CN109873505A - 一种实现无线电能传输系统中单排放置多发射线圈解耦的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现无线电能传输系统中单排放置多发射线圈解耦的方法，该方法的系统中包括N个发射线圈，其中N≥3；且所有发射线圈是呈单排放置，该方法通过在耦合的功率发射器之间设置共同支路电抗元件，经配置消除包含所述共同支路电抗元件的两个发射线圈之间的互感。采用本发明的方法不仅仅可以消除相邻两个发射线圈的互感，还可以消除相隔了一个发射线圈的两个发射线圈之间的互感。本发明方法对提高系统传输效率、降低系统控制难度具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术，尤其涉及一种实现无线电能传输系统中单排放置多发射线圈解耦的方法。
背景技术
无线电能传输技术因其安全便捷的特性而被广泛应用于各种用电设备，比如移动终端、医疗设备以及电动汽车等等。为了提高无线电能传输系统的传输距离，可以采用多发射线圈的无线电能传输系统进行电能传输。然而，由于多个发射线圈之间存在耦合，不仅会降低系统效率，而且还会增加系统的控制难度。
目前，《用于解耦多个无线充电发射器的系统和方法》(专利号：CN104584446A)提供了一种解耦多发射线圈的方法。在实际应用中，比如多个发射线圈单排放置用于电动汽车的动态无线充电，受到发射线圈磁芯的影响，发射线圈不仅仅与相邻的发射线圈存在耦合，还与相隔的发射线圈之间存在较大耦合，如图5所示。图5为带磁芯的四个发射线圈单排等距放置时耦合系数的仿真图。如图所示，第一功率发射线圈501与第二功率发射线圈502之间的耦合系数为0.056，第一功率发射线圈501与第三功率发射线圈503之间的耦合系数为0.011，第一功率发射线圈501与第四功率发射线圈504之间的耦合系数为0.004，第二功率发射线圈502与第三功率发射线圈503之间的耦合系数为0.051，第二功率发射线圈502与第四功率发射线圈504之间的耦合系数为0.011，第三功率发射线圈503与第四功率发射线圈504之间的耦合系数为0.056。从图中可以看出，当相隔一个功率发射线圈时，发射线圈之间仍然存在较大耦合，实际应用时不能简单忽略；而相隔两个功率发射线圈时，发射线圈之间的耦合则较弱，可以忽略不计。
现有方法仅通过共同电抗消除或部分消除相邻发射线圈之间的耦合，却无法解决相隔一个发射线圈时两个发射线圈之间耦合的问题。如前所述，相隔一个发射线圈时两个发射线圈之间的耦合会降低系统效率，同时也会使得系统的控制难度增加。因此，本文所述的方法不仅仅可以消除相邻发射线圈之间的互感，尤其是可消除相隔一个发射线圈时两个发射线圈之间的互感。
发明内容
本发明的目的是提供无线电能传输系统中单排放置多发射线圈解耦的方法。
本发明提供一种无线电能传输系统中单排放置多个发射线圈解耦的方法。所述方法一方面由多个功率发射器将电能无线传输至一个或者多个接收器。所述每个功率发射器中设有一个发射线圈，系统中所有发射线圈呈单排放置，该系统中包括N个发射线圈，其中N≥3。所述的每个功率发射器还包含有驱动电源和补偿网络，所述补偿网络包含补偿电容串联等其他补偿形式。所述的每个功率发射器进一步要求其驱动电源频率相同。所述方法另一方面包含在耦合的功率发射器之间设置共同支路电抗元件。所述共同支路电抗元件为无源器件或者有源器件，所述的无源器件为电容器或电感器。所述共同支路电抗元件经配置可消除包含所述共同支路电抗元件的两个发射线圈之间的互感。所述配置方法包括：
