CN109904934B

CN109904934B - 一种实现无线电能传输系统中双排等距放置多发射线圈解耦的方法

Info

Publication number: CN109904934B
Application number: CN201910227135.4A
Authority: CN
Inventors: 钟文兴; 方赞峰; 徐德鸿; 李曼丽
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2020-08-07
Anticipated expiration: 2039-03-25
Also published as: CN109904934A

Abstract

本发明公开了一种实现无线电能传输系统中双排等距放置多发射线圈解耦的方法，该方法适用的系统中包括N个发射线圈，其中N≥4且N为偶数；所有发射线圈双排等距依次排布，其一个发射线圈单元内相互之间的耦合往往不能忽略，本发明方法通过利用解耦元件的配置可以实现各发射线圈单元内的全解耦，且该方法可以进行扩展推广至无限多个双排等距排布放置的发射线圈的情况，适用性强，对提高系统传输效率和降低系统控制难度具有重要意义。

Description

一种实现无线电能传输系统中双排等距放置多发射线圈解耦的方法

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双排等距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。因为多发射线圈的无线电能传输系统不仅能够提高无线电能充电系统的传输距离，还能提升无线电能传输系统的偏位能力，所以近年来该系统成为无线电能传输方向的研究热点。目前针对多发射线圈解耦的研究尚鲜有报道，在多发射线圈的无线电能传输系统中，尤其是当多个发射线圈双排等距放置时，如图2所示，图3为带磁芯的六个发射线圈双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301与第二功率发射线圈302之间的耦合系数为0.0562，第一功率发射线圈301与第三功率发射线圈303之间的耦合系数为0.0087，第一功率发射线圈301与第四功率发射线圈304之间的耦合系数为0.0584，第一功率发射线圈301与第五功率发射线圈305之间的耦合系数为0.0193，第一功率发射线圈301与第六功率发射线圈306之间的耦合系数为0.0066，第二功率发射线圈302与第三功率发射线圈303之间的耦合系数为0.056，第二功率发射线圈302与第四功率发射线圈304之间的耦合系数为0.0193，第二功率发射线圈302与第五功率发射线圈305之间的耦合系数为0.0536，第二功率发射线圈302与第六功率发射线圈306之间的耦合系数为0.0192，第三功率发射线圈303与第四功率发射线圈304之间的耦合系数为0.0066，第三功率发射线圈303与第五功率发射线圈305之间的耦合系数为0.0192，第三功率发射线圈303与第六功率发射线圈306之间的耦合系数为0.058，第四功率发射线圈304与第五功率发射线圈305之间的耦合系数为0.0562，第四功率发射线圈304与第六功率发射线圈306之间的耦合系数为0.0087，第五功率发射线圈305与第六功率发射线圈306之间的耦合系数为0.056。从图中可以看出，以双排任意四个发射线圈为一个发射线圈单元(如图2中所示)，在该单元内同排或同列发射线圈之间以及对角的发射线圈之间均存在较大互感，实际应用中不能被简单忽略。而相隔一列发射线圈的两列发射线圈之间的互感则较小，可以忽略不计。

由于发射线圈之间存在的互感导致功率发射器中电流受到影响，不仅仅会降低系统的效率，同时使得系统的控制存在较大难度。因此，本文提供一种无线电能传输系统中双排等距放置多发射线圈解耦的方法，能有效地通过配置解耦元件来消除两个或多个发射线圈之间的互感。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现无线电能传输系统中双排等距放置多发射线圈解耦的方法。

本发明提供一种实现无线电能传输系统中双排等距放置多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双排等距放置，该系统中包括N个发射线圈，其中N≥4且N为偶数。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每个发射线圈单元中设置解耦元件。所述解耦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。所述解耦元件经配置可消除包含所述解耦元件的发射线圈单元中的互感，补偿电容经配置以满足谐振。所述配置方法包括如下步骤：

