CN104578439A - 用于无线充电线路的装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种用于无线充电线路的装置，包括：原边电路箱，集成有至少一第一开关单元；副边电路箱，集成有至少一第二开关单元；送电盘，集成有一变压器的原边电感和一原边补偿电容，其中该原边电感和该原边补偿电容串联连接；受电盘，集成有一变压器的副边电感；该送电盘和该受电盘相互磁耦合；该送电盘连接至该原边电路箱；以及该受电盘连接至该副边电路箱。在无线供电应用场合下，本申请提供的装置能够有效降低送电盘以及受电盘外置接线端子间的电压，从而满足安全需求。

Description

用于无线充电线路的装置
技术领域
本申请涉及一种用于无线充电线路的装置，更具体地，涉及一种能够有效降低送电盘以及受电盘外置接线端子间电压的用于无线充电线路的装置。
背景技术
无线功率传输依靠电磁感应或者磁共振将能量从原边线圈传递到副边线圈。无线功率传输系统应用在很多领域，如电动汽车、手机或其它用电设备等。
由于原副线圈存在较大的气隙（比如在电动车或者混合动力汽车上，其原边线圈安装在地面，副边线圈安装在车的底部），耦合系数较低，漏感较大，电容被用来补偿变压器的漏感。
通常采用的补偿电路拓扑有：SS，是指在原边线圈串联补偿电容，副边线圈串联补偿电容，如图1所示。开关逆变电路接收输入直流电压，输出交流方波电压至原边补偿电容Cp和变压器原边电感L1组成的谐振网络，能量经由变压器耦合传递至由副边补偿电容Cs和变压器副边电感L2组成的谐振网络，再经过整流电路在输出端得到直流电压，向负载提供能量。开关逆变电路除了可采用如图示由S1、S2、S3、S4构成的全桥电路之外，也可以采用半桥电路等其他开关电路，其开关管可以采用MOSFET、IGBT等其他可控开关器件。整流桥除了可采用如图示由D1、D2、D3、D4构成的整流桥外，也可以采用由MOSFET、IGBT等可控开关器件构成的整流线路。
在传统的装置结构中，变压器原边电感L1与副边电感L2分别封装于一个密闭的容器（充电盘，送电盘）当中，以实现绝缘、防水防尘的需求。位于原边的补偿电容Cp可以封装于一个独立的容器当中，如图2所示，也可以与原边开关电路一起放置于机壳当中，如图3所示；类似地，位于副边的补偿电容Cs可以封装于一个独立的容器当中，如图2所示，也可以与副边整流电路一起放置于机壳当中，如图3所示。
当无线传输系统工作在输出功率较大时，随着功率的增加，原副边电流会变得很大，导致原副边上电感电压以及补偿电容电压变得很大。此时，在上述结构当中，外置接线端子上（即变压器原边电感L1的接线端子BC处，变压器副边电感L2的接线端子EF处或者补偿电容的接线端子AB、DE处）会出现几千伏的高压。而且这些高压可能还需要通过导线进行长距离连接，存在着安全隐患。
除了SS补偿电路之外，PS补偿电路（在原边线圈并联补偿电容，副边线圈串联补偿电容，如图4所示）以及SP补偿电路（在原边线圈串联补偿电容，副边线圈并联补偿电容，如图5所示）同样会在串联补偿电容侧出现以上问题，如图4、图5所示。
因此如何发展一种可改善上述已知技术缺失的电路，实为目前迫切需要解决的课题。
发明内容
有鉴于此，本发明主要致力于解决现有技术中送电盘或受电盘（单独封装的电感L）两端电压过高的问题。
本发明的主要目的在于提供一种在无线供电应用场合下，能够有效降低送电盘与受电盘接线端子间电压以使其满足安全需求的电路装置结构。
根据本发明的一个方案，提供一种用于无线充电线路的装置，包括：原边电路箱，集成有至少一第一开关单元；副边电路箱，集成有至少一第二开关单元；送电盘，集成有一变压器的原边电感和该原边补偿电容，其中该原边电感和该原边补偿电容串联连接；受电盘，集成有一变压器的副边电感；该送电盘和该受电盘相互磁耦合；该送电盘连接至该原边电路箱；以及该受电盘连接至该副边电路箱。
根据本发明的另一个方案，提供用于无线充电线路的装置，包括：原边电路箱，集成有至少一第一开关单元；副边电路箱，集成有至少一第二开关单元；送电盘，集成有一变压器的原边电感；受电盘，集成有该变压器的副边电感和副边补偿电容，其中该副边电感和该副边补偿电容串联连接；该送电盘和该受电盘相互磁耦合；该送电盘连接至该原边电路箱；以及该受电盘连接至该副边电路箱。