1)当三个发射线圈单排放置，且补偿网络为补偿电容串联的形式时，所有共同支路电抗元件共三个，即第一、二、三元件，各功率发射器中，发射线圈的同名端与驱动电源的正方向端相连，发射线圈的另一端与补偿电容的一端相连，定义驱动电源的负端为功率发射器的负端，且补偿电容的另一端为功率发射器的正端，其中：第一功率发射器的正端与第二功率发射器的正端和第一元件的一端相连，第一功率发射器的负端与第三功率发射器的负端和第二元件的一端相连，第二功率发射器的负端与第三功率发射器的正端和第三元件的一端相连，第一元件的另一端与第二元件的另一端和第三元件的另一端相连；
2)当两个功率发射线圈之间的互感为正时，
①当从互感为正的两个功率发射器中的发射线圈分别流过共同支路电抗元件的电流方向相同时，所述共同支路电抗元件为电容器；
②当从互感为正的两个功率发射器中的发射线圈分别流过共同支路电抗元件的电流方向相反时，所述共同支路电抗元件为电感器；
当两个功率发射线圈之间的互感为负时，
①当从互感为负的两个功率发射器中的发射线圈分别流过共同支路电抗元件的电流方向相同时，所述共同支路电抗元件为电感器；
②当从互感为负的两个功率发射器中的发射线圈分别流过共同支路电抗元件的电流方向相反时，所述共同支路电抗元件为电容器；
3)根据基尔霍夫电压电流定律和欧姆定律列写电路方程，配置共同支路电抗元件的电抗值使得存在互感的发射线圈之间的互感消除，同时配置补偿电容的电容值以满足谐振。
4)当在系统中增加一个功率发射器，则同时需增加两个共同支路电抗元件：元件a和元件b；设增加的为第n个功率发射器，且设第n-1个功率发射器、第n-2个功率发射器以及第n-1、n-2两个功率发射器的共同支路电抗元件三者共接端为A点，则元件a的一端与A点相连，另一端与第n-2个功率发射器的接A点端以及第n个功率发射器的一端相连，元件b的一端与A点相连，另一端与第n-1个功率发射器的接A点端以及第n个功率发射器的另一端相连。
本发明的有益效果是：
本发明的方法通过在耦合的功率发射器之间设置共同支路电抗元件，通过配置可消除包含所述共同支路电抗元件的两个发射线圈之间的互感。尤其是，此处的两个发射线圈互感不仅仅指相邻的两个发射线圈互感的情况，也包括相隔了一个发射线圈的两个发射线圈互感的情况，这是现有方法均无法解决的，本发明方法对提高系统传输效率、降低系统控制难度具有重要意义。
本说明书所描述的主题的实施方案的细节在随附图式和以下描述中予以阐述。其特征、方面和优点将从所述描述、所述图式和权利要求书变得显而易见。应注意，以下诸图的相对尺寸可未按比例绘制。
附图说明
图1为根据本发明的所有示范性实施例的无线电能传输系统的功能结构框图。
图2中a为根据一个实施例的示范性三个发射线圈系统的平面示意图；b为根据一个实施例的示范性四个发射线圈系统的平面示意图。
图3为三个发射线圈单排放置采用本发明方法时的解耦电路图。
图4为四个发射线圈单排放置采用本发明方法时的解耦电路图。
图5为带磁芯的四个发射线圈单排等距放置时耦合系数的仿真图。
图6为根据图4采用本发明方法时的仿真波形图。
图7为根据一个实施例的四个发射线圈且无共同支路电抗的仿真波形图。
图8为针对五个发射线圈系统采用本发明方法时的解耦电路图。
具体实施方式
下文结合附加图式而阐述的详细描述希望作为对本发明的示范性实施例的描述，且不希望表示可实践本发明的仅有实施例。贯穿此描述而使用的术语“示范性”意谓“充当实例、例子或说明”，且未必应被认作相对于其它示范性实施例优选或有利。详细描述包含特定细节以便提供对本发明的示范性实施例的透彻理解。在一些例子中，一些装置是以框图形式而展示。
