CN109274164A - 一种无线充电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线充电系统及方法，包括无线发射装置和无线接收装置，该无线发射装置包括发射线圈、发射补偿网络、发射变换器，该无线接收装置包括接收线圈、接收补偿网络、接收变换器，所述发射线圈中的电流的相位与所述接收线圈中的电流之间的相位差不等于90度，所述相位差小于160度；通过调整所述无线接收装置的负载等效阻抗或是接收补偿网络，调整所述相位差本发明的无线充电系统及方法可降低无线发射装置与无线接收装置之间的电磁场强度，提高无线充电的安全性。

Description

一种无线充电系统及方法
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，特别是指一种无线充电系统及方法。
背景技术
电动汽车作为一种新能源汽车，已经受到普遍认可并得到了较为广泛的普及。目前，电动汽车的充电方式主要分为有线充电与无线充电两种，其中，无线充电方式具有无需配置笨重的插头和电缆，无需人为操作，没有漏电危险，使用方便等优势，因而将无线充电技术作为主要研发方向。
根据无线充电的技术原理，无线发射器的发射线圈与无线接收器的接收线圈之间以及周围会产生电磁场，电磁场过大会对人体产生危害，而且，金属物质会在过大的电磁场中严重发热，有可能带来火灾危害。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种无线充电系统及方法，能够减小电磁场强度，提高无线充电的安全性。
基于上述目的，本发明提供了一种无线充电系统，包括无线发射装置和无线接收装置，该无线发射装置包括发射线圈、发射补偿网络、发射变换器，该无线接收装置包括接收线圈、接收补偿网络、接收变换器，
所述发射线圈中的电流的相位与所述接收线圈中的电流之间的相位差不等于90度。
可选的，所述相位差小于160度。
可选的，所述相位差等于135度。
可选的，通过调整所述无线接收装置的负载等效阻抗，调整所述相位差
可选的，通过调整所述无线接收装置的接收补偿网络，调整所述相位差
可选的，所述接收线圈中电流的频率不等于所述接收线圈与接收补偿网络的谐振频率。
可选的，在所述接收线圈的电流的频率下，所述无线接收装置的负载等效阻抗呈感性。
可选的，所述发射线圈中电流的频率不等于所述发射线圈与发射补偿网络的谐振频率。
可选的，在所述发射线圈中电流的频率下，所述无线发射装置的负载等效阻抗呈感性。
可选的，通过调整所述发射变换器，调整电能传输功率的大小。
本发明实施例还提供一种无线充电方法，基于无线充电系统实现，所述无线充电系统包括无线发射装置和无线接收装置，该无线发射装置包括发射线圈、发射补偿网络、发射变换器，该无线接收装置包括接收线圈、接收补偿网络、接收变换器，
调整所述发射线圈中的电流的相位与所述接收线圈中的电流之间的相位差不等于90度。
可选的，调整所述相位差小于160度。
可选的，通过调整所述无线接收装置的负载等效阻抗，调整所述相位差
可选的，通过调整所述无线接收装置的接收补偿网络，调整所述相位差
从上面所述可以看出，本发明提供的无线充电系统及方法，系统包括无线发射装置和无线接收装置，无线发射装置包括发射线圈、发射补偿网络、发射变换器，无线接收装置包括接收线圈、接收补偿网络、接收变换器，发射线圈中的电流的相位与接收线圈中的电流之间的相位差不等于90度，调整相位差小于160度；通过调整无线接收装置的负载等效阻抗或是接收补偿网络，调整相位差本发明能够在保证电能传输功率的前提下，降低无线发射装置与无线接收装置之间的电磁场强度，提高无线充电的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的无线发射装置的简化电路结构示意图；
图2为本发明第一实施例的无线接收装置的简化电路结构示意图；
图3为图2所示电路结构的等效电路结构示意图；
图4为谐振频率时发射线圈中电流与接收线圈中电流的相位关系示意图；
图5为本发明实施例中发射线圈中电流与接收线圈中电流的相位关系示意图；
图6为本发明实施例的接收线圈中的电流随频率变化的曲线示意图；
图7为本发明第二实施例的无线接收装置的简化电路结构示意图；
图8为本发明第三实施例的无线接收装置的简化电路结构示意图；
图9为本发明第四实施例的接收线圈与接收补偿网络的简化电路结构示意图；
图10为本发明第五实施例的接收线圈与接收补偿网络的简化电路结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
本发明实施例提供的无线充电系统包括无线发射装置与无线接收装置。