1)当四个发射线圈双排等距放置构成一个发射线圈单元，且补偿网络为补偿电容串联的形式时，所有解耦元件共三个，即第一、第二、第三元件；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、第二功率发射器的正端、第三功率发射器的正端、第四功率发射器的正端和第一元件的一端相连，第一元件的另一端与第二元件的一端和第三元件的一端相连，第二元件的另一端与第二功率发射器的负端和第四功率发射器的负端相连，第三元件的另一端与第一功率发射器的负端和第三功率发射器的负端相连；

2)根据基尔霍夫电压电流定律和欧姆定律列写电路方程，配置任一解耦元件为电容或电感从而确定其余所有解耦元件的种类，配置所有解耦元件的元件值使得所有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；

3)当在系统中同时增加两个功率发射器，且这两个功率发射器中的发射线圈按照同列排布作为一个扩展单元，并入系统中，即系统中所有发射线圈依然按照双排等距布置，则同时需额外增加四个解耦元件：元件a、元件b、元件c和元件d；设增加的为第n个功率发射器和第n+1个功率发射器，且设第n-1个功率发射器、第n-2个功率发射器共接端为A点，将第n-1个功率发射器的与A点共接端连接第n+1个功率发射器的一端及元件b的一端，将第n-2个功率发射器的与A点共接端连接第n个功率发射器的一端和元件c的一端，元件b的另一端和元件c的另一端与元件d的一端相连，元件a的一端与A点端相连，元件a的另一端、元件d的另一端和第n个功率发射器的另一端、第n+1个功率发射器的另一端相连。

本发明的有益效果是：

本发明针对多发射线圈的情况，尤其是针对双排等距布置的多发射线圈，其一个发射线圈单元内相互之间的耦合往往不能忽略的问题，通过利用解耦元件的配置可以实现各发射线圈单元内的全解耦，对提高系统传输效率和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为本发明的一个实施例中六个发射线圈系统的平面示意图。

图3为带磁芯的六个发射线圈双排等距放置时耦合系数的仿真图。

图4为四个发射线圈双排等距放置(即一个发射线圈单元)时的解耦电路图。

图5为六个发射线圈双排等距放置时的解耦电路图。

图6为根据图5采用本发明方法的仿真波形图。

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以及提升无线电能传输系统的偏位能力，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。在某实施例中，当多个发射线圈双排等距放置时，以双排任意四个发射线圈为一个发射线圈单元(如图2中所示)，在该单元内同排或同列发射线圈之间以及对角的发射线圈之间均存在较大互感，在实际应用中不可以简单忽略。

图2为本发明的一个实施例中六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、第四功率发射线圈204、第五功率发射线圈205和第六功率发射线圈206。其中，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可以组成发射线圈单元207；第三功率发射线圈203、第四功率发射线圈204、第五功率发射线圈205和第六功率发射线圈206可以组成发射线圈单元208。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，各发射线圈单元中发射线圈之间均存在较大互感。此外，六个功率发射器中的发射线圈按双排阵列等距的方式布置。在一些实施例中，每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，功率发射器中的发射线圈可改变为其他形状，如圆形、椭圆形等。因此发射线圈之间的互感存在如下关系：