图1为根据本发明的所有示范性实施例的无线电能传输系统的功能结构框图。功率发射器109包含驱动电源101、补偿网络102和发射线圈103。驱动电源101输出高频交流电，加在补偿网络102和发射线圈103上，从而使得功率发射器109产生高频交变磁场。补偿网络102可包含电容器和/或电感器，常用补偿电容与发射线圈串联补偿的形式，可以抵消功率发射器109中的无功功率。功率接收器110包含接收线圈104、补偿网络105和整流器106。接收线圈104因功率发射器109产生的高频交变磁场而产生高频交流电，经过补偿网络105之后将高频交流电输入整流器106。补偿网络105可包含电容器和/或电感器，常用补偿电容与发射线圈串联补偿的形式，可以抵消功率接收器110中的无功功率。整流器106将高频交流电整流为直流电，并将电能提供给负载107，从而实现电能的无线传输。
发射线圈103和接收线圈104可配置为包含空芯或实芯，例如铁氧体磁芯。含有铁氧体磁芯的线圈可更好地将能量从功率发射器109传输至功率接收器110。
为了提高无线电能传输的传输距离，并实现用电设备的动态充电，在某些实施例中，无线电能传输系统可包含多个功率发射器。在一些实施例中，多个发射线圈可单个并排等距放置。在一些实施例中，多个发射线圈可单个并排非等距放置。在一些实施例中，当多个发射线圈单个并排放置时，发射线圈之间存在耦合，尤其是不仅相邻的发射线圈存在耦合，相隔一个发射线圈之间也存在较强耦合，此情况下不利于无线电能传输系统的控制，并且会一定程度降低系统效率。
图2中a为根据一个实施例的示范性三个发射线圈系统的平面示意图。如图所示，包含第一功率发射线圈201、第二功率发射线圈202和第三功率发射线圈203。在某一些常见实施例中，功率发射器中的发射线圈包含磁芯。在这种情况下，三个功率发射器中的发射线圈若以等距单排的方式布置，从而使得第一功率发射线圈201与第三功率发射线圈203之间存在较大互感。此外，三个功率发射器中的发射线圈可以等距或者非等距单排布置。在一些实施例中，三个功率发射器中的发射线圈所有参数均相同，有利于功率发射器的模块化。在一些实施例中，发射线圈可改变为其他形状，如圆形、椭圆形等。
图2中b为根据一个实施例的示范性四个发射线圈系统的平面示意图。如图所示，包含第一功率发射线圈201、第二功率发射线圈202、第三功率发射线圈203和第四功率发射线圈204。显然，当增加一个发射线圈时，其物理排布则从图2a变为图2b。在某一些常见实施例中，功率发射器中的发射线圈包含磁芯。在这种情况下，四个功率发射器中的发射线圈若以等距单排的方式布置，则使得第一功率发射线圈201与第四功率发射线圈204之间的互感可以忽略不计。此外，四个功率发射器中的发射线圈可以等距或者非等距单排布置。在一些实施例中，四个功率发射器中的发射线圈所有参数均相同，有利于功率发射器的模块化。在一些实施例中，发射线圈可改变为其他形状，如圆形、椭圆形等。
图3为三个发射线圈单排放置采用本发明方法时的解耦电路图。如图所示，包含第一功率发射器301、第二功率发射器302、第三功率发射器303以及第一功率发射器301和第二功率发射器302的共同支路电抗元件304、第一功率发射器301和第三功率发射器303的共同支路电抗元件305、第二功率发射器302和第三功率发射器303的共同支路电抗元件306。所述的每个功率发射器包含有驱动电源、补偿网络和一个发射线圈，此实施例中补偿网络以补偿电容串联方式补偿。所述的每个功率发射器进一步要求其驱动电源频率相同。所述共同支路电抗元件为无源器件或者有源器件，所述的无源器件为电容器或电感器。所述共同支路电抗元件经配置可消除包含所述共同支路电抗元件的两个发射线圈之间的互感。所述配置方法包括：
1)当三个发射线圈单排放置，且补偿网络为补偿电容串联的形式时，所有共同支路电抗元件共三个，即第一、二、三元件，各功率发射器中，发射线圈的同名端与驱动电源的正方向端相连，发射线圈的另一端与补偿电容的一端相连，定义驱动电源的负端为功率发射器的负端，且补偿电容的另一端为功率发射器的正端，其中：第一功率发射器301的正端与第二功率发射器302的正端和第一元件304的一端相连，第一功率发射器301的负端与第三功率发射器303的负端和第二元件305的一端相连，第二功率发射器302的负端与第三功率发射器303的正端和第三元件306的一端相连，第一元件304的另一端与第二元件305的另一端和第三元件306的另一端相连；
