CN105449873A - 高兼容性且可灵活配置的无线充电线圈装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高兼容性且可灵活配置的无线充电线圈装置，包括独立的四套线圈、导磁模块、线圈配置电路，所述独立的四套线圈之间交错排列并与导磁模块相配合，所述独立的四套线圈通过所述线圈配置电路连接外部电源。所述独立的四套线圈能够根据需要进行组合，具体地，一套或者两套线圈作为被供电线圈，所述被供电线圈能够通过所述线圈配置电路匹配单电源和多电源。本发明中的无线充电线圈装置具备兼顾耐受平面两方向偏移的能力；可以兼顾产生垂直主磁通和平行主磁通；并且通过配置电路进行灵活配置与变换。

Description

高兼容性且可灵活配置的无线充电线圈装置

技术领域

本发明涉及电磁设计领域与无线充电技术，具体地，涉及一种高兼容性且可灵活配置的无线充电线圈装置。

背景技术

无线充电技术由于其安全、方便、环保等特点，在人们的生活中越来越受到重视。该技术涉及了电力电子电路、线圈电磁设计、通信协议等多方面内容，其中线圈电磁设计尤为重要。近年来，电动汽车无线充电技术得到了极大的推动，国内外各大研究机构及汽车领域企业都纷纷加入到这项技术的研究中来。

电动汽车无线充电技术是对充电方式的一种革命性升级，采用无线充电技术的电动汽车不再需要车主每次插拔充电器，从而使得充电过程更加便捷、安全。此外，采用无线充电技术的充电装置减少了物理磨损从而能延长使用寿命，杜绝了金属触点从而避免了触电风险。电动汽车无线充电装置对线圈电磁兼容性有着很高的要求。现有的线圈设计根据文献《InvestigationofMultipleDecoupledCoilPrimaryPadTopologiesinLumpedIPTSystemsforInteroperableElectricVehicleCharging》的总结，分为无极性设计和有极性设计，分别对应产生垂直主磁通、平行主磁通。垂直主磁通型线圈传输距离相对远一些，但耐偏移能力差；平行主磁通型线圈具有耐受平面单方向磁通偏移的能力。无极性设计通常就是平面螺旋型线圈及其变种。而有极性设计的特点是通过对磁通的引导使得其在空间中有一段平行于线圈平面的通路，常见的就是螺线管型和DD型线圈。

在实际应用中，上述两种类型的线圈各有优劣，都有可能被应用。因此兼容性是一个需要考虑的问题。此外，现有设计无法兼顾耐受平面两方向偏移的能力，以及无法兼顾产生垂直主磁通和平行主磁通，无法灵活配置与变换。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高兼容性且可灵活配置的无线充电线圈装置。

根据本发明提供的高兼容性且可灵活配置的无线充电线圈装置，包括独立的四套线圈，还包括导磁模块、线圈配置电路，所述独立的四套线圈之间交错排列并与导磁模块相配合，所述独立的四套线圈通过所述线圈配置电路连接外部电源。

优选地，所述独立的四套线圈能够根据需要进行组合，具体地，一套或者两套线圈作为被供电线圈，所述被供电线圈能够通过所述线圈配置电路匹配单电源和多电源。

优选地，所述独立的四套线圈中设置非重合的两套线圈的绕线方向相反。

优选地，所述导磁模块包括：N纵形式、N横形式以及N纵N横形式。

优选地，能够产生四种位置的垂直主磁通，或两种位置的平行主磁通，或四种位置的复合主磁通；

具体地，所述独立的四套线圈包括：第一线圈L1、第二线圈L2、第三线圈L3、第四线圈L4；当给第一线圈L1、第二线圈L2、第三线圈L3、第四线圈L4这4个线圈中的任意一个线圈供电时，产生相应四种位置的垂直主磁通；当给第一线圈L1与第三线圈L3这一组非重合线圈或者第二线圈L2与第四线圈L4这一组非重合线圈中任一组同时供电时，产生相应的两种平行主磁通；当给第一线圈L1与第二线圈L2这一组、第二线圈L2与第三线圈L3这一组、第三线圈L3与第四线圈L4这一组或者第四线圈L4与第一线圈L1这一组中的任一组重合线圈同时供电时，产生四种相应的复合主磁通，即同时产生部分平行主磁通和部分垂直主磁通。