本发明将串联的电感和电容封装在一起，利用串联的电感和电容上电压极性相反的特性，降低串联的LC两端的电压，并采用多个电容或多个LC串联的方式来降低内部电压。
利用本发明，能够解决现有技术中送电盘或受电盘（单独封装的电感L）两端电压过高的问题。在无线供电应用场合下，本申请提供的电路装置结构能够有效降低送电盘以及受电盘外置接线端子间的电压，从而满足安全需求。
通过以下参照附图对优选实施例的说明，本申请的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。
附图说明
本申请的附图均为示意和说明性的，并非用以限制本发明。图中的尺寸、比例均为示意性的，即使有所偏差也不影响其对于本发明的精神和实质的阐释。附图和说明书一起用来提供对于本发明的进一步阐释，以帮助本领域技术人员更好地理解本发明。在附图中：
图1示例性示出原边线圈串联补偿电容且副边线圈串联补偿电容的补偿电路拓扑；
图2示例性示出原边电感与副边电感分别封装于密闭的容器中、且原边补偿电容和副边补偿电容分别封装于独立的容器中的电路装置结构；
图3示例性示出原边电感与副边电感分别封装于密闭的容器中、且原边补偿电容与原边开关电路一起放置于机壳中、副边补偿电容与副边整流电路一起放置于机壳中的电路装置结构；
图4示例性示出在原边线圈并联补偿电容、在副边线圈串联补偿电容的电路装置结构；
图5示例性示出在原边线圈串联补偿电容、在副边线圈并联补偿电容的电路装置结构；
图6示例性示出根据本发明实施例的电路装置结构，其中原边电感与原边补偿电容一起放置于密闭容器中构成送电盘，副边电感与副边补偿电容一起放置于密闭容器中构成受电盘；
图7示例性示出LC串联电路的电流-电压关系；
图8示例性示出图6所示送电盘或受电盘的一个具体结构实施例；
图9示例性示出图6所示送电盘或受电盘的另一个具体结构实施例；
图10示例性示出根据本发明实施例的另一个电路装置结构；
图11示例性示出图10所示送电盘或受电盘的一个具体结构实施例；及
图12示例性示出根据本发明实施例的再一个电路装置结构。
具体实施方式
下面将参照图6至图12详细描述本申请的实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本申请。
本发明的主要目的在于提供一种能够有效降低送电盘与受电盘接线端子间电压以使其满足安全需求的电路装置结构。
先请参见图6，图6示例性示出根据本发明实施例的电路装置结构，其中原边电感与原边补偿电容一起放置于密闭容器中构成送电盘，副边电感与副边补偿电容一起放置于密闭容器中构成受电盘。
对于SS架构，原边电感L1与原边补偿电容Cp被一起放置于一密闭的容器中，构成送电盘；副边电感L2与副边补偿电容Cs被一起放置于一密闭的容器中，构成受电盘；开关逆变电路和相关其他电路放置于原边电路箱中；副边整流电路和相关其他电路放置于副边电路箱中。对于SP架构，原边电感L1与原边补偿电容Cp被一起放置于一密闭的容器中，构成送电盘；副边电感L2与副边补偿电容Cs可以被一起放置于一密闭的容器中，构成受电盘，整流电路及其他相关电路放置于副边电路箱；也可以将副边电感L2单独放置于一密闭的容器中，构成受电盘，副边电容Cs和整流电路及其他相关电路一起放置于副边电路箱；开关逆变电路和相关其他电路放置于原边电路箱中。对于PS架构，副边电感L2与副边补偿电容Cs被一起放置于一密闭的容器中，构成受电盘；原边电感L1与原边补偿电容Cp可以被一起放置于一密闭的容器中，构成送电盘，开关逆变电路及其他相关电路放置于原边电路箱中；也可以将原边电感L1单独放置于一密闭的容器中，构成送电盘，将原边补偿电容和开关逆变电路及其他相关电路一起放置于原边电路箱；副边整流电路和相关其他电路放置于副边电路箱中。
在根据本申请的上述电路装置中，开关逆变电路除了可采用如图6所示由S1、S2、S3、S4构成的全桥电路之外，也可以采用半桥电路等其他开关电路，其开关管可以采用MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等其他可控开关器件。整流桥除了可采用如图6所示由D1、D2、D3、D4构成的整流桥外，也可以采用由MOSFET、IGBT等可控开关器件构成的整流线路。