2)当两个功率发射线圈之间的互感为正时，
①当从互感为正的两个功率发射器中的发射线圈分别流过共同支路电抗元件的电流方向相同时，所述共同支路电抗元件为电容器；
②当从互感为正的两个功率发射器中的发射线圈分别流过共同支路电抗元件的电流方向相反时，所述共同支路电抗元件为电感器；
当两个功率发射线圈之间的互感为负时，
①当从互感为负的两个功率发射器中的发射线圈分别流过共同支路电抗元件的电流方向相同时，所述共同支路电抗元件为电感器；
②当从互感为负的两个功率发射器中的发射线圈分别流过共同支路电抗元件的电流方向相反时，所述共同支路电抗元件为电容器；
3)根据基尔霍夫电压电流定律和欧姆定律列写电路方程，配置共同支路电抗元件的电抗值使得存在互感的发射线圈之间的互感消除，同时配置补偿电容的电容值以满足谐振。
图4为四个发射线圈单排放置采用本发明方法时的解耦电路图。在某个实施例中，如图所示，包含第一功率发射器401、第二功率发射器402、第三功率发射器403、第四功率发射器404以及第一功率发射器401和第二功率发射器402的共同支路电抗元件C12、第一功率发射器401和第三功率发射器403的共同支路电抗元件C13、第二功率发射器402和第三功率发射器403的共同支路电抗元件L23、第二功率发射器402和第四功率发射器404的共同支路电抗元件C24、第三功率发射器403和第四功率发射器404的共同支路电抗元件C34。
根据基尔霍夫电压电流定律和欧姆定律列写电路方程如下：
其中，L1是第一功率发射器401的发射线圈的等效电感，L2是第二功率发射器402的发射线圈的等效电感，L3是第三功率发射器403的发射线圈的等效电感，L4是第一功率发射器404的发射线圈的等效电感；C1是第一功率发射器401的发射线圈的补偿电容，C2是第二功率发射器402的发射线圈的补偿电容，C3是第三功率发射器403的发射线圈的补偿电容，C4是第一功率发射器404的发射线圈的补偿电容；ω是功率发射器中驱动电源的频率；C12、C13、L23、C24、C34分别为共同支路电抗元件；M12、M13、M23、M24、M34分别为下标对应两个功率发射器中发射线圈的互感；I1、I2、I3、I4分别为流过下标对应的功率发射器的电流；U1、U2、U3、U4分别为下标对应的功率发射器中驱动电源的电压。配置共同支路电抗元件的电抗值使得存在互感的发射线圈之间的互感消除，同时配置补偿电容的电容值以满足谐振，从而可以得到电抗值如下：
L23＝M23；
图5为带磁芯的四个发射线圈单排等距放置时耦合系数的仿真图。如图所示，第一功率发射线圈501与第二功率发射线圈502之间的耦合系数为0.056，第一功率发射线圈501与第三功率发射线圈503之间的耦合系数为0.011，第一功率发射线圈501与第四功率发射线圈504之间的耦合系数为0.004，第二功率发射线圈502与第三功率发射线圈503之间的耦合系数为0.051，第二功率发射线圈502与第四功率发射线圈504之间的耦合系数为0.011，第三功率发射线圈503与第四功率发射线圈504之间的耦合系数为0.056。从图中可以看出，当相隔一个功率发射线圈时，两个发射线圈之间仍然存在较大耦合，实际应用时不能简单忽略；而隔两个功率发射线圈时，两个发射线圈之间的耦合则较弱，可以忽略不计。
