CN107317401A - 抗偏移恒压输出无线电能传输系统 - Google Patents
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Abstract
一种抗偏移恒压输出无线电能传输系统，用于实现系统内的一次侧与二次侧间的电能无线输送，包括前级模块、与所述前级模块连接的第一发送模块、与所述前级模块连接的第二发送模块、与所述第一发送模块耦合的第一接收模块、与所述第二发送模块耦合的第二接收模块、及与所述第一接收模块、第二接收模块连接的后级模块；所述前级模块包括逆变电路；所述后级模块包括整流电路。本发明的抗偏移恒压输出无线电能传输系统通过第一发送模块与第一接收模块之间、第二发送模块及第二接收模块之间互补，同时按相应要求设定各模块内部元件的参数，令所述抗偏移恒压输出无线电能传输系统中的整流电路的输出电压不会因线圈偏移而受到影响。
Description
技术领域
本发明涉及充电技术，特别是涉及一种抗偏移恒压输出无线电能传输系统。
背景技术
感应式无线电能传输技术是一种利用磁场等软介质实现非接触电能传输的新型供电技术，其以供电灵活、安全、稳定性高及环境亲和力强等优点广泛运用于医疗、消费电子产品、水下供电、电动车充电和轨道交通等领域。
现有的无线能量传输系统的主要构成及工作过程为：工频交流电经过整流成为直流，经过逆变器后直流电逆变成高频交流电，高频交变电流注入初级线圈，产生高频交变磁场；次级线圈在初级线圈产生的高频磁场中感应出感应电动势，该感应电动势通过高频整流后向负载提供电能。由于现有单个线圈抗偏移能力弱，当初级线圈、次级线圈间存在偏移时，系统参数发生改变，造成在一定输入电压下系统难以输出恒定的电压。为解决该问题，通常的方法有两种：一、在电路系统中引入闭环负反馈控制，如在逆变器前加入控制器调节输入电压或者采用移相控制，或者在次级线圈整流后加入DC-DC变换器；其缺陷是，增加了控制成本和复杂性，降低系统稳定性。二、采用混合初级线圈系统，铺设初级线圈阵列，使初级线圈、次级线圈间存在偏移时两者间的磁场相对均匀分布，但是该方法会增加线圈成本及能量传输面积。
发明内容
基于此，本发明提供一种通过实现电能的无线传输同时在线圈间发生偏移时能保持输出恒定电压的抗偏移恒压输出无线电能传输系统。
为了实现本发明的目的，本发明采用以下技术方案：
一种抗偏移恒压输出无线电能传输系统，包括前级模块、与所述前级模块连接的第一发送模块、与所述前级模块连接的第二发送模块、与所述第一发送模块耦合的第一接收模块、与所述第二发送模块耦合的第二接收模块、及与所述第一接收模块、第二接收模块连接的后级模块；所述前级模块包括逆变电路H；所述后级模块包括整流电路D；所述第一发送模块、第二发送模块并联于所述逆变电路H的输出端；所述第一接收模块、第二接收模块串联连接与所述整流电路D的输入端。
本发明的抗偏移恒压输出无线电能传输系统通过第一发送模块与第一接收模块之间、第二发送模块及第二接收模块之间互补，同时按相应要求设定各模块内部元件的参数，令所述抗偏移恒压输出无线电能传输系统中的整流电路D的输出电压不会因线圈偏移而受到影响。
在其中一个实施例中，所述第一发送模块包括第一补偿电感L0、第一补偿电容C0、第二补偿电容C1、及第一初级线圈L1；所述第一补偿电感L0、所述第二补偿电容C1、及所述第一初级线圈L1依次连接；所述第一补偿电容C0并联于所述第二补偿电容C1与所述第一初级线圈L1串联构成部分的两端；
所述第一接收模块包括第一次级线圈L2、及与所述第一次级线圈L2串联连接的第三补偿电容C2；
所述第二发送模块包括第四补偿电容C3、及与所述第四补偿电容C3串联连接的第二初级线圈L3；