图1为本发明实施例的无线发射装置的简化电路结构示意图。如图所示，本发明实施例提供的无线发射装置，包括发射线圈1、发射补偿网络2、发射变换器3，发射线圈1与发射补偿网络2串联，发射变换器3与发射线圈1、发射补偿网络2电气连接。本发明实施例中，发射变换器3配置为由四个开关管S1-S4组成的可控全桥逆变器，利用发射变换器3可调整电能传输功率的大小。
图2为本发明第一实施例的无线接收装置的电路结构示意图。如图所示，本发明实施例提供的无线接收装置，包括接收线圈4、接收补偿网络5、接收变换器6，接收线圈4与接收补偿网络5串联，接收变换器6与接收线圈4、接收补偿网络5电气连接。本发明实施例中，接收变换器6配置为由四个二极管D1-D4组成的不控全桥整流器。
图6为本发明实施例的接收线圈中的电流随频率变化的曲线示意图，图4为谐振频率时发射线圈中电流与接收线圈中电流的相位关系示意图。如图所示，此时，接收线圈与接收补偿网络的输出电流和输出电压同相位，即接收线圈与接收补偿网络达到谐振状态时，接收线圈与接收补偿网络的谐振频率为fS，等效阻抗为纯电阻，此时，发射线圈中的电流If的相位与接收线圈中的电流的相位差为90度，这种情况下，发射线圈中的电流If产生的电磁场与接收线圈中的电流IS产生的电磁场所合成的电磁场的强度幅值非常大。
图5为本发明实施例中发射线圈中电流与接收线圈中电流的相位关系示意图。结合图5、6所示，本发明实施例中，为降低无线发射装置与无线接收装置之间所产生的电磁场强度，调节接收线圈4中的电流IS，使得接收线圈4中的电流IS`的频率f0，使得频率f0不等于接收线圈4与接收补偿网络5的谐振频率fS，此时，发射线圈1中的电流If的相位与接收线圈4中的电流IS`的相位差不等于90度，即控制接收线圈4与接收补偿网络5处于非谐振状态，以降低电磁场强度。
在降低电磁场强度的同时，为保证电力传输效率，发射线圈1中的电流If的相位与接收线圈4中的电流IS`的相位之间的相位差小于160度。于本发明实施例中，调节发射线圈1中的电流If的相位与接收线圈4中的电流IS`的相位之间的相位差等于135度，此时，能够在保证相同传输功率的条件下，发射线圈1中的电流If产生的电磁场与接收线圈4中的电流IS`产生的电磁场所合成的电磁场的强度幅值会大大减小，提高无线充电的安全可靠性。
根据电路原理：
当接收线圈与接收补偿网络处于谐振状态下，有：
其中，fS为谐振频率，CS为谐振状态下的接收补偿网络的电容值，LS为谐振状态下接收线圈的电感值。
若接收补偿网络的电容值CS1大于谐振状态下的电容值CS，即：
则，发射线圈中的电流If的相位与接收线圈中的电流IS的相位之间的相位差大于90度，接收线圈中的电流的频率为f0，此时，接收线圈和接收补偿网络的负载等效阻抗呈感性。
图3为图2所示电路结构的等效电路结构示意图。如图所示，接收线圈4等效为第一电感线圈40(LS1)与第二电感线圈41(LS2)，接收补偿网络5等效为电容CS，根据无线接收装置的等效电路，接收线圈的电感LS为：
Ls＝Ls1+Ls2
其中，当接收线圈4中的电流频率为f0时，第二电感线圈LS2和电容Cs发生谐振，即：
此时，电路的负载等效阻抗呈感性，等效阻抗值为：
Z＝jωLs1+R
接收线圈4中的电流IS`为：
其中，M为互感系数，ω为正弦量的角频率。
根据上述电路原理，当第一电感线圈的电感值LS1＝0时，接收线圈的电感LS和接收补偿网络的电容CS发生谐振，发射线圈1中的电流If的相位和接收线圈4中的电流IS的相位之间的相位差应是90度。而，当第一电感线圈的电感值LS1>0时，电路的负载等效阻抗呈感性，发射线圈1中电流If的相位和接收线圈4中的电流IS`的相位之间的相位差大于90度，且相位差由第一电感线圈的电感值LS1与电阻R的比值决定，即：
由该式可见，通过调整无线接收装置的负载等效阻抗或者接收补偿网络，能够调整发射线圈1中电流If的相位和接收线圈4中的电流IS`的相位之间的相位差
本发明实施例中，发射线圈1中的电流的频率不等于发射线圈1和发射补偿网络2的谐振频率，发射线圈1中的电流的频率等于发射变换器3的工作开关频率。即，当无线发射装置的发射变换器3工作于工作开关频率下时，发射线圈1和发射补偿网络2处于非谐振状态。在发射线圈1中电流的频率下，无线发射装置的负载等效阻抗呈感性，此时有利于实现发射变换器的软开关，提高效率。
对于图2所示第一实施例的无线接收装置，其接收变换器6配置为不控全桥整流器，将电路结构初始配置为发射线圈1中电流If的相位和接收线圈4中的电流IS`的相位之间的相位差大于90度，后续无法调整负载等效阻抗的大小。