图6为根据图4采用本发明方法时的仿真波形图。在一个实施例中，发射线圈单排等距放置，设置每个功率发射器驱动电源电压最大值均为50V，频率均为100kHz，且相位相同；每个功率发射器的等效内阻均为0.5Ω；共同支路电抗元件的电抗值和补偿电容的电容值按上述方法配置，其余电路参数根据实测配置。如图所示，第一功率发射器401中的驱动电源电压602与流过功率发射器的电流601同相，且比值与设置的功率发射器等效内阻一致。同理，第二功率发射器402中的驱动电源电压604与流过功率发射器的电流603同相；第三功率发射器403中的驱动电源电压606与流过功率发射器的电流605同相；第四功率发射器404中的驱动电源电压608与流过功率发射器的电流607同相。显然，每个功率发射器的电流独立，互不干扰。从图中看出，第一功率发射器401与相邻的第二功率发射器402完全解耦，尤其是第一功率发射器401与相隔一个发射线圈的第三功率发射器403也实现了完全解耦。
图7为根据一个实施例的四个发射线圈且无共同支路电抗的仿真波形图。在一个实施例中，发射线圈单排等距放置，设置每个功率发射器驱动电源电压最大值均为50V，频率均为100kHz，且相位相同；每个功率发射器的等效内阻均为0.5Ω；发射线圈的等效电感值与发射线圈之间的互感按照图6的相同参数配置，补偿电容按照下述公式配置：
其中，L为每个发射线圈的等效电感值，ω是功率发射器中驱动电源的频率；
如图所示，第一功率发射器401中的驱动电源电压702与流过功率发射器的电流701相位不同，且电流701特别小。同样的，第二功率发射器402中的驱动电源电压704与流过功率发射器的电流703相位不同；第三功率发射器403中的驱动电源电压706与流过功率发射器的电流705相位不同；第四功率发射器404中的驱动电源电压708与流过功率发射器的电流707相位不同。显然，此时由于发射线圈之间的耦合的影响，功率无法经由发射线圈传输至接收线圈。对比图6，可以证明多个发射线圈之间相互解耦有利于电能无线传输。
图8为针对五个发射线圈系统采用本发明方法时的解耦电路图。如图所示，包含第一功率发射器801、第二功率发射器802、第三功率发射器803、第四功率发射器804、第五功率发射器805以及第一功率发射器801和第二功率发射器802的共同支路电抗元件806、第一功率发射器801和第三功率发射器803的共同支路电抗元件807、第二功率发射器802和第三功率发射器803的共同支路电抗元件808、第二功率发射器802和第四功率发射器804的共同支路电抗元件809、第三功率发射器803和第四功率发射器804的共同支路电抗元件810、第三功率发射器803和第五功率发射器805的共同支路电抗元件811、第四功率发射器804和第五功率发射器805的共同支路电抗元件812。所述的每个功率发射器包含有驱动电源、补偿网络和一个发射线圈，此实施例中补偿网络以补偿电容串联方式补偿。所述的每个功率发射器进一步要求其驱动电源频率相同。所述共同支路电抗元件为无源器件或者有源器件，所述的无源器件为电容器或电感器。所述共同支路电抗元件经配置可消除包含所述共同支路电抗元件的两个发射线圈之间的互感。
对比图4，当在系统中增加一个功率发射器，则同时需增加两个共同支路电抗元件：元件811和元件812；设增加的为第五个功率发射器，且设第四个功率发射器、第三个功率发射器以及第四、三两个功率发射器的共同支路电抗元件三者共接端为A点，则元件811的一端与A点相连，另一端与第三个功率发射器的接A点端以及第五个功率发射器的一端相连，元件812的一端与A点相连，另一端与第四个功率发射器的接A点端以及第五个功率发射器的另一端相连。
本发明的方法可扩展推广至无限多个单排放置的发射线圈的情况。
在不脱离本发明的精神或范围的情况下，上述实施例的各种修改将易于显而易见，且本文所界定的一般原理可应用于其它实施例。因此，本发明不希望限于本文所展示的实施例，而应符合与本文所揭示的原理和新颖特征一致的最广范围。
Claims (6)