所述第二接收模块包括第二次级线圈L4、第二补偿电感L5、第五补偿电容C4、及第六补偿电容C5；所述第二次级线圈L4、所述第五补偿电容C4、及所述第二补偿电感L5依次串联连接；所述第六补偿电容C5并联于所述第二次级线圈L4与所述第五补偿电容C4串联构成部分的两端。
在其中一个实施例中，所述前级模块还包括直流电源，所述直流电源的输出电压为所述后级模块还包括阻性负载RL，所述阻性负载RL的输入电压为VRL；所述抗偏移恒压输出无线电能传输系统的工作角频率为ω；所述第一初级线圈L1与所述第一次级线圈L2在无偏移情况下的互感值为M0；所述第二初级线圈L3与所述第二次级线圈L4在无偏移情况下的互感值也为M0；所述第一补偿电容C0的电容值由式(1)确定：
所述第二补偿电容C1的电容值由式(2)确定：
所述第三补偿电容C2的电容值由式(3)确定：
所述第四补偿电容C3的电容值由式(4)确定：
所述第五补偿电容C4的电容值由式(5)确定：
所述第六补偿电容C5的电容值由式(6)确定：
所述第一补偿电感L0的电感值由式(7)确定：
所述第二补偿电感L5的电感值由式(8)确定：
在其中一个实施例中，所述第一初级线圈L1与所述第二初级线圈L3之间、所述第一次级线圈L2与所述第二次级线圈L4之间采用DDQ线圈结构组合；所述DDQ线圈结构由一个Q线重叠两个D线圈组成；所述第一初级线圈L1及所述第二初级线圈L3、第一次级线圈L2及第二次级线圈L4分别对应两组DDQ线圈结构。
在其中一个实施例中，所述第一初级线圈L1为一组所述DDQ线圈结构中的D线圈，所述第二初级线圈L3为一组所述DDQ线圈结构中的Q线圈，所述第一次级线圈L2为另一组所述DDQ线圈结构中的D线圈，所述第二次级线圈L4为另一组所述DDQ线圈结构中的Q线圈。
在其中一个实施例中，所述第一初级线圈L1为一组所述DDQ线圈结构中的Q线圈，所述第二初级线圈L3为一组所述DDQ线圈结构中的D线圈，所述第一次级线圈L2为另一组所述DDQ线圈结构中的Q线圈，所述第二次级线圈L4为另一组所述DDQ线圈结构中的D线圈。
在其中一个实施例中，所述第一初级线圈L1与所述第二初级线圈L3之间、所述第一次级线圈L2与所述第二次级线圈L4之间采用BBP线圈结构；所述BBP线圈结构由两个B线圈组成；所述第一初级线圈L1及所述第一次级线圈L2、所述第二初级线圈L3及所述第二次级线圈L4分别对应第一组BBP线圈结构、第二组BBP线圈结构。
在其中一个实施例中，所述第一初级线圈L1及所述第二初级线圈L3与一组所述BBP线圈结构中的两个B线圈分别对应，所述第一次级线圈L2及所述第二次级线圈L4与另一组所述BBP线圈结构中的两个B线圈分别对应。
附图说明
图1为本发明的一较佳实施例的抗偏移恒压输出无线电能传输系统的电路图；
图2为图1所示的抗偏移恒压输出无线电能传输系统的简化原理图；
图3为DDQ线圈结构的示意图；
图4为BBP线圈结构的示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
请参阅图1及图2，为本发明一较佳实施方式的抗偏移恒压输出无线电能传输系统，用于实现系统内的一次侧与二次侧间的电能无线输送。该抗偏移恒压输出无线电能传输系统包括前级模块10、与所述前级模块10连接的第一发送模块20、与所述前级模块10连接的第二发送模块30、与所述第一发送模块20耦合的第一接收模块40、与所述第二发送模块30耦合的第二接收模块50、及与所述第一接收模块40、第二接收模块50连接的后级模块60；所述第一发送模块20、第二发送模块30、第一接收模块40、及第二接收模块50的元件按相应要求设定，所述第一发送模块20与所述第二发送模块30之间、所述第一接收模块40与所述第二接收模块50之间相互平衡，令所述整流电路D的输出电压不会因线圈间的偏移而变化，令所述抗偏移恒压输出无线电能传输系统中的整流电路D的输出电压保持恒定。
