本发明属于电力电子及无线电能传输，具体涉及一种基于动态互感检测和闭环控制的无线电能传输系统及方法。
背景技术：
1、传统的电能传输通过导体间的物理接触来实现；近年来，随着生产、生活中的自动化水平大幅提高，自动导向车、无人机、水下无人航行器等先进生产设备逐渐获得更广泛的应用需求。无线电能传输技术可以在没有物理接触的情况下，通过空间软介质如电场、磁场、电磁波等实现电能传输，具有无裸露、自动供电以及移动供电的特征，在无人值守的生产场景下具备自动化程度高、安全性强、操作灵活等优势，因此被当前许多先进生产设备采纳。
2、在实际的应用中，无线电能传输系统的充电性能和控制策略需要根据负载情况、线圈间互感情况进行控制，线圈间互感会受到生产设备相对位移的影响；因此，无人值守的生产设备在充电过程中可能无法按照设计位置保持绝对静止，可能产生一定程度的位移偏差，使无线电能传输系统的互感改变，影响副边受电线圈的接收功率。
3、公开号为cn109247038a的中国专利申请提供了一种无线功率传输系统中的异物检测系统，系统由多个空间分布的检测线圈连接测量单元，通过主动发送磁测试信号，在多个检测线圈中获得测量值的集合，用于确定系统中是否有异物的存在；但该系统需要主动发送磁测试信号，在功率发射器传输无线功率时容易受到影响。公开号为cn110103739a的中国专利申请提供了一种弱磁场激励三线圈检测装置，其包含有一对或多对差分连接的检测子单元，需要主动对原边激励线圈施加交流激励电流以构成定位磁场，所在的副边侧负载开路，进而测量副边响应线圈相对原边励磁线圈的相对偏移；但该装置通过副边侧负载开路实现测量，同样会受到功率传输的影响。公开号为cn110450656a的中国专利申请提供了一种基于差分电感的电动汽车无线充电闭环控制系统，通过差分电感线圈使得差分电感线圈在磁场中形成差分的电动势抵消原边功率线圈的影响，进而无接触地测量副边功率线圈的电流相位；该系统屏蔽原边功率线圈的测量方式适合用在功率传输时，但是需要精确测量差分电感线圈的电流相位，差分电感线圈的电流会增大损耗并且对副边功率线圈电流相位带来偏差，在互感变化时会受到波动干扰，无法实现动态检测和闭环控制。
4、在无线电能传输技术的应用中，原边与副边的闭环控制是实现良好功率传输的关键条件之一，在功率传输的情况下，需要一套在x、y、z三轴空间上动态检测副边线圈受电情况或相对位移情况的通用检测装置。针对此需求，通用检测装置需要对不同供电线圈和受电线圈具有广泛的适用性，还要避免对功率传输造成影响；此外，通用检测装置最好具备体积小、功率低、散热好、测量简单可靠、易于扩展等特点，需要对副边线圈的关键参数进行检测反馈，以用于在原边实现控制或者保护系统的功率传输。
技术实现思路
1、鉴于上述，本发明提供了一种基于动态互感检测和闭环控制的无线电能传输系统及方法，利用一套检测线圈组在不影响系统功率传输的同时，动态完成对副边受电线圈内电流大小的检测反馈，即使副边受电线圈在x、y、z三轴有偏移，通过检测线圈组无接触、动态地检测副边电流大小和供电线圈受电线圈之间的互感，实现无需通信的闭环控制或保护。
2、一种基于动态互感检测和闭环控制的无线电能传输系统，包括原边供电单元和副边受电单元，原边供电单元由原边供电电源、原边逆变电路、原边供电线圈依次连接组成，副边受电单元由副边受电线圈、副边整流电路、副边受电负载依次连接组成，原边供电线圈与副边受电线圈通过耦合实现无线电能传输；所述原边供电单元还包含有检测线圈组以及处理器，所述检测线圈组由n个检测线圈模块c1～cn组成，n为大于1的自然数，单个检测线圈模块通过与副边受电线圈耦合以检测副边受电线圈上的电流大小，并经过信号调理以及模数转换后以电压参数值的形式反馈给处理器实现闭环控制及保护。
3、进一步地，所述检测线圈模块包括有调理电路、模数转换电路以及两个匝数相同绕线方向相反的独立线圈，独立线圈的尺寸远小于原边供电线圈和副边受电线圈的尺寸；模块内两个独立线圈的同名端相连且通过与副边受电线圈耦合在异名端上产生电压，该电压经调理电路和模数转换电路处理后生成一个电压参数值，两个独立线圈对称分布于原边供电线圈所在平面的上下两侧，感应电动势互相抵消；检测线圈模块c1～cn中的独立线圈与原边供电线圈所在平面的间距随模块编号依次递增。
4、进一步地，所述检测线圈组中还包含有一块圆盘形的公共检测磁芯，其安装固定在原边供电线圈(为中心无导线的绕线线圈)的中心位置，该公共检测磁芯能够增强检测线圈组与副边受电线圈的耦合，扩大可检测范围。
5、上述无线电能传输系统的闭环控制方法，包括如下步骤：
6、(1)在系统开始运行前，以直流电压v*dc对原边供电线圈注入激励，在规定的检测空间内调整副边受电线圈的位置，记录副边受电线圈在各个检测线圈模块对应的检测空间内模块输出的电压参数值{v*1,v*2,……,v*n}以及模块与副边受电线圈之间的参考互感；
7、(2)在系统开始运行后，由mcu采集获取各检测线圈模块输出的电压参数值{v1,v2,……,vn}以及原边供电电源的直流电压vdc；
8、(3)通过{v1,v2,……,vn}与电压上下限值比较，判断副边受电线圈是否超出规定的检测空间：若超出，则由mcu输出指令停止原边逆变电路传输功率，实现系统停机保护；若未超出，则判断副边受电线圈所处的检测空间；