1.一种无线电能传输系统中单排放置多发射线圈解耦的方法，其特征在于，所述的无线电能传输系统是由多个功率发射器将电能无线传输至一个或者多个接收器；所述每个功率发射器中设有一个发射线圈，系统中所有发射线圈呈单排放置，该系统中包括N个发射线圈，其中N≥3；在耦合的功率发射器之间设置共同支路电抗元件，所述共同支路电抗元件经配置可消除包含所述共同支路电抗元件的两个发射线圈之间的互感。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的每个功率发射器还包含有驱动电源和补偿网络。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的每个功率发射器中的驱动电源频率相同。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述共同支路电抗元件为无源器件或者有源器件，所述的无源器件为电容器或电感器。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述配置方法包括：
1)当三个发射线圈单排放置，且补偿网络为补偿电容串联的形式时，所有共同支路电抗元件共三个，即第一、二、三元件，各功率发射器中，发射线圈的同名端与驱动电源的正方向端相连，发射线圈的另一端与补偿电容的一端相连，定义驱动电源的负端为功率发射器的负端，且补偿电容的另一端为功率发射器的正端，其中：第一功率发射器(301)的正端与第二功率发射器(302)的正端和第一元件(304)的一端相连，第一功率发射器(301)的负端与第三功率发射器(303)的负端和第二元件(305)的一端相连，第二功率发射器(302)的负端与第三功率发射器(303)的正端和第三元件(306)的一端相连，第一元件(304)的另一端与第二元件(305)的另一端和第三元件(306)的另一端相连；
2)当两个功率发射线圈之间的互感为正时，
①当从互感为正的两个功率发射器中的发射线圈分别流过共同支路电抗元件的电流方向相同时，所述共同支路电抗元件为电容器；
②当从互感为正的两个功率发射器中的发射线圈分别流过共同支路电抗元件的电流方向相反时，所述共同支路电抗元件为电感器；
当两个功率发射线圈之间的互感为负时，
①当从互感为负的两个功率发射器中的发射线圈分别流过共同支路电抗元件的电流方向相同时，所述共同支路电抗元件为电感器；
②当从互感为负的两个功率发射器中的发射线圈分别流过共同支路电抗元件的电流方向相反时，所述共同支路电抗元件为电容器；
3)根据基尔霍夫电压电流定律和欧姆定律列写电路方程，配置共同支路电抗元件的电抗值使得存在互感的发射线圈之间的互感消除，同时配置补偿电容的电容值以满足谐振。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当在系统中增加一个功率发射器，则同时需增加两个共同支路电抗元件：元件a和元件b；设增加的为第n个功率发射器，且设第n-1个功率发射器、第n-2个功率发射器以及第n-1、n-2两个功率发射器的共同支路电抗元件三者共接端为A点，则元件a的一端与A点相连，另一端与第n-2个功率发射器的接A点端以及第n个功率发射器的一端相连，元件b的一端与A点相连，另一端与第n-1个功率发射器的接A点端以及第n个功率发射器的另一端相连。
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2019
- 2019-03-25 CN CN201910227140.5A patent/CN109873505B/zh active Active
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