所述前级模块10包括直流电源E、及与所述直流电源E连接的逆变电路H；所述逆变电路H设有第一交流输出端及第二交流输出端；所述直流电源E的输出电压值为
所述后级模块60包括整流电路D、及与所述整流电路D连接的阻性负载RL；所述整流电路D设有第一电能输入端及第二电能输入端；所述阻性负载RL的输入电压为VRL。
所述第一发送模块20包括第一补偿电感L0、第一补偿电容C0、第二补偿电容C1、及第一初级线圈L1；所述第一补偿电感L0的一端与所述逆变电路H的第一交流输出端连接；所述第一补偿电感L0的另一端分别与所述第一补偿电容C0的一端及所述第二补偿电容C1的一端连接；所述第二补偿电容C1的另一端与所述第一初级线圈L1的一端连接；所述第一初级线圈L1的另一端与所述第一补偿电容C0的另一端连接；所述第一补偿电容C0的另一端与所述逆变电路H的第二交流输出端连接。
所述第二发送模块30包括第四补偿电容C3、及第二初级线圈L3；所述第四补偿电容C3的一端与所述逆变电路H的第一交流输出端连接，所述第四补偿电容C3的另一端与所述第二初级线圈L3的一端连接；第二初级线圈L3的另一端与所述逆变电路H的第二交流输出端连接。
所述第一接收模块40包括第一次级线圈L2、及第三补偿电容C2；所述第三补偿电容C2的一端与所述第一次级线圈L2的一端连接，第三补偿电容C2的另一端与所述整流电路D的第一电能输入端连接。
所述第二接收模块50包括第二次级线圈L4、第二补偿电感L5、第五补偿电容C4、及第六补偿电容C5；所述第二补偿电感L5的一端与所述第一次级线圈L2的另一端连接，第二补偿电感L5的另一端与所述第五补偿电容C4的一端连接，第二补偿电感L5的另一端还与所述第六补偿电容C5的一端连接；所述第五补偿电容C4的另一端与所述第二次级线圈L4的一端连接；所述第二次级线圈L4的另一端与所述第六补偿电容C5的另一端连接，所述第六补偿电容C5的另一端连接所述整流电路D的第二电能输入端。
请参阅图3及图4，所述第一初级线圈L1与所述第一次级线圈L2耦合；所述第二初级线圈L3与所述第二次级线圈L4耦合；第一初级线圈L1与第二初级线圈L3之间、第一次级线圈L2与第二次级线圈L4之间可采用DDQ线圈结构200或BBP线圈结构300组合；DDQ线圈结构200由一个Q线圈201居中重叠两个等大D线圈202组成，且两个D线圈202与Q线圈201间理论上没有互感。BBP线圈结构300由等大的且部分重合的两个B线圈301组成，且两个B线圈301之间理论上没有互感。
在其中一种实施方式中，第一初级线圈L1与第二初级线圈L3、第一次级线圈L2与第二次级线圈L4分别对应两组DDQ线圈结构200。
具体地，若第一初级线圈L1为第一组DDQ线圈结构200中的D线圈202，则第二初级线圈L3为第一组DDQ线圈结构200中的Q线圈201、第一次级线圈L2为第二组DDQ线圈结构200中的D线圈202、第二次级线圈L4为第二组DDQ线圈结构200中的Q线圈201；若第一初级线圈L1为第一组DDQ线圈结构中200的Q线圈201，则第二初级线圈L3为第一组DDQ线圈结构200中的D线圈202、第一次级线圈L2为第二组DDQ线圈结构200中的Q线圈201、第二次级线圈L4为第二组DDQ线圈结构200中的D线圈202。
在另一种实施方式中，第一初级线圈L1与所述第一次级线圈L2、第二初级线圈L3与第二次级线圈L4分别对应两组BBP线圈结构300。
具体地，第一初级线圈L1及第一次级线圈L2与第一组BBP线圈结构300中的两个B线圈301分别对应，即第一组BBP线圈结构300中的一个B线圈301作为第一初级线圈L1，第一组BBP线圈结构300中的另一个B线圈301作为第一次级线圈L2；第二初级线圈L3及第二次级线圈L4与第二组BBP线圈结构中的两个B线圈分别对应，即第二组BBP线圈结构300中的一个B线圈301作为第二初级线圈L3，第一组BBP线圈结构300中的另一个B线圈301作为第二次级线圈L4；但在无偏移情况时，使第一初级线圈L1与第一次级线圈L2、第二初级线圈L3与第二次级线圈L4分别完全对准，以消除M12、M34之外的交叉耦合。