9、(4)当判定副边受电线圈处于某个检测线圈模块c对应的检测空间内，则根据该模块与副边受电线圈之间的参考互感计算出副边受电线圈上的电流is以及原边供电线圈与副边受电线圈之间的互感m，将两者作为反馈量并通过相应的控制策略以调整原边逆变电路的功率传输，实现闭环控制。
10、进一步地，所述步骤(1)中对于任一检测线圈模块ci，若副边受电线圈在该模块对应的检测空间内移动，则ci与副边受电线圈之间的互感相对稳定(波动在5％范围内)，该互感即为两者的参考互感，ci输出的电压参数值即为v*i，i为自然数且1≤i≤n。
11、进一步地，所述步骤(3)中判断副边受电线圈所处的检测空间，具体地：按照与原边供电线圈间距由小到大的顺序逐一进行判断，对于检测线圈模块ci，计算比值vi/vdc和比值v*i/v*dc，若vi/vdc小于v*i/v*dc，则判定副边受电线圈处于ci对应的检测空间，否则判断下一检测线圈模块ci+1，i为自然数且1≤i≤n。
12、进一步地，所述步骤(4)中通过以下公式计算副边受电线圈上的电流is：
13、
14、其中：v为检测线圈模块c输出的电压参数值，msab为检测线圈模块c与副边受电线圈之间的参考互感，ω为原边供电线圈与副边受电线圈之间的功率传输角频率，j为虚数单位。
15、进一步地，所述步骤(4)中通过以下公式计算原边供电线圈与副边受电线圈之间的互感m：
16、
17、其中：v为检测线圈模块c输出的电压参数值，msab为检测线圈模块c与副边受电线圈之间的参考互感。
18、本发明系统利用一套检测线圈组，通过检测线圈组与副边受电线圈的耦合，在不影响系统功率传输的同时，动态完成对副边受电线圈电流大小的检测反馈以及原副边线圈间互感的检测反馈，实现系统的闭环控制和保护；这套检测线圈组在系统功率传输时同步工作且不影响供电与受电线圈间互感，保持系统的良好运行。此外，本发明的动态互感检测方式无需额外的主动激励，无需额外的通信设备，通过独立的检测线圈组快速动态地获得副边受电线圈在x、y、z三轴有偏移情况下的电参数，对复杂充电环境具有良好的适应性，具有结构简单、体积小、成本低、损耗低、适合拓展等优点，适用于各种无线电能传输系统，具有良好的商业推广价值。
1.一种基于动态互感检测和闭环控制的无线电能传输系统，包括原边供电单元和副边受电单元，原边供电单元由原边供电电源、原边逆变电路、原边供电线圈依次连接组成，副边受电单元由副边受电线圈、副边整流电路、副边受电负载依次连接组成，原边供电线圈与副边受电线圈通过耦合实现无线电能传输；其特征在于：所述原边供电单元还包含有检测线圈组以及处理器，所述检测线圈组由n个检测线圈模块c1～cn组成，n为大于1的自然数，单个检测线圈模块通过与副边受电线圈耦合以检测副边受电线圈上的电流大小，并经过信号调理以及模数转换后以电压参数值的形式反馈给处理器实现闭环控制及保护。
2.根据权利要求1所述的无线电能传输系统，其特征在于：所述检测线圈模块包括有调理电路、模数转换电路以及两个匝数相同绕线方向相反的独立线圈，独立线圈的尺寸远小于原边供电线圈和副边受电线圈的尺寸；模块内两个独立线圈的同名端相连且通过与副边受电线圈耦合在异名端上产生电压，该电压经调理电路和模数转换电路处理后生成一个电压参数值，两个独立线圈对称分布于原边供电线圈所在平面的上下两侧，感应电动势互相抵消；检测线圈模块c1～cn中的独立线圈与原边供电线圈所在平面的间距随模块编号依次递增。
3.根据权利要求1所述的无线电能传输系统，其特征在于：所述检测线圈组中还包含有一块圆盘形的公共检测磁芯，其安装固定在原边供电线圈的中心位置，该公共检测磁芯能够增强检测线圈组与副边受电线圈的耦合，扩大可检测范围。
4.一种如权利要求1～3任一权利要求所述无线电能传输系统的闭环控制方法，包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的闭环控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中对于任一检测线圈模块ci，若副边受电线圈在该模块对应的检测空间内移动，则ci与副边受电线圈之间的互感相对稳定，该互感即为两者的参考互感，ci输出的电压参数值即为v*i，i为自然数且1≤i≤n。
6.根据权利要求4所述的闭环控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中判断副边受电线圈所处的检测空间，具体地：按照与原边供电线圈间距由小到大的顺序逐一进行判断，对于检测线圈模块ci，计算比值vi/vdc和比值v*i/v*dc，若vi/vdc小于v*i/v*dc，则判定副边受电线圈处于ci对应的检测空间，否则判断下一检测线圈模块ci+1，i为自然数且1≤i≤n。
7.根据权利要求4所述的闭环控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中通过以下公式计算副边受电线圈上的电流is：
8.根据权利要求4所述的闭环控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中通过以下公式计算原边供电线圈与副边受电线圈之间的互感m：