M₁₂＝M₂₃＝M₃₄＝M₁₄＝M₄₅＝M₅₆＝M₃₆；M₁₃＝M₂₄＝M₃₅＝M₄₆；

式中，M_ij表示第i个功率发射线圈与第j个功率发射线圈之间的互感。

图3为带磁芯的六个发射线圈双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301与第二功率发射线圈302之间的耦合系数为0.0562，第一功率发射线圈301与第三功率发射线圈303之间的耦合系数为0.0087，第一功率发射线圈301与第四功率发射线圈304之间的耦合系数为0.0584，第一功率发射线圈301与第五功率发射线圈305之间的耦合系数为0.0193，第一功率发射线圈301与第六功率发射线圈306之间的耦合系数为0.0066，第二功率发射线圈302与第三功率发射线圈303之间的耦合系数为0.056，第二功率发射线圈302与第四功率发射线圈304之间的耦合系数为0.0193，第二功率发射线圈302与第五功率发射线圈305之间的耦合系数为0.0536，第二功率发射线圈302与第六功率发射线圈306之间的耦合系数为0.0192，第三功率发射线圈303与第四功率发射线圈304之间的耦合系数为0.0066，第三功率发射线圈303与第五功率发射线圈305之间的耦合系数为0.0192，第三功率发射线圈303与第六功率发射线圈306之间的耦合系数为0.058，第四功率发射线圈304与第五功率发射线圈305之间的耦合系数为0.0562，第四功率发射线圈304与第六功率发射线圈306之间的耦合系数为0.0087，第五功率发射线圈305与第六功率发射线圈306之间的耦合系数为0.056。以双排任意四个发射线圈为一个发射线圈单元(如图2中所示)，在该单元内同排或同列发射线圈之间以及对角的发射线圈之间均存在较大互感，实际应用中不能被简单忽略。而相隔一列发射线圈的两列发射线圈之间的互感则较小，可以忽略不计。

图4为四个发射线圈双排等距放置(即一个发射线圈单元)时的解耦电路图。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以及解耦元件405、解耦元件406、解耦元件407。所述每个功率发射器中设有一个发射线圈，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。所述解耦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。所述解耦元件经配置可消除包含所述解耦元件的发射线圈单元中的互感，补偿电容经配置以满足谐振。所述配置方法包括如下步骤：

1)当四个发射线圈双排等距放置构成一个发射线圈单元，且补偿网络为补偿电容串联的形式时，所有解耦元件共三个，即第一、第二、第三元件；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401的正端、第二功率发射器402的正端、第三功率发射器403的正端、第四功率发射器404的正端和第一元件407的一端相连，第一元件407的另一端与第二元件405的一端和第三元件406的一端相连，第二元件405的另一端与第二功率发射器402的负端和第四功率发射器404的负端相连，第三元件406的另一端与第一功率发射器401的负端和第三功率发射器403的负端相连；

图5为六个发射线圈双排等距放置时的解耦电路图。在某个实施例中，如图所示，包含第一功率发射器501、第二功率发射器502、第三功率发射器503、第四功率发射器504、第五功率发射器505、第六功率发射器506以及解耦元件L₂₄、解耦元件L₁₃、解耦元件C₁₂₃₄、解耦元件L₃₄、解耦元件C₃₄₅₆、解耦元件L₃₅、解耦元件L₄₆。

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501的发射线圈的等效电感，L₂是第二功率发射器502的发射线圈的等效电感，L₃是第三功率发射器503的发射线圈的等效电感，L₄是第一功率发射器504的发射线圈的等效电感，L₅是第五功率发射器505的发射线圈的等效电感，L₆是第六功率发射器506的发射线圈的等效电感；C₁是第一功率发射器501的发射线圈的补偿电容，C₂是第二功率发射器502的发射线圈的补偿电容，C₃是第三功率发射器503的发射线圈的补偿电容，C₄是第一功率发射器504的发射线圈的补偿电容，C₅是第五功率发射器505的发射线圈的补偿电容，C₆是第六功率发射器506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；L₂₄、L₁₃、C₁₂₃₄、L₃₄、C₃₄₅₆、L₃₅、L₄₆分别为解耦元件；M₁₂、M₁₃、M₁₄、M₂₃、M₂₄、M₃₄、M₃₅、M₃₆、M₄₅、M₄₆、M₅₆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、I₅、I₆分别为流过下标对应的功率发射器的电流；U₁、U₂、U₃、U₄、U₅、U₆分别为下标对应的功率发射器中驱动电源的电压。配置所有解耦元件的元件值使得所有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，从而可以得到解耦元件对应的元件值如下：

