三角定位法中激励发射端线圈的电路拓扑结构及控制方法
阅读说明：本技术 三角定位法中激励发射端线圈的电路拓扑结构及控制方法 (Circuit topology structure of excitation transmitting end coil in triangulation location method and control method ) 是由 张瑞宏 于 2020-12-07 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种三角定位法中激励发射端线圈的电路拓扑结构及控制方法。电路结构包括：并联连接的支路T、支路T-1和支路T-2,所述支路T包括串联的开关S-T与谐振电容C-T,所述支路T-1包括串联的开关S-1与谐振电容C-(T1),所述支路T-2包括串联的开关S-2与谐振电容C-(T2)；直流电源,与开关S-U、电阻R-T、电感L-T以及并联的所述支路T、支路T-1或支路T-2串联连接；开关S-D与所述直流电源和开关S-U并联,并且与所述电阻R-T、电感L-T串联后与所述支路T、支路T-1或支路T-2并联连接。本发明通过设置开关S-U、S-D的开关频率和导通时间,进而调整电路拓扑结构的谐振频率,可以分别在适合接收端三个线圈的三种谐振频率下工作。(The invention provides a circuit topology structure of an excitation transmitting end coil in a triangulation location method and a control method. The circuit structure includes: parallel-connected branch T and branch T 1 And branch T 2 Said branch T comprising a switch S connected in series T And a resonance capacitor C T Said branch T 1 Comprising a series-connected switch S 1 And a resonance capacitor C T1 Said branch T 2 Comprising a series-connected switch S 2 And a resonance capacitor C T2 (ii) a DC power supply, and switch S U Resistance R T Inductor L T And the branch T connected in parallel 1 Or branch T 2 Are connected in series; switch S D And the DC power supply and the switch S U In parallel with the resistor R T Inductor L T After being connected in series with the branch circuit T and the branch circuit T 1 Or branch T 2 Are connected in parallel. The invention sets a switch S U 、S D The switching frequency and the conduction time of the three coils are adjusted, and then the resonant frequency of the circuit topology structure is adjusted, so that the three coils can work under three resonant frequencies suitable for the three coils of the receiving end respectively.)
技术领域
本发明属于电动汽车无线充电领域，涉及无线充电的三角定位法技术，更具体地，涉及电动汽车无线充电三角定位法中激励发射端线圈检测距离的电路拓扑结构及控制方法。
