步骤三、构建分区算法。
[0067]
如图5，假设放置6个检测线圈的定位区域为发射线圈的中心点为圆心，半径25cm的圆，以圆心为扇区顶点，定位区域被分为12个扇区，这些扇区记为：r[i](i＝1,2,
…
,12)，扇区的个数为检测线圈个数的2倍；以实时测量的v
x
(x＝1,2,
…
,6)为输入，接收线圈所在
扇区编号为输出，确认分区算法设计为：
[0068]
接收线圈进入检测区域，通过adc转换电路获取六个检测线圈在交变磁场中的感应电压的极性和均方根值v1,v2,...v6；其中，最大的均方根值并记为v
max
，当最大值是v1＝v
max
，如果极性为正，则接收线圈所在扇区的编号为1，如果为负，则接收线圈所在扇区的编号为6+1＝7；当最大值是v2＝v
max
，如果极性为正，则接收线圈所在扇区的编号为2，如果为负，则接收线圈所在扇区的编号为6+2＝8；依次类推；当最大值是v6＝v
max
，如果极性为正，则接收线圈所在扇区的编号为6，如果为负，则接收线圈所在扇区的编号为6+6＝12。
[0069]
伪代码如下：
[0070][0071]
步骤四、指纹映射图谱在线重构；
[0072]
离线指纹映射图谱只需记录r[1]扇区的指纹信息，r[2]-r[12]扇区的指纹映射图谱可根据r[1]的指纹向量进行重构，指纹向量重构分两阶段进行，第一阶段为极性的重构，接收线圈在不同的扇区，6个检测线圈感应电压的极性如表1所示：
[0073]
表1接收线圈在不同的扇区时检测线圈的感应电压信号的极性
[0074][0075][0076]
其中，
“±”
由接收线圈具体的位置确定；检测线圈在不同扇区的极性被提前记录在表格里，根据表格进行不同扇区的极性重构。
[0077]
如图6所示，将每个扇区从角平分线处分为r[i_a]和r[i_b]两个部分，当接收线圈在不同的扇区时取“+”或取
“‑”
。
[0078]
例如当接收线圈在r[1_a]位置时，则离线指纹映射图谱记录的指纹向量为[+v1,+v2,+v3,-v4,-v5,-v6]
t
，当接收线圈在r[1_b]位置，[+v1,+v2,+v3,+v4,-v5,-v6]
t
。
[0079]
第二阶段为v
x
的重构，接收线圈在不同的扇区，根据6个检测线圈感应电压的变化规律，v
x
可按以下规则重构：
[0080][0081]
通过表1和v
x
重构指纹向量；如图6，当离线指纹映射图谱记录的扇区r[1_a]的指纹向量为[+v1,+v2,+v3,-v4,-v5,-v6]
t
，r[1_b]的指纹向量为[+v1,+v2,+v3,+v4,-v5,-v6]
t
时；接收线圈在r[2_a]对应的位置重构的指纹向量为[+v2,+v3,+v4,+v5,-v6,-v1]
t
，接收线圈在r[2_b]对应的位置重构的指纹向量为[+v2,+v3,+v4,+v5,+v6,-v1]
t
；接收线圈在r[3_a]对应的位置重构的指纹向量为[+v3,+v4,+v5,+v6,+v1,-v2]
t
，接收线圈在r[3_b]对应的位置重构的指纹向量为[+v3,+v4,+v5,+v6,+v1,+v2]
t
；依次类推，重构接收线圈在其他r[i]的指纹向量。
[0082]
根据6个检测线圈进行的扇区划分，对于离线指纹映射图谱的位置记录的(r
co
,θ
co
,20),在r[i]区域内对应的位置重构的位置坐标(r,θ,z)为：
[0083][0084]
指纹向量与位置坐标结合，完成在线指纹映射图谱的重构。
[0085]
步骤五、将实时测得的检测线圈定位信号的电压向量与离线指纹映射图谱进行匹配，预测接收线圈的位置；
[0086]
假设z＝20时，实测检测线圈的电压向量为离线指纹映射图谱的电压向量为计算两个向量之间的二阶minkowski距离，当距离最小时，离线指纹映射图谱的向量即为预测接收线圈的离线映射指纹向量，通过指纹向量查到对应接收线圈的φ
(r,θ,z)
。
[0087]
两个向量之间的二阶minkowski距离公式为：
[0088][0089]
其中，为6个检测线圈的实测检测线圈的电压向量值，v
1-v6为6个检测线圈的离线映射指纹图谱的电压向量值。
[0090]
接收线圈当前的坐标被离线映射中最相似的足迹所记录的坐标φ
(r,θ,z)
取代，并通过屏幕显示模块显示。
[0091]
根据预测检测线圈的位置与实际检测线圈位置计算定位误差，定位误差公式为：
[0092][0093]
其中，r、为柱坐标系下接收线圈与z轴的距离的测量值和预测值，θ、分别为接收线圈的中心与极点的连线在极坐标平面上的投影和极轴之间的夹角的测量值和预测值。
[0094]
经过多次实验后，随机选取32组测量结果进行分析，定位结果与定位误差如图6和图7，最大定位误差不超过2cm，平均定位误差为1.1cm；
[0095]
本发明实现了无线电能传输过程中接收线圈的定位，不仅能检测发射线圈与接收线圈的对准情况，还能显示接收线圈的坐标，从而便于工作人员进行对准调整，以提高无线充电效率。
[0096]
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