优选地，根据供电线圈、受电线圈的偏移位置的不同情况，选择线圈配置电路，

具体地，在笛卡尔坐标系下，所述高兼容性且可灵活配置的无线充电装置的受电端与所述高兼容性且可灵活配置的无线充电装置的供电端放置于垂直于z轴的平面，在所述高兼容性且可灵活配置的无线充电装置的受电端与无线充电装置的供电端之间的z方向垂直直线距离D>r/2情况下，r表示所述高兼容性且可灵活配置的无线充电装置供电端尺寸的等效半径，当所述高兼容性且可灵活配置的无线充电装置的受电端与所述高兼容性且可灵活配置的无线充电装置的供电端之间的x方向和y方向偏移值dx<r/2，dy<r/2时，采用垂直主磁通配置；在所述高兼容性且可灵活配置的无线充电装置的受电端与所述高兼容性且可灵活配置的无线充电装置的供电端之间的z方向垂直直线距离D<r/2的情况下，当有正向偏移时，即dx>r/2,dy<r/2或dx<r/2,dy>r/2时，采用对应偏移的平行主磁通配置；当有斜向偏移时，且dx>r/2且dy>r/2时，采用对应偏移的复合主磁通配置；当所述高兼容性且可灵活配置的无线充电装置的受电端与所述高兼容性且可灵活配置的无线充电装置的供电端之间的z方向垂直直线距离D<r/2，且dx≈0且dy≈0时，采用任一平行主磁通配置。

优选地，所述线圈配置电路包括：至少二根交流母线和八个开关，能够扩展至四根交流母线和十六个开关。

优选地，

当匹配单电源时，所述线圈配置电路包括：两根交流母线和八个开关，所述两根交流母线分别连接至单电源的两个输出端；所述八个开关两两分组，每一组开关控制一套线圈；即将一套线圈的一端通过对应组开关中的一个开关连接至一根交流母线上，一套线圈另一端通过对应组开关的另一个开关连接至另一根交流母线上；

当单电源与两种非重合双线圈以及四种重合双线圈的组合模式时，所述线圈配置电路包括四根交流母线和十六个开关，每两根交流母线对应八个开关构成一个控制线路；其中一控制线路中的两根交流母线分别连接至单电源的两个输出端，每一套线圈对应一组四个开关，实现组合控制；即将一套线圈的一端分别通过两个开关连接至两根不同控制线路的交流母线上，一套线圈另一端分别通过对应组开关的另两个开关连接至另两根不同控制线路的相应交流母线上；

当匹配双电源与两种非重合双线圈以及四种重合双线圈的组合模式时，所述线圈配置电路包括四根交流母线和十六个开关，每两根交流母线对应八个开关构成一个控制线路；每一个控制线路中的两根交流母线分别连接至双电源相应电源的两个输出端；每一套独立线圈对应四个开关，实现组合控制；即将一套线圈的一端分别通过两个开关连接至两根不同控制线路的交流母线上，一套线圈另一端分别通过对应组开关的另两个开关连接至另两根不同控制线路的相应交流母线上。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的高兼容性且可灵活配置的无线充电线圈装置具备兼顾耐受平面两方向偏移的能力。

2、本发明提供的高兼容性且可灵活配置的无线充电线圈装置可以兼顾产生垂直主磁通和平行主磁通；并且通过配置电路进行灵活配置与变换。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为典型的垂直主磁通型线圈结构图；

