本技术属于无线电能传输，具体涉及基于位置检测线圈的分段切换式动态无线供电系统。
背景技术：
1、电动汽车 (electric vehicle, ev) 作为一种环境友好型交通工具，可有效减少温室气体的排放。然而，续航里程短的问题一直困扰着ev的发展。动态无线供电 (dynamicwireless power transfer, dwpt) 技术是解决该问题的一个可行方案，dwpt技术可在ev行驶时对车载线圈供能为车载电池充电，不但能延长ev的续航里程，还能减少车载电池的体积和重量。
2、根据发射线圈相对于接收线圈的长度比例，dwpt技术可分为长导轨型dwpt系统和分段导轨型dwpt系统。长导轨型dwpt系统电路结构简单，能够同时给多个负载供能。但是，其由于发射线圈长度远大于接收线圈，会导致较大的漏磁和电磁辐射 (electromagneticinterference, emi)，并且发射线圈和接收线圈的耦合系数低，系统效率不高。而分段导轨型dwpt系统能够利用发射线圈的分段切换提升系统效率。但是，发射线圈的分段切换十分依赖接收线圈的准确位置信息，因此接收线圈位置的准确检测是分段导轨型dwpt系统的关键。
3、接收线圈的位置检测方法可分为三类，分别为通讯类，参数识别类和检测线圈类。对于通讯类方法来说，全球定位系统 (global positioning system) 是最常用的定位方式，但是其对于移动物体的定位精度并不高。射频(radio frequency, rf)通讯技术也可用于接收线圈的位置检测，通过设置rfid模块边可实现接收线圈的位置检测。然而，发射端和接收端之间的通讯延时会导致发射线圈切换不及时，积水、沙尘等阻隔信号导致的通讯失效会影响位置检测的精度。
4、对于参数识别类的位置检测方法来说，其通过检测车载接收线圈来临/远离时的系统参数变化实现接收线圈的位置检测。通过测量系统发射端的反射阻抗，可而实现接收线圈的位置检测。也可直接测量系统发射端的电流，处理电流数据实现接收线圈位置检测与发射线圈分段切换。还有研究通过控制发射端逆变器开关器件形成闭合回路，当接收线圈靠近时，通过测量闭合回路中的感应电流便能实现位置检测。然而，利用参数识别类方法对接受线圈进行位置检测时，需要周期性激活逆变器或者发射线圈进行探测，使得待机损耗增加。
5、对于检测线圈类方法而言，其无需周期性的激活发射线圈。有研究人员通过在发射端和接收端设置多个检测线圈，利用接收端的检测线圈磁场激活发射端检测线圈实现位置检测。通过在发射端设置品字形检测线圈，在实现接收线圈的位置检测的同时还能探测到接收线圈的偏移。有研究人员在发射端设置正交十字检测线圈，当检测线圈感应电压达到阈值时，即认为接收线圈被探测到便进行发射线圈切换。为了避免检测线圈与dwpt主电路产生串扰，现有的检测线圈类方法要求检测线圈电路的工作频率远大于dwpt主电路的频率，因此需在车载端额外设置高频逆变器。然而，多检测线圈、额外逆变器与其余配套硬件使得系统变得冗杂。
6、现有技术中，为了实现接收线圈的位置检测，有的需要设置车-地通讯模块，有的需要传感器、多个检测线圈或者其他硬件，并且都需要控制器处理位置信号实现分段切换，而且分段切换开关也需额外的辅助电源进行供电。因此，在dwpt系统实际应用并铺设大量的发射线圈时，现有方法无疑会增加其复杂度与成本。
技术实现思路
1、本实用新型的目的在于：
2、为解决动态无线供电系统中位置检测与分段切换系统过于复杂的问题，提供基于位置检测线圈的分段切换式动态无线供电系统。
3、本实用新型采用的技术方案如下：
4、基于位置检测线圈的分段切换式动态无线供电系统，包括发射端和接收端，所述发射端包括发射线圈，所述发射线圈在地面上设置有多个形成阵列，所述发射线圈的上方设置有可沿发射线圈阵列移动的接收线圈，每个发射线圈外围均设置有一个检测线圈，所述检测线圈围绕发射线圈中心绕制，检测线圈与发射线圈长度相同。