所述逆变电路H用于将所述直流电源输出的直流电压转换为高频交流电压。
所述整流电路D接收所述第一接收模块40及第二接收模块50的输出高频交流电压；所述整流电路D将接收到高频交流电压转换为直流电压并输出至所述阻性负载RL。
所述第一发送模块20将所述逆变电路H发出的高频交流电压传输至所述第一接收模块40。所述第二发送模块30将所述逆变电路H发出的高频交流电压传输至所述第二接收模块50。
所述抗偏移恒压输出无线电能传输系统的工作角频率为ω，抗偏移恒压输出无线电能传输系统的工作频率为f。
请参阅图2，为本发明一较佳实施方式的抗偏移恒压输出无线电能传输系统的等效电路，阻性负载RL等效为负载R1、负载R2，所述第一补偿电感L0、所述第二补偿电感L5、所述第一初级线圈L1、所述第二初级线圈L3、所述第一次级线圈L2、所述第二次级线圈L4的电感值分别为
在一定的条件下，令
C0满足C1满足
C2满足C3满足
C4满足C5满足
即
利用网孔电流法对抗偏移恒压输出无线电能传输系统的等效电路列写下述方程组：
所述第一初级线圈L1与所述第二初级线圈L3间的互感为M13，第一初级线圈L1与所述第二次级线圈L4间的互感为M14，所述第一次级线圈L2与所述第二初级线圈L3间的互感为M23，第一次级线圈L2与所述第二次级线圈L4间的互感为M24，由于第一初级线圈L1与所述第一次级线圈L2之间、第二初级线圈L3与第二次级线圈L4之间采用DDQ线圈结构或BBP线圈结构，因此，互感值M13、M14、M23及M24的值很小。
将M13＝M14＝M23＝M24＝0及式(9)代入方程组(10)求解可以得出抗偏移恒压输出无线电能传输系统中的电流为：
由式(11)可以得到所述第一发送模块20的输出电压所述第二发送模块30的输出电压为：
根据式(12)，所述第一发送模块20的输出电压所述第二发送模块30的输出电压的表达式不含负载R1、负载R2的项，因此，第一发送模块20的输出电压第二发送模块30的输出电压与负载R1、负载R2无关。
图2中的两个相同电压源有同一个直流电源及高频逆变器替代，高频逆变器输入电压与输出电压Vi之间的关系为：
将图2中的所述第一发送模块20的输出电压所述第二发送模块30的输出电压串联接入到整流桥及阻性负载RL，所述整流桥的输入电压与输出电压之间的关系为：
如图1所述，所述整流桥的输入电压为：
将式(13)、(14)代入式(15)可以得到所述抗偏移恒压输出无线电能传输系统的输出电压VRL为：
由式(16)可得，在所述第一补偿电感L0的电感值所述第二补偿电感L5的电感值直流电源的输出电压一定的条件下，所述第一初级线圈L1相对所述第一次级线圈L2、所述第二初级线圈L3相对所述第二次级线圈L4同时发生偏移时，互感值M12、互感值M34均减少，式(16)中的项线性减少、项呈反比例性质增大，通过合理选取各参数，可以使当M12、M34在某一范围内变化时，两项之和几乎为定值，实现偏移情况下系统依然能够输出与负载无关的电压，即实现抗偏移恒压输出。
为了平衡所述第一发送模块20及第二发送模块30间的传输容量，以第一初级线圈L1相对第一次级线圈L2、第二初级线圈L3相对第二次级线圈L4均无偏移情况，且第一发送模块20的输出电压与第二发送模块30的输出电压相等的原则确定系统中各元件的参数，且令第一初级线圈L1相对第一次级线圈L2、第二初级线圈L3相对第二次级线圈L4均无偏移时M12＝M34＝M0。
由式(16)及可知第一补偿电感L0的电感值第二补偿电感L5的电感值需满足条件：
