CN103795154A - 一种感应式无线电能传输系统的负载合法性判定方法 - Google Patents
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Abstract
一种感应式无线电能传输系统的负载合法性判定方法，其步骤是：能量发射端：控制器控制发射线圈产生微弱激磁磁场；并实时检测、记录发射线圈电流，并从发射线圈电流的包络线中解调出频率脉冲，并与其内置的密钥进行验证，若验证通过，则向发射线圈注入额定的高频交流电，系统进入正常传能工作状态。能量拾取端：当拾取线圈感应出的电动势低于设定阈值时，能量拾取端的控制器控制BOOST直流变换电路工作在低频模态，并以含有验证信息的脉冲序列作为其开关控制信号，使拾取线圈电流的幅值发生相应的变化，并耦合到发射线圈上；当拾取线圈感应出的电动势超过设定阈值时，BOOST直流变换电路切换到高频模态，能量拾取端进入正常拾取能量状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种感应式无线电能传输系统的负载合法性判定方法。
背景技术
感应式无线电能传输（ICPT）技术是一种基于电磁场近场松耦合感应原理，综合利用电力电子变换技术、磁场耦合技术以及控制理论，实现用电设备以非导线接触方式从电网获取能量的技术，具有供电灵活、安全可靠、维护成本低等特点。
一个ICPT系统的典型结构一般由完全电气独立的能量发射端和能量拾取端两个部分组成，其中能量发射端与能量拾取端的关系可以是一对一的，也可以是一对多的。ICPT系统的基本原理是利用谐振变换器将工频交流电或者直流电变换为高频交流电，注入能量发射端的发射线圈（或导轨线圈），基于电磁感应原理，能量发射线圈的附近将会激发出具有相同频率的高频交变磁场，使处于该磁场中的能量拾取端的拾取线圈中感应出高频电动势，最后经电力电子变换后直接输出给用电负载，从而实现电能的无线传输。
磁场耦合方式的无线电能传输系统，由于发射线圈与拾取线圈之间没有直接的电气接触，而有一个cm级的空气气隙，这使得激磁磁场具有一定的开放性，当有非法负载进入这一交变磁场空间时，则会造成能量的浪费或被盗，给无线电能传输带来安全隐患：如导磁金属物进入交变磁场空间，则会因电磁感应产生涡流，并同时伴随严重的发热，造成能量的浪费；如带拾取线圈的窃电负载进入交变磁场空间，则会造成能量的被盗。因此，有必要对ICPT系统的负载合法性进行判别。
目前，ICPT系统主要是通过射频识别技术（RFID）来完成对负载合法性的判断，RFID识别系统主要由阅读器及电子标签组成，当带有电子标签的能量拾取端进入能量发射端的射频天线工作区域时，发射端的射频天线接收到从电子标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码后送到能量发射端的主控制器，由主控制器根据电子标签数据来判断负载的合法性。只有识别到合法负载时，主控制器才使能量发射端进入正常工作，将能量无线传输给负载，否则拒绝向负载传输电能。
可见，RFID负载识别技术本质上是基于一定频率的射频信号来进行信号传输的，由于ICPT系统中磁能转换机构及高频电能逆变器的存在，RFID射频信号在能量的无线传输过程中易受到高频电磁场的干扰，有可能会导致误读误判，降低非法负载识别的准确度。另外，RFID负载识别技术需要增加电子标签及其电源、阅读器、射频天线，也增加了整个系统的成本，降低了系统的可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种感应式无线电能传输系统的负载合法性判定方法，该方法能更准确、可靠地判别负载的合法性，且不增加新的硬件，判别成本低，易于实施。
本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种感应式无线电能传输系统的负载合法性判定方法，其步骤是：
能量发射端
A1、能量发射端通过控制器控制逆变电路向发射线圈注入微小的高频交流电，产生微弱激磁磁场；并实时检测、记录发射线圈电流，将发射线圈电流的峰值点连接，得到用于反映发射线圈电流幅度变化的包络线，从包络线中解调出低频信号，再将低频信号转换为脉冲序列，并与其内置的密钥进行匹配验证，若验证通过，判定能量拾取端的负载合法，进行A2步骤的操作；否则重复以上操作。
A2、能量发射端通过控制器控制逆变电路向发射线圈注入额定的高频交流电，无线电能传输系统进入正常传能工作状态。
能量拾取端
B、拾取线圈在能量发射端发射线圈的微弱激磁磁场作用下感应出电动势，经整流电路整流后向BOOST直流变换电路提供电能，当拾取线圈感应出的电动势低于设定的阈值时，能量拾取端的控制器控制BOOST直流变换电路工作在低频模态，并以含有验证信息的脉冲序列作为BOOST直流变换电路的开关控制信号，使拾取线圈电流的幅值发生相应的变化，并耦合到能量发射端的发射线圈上；
当拾取线圈感应出的电动势超过设定的阈值时，能量拾取端的控制器控制BOOST直流变换电路切换到高频模态，能量拾取端进入正常拾取能量状态。
本发明的关键在于：
无线能量传输系统的BOOST直流变换电路在传统工作状态下处于高频模式，通过改变开关信号的占空比即可调节输出功率的大小，当占空比一定时，发射线圈电流的幅值几乎不变，但这种模式很难将验证信号加载其上并检测出来。