图2为典型的平行主磁通型线圈的一种，即螺线管型结构图；

图3为典型的平行主磁通型线圈的一种，即DD型结构图；

图4为本发明提供的高兼容性且可灵活配置的无线充电线圈(简称QDP型线圈)的结构示意图；

图5为本发明提供的单电源供电方案配合4种单线圈的电路结构图；

图6为本发明提供的单电源供电方案配合2种非重合双线圈以及4种重合双线圈的电路结构图；

图7为本发明提供的双电源供电方案配合4种单线圈的电路结构图；

图8为本发明提供的QDP型单线圈供电方式原理示意图；

图9为本发明提供的QDP型非重合双线圈供电方式原理示意图；

图10为本发明提供的QDP型重合双线圈供电原理示意图；

图11为本发明提供的双电源供电条件下调整两个电源输出相位差的电压示意图。

图12为典型的无线充电线圈偏移示意图。

图中：

1-第一线圈L1；

2-第一线圈L2；

3-第一线圈L3；

4-第一线圈L4。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供图4所示的独立的四套线圈、导磁模块、线圈配置电路，以及独立的四套线圈之间交错排列并与导磁模块相配合的方式，结合图5、图6、图7的线圈配置电路连接外部电源，可以实现一套或者两套线圈作为被供电线圈，且被供电线圈能够通过所述线圈配置电路匹配单电源和多电源。导磁模块如图4所示可以是N纵N横的排列方式，但不仅限于此。

如图9所示，本发明设计的四套线圈中，设置非重合的两套线圈的绕线方向相反。按照这种原则绕线后，重合位置的线圈将会有两组是绕线方向相同的，而另外两组是绕线方向相反的。

本发明设计的线圈能够产生四种位置的垂直主磁通，或两种位置的平行主磁通，或四种位置的复合主磁通；具体地，如图4，当给L1～L4四个线圈中的任意单独线圈供电时，产生垂直主磁通，共计4种位置；当给(第一线圈L1、第三线圈L3)或者(第二线圈L2、第四线圈L4)两组非重合线圈同时供电时，产生平行主磁通，共计2种位置；当给(第一线圈L1、第二线圈L2)或(第二线圈L2、第三线圈L3)或(第三线圈L3、第四线圈L4)或(第四线圈L4、第一线圈L1)四组重合线圈同时供电时，产生复合主磁通，即同时产生部分平行主磁通和部分垂直主磁通。

本发明设计的线圈产生复合主磁通的情况有两种，分别是绕线方向相同的和绕线方向相反的。绕线方向相同的情况下，如果输入电流是同相位的情况下，复合主磁通中垂直磁通部分是增强的，平行磁通部分是削弱的；绕线方向相反的情况下，如果输入电流是同相位的情况下，复合主磁通中垂直磁通部分是削弱的，平行磁通部分是增强的。实际上，可以通过图11的相位角控制来控制生成的磁通强度。

本发明设计的线圈可以根据副边偏移位置的不同情况，选择线圈配置电路，根据图12，当距离远(D>r/2)，偏移不大时(dx<r/2,dy<r/2)，采用垂直主磁通配置；距离近(D<r/2)，有正向偏移时(dx>r/2,dy<r/2或dx<r/2,dy>r/2)，采用对应偏移的平行主磁通配置；当有斜向偏移时(dx>r/2且dy>r/2)，采用对应偏移的复合主磁通配置；当距离近(D<r/2)，准确对准时(dx≈0且dy≈0)，采用任一平行主磁通配置。

本发明设计的线圈要完成线圈配置，需要通过配置电路。图8给出了QDP型单线圈供电方式原理示意图，仅需要一个电源，通过开关切换，给不同位置的线圈供电，每种情况均类似于图1的线圈，只有相对位置可以调节。图9，图10给出了QDP型非重合双线圈供电方式原理示意图，可以用单电源(图9)，可以用双电源(图10)，通过开关切换，给两种位置的非重合线圈供电，每种情况均类似于图3的线圈，可以调节平行磁通的方向，实现两个方向的抗偏移能力。

本发明设计的配置电路，当匹配单电源时，所述线圈配置电路包括：两根交流母线和八个开关，所述两根交流母线分别连接至单电源的两个输出端；所述八个开关两两分组，每一组开关控制一套线圈；

本发明设计的配置电路，当单电源与两种非重合双线圈以及四种重合双线圈的组合模式时，所述线圈配置电路包括四根交流母线和十六个开关，每两根交流母线对应八个开关构成一个控制线路；其中一个控制线路中的两根交流母线分别连接至单电源的两个输出端，每一套独立线圈对应四个开关，实现组合控制；

本发明设计的配置电路，当匹配双电源与两种非重合双线圈以及四种重合双线圈的组合模式时，所述线圈配置电路包括四根交流母线和十六个开关，每两根交流母线对应八个开关构成一个控制线路；每一个控制线路中的两根交流母线分别连接至双电源相应电源的两个输出端；每一套独立线圈对应四个开关，实现组合控制。