背景技术
为了节约能源，减少环境污染，电动汽车受到了世界各国的大力推广。由于电池容量及充电基础设施等条件的限制，充电问题成为电动汽车发展过程中面临的最主要瓶颈问题。由于无线充电技术可以解决传统传导式充电面临的接口限制、安全问题等而逐渐发展成为电动汽车充电的主要方式。然而有线充电存在诸多不便。在这样的背景下，电动汽车无线充电技术应运而生，通过非接触的方式为电动汽车提供能量供给。
电动汽车无线充电过程中，汽车的停放位置不准确会导致无线电能传输系统性能剧烈下降，严重影响电能传输效率。研究表明，只有5％的司机能够在没有其他任何帮助的情况下，很好地把电动车停在合适的充电位置。因此，汽车定位问题成为了电动车无线充电系统广泛被应用的主要障碍。
为了解决该问题，利用三角定位法进行发射线圈和接收线圈的定位。在三角定位法中，接收端有三个线圈，分别是接收线圈和两个辅助线圈。依次用接收端三个线圈的谐振频率来激励发射端线圈，通过测量发射端线圈上的电流，并计算发射端线圈与接收端三个线圈的横向距离，进而可得到发射线圈相对于接收线圈的准确位置。
发明内容
为了利用三角定位法进行发射线圈和接收线圈的定位，本发明设计了三角定位法中激励发射端线圈的电路拓扑结构，通过控制电路中的开关，可以使电路拓扑结构分别工作在适合接收端三个线圈的三种工作频率下。
根据本发明的一方面，提供一种三角定位法中激励发射端线圈的电路拓扑结构，包括：
支路T、支路T1和支路T2，所述支路T包括串联的开关ST与谐振电容CT，所述支路T1包括串联的开关S1与谐振电容CT1，所述支路T2包括串联的开关S2与谐振电容CT2；
直流电源，与开关SU、电阻RT、电感LT以及所述支路T、支路T1或支路T2串联连接；
开关SD与所述直流电源和开关SU并联，并且与所述电阻RT、电感LT串联后与所述支路T、支路T1或支路T2并联连接。
进一步地，还包括接收端接收线圈支路，包括串联连接的电容CR、电阻RR和电感LR。
进一步地，还包括接收端第一辅助线圈支路，包括串联连接的电容CR1、电阻R1和电感L1。
进一步地，还包括接收端第二辅助线圈支路，包括串联连接的电容CR2、电阻R2和电感L2。
根据本发明的另一方面，提供一种用于三角定位法中激励发射端线圈的电路拓扑结构的控制方法，包括：
控制开关S1、S2和ST，设置开关SU、SD互补工作的开关频率和导通时间，使得电路拓扑结构分别工作在fR、f1、f2三种工作频率下；
在三种谐振频率下测量所述发射端线圈支路的电流iT，分别计算发射线圈与接收线圈、第一辅助线圈、第二辅助线圈之间的耦合距离；
根据耦合距离判断所述发射线圈是否在接收线圈、第一辅助线圈和/或第二辅助线圈的感应区内。
进一步地，当测量发射线圈与接收线圈之间的相对位置时，开关S1、S2常开，开关ST常闭，开关SU、SD互补工作，工作频率为fR。
进一步地，当测量发射线圈与第一辅助线圈之间的相对位置时，开关ST、S2常开，开关S1常闭，开关SU、SD互补工作，工作频率为f1。
进一步地，当测量发射线圈与第二辅助线圈之间的相对位置时，开关ST、S1常开，开关S2常闭，开关SU、SD互补工作，工作频率为f2。
进一步地，三种谐振频率为：
进一步地，还包括确定所述发射线圈所在区域，移动所述接收线圈使发射线圈到达目标区域。
本发明的电路拓扑结构，通过设置开关SU、SD的开关频率和导通时间，可以分别在适合接收端三个线圈的三种谐振频率下工作。
通过在三种不同谐振频率下测量电流信息，计算发射线圈与接收侧三个线圈之间的耦合距离，可以分别判断发射线圈是否在接收侧三个线圈的感应区内，进而判断发射线圈所在区域。确定发射线圈所在区域后，通过相应的移动，可让发射线圈到达目标区域。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1为根据本发明实施例的接收侧三个线圈的感应区及其分区。
图2为根据本发明实施例的激励发射端线圈的电路拓扑结构示意图。
图3为根据本发明实施例的仿真波形图。
图4为根据本发明实施例的电路拓扑结构的工作模态图。
图5为根据本发明实施例的电路拓扑结构的工作控制流程图。