图7为本发明第二实施例的无线接收装置的电路结构示意图。如图所示，本发明第二实施例中，无线接收装置包括接收线圈4A、接收补偿网络5A、接收变换器6A，接收线圈4A与接收补偿网络5A串联，接收变换器6A与接收线圈4A、接收补偿网络5A电气连接。其中，接收变换器6A是由两个二极管D1、D2和两个开关管S1、S2组成的整流桥，通过控制开关管S1、S2的通断，可以调整负载等效阻抗的大小，从而可以调整发射线圈1中的电流If的相位与接收线圈4中的电流IS`的相位之间的相位差
图8为本发明第三实施例的无线接收装置的电路结构示意图。如图所示，本发明第三实施例中，无线接收装置包括接收线圈4B、接收补偿网络5B、接收变换器6B，接收线圈4B与接收补偿网络5B串联，接收变换器6B与接收线圈4B、接收补偿网络5B电气连接。其中，接收变换器6B的电路结构为由四个二极管D1、D2、D3、D4组成的不控全桥整流器与开关管S并联，然后与二极管D5串联，通过控制开关管S的通断，可以调整负载等效阻抗的大小，从而可以调整发射线圈1中的电流If的相位与接收线圈4中的电流IS`的相位之间的相位差
图9为本发明第四实施例的接收线圈与接收补偿网络的电路结构示意图。如图所示，在本发明第四实施例中，接收线圈4C和接收补偿网络5C并联，接收变换器与接收线圈4C和接收补偿网络5C电气连接。
图10为本发明第五实施例的接收线圈与接收补偿网络的电路结构示意图。如图所示，在本发明第五实施例中，接收补偿网络5D包括电容CS、电感Lb，接收线圈4D和电容CS并联，再与电感Lb串联，构成LCL电路，接收变换器与接收线圈4D、接收补偿网络5D电气连接。
本发明实施例还提供一种基于所述无线充电系统实现的无线充电方法，包括：调整发射线圈中的电流的相位与接收线圈中的电流之间的相位差不等于90度。
本发明实施例中，调整发射线圈中的电流的相位与接收线圈中的电流的相位之间的相位差小于160度。
本发明实施例中，通过调整无线接收装置的负载等效阻抗或是接收补偿网络，调整所述相位差
上述实施例的装置用于实现前述实施例中相应的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种无线充电系统，包括无线发射装置和无线接收装置，该无线发射装置包括发射线圈、发射补偿网络、发射变换器，该无线接收装置包括接收线圈、接收补偿网络、接收变换器，其特征在于，
所述发射线圈中的电流的相位与所述接收线圈中的电流之间的相位差不等于90度。
2.根据权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，所述相位差小于160度。
3.根据权利要求2所述的无线充电系统，其特征在于，所述相位差等于135度。
4.根据权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，通过调整所述无线接收装置的负载等效阻抗，调整所述相位差
5.根据权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，通过调整所述无线接收装置的接收补偿网络，调整所述相位差
6.根据权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，所述接收线圈中电流的频率不等于所述接收线圈与接收补偿网络的谐振频率。
7.根据权利要求6所述的无线充电系统，其特征在于，在所述接收线圈的电流的频率下，所述无线接收装置的负载等效阻抗呈感性。
8.根据权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，所述发射线圈中电流的频率不等于所述发射线圈与发射补偿网络的谐振频率。
9.根据权利要求8所述的无线充电系统，其特征在于，在所述发射线圈中电流的频率下，所述无线发射装置的负载等效阻抗呈感性。
10.根据权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，通过调整所述发射变换器，调整电能传输功率的大小。
11.一种无线充电方法，基于无线充电系统实现，所述无线充电系统包括无线发射装置和无线接收装置，该无线发射装置包括发射线圈、发射补偿网络、发射变换器，该无线接收装置包括接收线圈、接收补偿网络、接收变换器，其特征在于，
调整所述发射线圈中的电流的相位与所述接收线圈中的电流之间的相位差不等于90度。
12.根据权利要求11所述的无线充电方法，其特征在于，调整所述相位差小于160度。
13.根据权利要求11所述的无线充电方法，其特征在于，通过调整所述无线接收装置的负载等效阻抗，调整所述相位差
14.根据权利要求11所述的无线充电方法，其特征在于，通过调整所述无线接收装置的接收补偿网络，调整所述相位差
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