5、进一步地，所述发射端包括分段切换开关 s i、电感 l1 i、电感 ldt i、电感 lt i、电容 c1 i、电容 ct i和解耦电容 cm i，解耦电容 cm i用于抵消发射线圈t i和检测线圈dt i之间的互感 mtd i使两线圈解耦；切换开关 s i的一端连接至逆变器输出端负极，另外一端同时与电容 c1 i的一端和电容 cm i的一端连接；电感 l1 i的一端连接逆变器输出端正极，电感 l1 i的另外一端同时与电容 c1 i的一端和电容 ct i的一端连接；电容 c1 i的一端同时连接至电感 l1 i的一端和电容 ct i的一端，电容 c1 i的另外一端同时与电容 cm i的一端和切换开关 s i的一端连接；电容 ct i的一端同时连接电容的 c1 i一端和电感 l1 i的一端，电容 ct i另外一端与电感 lt i的一端连接；电容 cm i的一端同时连接电容的 c1 i一端和切换开关 s i的一端，电容 cm i另外一端同时与电感 ldt i的一端和电感 lt i的一端连接。
6、解耦电容 cm i用于抵消发射线圈t i和检测线圈dt i之间的互感 mtd i使两线圈解耦，解耦电容 cm i的电容值大小如下：
7、（1）
8、其中， f为系统谐振频率， mtd i为发射线圈t i与检测线圈dt i之间的互感， mrd i为检测线圈dt i与接收线圈r1之间的互感， mtr i为发射线圈t i与接收线圈r1之间的互感，检测线圈输出电压 uc i经过后级dc/dc模块稳压后输出 ub i驱动分段切换开关 s i和 s( i+1)；所述接收端包括补偿电容 cr、二极管 d1、 d2、 d3和 d4、电容 cl和负载 rl，接收线圈自感为 lr；
9、补偿电容 cr的一端与接收线圈 lr的一端相连接，补偿电容 cr的另外一端连接二极管 d1的正极；电容 cl的正极同时连接等效负载 rl的正极、二极管 d2的负极和二极管 d1的负极，电容 cl的负极同时连接等效负载 rl的负极、二极管 d4的正极和二极管 d3的正极；等效负载 rl的正极同时连接 cl的正极、二极管 d2的负极和二极管 d1的负极，等效负载 rl的负极同时连接 cl的负极、二极管 d4的负极和二极管 d3的正极。
10、进一步地，利用基波分析法和基尔霍夫电压定律，系统描述为如下等式：
11、（2）
12、式（2）中阻抗矩阵每个阻抗变量的具体表达式如下，
13、（3）
14、规定系统的谐振角频率为 ω，其定义如下，
15、（4）
16、将等式（3）和等式（4）代入等式（2）中，得到接收线圈电流 ir的表达式，
17、（5）
18、在实际系统中，检测线圈的后级电路等效电阻 rdeq i远大于负载的等效电阻 rleq，故对式（5）进行简化，具体简化过程如下：
19、（6）
20、式（6）中变量 b、 c、 d、 e、 f、 g和 h的具体表达式如下：
21、（7）
22、将系统各参数的实际值带入式（7）中，得到变量 c在数值上远大于变量b和d，变量 g在数值上远大于变量 e、 f和 h，故接收线圈的电流 ir的表达式简化为下式：
23、（8）
24、检测线圈的感应电压与检测线圈感应电压整流后的输出电压 uc i的表达式如下所示：
25、（9）
26、式（9）中 ud i和 ir分别是和 ir的有效值。
27、进一步地，发射线圈的分段切换方法如下：
28、为了实现发射线圈的无控制器分段切换，需遵循两条原则：
29、1) 为了接收线圈运动到两发射线圈之间分段区间时输出电压的稳定性，一个检测线圈需同时驱动两个发射线圈的切换开关，即dt i需同时驱动 s i和 s( i+1)来开通t i和t( i+1)，且为了保证分段切换不影响输出电压的稳定性， s i只有在t i和r1互感几乎为零时才能关断，可在t i和r1互感小于0.1μh时关断；
30、2) 为了发射线圈能够随着接收线圈的移动不断的被开通/关断，对于两个相邻的检测线圈dt i和dt( i+1)来说，dt( i+1)须在dt i休眠之前被激活，以保证发射线圈分段切换的连续性。