L₁₃＝M₁₂-M₁₃；L₂₄＝M₁₂-M₂₄；L₃₄＝M₃₆；L₃₅＝M₃₆-M₃₅；L₄₆＝M₃₆-M₄₆；

在该具体实施例中，当从如图4所示的四个发射线圈解耦电路图扩展为如图5所示的六个发射线圈解耦电路图，即在系统中增加第五功率发射器505和第六功率发射器506，且这两个功率发射器中的发射线圈按照同列排布作为一个扩展单元，并入系统中，此时系统中所有发射线圈依然按照双排等距布置，则同时需增加四个解耦元件：元件L₃₄、元件C₃₄₅₆、元件L₃₅和元件L₄₆(增加的部分如图5的框507所示)；设第三个功率发射器、第四个功率发射器共接端为A点，将第三个功率发射器的与A点共接端连接第五个功率发射器的一端及元件L₃₅的一端，将第四个功率发射器的与A点共接端连接第六个功率发射器的一端和元件L₄₆的一端，元件L₃₅的另一端和元件L₄₆的另一端与元件C₃₄₅₆的一端相连，元件L₃₄的一端与A点端相连，元件L₃₄的另一端、元件C₃₄₅₆的另一端和第五个功率发射器的另一端、第六个功率发射器的另一端相连。

图6为根据图5采用本发明方法的仿真波形图。六个发射线圈双排等距放置，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；解耦元件的元件值按上述方法配置，其余电路参数根据实测配置。如图所示，图中电流波形和电压波形从上至下分别对应第一功率发射器、第二功率发射器、第三功率发射器、第四功率发射器、第五功率发射器和第六功率发射器。

从波形图可以看出，第一功率发射器中的驱动电源电压与流过功率发射器的电流同相，且比值与设置的功率发射器等效内阻一致。同理，第二功率发射器中的驱动电源电压与流过功率发射器的电流同相；第三功率发射器中的驱动电源电压与流过功率发射器的电流同相；第四功率发射器中的驱动电源电压与流过功率发射器的电流同相；第五功率发射器中的驱动电源电压与流过功率发射器的电流同相；第六功率发射器中的驱动电源电压与流过功率发射器的电流同相。显然，每个功率发射器的电流独立，互不干扰。从而证明本文所述解耦方法可以通过配置解耦元件消除包含所述解耦元件的发射线圈单元中的互感。

本发明的方法可扩展推广至无限多个双排等距排布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

1. 一种实现无线电能传输系统中双排等距放置多发射线圈解耦的方法，其特征在于，该系统中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，每个所述功率发射器中设有一个发射线圈，系统中所有发射线圈呈双排等距放置，该系统中包括N个发射线圈，其中N ≥ 4且N为偶数；每个所述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的补偿形式；每个所述功率发射器中驱动电源频率相同；该方法是在每个发射线圈单元中设置解耦元件，所述解耦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；所述解耦元件经配置可消除包含所述解耦元件的发射线圈单元中的互感，补偿电容经配置以满足谐振；所述的配置方法包括如下步骤：

1）当四个发射线圈双排等距放置构成一个发射线圈单元，且补偿网络为补偿电容串联的形式时，所有解耦元件共三个，即第一、第二、第三元件；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、第二功率发射器的正端、第三功率发射器的正端、第四功率发射器的正端和第一元件的一端相连，第一元件的另一端与第二元件的一端和第三元件的一端相连，第二元件的另一端与第二功率发射器的负端和第四功率发射器的负端相连，第三元件的另一端与第一功率发射器的负端和第三功率发射器的负端相连；

2）根据基尔霍夫电压电流定律和欧姆定律列写电路方程，配置任一解耦元件为电容或电感从而确定其余所有解耦元件的种类，配置所有解耦元件的元件值使得所有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；

3）当在系统中同时增加两个功率发射器，且这两个功率发射器中的发射线圈按照同列排布作为一个扩展单元并入系统中，即系统中所有发射线圈依然按照双排等距布置，则同时需额外增加四个解耦元件：元件a、元件b、元件c和元件d；设增加的为第n个功率发射器和第n+1个功率发射器，且设第n-1个功率发射器、第n-2个功率发射器共接端为A点，将第n-1个功率发射器的与A点共接端连接第n+1个功率发射器的一端及元件b的一端，将第n-2个功率发射器的与A点共接端连接第n个功率发射器的一端和元件c的一端，元件b的另一端和元件c的另一端与元件d的一端相连，元件a的一端与A点端相连，元件a的另一端、元件d的另一端和第n个功率发射器的另一端、第n+1个功率发射器的另一端相连。