技术特征：
1.一种基于阵列检测线圈组的无线充电线圈定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、定位磁场和定位信号的产生；步骤二、构建离线指纹映射图谱；步骤三、构建分区算法；步骤四、指纹映射图谱在线重构；步骤五、将实时测得的检测线圈定位信号的电压向量与离线指纹映射图谱进行匹配，预测接收线圈的位置。2.根据权利要求1所述的基于阵列检测线圈组的无线充电线圈定位方法，其特征在于，步骤一具体包括：发射线圈的激励源工作，接收线圈与发射线圈共振建立定位磁场，检测线圈在定位磁场的作用下产生定位信号。3.根据权利要求1所述的基于阵列检测线圈组的无线充电线圈定位方法，其特征在于，定位信号满足：其中，为n个检测线圈在定位磁场中的感应电压值，ω为发射线圈与接收线圈的共振频率，m
tr
为发射线圈与接收线圈之间的互感，m
rc-x
为接收线圈与检测线圈之间的互感，r
r
为接收线圈的寄生电阻，为发射线圈接入电流。4.根据权利要求1所述的基于阵列检测线圈组的无线充电线圈定位方法，其特征在于，步骤二具体包括：设置发射线圈与接收线圈的垂直距离，固定发射线圈，接收线圈在发射线圈垂直距离的二维平面内移动，接收线圈的每个位置的指纹向量与n个检测线圈的感应电压信号相对应；在柱坐标系下，接收线圈的坐标(r,θ,z)与柱坐标系下指纹向量的关系表示为：其中，φ
(r,θ,z)
代表接收线圈的坐标(r,θ,z)处的指纹向量，v
x
是的均方根，是的极性(x＝1,2,
…
,n)，z为柱坐标系下接收线圈的中心点与发射线圈平面垂直距离，r为柱坐标系下接收线圈的中心与z轴的距离，θ为柱坐标系下接收线圈的中心与极点的连线在极坐标平面上的投影和极轴之间的夹角；离线指纹映射图谱由指纹向量构成，表示为：其中，φ
(z)
代表离线指纹映射图谱；r
min
,r
max
为柱坐标系下接收线圈的中心与z轴距离的边界值，θ
min
,θ
max
为柱坐标系下接收线圈的中心与极点的连线在极坐标平面上的投影和极轴之间的夹角的边界值，z
min
和z
max
为柱坐标系下接收线圈的中心点与发射线圈平面垂直距离的边界值。5.根据权利要求1所述的基于阵列检测线圈组的无线充电线圈定位方法，其特征在于，步骤三具体包括：
步骤31、测量检测线圈的感应电压v1,v
i
,
…vn
，1＝<i<＝n；步骤32、计算感应电压的最大值v
max
，v
max
＝max(v1,v
i
,
…vn
)；步骤33、当v
i
＝v
max
且定位信号的极性为正时，接收线圈的扇区编号为r[i]；当v
i
＝v
max
且定位信号的极性为负时，接收线圈的扇区编号为r[n+i]。6.根据权利要求1所述的基于阵列检测线圈组的无线充电线圈定位方法，其特征在于，步骤四具体包括：离线指纹映射图谱记录某个扇区内的指纹向量；剩余扇区的指纹信息根据某个扇区进行在线重构；在线重构包括极性重构和感应电压重构；极性重构是根据某个扇区内指纹向量的电压极性测量得到剩余扇区的电压极性；感应电压重构是根据某个扇区内指纹向量的感应电压均方根值测量得到剩余扇区的指纹向量的感应电压均方根值。7.根据权利要求6所述的基于阵列检测线圈组的无线充电线圈定位方法，其特征在于，电压极性是根据接收线圈在某个扇区的角平分线的左侧还是右侧确定。8.根据权利要求6所述的基于阵列检测线圈组的无线充电线圈定位方法，其特征在于，指纹向量的位置坐标公式为：其中r
co
、θ
co
和z
co
分别为离线指纹映射图谱中某个扇区的柱坐标系下接收线圈的中心与z轴的距离、柱坐标系下接收线圈的中心与极点的连线在极坐标平面上的投影和极轴之间的夹角、柱坐标系下接收线圈的中心点与发射线圈平面垂直距离；r
i
、θ
i
和z
i
分别为离线指纹映射图谱中某个扇区在线重构的其它扇区的柱坐标系下接收线圈的中心与z轴的距离、柱坐标系下接收线圈的中心与极点的连线在极坐标平面上的投影和极轴之间的夹角、柱坐标系下接收线圈的中心点与发射线圈平面垂直距离。9.根据权利要求1所述的基于阵列检测线圈组的无线充电线圈定位方法，其特征在于，步骤五具体包括：计算测得的检测线圈电压向量与离线指纹映射图谱电压向量的二阶minkowski距离的最小值。10.一种基于阵列检测线圈组的无线充电线圈定位电路，其特征在于，包括：发射线圈、接收线圈和检测线圈，发射线圈、接收线圈和检测线圈包括自感l
t
、l
r
、l
c
和等效电阻r
t
、r
r
、r
c
，发射线圈、接收线圈还包括补偿电容c
t
和c
r
，检测线圈与发射线圈同轴同平面设置，通过移动接收线圈的位置构建检测线圈的离线指纹映射图谱，通过离线指纹映射图谱确定接收线圈的位置。

技术总结
本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种基于阵列检测线圈组的无线充电线圈定位方法及电路，包括定位磁场和定位信号的产生；构建离线指纹映射图谱；构建分区算法；指纹映射图谱在线重构；根据在线获得的定位信号确认接收线圈的位置。本发明通过配置的不同数目的检测线圈组在定位磁场中产生的定位信号，可检测发射线圈与接收线圈的对准情况，还能显示接收线圈的坐标，从而便于工作人员进行对准调整，以提高无线充电效率。以提高无线充电效率。以提高无线充电效率。


技术研发人员：强浩 刘东辉 关甲琪 肖菲杭
受保护的技术使用者：常州大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/8/24