具体地，在绕制线圈时，保证不重合的两个线圈绕线方向相反是指：如图9所示，即若一个线圈是逆时针绕制，则另一个线圈是顺时针绕制。

采用的导磁材料的形式不仅限于图4所示，并不局限于合成同一个整体，可以是分开的N纵N横。

下面结合具体实施例进行说明：

实施例1：

参见图5和图8，用单电源供电方案配合4种单线圈设计。通过开通和关断开关S1-S8可以实现4种不同位置的垂直主磁通。图8给出了其中一种情况，此时开关S1和S2开通，开关S3-S8关断，L1被接入电路，实现了从纸面看偏下侧的垂直型主磁通。

实施例2：

如图6、图9所示，用单电源供电方案配合2种非重合双线圈设计，本例的设计需要在实施例1的电路上需要补充两个交流母线B3，B4和开关S1’-S8’。通过开通和关断开关S1-S8，开关S1’-S8’可以实现2种不同位置的平行主磁通。图9给出了其中一种情况，此时开关S1、S2’、S5、S6’开通，其他开关关断，第一线圈L1，第三线圈L3被串联接入电路，实现了从纸面看上下方向的平行型主磁通。

实施例3：

如图6、图10所示，用单电源供电方案配合4种重合双线圈设计。在实施例2的电路上，通过开通和关断开关S1-S8，开关S1’-S8’可以实现4种不同位置的复合主磁通。图10给出了其中一种情况，此时开关S1、S2’、S3、S4’开通，其他开关关断，第一线圈L1，第一线圈L2被接入电路，实现了从右下方向的复合型主磁通。

实施例4：

如图7、图9、图10所示，用双电源供电方案配合4种单线圈设计，本例的设计需要在实施例2的电路上增加一个逆变电源接入交流母线B3、B4。通过开通和关断开关S1-S8，开关S1’-S8’可以在平面两个方向上形成平行主磁通，也可以实现一套装置在四个偏移位置形成复合主磁通。图9给出了其中一种情况，此时开关S1、S2、S5’、S6’开通，其他开关关断，第一线圈L1、第一线圈L3被接入电路，实现了从上下方向的平行型主磁通。图10给出了另一种情况，此时开关S1、S2、S3’、S4’开通，其他开关关断，第一线圈L1、第一线圈L2被接入电路，实现了从右下方向的复合型主磁通。

更进一步地，在实施例4的情况下，可以通过调整两组电源的输出电压相位差(图11)，来调整复合型主磁通的大小，从而调节线圈耦合能力以及控制输出功率的作用。按图9和图10的绕线参考方向，从纸面看左上和右下的复合磁通区域内，理论上相差为0时合成磁通最强，相差为180°时合成磁通最弱；而从纸面看右上和左下的复合磁通区域内，理论上相差为180°时合成磁通最强，相差为0时合成磁通最弱。

此外，在实施例4的情况下，当某一电源故障的时候，单电源仍然可以继续工作，相当于有天然备份，有较好的鲁棒性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种高兼容性且可灵活配置的无线充电线圈装置，其特征在于，包括独立的四套线圈，还包括导磁模块、线圈配置电路，所述独立的四套线圈之间交错排列并与导磁模块相配合，所述独立的四套线圈通过所述线圈配置电路连接外部电源。

2.根据权利要求1所述的高兼容性且可灵活配置的无线充电线圈装置，其特征在于，所述独立的四套线圈能够根据需要进行组合，具体地，一套或者两套线圈作为被供电线圈，所述被供电线圈能够通过所述线圈配置电路匹配单电源和多电源。

