CN108390471A - 一种多频率磁耦合谐振式无线电能传输系统及充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多频率磁耦合谐振式无线电能传输系统及充电系统，包括控制模块、直流电源、单项桥逆变器和传输线圈组，其中，控制单元通过调制产生至少两路不同频率的驱动信号，经单相桥逆变器将产生对应频率的多路电压，分别由不同的传输线圈组进行传输，负载侧接收到的电压作为不同的电源，在各自谐振频率点相互独立运行。本发明具有带多负载的能力，可灵活设计线圈和电路参数使得两组线圈分别满足不同工况的需求，使系统为多个设备同时传输电能。

Description

一种多频率磁耦合谐振式无线电能传输系统及充电系统
技术领域
本发明涉及一种多频率磁耦合谐振式无线电能传输系统及充电系统。
背景技术
在环保和能源短缺的双重压力下，各国政府和各大汽车厂商都在积极推进电动汽车产业的发展。目前电动汽车充电的主要方式仍为传统插电式，该充电方式存在笨重、不安全、不方便等种种不利因素，并且也不适应日益逼近的自动驾驶技术。无线充电能够克服上述缺点，所以在几年之后无线充电必将替代传统的有线充电，成为充电的主流。电动汽车无线充电技术正成为全球的关注及研究热点。
将无线电能传输技术与电动汽车充电结合起来实现电动汽车无线充电，能够大大提高电动汽车充电的方便性。用户只需把车停在安装有电能发送装置的指定区域，充电即可自动进行；无线充电系统的发射装置可埋设在车库或停车场，不需要时常维护。无线充电在给电动汽车使用带来巨大方便的同时也能促进电动汽车产业的发展，是未来电动汽车供电技术的发展趋势。
采用有线技术的多个电源供电在实际应用中非常普及，也较容易实现，若改用无线技术，就有较大难度。对电动汽车来说，目前在启动有线充电时，采用有线桩的12V电源线给BMS供电，而目前无线充电解决方案采用车载蓄电池给BMS及整流控制模块供电，一旦蓄电池馈电严重将导致无法充电。因此要求无线充电设备不仅要给车载电池充电，而且要保证汽车BMS系统以及整流控制模块始终处于不断电状态以保证充电能顺利进行。具有多负载供电能力的无线充电设备还可为金属异物检测提供便利。除此之外，具有多负载供电能力的无线充电设备为单个负载供电时可以降低器件应力，从而降低大功率无线充电设备的设计难度。而现有的无线充电技术大多只能带单负载运行。
目前国内外学者对于多负载无线充电系统的研究多采用单个发射线圈，多个接收线圈的方法。该方法可使无线充电系统具备带多负载的能力，但在确保系统效率的前提下，发射线圈和接收线圈体积往往较大，难以满足安装要求，同时多个接收线圈具有相同的谐振频率，接收线圈之间具有较强的耦合使得系统的效率和稳定性较低。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种多频率磁耦合谐振式无线电能传输系统及充电系统，本发明同时为多个负载供电功能，具有使用便捷可靠、安全系数高、维护成本低的优点，同时具有通用性强、高效率、高可靠性的特点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多频率磁耦合谐振式无线电能传输系统，包括控制模块、直流电源、单项桥逆变器和传输线圈组，其中，控制单元通过调制产生至少两路不同频率的驱动信号，经单相桥逆变器将产生对应频率的多路电压，分别由不同的传输线圈组进行传输，负载侧接收到的电压作为不同的电源，在各自谐振频率点相互独立运行。
进一步的，所述传输线圈组包括对应的发射线圈和接收线圈，且同一组的发射线圈和接收线圈具有相同的谐振频率。
进一步的，不同的传输线圈组的发射线圈采用同心的嵌套布置结构。
进一步的，不同的传输线圈组的接收线圈采用同心的嵌套布置结构。
进一步的，至少有一套传输线圈组作为主电源。
进一步的，至少有一套传输线圈组作为辅助电源。
进一步的，所述发射线圈面积大于相对应的接收线圈面积。
进一步的，所述接收线圈通过整流器连接负载。
进一步的，所述传输线圈组的发射线圈和接收线圈均连接有补偿电容，通过调节发射线圈和接收线圈的电感以及对应的补偿电容，使得单相桥逆变电路输出的两路电路分别运行于不同的谐振频率。
一种电动汽车充电系统，包括上述多频率磁耦合谐振式无线电能传输系统，其中的一个传输线圈组作为主电源进行使用，为设备的电池包进行充电；另一个传输线圈组作为辅助电源使用，为电动汽车BMS及整流控制模块供电或者作为无线充电系统金属异物检测的探测电源。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)该无线电能传输系统具有带多负载的能力，可灵活设计线圈和电路参数使得两组线圈分别满足不同工况的需求，使系统为多个设备同时传输电能。
(2)不额外增加逆变电路和控制电路，控制单元通过调制得到两种不同频率的驱动信号，使逆变器同时输出两路不同频率的电压，节省了成本，便于安装调试。
(3)采用一套新型磁耦合机构，该磁耦合机构各线圈由两组相互嵌套的线圈组合而成，相互之前又不会产生较大的干扰，可同时独立运行，节省了占用空间。
(4)线圈结构具有可扩展性。可以按照该发明的线圈布置方式扩展出多组线圈，同时为多个负载进行供电。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为双频率磁耦合谐振式无线电能传输系统的结构示意图。
图2为双频率磁耦合谐振式无线电能传输系统线圈结构示意图。
图3为逆变电路连接方式示意图。
图4(a)为双频率磁耦合谐振式无线电能传输系统的等效电路；