图6为根据本发明实施例的电路拓扑结构的控制方法流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在三角定位法中，在发射端设置发射线圈，在接收端设置三个线圈：接收线圈、第一辅助线圈和第二辅助线圈，分别具有相应的感应区。采用三角定位法的前提是，发射线圈位于接收线圈和两个辅助线圈的共同感应区内。但是，实际应用时，并不需要准确的位置信息，所以引入了分区算法。根据线圈间耦合系数与横向距离之间的单解区域，可以定义线圈的感应区。如图1所示，可以把接收侧的三个线圈的感应区分为8个区域，分别是C区、A1、A2、A3、B1、B2、B3、B4。其中C区为目标区域，圆-Rx、圆-1、圆-2分别代表接收线圈、第一辅助线圈1、第二辅助线圈2的感应区。根据三个线圈感应区的重叠情况，可以区分8个区域分别所处的感应区范围。
通过在三种不同谐振频率下测量电流信息，计算发射线圈与接收侧三个线圈之间的耦合距离，可以分别判断发射线圈是否在接收侧三个线圈的感应区内，进而判断发射线圈所在区域。确定发射线圈所在区域后，通过相应的移动，可让发射线圈到达目标区域。
当激励源在发射侧时，为了避免线圈间相互影响，接收线圈和两个辅助线圈应该具有不同的谐振频率，发射线圈的交流激励源应该依次转变到该三种谐振频率，并且能够测量不同谐振频率下发射线圈的电流iT，进而得到位置信息。
具体地，本发明提供一种三角定位法中激励发射端线圈的电路拓扑结构，包括：
发射端支路T、支路T1和支路T2，所述支路T包括串联的开关ST与谐振电容CT，所述支路T1包括串联的开关S1与谐振电容CT1，所述支路T2包括串联的开关S2与谐振电容CT2；
直流电源，与开关SU、电阻RT、电感LT以及并联的所述支路T、支路T1或支路T2串联连接；
开关SD与所述直流电源和开关SU并联，并且与所述电阻RT、电感LT串联后与所述支路T、支路T1或支路T2并联连接。
进一步地，还包括接收端接收线圈支路，包括串联连接的电容CR、电阻RR和电感LR。
进一步地，还包括接收端第一辅助线圈支路，包括串联连接的电容CR1、电阻R1和电感L1。
进一步地，还包括接收端第二辅助线圈支路，包括串联连接的电容CR2、电阻R2和电感L2。
如图5所示，根据本发明的另一方面，提供一种用于三角定位法中激励发射端线圈的电路拓扑结构的控制方法，包括：
控制开关S1、S2和ST常闭或常开，设置开关SU、SD互补工作的开关频率和导通时间，使得电路拓扑结构分别工作在fR、f1、f2三种工作频率下；
在三种谐振频率下测量所述发射线圈支路的电流iT，分别计算发射线圈与接收线圈、第一辅助线圈、第二辅助线圈之间的耦合距离；
根据耦合距离判断所述发射线圈是否在接收线圈、第一辅助线圈和/或第二辅助线圈的感应区内。
进一步地，当测量发射线圈与接收线圈之间的相对位置时，开关S1、S2常开，开关ST常闭，开关SU、SD互补工作，工作频率为fR。
进一步地，当测量发射线圈与第一辅助线圈之间的相对位置时，开关ST、S2常开，开关S1常闭，开关SU、SD互补工作，工作频率为f1。
进一步地，当测量发射线圈与第二辅助线圈之间的相对位置时，开关ST、S1常开，开关S2常闭，开关SU、SD互补工作，工作频率为f2。
进一步地，三种谐振频率为：
为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。
如图2所示，电路拓扑结构包括电感LR、L1、L2，分别为接收端接收线圈、第一辅助线圈1、第二辅助线圈2的等效电感；电容CR、CR1、CR2分别为接收线圈、第一辅助线圈1、第二辅助线圈2的补偿电容；电阻RR、R1、R2分别为接收线圈、第一辅助线圈1、第二辅助线圈2谐振支路总的等效电阻。
具体地，发射端支路T包括串联的开关ST与谐振电容CT，支路T1包括串联的开关S1与谐振电容CT1，支路T2包括串联的开关S2与谐振电容CT2。支路T、支路T1和支路T2并联连接。
直流电源与开关SU、电阻RT、电感LT以及并联的支路T、支路T1或支路T2串联连接。开关SD与直流电源和开关SU并联，并且与所述电阻RT、电感LT串联后与所述支路T、支路T1或支路T2并联连接。
本实施例中，接收侧的三个线圈位于零耦合距离处，线圈之间的互感几乎为零。RT、LT分别为发射线圈的寄生电阻和等效电感。开关ST、S1、S2分别与谐振电容CT、CT1、CT2串联，以进行不同谐振频率的切换，三种谐振频率如下式所示。开关SU、SD互补工作，能够提供不同频率的激励信号。