由式(9)、(17)可知第一补偿电容C0的电容值第二补偿电容C1的电容值第五补偿电容C4的电容值第六补偿电容C5的电容值需满足条件：
由式(9)可知第三补偿电容C2的电容值第四补偿电容C3的电容值需满足条件：
综上所述，在满足式(18)及式(19)的相关条件后，同时满足下述条件时，抗偏移恒压输出无线电能传输系统在偏移情况下依然能输出与负载无关的电压：
1.阻性负载的输入电压VRL、直流电源的输出电压第一初级线圈L1、第一次级线圈L2、第二初级线圈L3、第二次级线圈L4的电感值为确定值；
2.第一初级线圈L1相对第一次级线圈L2、第二初级线圈L3相对第二次级线圈L4均无偏移时，第一初级线圈L1与第一次级线圈L2间的互感值M12的值为M0、第二初级线圈L3与第二次级线圈L4间的互感值M34的值也为M0，且M0为确定值；
3.抗偏移恒压输出无线电能传输系统的工作频率f为确定值。
所述第一发送模块20与第一接收模块40之间、第二发送模块30与第二接收模块50间相互平衡，在出现偏移的情况下，第一接收模块40的输出电压与第二接收模块50的输出电压互补平衡，使阻性负载RL的输入电压VRL不会因发生偏移而产生明显变化，从而不需要任何控制策略，无需在第一发送模块20与第一接收模块40之间、第二发送模块30与第二接收模块50之间引入反馈控制即可实现输出稳定的电压，因此，电路的结构简单、工作可靠。
第一初级线圈L1与第一次级线圈L2、及第二初级线圈L3与第二次级线圈L4采用简单的DDQ结构或BBP结构，因而无需铺设复杂的初级线圈阵列，在电路的线圈成本合理的前提下保证了较高的能量传输面积利用率。
本实施例中，通过所述第一发送模块与第一接收模块之间、第二发送模块及第二接收模块之间互补，同时元件按相应要求设定，令所述抗偏移恒压输出无线电能传输系统中的整流电路D的输出电压不会因线圈偏移而受到影响。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种抗偏移恒压输出无线电能传输系统，其特征在于，包括前级模块、与所述前级模块连接的第一发送模块、与所述前级模块连接的第二发送模块、与所述第一发送模块耦合的第一接收模块、与所述第二发送模块耦合的第二接收模块、及与所述第一接收模块、第二接收模块连接的后级模块；所述前级模块包括逆变电路H；所述后级模块包括整流电路D；所述第一发送模块、第二发送模块并联于所述逆变电路H的输出端；所述第一接收模块、第二接收模块串联连接与所述整流电路D的输入端。
2.根据权利要求1所述的抗偏移恒压输出无线电能传输系统，其特征在于，所述第一发送模块包括第一补偿电感L0、第一补偿电容C0、第二补偿电容C1、及第一初级线圈L1；所述第一补偿电感L0、所述第二补偿电容C1、及所述第一初级线圈L1依次连接；所述第一补偿电容C0并联于所述第二补偿电容C1与所述第一初级线圈L1串联构成部分的两端；
所述第一接收模块包括第一次级线圈L2、及与所述第一次级线圈L2串联连接的第三补偿电容C2；
所述第二发送模块包括第四补偿电容C3、及与所述第四补偿电容C3串联连接的第二初级线圈L3；
所述第二接收模块包括第二次级线圈L4、第二补偿电感L5、第五补偿电容C4、及第六补偿电容C5；所述第二次级线圈L4、所述第五补偿电容C4、及所述第二补偿电感L5依次串联连接；所述第六补偿电容C5并联于所述第二次级线圈L4与所述第五补偿电容C4串联构成部分的两端。
3.根据权利要求2所述的抗偏移恒压输出无线电能传输系统，其特征在于，所述前级模块还包括直流电源，所述直流电源的输出电压为所述后级模块还包括阻性负载RL，所述阻性负载RL的输入电压为VRL；所述抗偏移恒压输出无线电能传输系统的工作角频率为ω；所述第一初级线圈L1与所述第一次级线圈L2在无偏移情况下的互感值为M0；所述第二初级线圈L3与所述第二次级线圈L4在无偏移情况下的互感值也为M0；所述第一补偿电容C0的电容值由式(1)确定：