采用本结构可以有效降低任意外置接线端子间（即ab端，cd端）的电压，从而满足安全需求。其工作原理如图7所示，图7示例性示出LC串联电路的电流-电压关系。由于UL=I×jωL，UC=I×1/jωC，所以当交流电流I通过电感时，电感上的电压UL会超前电流90度；通过电容时，电容上的电压Uc会滞后电流90度，所以电感与电容上的电压方向正好相反。假设电压幅值UL>Uc，则电压幅值相减得到一个较电感电压小、但与电感电压同相位的电压幅值Uu。该电压幅值Uu即为电感电容单元的接线端子电压，即ab端或cd端之间的电压。由此可知，即使图6中的L1、L2或者Cp、Cs上的电压很高，但送电盘以及受电盘的两个接线端子间的电压能维持较低的水平。
从另外一个角度看，送电盘的接线端子直接连接于开关电路的桥臂上，因此它们之间的电压最大值等于开关电路的直流母线电压Vin。受电盘的接线端子直接连接于整流电路的桥臂上，因此它们之间的电压最大值等于输出直流电压Vo。所以，只需要限制开关电路的直流母线电压和输出直流电压的值，就能保证接线端子间电压的安全需求。
图8为图6所示送电盘或受电盘的一个具体结构实施例。其主要包括变压器绕组、磁芯、串联补偿电容和外壳。如图所示，补偿电容可采用实体电容；变压器绕组可采用利兹（Litz）线绕组；磁芯可采用条状铁氧体铁芯；外壳可以采用高强度耐压的塑料件，其外形可以是近似圆形或者方形，采用螺丝进行紧固。盘内主要连接线有1、2、3，其中1、3为外置的接线端子，2为内部接线。因为电感以及电容上的电压比较高，即1与2、2与3之间电压较高，所以1、2、3线在送电盘（或受电盘）内部需要做较好的高压绝缘处理，例如套上麦拉管。又因为输出端子1、3之间电压较低，因此在送电盘（或受电盘）外部不需做特别处理。
图9为图6所示送电盘或受电盘的另一个具体结构实施例。其主要包括变压器绕组、磁芯、串联补偿电容1、串联补偿电容2和外壳。如图所示，串联补偿电容1采用实体电容1（可以由多个电容组合而成），串联补偿电容2采用实体电容2（可以由多个电容组合而成），变压器绕组可以采用利兹线绕组，磁芯可以采用条状铁氧体铁芯，外壳可以采用高强度耐压的塑料件，其外形可以是近似圆形或者方形，采用螺丝进行紧固。盘内主要连接线有1、2、3、4，其中1、4为外置的接线端子，2、3为内部接线。与图6不一样的地方在于补偿电容被拆分成了两个串联，且分别串联于外置的接线端子处。这样连接的好处是将电容的电压可以一分为二，使1、2之间以及3、4之间的电压较低，有利于内部的高压绝缘处理。另外，因为电感以及电容上的电压比较高，即2与3之间电压较高，1、2之间以及3、4之间电压也会比较高，所以1、2、3、4线在送电盘（或受电盘）内部需要做较好的高压绝缘处理，例如套上麦拉管。又因为输出端子1、4之间电压较低，因此在送电盘（或受电盘）外部不需做特别处理。为进一步降低电容上的电压，串联电容数量也可以为2个以上。
图10为根据本发明实施例的另一个电路装置结构，与图6所示的电路装置不同的地方在于送电盘中的补偿电容与原边电感被分拆为n（n≥2）个单元，受电盘中的补偿电容与副边电感被分拆为n（n≥2）个单元，每个单元包含一个电感与一个补偿电容。这种结构可以进一步降低每个补偿电容上的电压，同时也降低了送电盘或受电盘内部的任意两点之间的电压，因为每个单元内部的电感电压与电容电压部分地相互抵消。
图11为图10所示送电盘（或受电盘）的一个具体结构实施例，取n=8为例。其主要包括分裂的变压器绕组、磁芯、串联补偿电容C1、C2、...C8和外壳。如图所示，串联补偿电容C1、C2、...C8均采用实体电容（每个实体电容可以采用多个电容组合而成），变压器绕组均可以采用利兹线绕组，磁芯可以采用条状铁氧体铁芯，外壳可以采用高强度耐压的塑料件，其外形可以是近似圆形或者方形，采用螺丝进行紧固。在该结构中内部接线较多，但这样连接的好处是将各电容的电压可以进一步降低，有利于内部的高压绝缘处理。
图12为根据本发明实施例的再一个电路装置结构，与图6所示的电路装置不同的地方在于原边电路箱中的全桥开关电路输出端串联接入了一个LC电路网络，该LC电路网络包含并联的电感和电容或者串联的电感和电容。该LC电路网络也可以于副边电路箱全桥整流电路输入端串联接入。