图2所示的电路拓扑可分为三种工作状态，分别工作在fR、f1、f2三种谐振频率下。
(1)当测量发射线圈与接收线圈之间的相对位置时，开关S1、S2常开，开关ST常闭，开关SU、SD互补工作，工作频率为fR。通过测量发射线圈电流iT，计算发射线圈与接收线圈之间的耦合距离，进而可知发射线圈是否在接收线圈的感应区内。
(2)当测量发射线圈与第一辅助线圈1之间的相对位置时，开关ST、S2常开，开关S1常闭，开关SU、SD互补工作，工作频率为f1。通过测量发射线圈电流iT，计算发射线圈与第一辅助线圈1之间的耦合系数，进而可知发射线圈是否在第一辅助线圈1的感应区内。
(3)当测量发射线圈与第二辅助线圈2之间的相对位置时，开关ST、S1常开，开关S2常闭，开关SU、SD互补工作，工作频率为f2。通过测量发射线圈电流iT，计算发射线圈与第二辅助线圈2之间的耦合系数，进而可知发射线圈是否在第二辅助线圈2的感应区内。
通过分别判断发射线圈是否在接收侧三个线圈的感应区域内，可以知道发射线圈在哪个区域。例如，如果发射线圈在第一辅助线圈1的感应区域内，不在第二辅助线圈2和接收线圈的感应区域内，那么发射线圈在A1区。
下面以测量发射线圈与接收线圈之间的相对位置为例，对图2所示的电路拓扑进行具体分析。根据SU、SD的工作状况可分为两种工作模态。
(1)SU导通，SD关断，ST常闭，S1、S2常开，电流流过开关SU，SD两端电压为Vdc。
(2)SU关断，SD导通，ST常闭，S1、S2常开，电流流过开关SD，SD两端电压为0。
因此，相当于有一个幅值为Vdc的方波接到谐振支路RT-LT-CT，频率、占空比分别由开关SU、SD的开关频率和导通时间决定。当开关频率等于fR时，将会发生谐振。
PSIM仿真波形图如图3所示。仿真模型中开关频率取100k，占空比取0.5，RT、CT、LT分别取1Ω、0.253μF、10μH，输入直流电压Vdc取10V。
图3中，Vgd、Vgu分别为开关管SD、SU的驱动信号。Ilt为流过LT的电流，即iT，Vct为CT两端电压。当SU导通，SD关断，ST常闭，S1、S2常开时，发射线圈电流为正，CT谐振充电；当SU关断，SD导通，ST常闭，S1、S2常开时，发射线圈电流为负，CT谐振放电。由于谐振，iT近似正弦波。
当电路拓扑以谐振频率为f1、f2工作时，工作原理以前面所述类似。因此，可根据电路拓扑工作模态得到图4，并且可以建立表1。
表1工作模态
以“1”表示开关的导通状态，“0”表示开关的关断状态。如表1所示，有效的开关状态有(10100)、(01100)、(10010)、(01010)、(10001)和(01001)。当电路拓扑谐振频率为fR时，所对应的开关状态为(10100)和(01100)；当电路拓扑谐振频率为f1时，所对应的开关状态为(10010)和(01010)；当电路拓扑谐振频率为f2时，所对应的开关状态为(10001)和(01001)。
如图6所示，本实施例的电路拓扑结构控制方法流程为：
首先，激励谐振支路T1，工作频率为f1，测量发射线圈电流iT，比较电流iT与阈值电流iT_th，如果iT<iT_th，则可以判定发射线圈位于第一辅助线圈1感应区之内，可能位于A1、A2、B1、B2内。如果iT>iT_th，则可以判定发射线圈位于第一辅助线圈1感应区之外，可能位于A3、B3、B4内。
接下来，激励谐振支路T2，工作频率为f2，测量发射线圈电流iT，比较电流iT与阈值电流iT_th，如果iT<iT_th，则可以判定发射线圈位于第二辅助线圈2感应区之内，可能位于A2、A3、B2、B3内。如果iT>iT_th，则可以判定发射线圈位于第二辅助线圈2感应区之外，可能位于A1、B1、B4内。
接下来，激励谐振支路T，工作频率为fR，测量发射线圈电流iT，比较电流iT与阈值电流iT_th，如果iT<iT_th，则可以判定发射线圈位于接收线圈感应区之内，可能位于B1、B2、B3、B4内。如果iT>iT_th，则可以判定发射线圈位于接收线圈感应区之外，可能位于A1、A2、A3内。
最后，根据三次激励获得的结果取交集，判断发射线圈所处的区域。
本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。