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所述第二补偿电容C1的电容值由式(2)确定：
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<mo>&OverBar;</mo>
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<mo>-</mo>
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所述第三补偿电容C2的电容值由式(3)确定：
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<mo>-</mo>
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所述第四补偿电容C3的电容值由式(4)确定：
<mrow>
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所述第五补偿电容C4的电容值由式(5)确定：
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所述第一补偿电感L0的电感值由式(7)确定：
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所述第二补偿电感L5的电感值由式(8)确定：
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4.根据权利要求3所述的抗偏移恒压输出无线电能传输系统，其特征在于，所述第一初级线圈L1与所述第二初级线圈L3之间、所述第一次级线圈L2与所述第二次级线圈L4之间采用DDQ线圈结构组合；所述DDQ线圈结构由一个Q线重叠两个D线圈组成；所述第一初级线圈L1及所述第二初级线圈L3、第一次级线圈L2及第二次级线圈L4分别对应两组DDQ线圈结构。
5.根据权利要求4所述的抗偏移恒压输出无线电能传输系统，其特征在于，所述第一初级线圈L1为一组所述DDQ线圈结构中的D线圈，所述第二初级线圈L3为一组所述DDQ线圈结构中的Q线圈，所述第一次级线圈L2为另一组所述DDQ线圈结构中的D线圈，所述第二次级线圈L4为另一组所述DDQ线圈结构中的Q线圈。
6.根据权利要求4所述的抗偏移恒压输出无线电能传输系统，其特征在于，所述第一初级线圈L1为一组所述DDQ线圈结构中的Q线圈，所述第二初级线圈L3为一组所述DDQ线圈结构中的D线圈，所述第一次级线圈L2为另一组所述DDQ线圈结构中的Q线圈，所述第二次级线圈L4为另一组所述DDQ线圈结构中的D线圈。
7.根据权利要求3所述的抗偏移恒压输出无线电能传输系统，其特征在于，所述第一初级线圈L1与所述第二初级线圈L3之间、所述第一次级线圈L2与所述第二次级线圈L4之间采用BBP线圈结构；所述BBP线圈结构由两个B线圈组成；所述第一初级线圈L1及所述第一次级线圈L2、所述第二初级线圈L3及所述第二次级线圈L4分别对应第一组BBP线圈结构、第二组BBP线圈结构。
8.根据权利要求7所述的抗偏移恒压输出无线电能传输系统，其特征在于，所述第一初级线圈L1及所述第二初级线圈L3与一组所述BBP线圈结构中的两个B线圈分别对应，所述第一次级线圈L2及所述第二次级线圈L4与另一组所述BBP线圈结构中的两个B线圈分别对应。
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