本发明将串联的电感和电容封装在一起，利用串联的电感和电容上电压极性相反的特性，降低串联的LC两端的电压，并采用多个电容或多个LC串联的方式来降低内部电压。
利用本发明，能够解决现有技术中送电盘或受电盘（单独封装的电感L）两端电压过高的问题。在无线供电应用场合下，本申请提供的电路装置结构能够有效降低送电盘以及受电盘外置接线端子间的电压，从而满足安全需求。
应当注意，本领域技术人员能够理解的是，前述参照某一实施例描述的特征并非只限于该实施例，而是可以与参照其它实施例描述的特征组合应用。
虽然已参照典型实施例描述了本申请，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本申请能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (19)

1.一种用于无线充电线路的装置，包括：
原边电路箱，集成有至少一第一开关单元；
副边电路箱，集成有至少一第二开关单元；
送电盘，集成有一变压器的原边电感和一原边补偿电容，其中该原边电感和该原边补偿电容串联连接；
受电盘，集成有该变压器的副边电感；
该送电盘和该受电盘相互磁耦合；
该送电盘连接至该原边电路箱；以及
该受电盘连接至该副边电路箱。
2.如权利要求1所述的装置，其中，该受电盘还集成有一副边补偿电容，该变压器的副边电感和该副边补偿电容串联连接。
3.如权利要求1所述的装置，其中，该受电盘还集成有一副边补偿电容，该变压器的副边电感和该副边补偿电容并联连接。
4.如权利要求1所述的装置，其中，该副边电路箱还集成有一副边补偿电容，该变压器的副边电感和该副边补偿电容并联连接。
5.如权利要求1所述的装置，其中，该送电盘为一密闭容器，该受电盘为一密闭容器。
6.如权利要求1所述的装置，其中，该第一开关单元包括至少一个由两个串联的开关管构成的桥臂，该第二开关单元包括至少一个由两个串联的开关管构成的桥臂。
7.如权利要求6所述的装置，其中，该开关管为MOSFET或IGBT或二极管。
8.如权利要求2所述的装置，其中，该送电盘的原边补偿电容和该受电盘的副边补偿电容分别由串联的多个电容构成。
9.如权利要求2所述的装置，其中，该送电盘中的原边电感和原边补偿电容以及该受电盘中的副边电感和副边补偿电容分别由串联的多个单元构成，每个单元包含串联的一个电感和一个电容。
10.如权利要求1至9中任一项所述的装置，其中，该原边电路箱或该副边电路箱中还集成有LC电路网络，该LC电路网络包含串联和/或并联连接的电感和电容。
11.一种用于无线充电线路的装置，包括：
原边电路箱，集成有至少一第一开关单元；
副边电路箱，集成有至少一第二开关单元；
送电盘，集成有一变压器的原边电感；
受电盘，集成有该变压器的副边电感和副边补偿电容，其中该副边电感和该副边补偿电容串联连接；
该送电盘和该受电盘相互磁耦合；
该送电盘连接至该原边电路箱；以及
该受电盘连接至该副边电路箱。
12.如权利要求11所述的装置，其中，该送电盘还集成有一原边补偿电容，该变压器的原边电感和该原边补偿电容并联连接。
13.如权利要求11所述的装置，其中，该原边电路箱还集成有一原边补偿电容，该变压器的原边电感和该原边补偿电容并联连接。
14.如权利要求11所述的装置，其中，该送电盘为一密闭容器，该受电盘为一密闭容器。
15.如权利要求11所述的装置，其中，该第一开关单元包括至少一个由两个串联的开关管构成的桥臂，该第二开关单元包括至少一个由两个串联的开关管构成的桥臂。
16.如权利要求15所述的装置，其中，该开关管为MOSFET或IGBT或二极管。
17.如权利要求12所述的装置，其中，该送电盘的原边补偿电容和该受电盘的副边补偿电容分别由串联的多个电容构成。
18.如权利要求11所述的装置，其中，该受电盘中的副边电感和副边补偿电容由串联的多个单元构成，每个单元包含串联的一个电感和一个电容。
19.如权利要求11至18中任一项所述的装置，其中，该原边电路箱或该副边电路箱中还集成有LC电路网络，该LC电路网络包含串联和/或并联连接的电感和电容。
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