因此，在负载合法性验证通过之前，设定BOOST直流变换电路工作在低频模式下，BOOST直流变换电路的开关频率远远低于系统振荡频率，其工作原理与传统的模式大为不同:当BOOST直流变换电路中的功率开关管闭合时，实质上是将拾取谐振电路短路，从能量发射端电路解耦，传输功率为零，发射线圈电流的幅值随其逐渐增大；当功率开关管断开后，系统重新建立磁路耦合关系，能量拾取端工作，发射线圈电流的幅值也随之逐渐减小。从而在发射线圈电流的幅值变化上表现为包络线形式，该包络线的频率就是BOOST直流变换电路的开关频率。从而能量拾取端控制器按验证信号控制功率开关管进行开通与关断，即可将验证信号以包络线形式加载传输到发射线圈电流上，再通过能量发射端的包络线检波，就可以解调出从能量拾取端传送过来的负载验证信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、负载验证信号以能量包络线形式加载在能量传输通道中，不易受到电磁干扰，保证了信号传输的可靠性，从而能更加准确、可靠地对负载的合法性进行判定。
二、通过软件算法直接利用能量发射端和能量拾取端已有的控制器、发射线圈、拾取线圈、BOOST直流变换电路等产生、发送和识别负载验证信号（能量拾取端也不需要增加验证用的电源，其电能由能量发射端的微弱激磁磁场提供），完成对负载合法性的判定。而无需增加额外的射频通信以及信号调制等装置，负载识别的硬件成本为零，易于实现。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例的BOOST直流变换电路在验证负载合法性时（低频工作模式）的发射线圈电流波形。
图2是本发明实施例的BOOST直流变换电路在正常工作模式（高频工作模式）下的发射线圈电流波形。
具体实施方式
实施例
本发明的一种具体实施方式是，一种感应式无线电能传输系统的负载合法性判定方法，其步骤是：
能量发射端
A1、能量发射端通过控制器控制逆变电路向发射线圈注入微小的高频交流电，产生微弱激磁磁场；并实时检测、记录发射线圈电流，将发射线圈电流的峰值点连接，得到用于反映发射线圈电流幅度变化的包络线，从包络线中解调出低频信号，再将低频信号转换为脉冲序列，并与其内置的密钥进行匹配验证，若验证通过，判定能量拾取端的负载合法，进行A2步骤的操作；否则重复以上操作。
A2、能量发射端通过控制器控制逆变电路向发射线圈注入额定的高频交流电，无线电能传输系统进入正常传能工作状态。
能量拾取端
B、拾取线圈在能量发射端发射线圈的微弱激磁磁场作用下感应出电动势，经整流电路整流后向BOOST直流变换电路提供电能，当拾取线圈感应出的电动势低于设定的阈值时，能量拾取端的控制器控制BOOST直流变换电路工作在低频模态，并以含有验证信息的脉冲序列作为BOOST直流变换电路的开关控制信号，使拾取线圈电流的幅值发生相应的变化，并耦合到能量发射端的发射线圈上；
当拾取线圈感应出的电动势超过设定的阈值时，能量拾取端的控制器控制BOOST直流变换电路切换到高频模态，能量拾取端进入正常拾取能量状态。
图1和图2可以更加直观地解释本发明的工作原理。
图1表明BOOST直流变换电路在负载验证工作状态（低频工作模式）下，发射线圈电流表现为低频包络线特性，包络线的频率与图中的方波信号（BOOST直流变换电路的开关信号）的频率保持一致，能量发射端的控制器经过对包络线信号的解调，可以得到能量拾取端的BOOST直流变换电路的开关信号即负载验证信息，从而实现对系统负载合法性的识别。当验证不通过时，系统无法进入正常工作状态，有效地避免非法负载进入激磁磁场导致的能量浪费或各种安全隐患。
图2表明BOOST直流变换电路在正常工作状态（高频工作模式）下，发射线圈电流的幅值（图中的方波信号为BOOST直流变化电路的开关信号）几乎无变化，没有形成与图中方波信号相关联的能量包络线，不包含也不便于包含任何其他信息。
Claims (1)
1.一种感应式无线电能传输系统的负载合法性判定方法，其步骤是：
能量发射端
A1、能量发射端通过控制器控制逆变电路向发射线圈注入微小的高频交流电，产生微弱激磁磁场；并实时检测、记录发射线圈电流，将发射线圈电流的峰值点连接，得到用于反映发射线圈电流幅度变化的包络线，从包络线中解调出低频信号，再将低频信号转换为脉冲序列，并与其内置的密钥进行匹配验证，若验证通过，判定能量拾取端的负载合法，进行A2步骤的操作；否则重复以上操作。
A2、能量发射端通过控制器控制逆变电路向发射线圈注入额定的高频交流电，无线电能传输系统进入正常传能工作状态。
能量拾取端
B、拾取线圈在能量发射端发射线圈的微弱激磁磁场作用下感应出电动势，经整流电路整流后向BOOST直流变换电路提供电能，当拾取线圈感应出的电动势低于设定的阈值时，能量拾取端的控制器控制BOOST直流变换电路工作在低频模态，并以含有验证信息的脉冲序列作为BOOST直流变换电路的开关控制信号，使拾取线圈电流的幅值发生相应的变化，并耦合到能量发射端的发射线圈上；
当拾取线圈感应出的电动势超过设定的阈值时，能量拾取端的控制器控制BOOST直流变换电路切换到高频模态，能量拾取端进入正常拾取能量状态。
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