3.根据权利要求1所述的高兼容性且可灵活配置的无线充电线圈装置，其特征在于，所述独立的四套线圈中设置非重合的两套线圈的绕线方向相反。

4.根据权利要求1所述的高兼容性且可灵活配置的无线充电线圈装置，其特征在于，所述导磁模块包括：N纵形式、N横形式以及N纵N横形式。

5.根据权利要求1所述的高兼容性且可灵活配置的无线充电线圈装置，其特征在于，能够产生四种位置的垂直主磁通，或两种位置的平行主磁通，或四种位置的复合主磁通；

具体地，所述独立的四套线圈包括：第一线圈L1、第二线圈L2、第三线圈L3、第四线圈L4；当给第一线圈L1、第二线圈L2、第三线圈L3、第四线圈L4这4个线圈中的任意一个线圈供电时，产生相应四种位置的垂直主磁通；当给第一线圈L1与第三线圈L3这一组非重合线圈或者第二线圈L2与第四线圈L4这一组非重合线圈中任一组同时供电时，产生相应的两种平行主磁通；当给第一线圈L1与第二线圈L2这一组、第二线圈L2与第三线圈L3这一组、第三线圈L3与第四线圈L4这一组或者第四线圈L4与第一线圈L1这一组中的任一组重合线圈同时供电时，产生四种相应的复合主磁通，即同时产生部分平行主磁通和部分垂直主磁通。

6.根据权利要求5所述的高兼容性且可灵活配置的无线充电线圈装置，其特征在于，根据供电线圈、受电线圈的偏移位置的不同情况，选择线圈配置电路，

具体地，在笛卡尔坐标系下，所述高兼容性且可灵活配置的无线充电装置的受电端与所述高兼容性且可灵活配置的无线充电装置的供电端放置于垂直于z轴的平面，在所述高兼容性且可灵活配置的无线充电装置的受电端与无线充电装置的供电端之间的z方向垂直直线距离D>r/2情况下，r表示所述高兼容性且可灵活配置的无线充电装置供电端尺寸的等效半径，当所述高兼容性且可灵活配置的无线充电装置的受电端与所述高兼容性且可灵活配置的无线充电装置的供电端之间的x方向和y方向偏移值dx<r/2，dy<r/2时，采用垂直主磁通配置；在所述高兼容性且可灵活配置的无线充电装置的受电端与所述高兼容性且可灵活配置的无线充电装置的供电端之间的z方向垂直直线距离D<r/2的情况下，当有正向偏移时，即dx>r/2,dy<r/2或dx<r/2,dy>r/2时，采用对应偏移的平行主磁通配置；当有斜向偏移时，且dx>r/2且dy>r/2时，采用对应偏移的复合主磁通配置；当所述高兼容性且可灵活配置的无线充电装置的受电端与所述高兼容性且可灵活配置的无线充电装置的供电端之间的z方向垂直直线距离D<r/2，且dx≈0且dy≈0时，采用任一平行主磁通配置。

7.根据权利要求1所述的高兼容性且可灵活配置的无线充电线圈装置，其特征在于，所述线圈配置电路包括：至少二根交流母线和八个开关，能够扩展至四根交流母线和十六个开关。

8.根据权利要求7的高兼容性且可灵活配置的无线充电线圈装置，其特征在于，

当匹配单电源时，所述线圈配置电路包括：两根交流母线和八个开关，所述两根交流母线分别连接至单电源的两个输出端；所述八个开关两两分组，每一组开关控制一套线圈；即将一套线圈的一端通过对应组开关中的一个开关连接至一根交流母线上，一套线圈另一端通过对应组开关的另一个开关连接至另一根交流母线上；

当单电源与两种非重合双线圈以及四种重合双线圈的组合模式时，所述线圈配置电路包括四根交流母线和十六个开关，每两根交流母线对应八个开关构成一个控制线路；其中一控制线路中的两根交流母线分别连接至单电源的两个输出端，每一套线圈对应一组四个开关，实现组合控制；即将一套线圈的一端分别通过两个开关连接至两根不同控制线路的交流母线上，一套线圈另一端分别通过对应组开关的另两个开关连接至另两根不同控制线路的相应交流母线上；

当匹配双电源与两种非重合双线圈以及四种重合双线圈的组合模式时，所述线圈配置电路包括四根交流母线和十六个开关，每两根交流母线对应八个开关构成一个控制线路；每一个控制线路中的两根交流母线分别连接至双电源相应电源的两个输出端；每一套独立线圈对应四个开关，实现组合控制；即将一套线圈的一端分别通过两个开关连接至两根不同控制线路的交流母线上，一套线圈另一端分别通过对应组开关的另两个开关连接至另两根不同控制线路的相应交流母线上。