31、当检测线圈感应电压 uc i大于dc/dc模块的阈值电压 ubinl时，分段切换开关 s i被导通；以发射线圈t1、t2和t3为例，接收线圈沿 x轴移动时发射线圈的分段切换划分为三种状态：
32、状态1：接收线圈r1移动到发射线圈t1上方，三线圈结构形成，检测线圈dt1被激活，切换开关 s1和 s2导通，发射线圈t1和t2被开通；
33、状态2：接收线圈r1移动到发射线圈t1和t2的分段区间，互感 mrd1变小的同时互感 mrd2变大，导致 uc1增大 uc2减小；且 uc1与 uc2的交点电压大于dc/dc模块的阈值电压 ubinl，表明当r1运动到某个点时，dt2先被激活使得t3开通，之后dt1被休眠使t1关断，低速时r1移动到分段区间后半段dt2即被激活，高速时r1需运动到t2上方dt2才能被激活；
34、状态3：接收线圈r1运动至发射线圈t2上方，检测线圈dt1休眠，检测线圈dt2仍保持激活状态驱动开关 s2和 s3，并开启发射线圈t2和t3。
35、状态1和状态2可认为是分段切换的一个周期，其余周期也可被类似的分析。对于系统的第一个发射线圈而言，其仍需要传感器或者其他辅助手段开通，而对于后续的发射线圈，只需接收线圈沿运动方向运动，即可实现分段切换，无需分段切换控制器。
36、进一步地，接收线圈的位置检测方法如下：
37、利用接收线圈磁场激活检测线圈实现位置检测，分为两个阶段：
38、阶段1：发射线圈通过磁耦合传输能量到接收线圈，接收线圈感应出电压并产生电流 ir；
39、阶段2：接收线圈的高频磁场在检测线圈中感应出电压，经后级电路处理后输出电压 ub i，直接驱动分段切换开关 s i和 s( i+1)，接收线圈被探测到；此过程中建立的能量通道为：发射线圈→接收线圈→检测线圈。因此，只要接收线圈运动到恰当的位置，同时与发射线圈和检测线圈进行耦合，发射线圈、接收线圈和检测线圈组成的三线圈结构形成，接收线圈就能被检测线圈探测到。
40、当接收线圈运动到发射线圈t i上方时，三线圈结构形成，接收线圈r1作为中继线圈，检测线圈dt i被激活，接收线圈r1的位置被探测到；当接收线圈r1未位于发射线圈t i上方时，其与发射线圈和接收线圈的互感为零，三线圈结构未形成，检测线圈也无法被激活；检测线圈的感应电压作为位置检测信号，同时驱动切换开关。
41、综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
42、本实用新型系统中的发射线圈能够随着接收线圈的移动切换，无需控制器、传感器、通讯装置和辅助电源，通过接收线圈磁场激活发射端的检测线圈，检测线圈不但能实现接收线圈的位置检测，还能对分段切换开关进行供能。利用检测线圈感应电压直接驱动分段切换开关，只需一个检测线圈便能实现位置检测，无需传感器或者通讯，相较于现有的检测线圈类方法，简化了系统。同时，随着接收线圈的移动，对应发射端的检测线圈被激活/休眠，被激活检测线圈的输出电压直接驱动分段切换开关，开通/关断对应的发射线圈，无需通讯、传感器、辅助电源或者周期性地激活发射线圈，便能实现分段切换。
1.基于位置检测线圈的分段切换式动态无线供电系统，其特征在于，包括发射端和接收端，所述发射端包括发射线圈，所述发射线圈在地面上设置有多个形成发射线圈阵列，所述发射线圈的上方设置有可沿发射线圈阵列移动的接收线圈，每个发射线圈外围均设置有一个检测线圈，所述检测线圈围绕发射线圈中心绕制，检测线圈与发射线圈长度相同。
2.根据权利要求1所述的基于位置检测线圈的分段切换式动态无线供电系统，其特征在于，所述发射端包括分段切换开关si、电感l1i、电感ldti、电感lti、电容c1i、电容cti和解耦电容cmi，解耦电容cmi用于抵消发射线圈ti和检测线圈dti之间的互感mtdi使两线圈解耦；
3.根据权利要求2所述的基于位置检测线圈的分段切换式动态无线供电系统，其特征在于，所述接收端包括补偿电容cr、二极管d1、d2、d3和d4、电容cl和负载rl，接收线圈自感为lr；