图4(b)为双频率磁耦合谐振式无线电能传输系统解耦等效电路。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术中所述的，目前国内外对于无线电能传输技术研究最多的就是磁耦合谐振式无线电能传输技术，磁耦合谐振式无线电能传输技术的优势如下所示：电能发射端和接收端电容、电感分别谐振；谐振频率与系统固有频率一致；发射线圈与接收线圈相互耦合；具有传输距离远、传输效率高等优点。因此，磁耦合谐振式无线电能传输技术通常被用于电动汽车无线充电等大功率场合。国内外学者目前对于磁耦合谐振式无线电能传输技术的研究也多集中于系统拓扑结构、线圈结构、磁芯优化、电磁屏蔽等相关技术，而对于无线电能传输带多负载运行的研究相对较少。事实上，市场上对于具有多负载能力的无线电能传输技术有着较高的需求，对电动汽车来说，目前在启动有线充电时，采用有线桩的12V电源线给BMS供电，而目前无线充电解决方案采用车载蓄电池给BMS及整流控制模块供电，一旦蓄电池馈电严重将导致无法充电。因此要求无线充电设备不仅要给车载电池充电，而且要保证汽车BMS系统及整流控制模块始终处于不断电状态以保证充电能顺利进行。而使用多输出的无线电能传输系统，通过引出一路输出作为辅助电源给BMS和整流控制模块进行供电，可以有效解决该问题。其次，无线充电系统的金属异物检测可谓是必备功能之一，而本发明的双频率磁耦合谐振式无线电能传输系统可以引出一路输出作为金属异物检测的探测电源，此种方式具有节能及安全性高的优点。
一种多频率磁耦合谐振式无线电能传输系统，整个系统包括控制模块、直流电源、逆变模块、发射线圈、接收线圈、整流模块。直流电源经过逆变单元，通过调制技术使得单相桥式逆变电路输出两种不同频率的交流电，经过两组磁耦合谐振式线圈将交流电传递到线圈的二次侧，并最终传递给负载。
本发明具体实施方案如下所述：
以双频率磁耦合谐振式无线电能传输系统为例进行说明。如图1所示，整个系统由控制模块、直流电源、单项桥逆变器、发射线圈、接收线圈、整流器等几个模块组成。按照图3所述逆变电路的连接方式，控制单元通过调制产生两路频率分别为f1和f2的驱动信号，经单相桥逆变器将产生两路频率分别为f1和f2的电压；发射线圈1所在回路和接收线圈1所在回路具有相同的谐振频率f1，同理发射线圈2和接收线圈2所在回路具有相同的谐振频率f2。两组线圈分别作为两个电源，在各自谐振频率点相互独立运行，分别给两个负载供电。
如图2所示，该双频率磁耦合谐振式无线电能传输系统采用一套新型线圈结构，该线圈结构采用两个发射线圈和两个接收线圈，其中发射线圈1和发射线圈2采用同心圆环的布置结构；接收线圈1和接收线圈2也采用同心圆环的布置结构。该线圈系统可为两组负载同时进行供电，其中发射线圈1和接收线圈1相互组合为一组线圈，作为主电源进行使用，为设备的电池包进行充电；发射线圈2和接收线圈2相互组合为另一组线圈，作为辅助电源使用，为电动汽车BMS及整流控制模块供电或者作为无线充电系统金属异物检测的探测电源。该线圈结构采用相互嵌套的结构，具有体积小，占地面积少，便于设计安装等优点。
线圈结构具有可扩展功能，图2所示为新型双线圈结构。按照此结构可扩展为多线圈结构，多线圈结构与双线圈结构相类似，都采用多个发射线圈相互平行嵌套放置，多个接收线圈平行嵌套放置的方式。所述发射线圈面积大于相对应的接收线圈面积。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种多频率磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征是：包括控制模块、直流电源、单项桥逆变器和传输线圈组，其中，控制单元通过调制产生至少两路不同频率的驱动信号，经单相桥逆变器将产生对应频率的多路电压，分别由不同的传输线圈组进行传输，负载侧接收到的电压作为不同的电源，在各自谐振频率点相互独立运行。
2.如权利要求1所述的一种多频率磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征是：所述传输线圈组包括对应的发射线圈和接收线圈，且同一组的发射线圈和接收线圈具有相同的谐振频率。
3.如权利要求1所述的一种多频率磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征是：不同的传输线圈组的发射线圈采用同心的嵌套布置结构。
4.如权利要求1所述的一种多频率磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征是：不同的传输线圈组的接收线圈采用同心的嵌套布置结构。
5.如权利要求1所述的一种多频率磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征是：至少有一套传输线圈组作为主电源。
6.如权利要求1所述的一种多频率磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征是：至少有一套传输线圈组作为辅助电源。
7.如权利要求1所述的一种多频率磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征是：所述发射线圈面积大于相对应的接收线圈面积。
8.如权利要求1所述的一种多频率磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征是：所述接收线圈通过整流器连接负载。
9.如权利要求1所述的一种多频率磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征是：所述传输线圈组的发射线圈和接收线圈均连接有补偿电容，通过调节发射线圈和接收线圈的电感以及对应的补偿电容，使得单相桥逆变电路输出的两路电路分别运行于不同的谐振频率。
10.一种电动汽车充电系统，其特征是：包括如权利要求1-9中任一项所述的多频率磁耦合谐振式无线电能传输系统，其中的一个传输线圈组作为主电源进行使用，为设备的电池包进行充电；另一个传输线圈组作为辅助电源使用，为电动汽车BMS及整流控制模块供电或者作为无线充电系统金属异物检测的探测电源。
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