CN109980756B - 一种实现无线电能传输系统中多发射线圈全解耦的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现无线电能传输系统中多发射线圈全解耦的装置，该装置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，每个功率发射器中设有一个发射线圈，该装置可以是包括六个发射线圈、六个补偿电容、七个解耦元件；发射线圈按双排阵列且任意相邻两个发射线圈中心等距布置；也可以是包括七个圆形的发射线圈、七个补偿电容、六个解耦元件；发射线圈按六个环绕一个设置，且任意相邻两个发射线圈的中心等距布置；通过配置可以消除全部发射线圈之间的互感，同时配置补偿电容以满足谐振。本发明通过利用解耦元件的配置可以实现多发射线圈的全解耦，对提高系统传输效率和降低系统控制难度具有重要意义。

Description

一种实现无线电能传输系统中多发射线圈全解耦的装置

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多发射线圈全解耦的装置。

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。然而，在多发射线圈的无线电能传输系统中，当多个发射线圈呈双排或者圆环形布置时，多个发射线圈之间存在较大互感，从而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多发射线圈全解耦的装置，能有效地通过配置解耦元件来消除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无线电能传输系统中多发射线圈全解耦的装置。

本发明提供一种实现无线电能传输系统中多发射线圈全解耦的装置，所述装置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。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。所述装置如下：

1)包括六个发射线圈、六个补偿电容、七个解耦元件；发射线圈按方式一布置，通过配置方法一配置七个解耦元件消除全部发射线圈之间的互感，同时配置六个补偿电容以满足谐振；

所述的方式一是将六个发射线圈双排阵列且任意相邻两个发射线圈中心等距放置；所述的发射线圈进一步包括任意形状的发射线圈，比如圆形线圈或方形线圈等等。

所述的配置方法一包括如下步骤：

①在每个功率发射器中将驱动电源的正端与发射线圈的同名端相接，发射线圈的另一端与补偿电容的一端相接，定义功率发射器的负端为驱动电源的负端，功率发射器的正端为补偿电容的另一端；

②第一功率发射器的正端、第五功率发射器的正端与第一解耦元件的一端相连，第一解耦元件的另一端与第三功率发射器和第二解耦元件的一端相连，第二解耦元件的另一端与第三解耦元件的一端和第四解耦元件的一端相连，第三解耦元件的另一端与第六解耦元件的一端、第四功率发射器的负端和第七解耦元件的一端相连，第六解耦元件的另一端与第五功率发射器的负端和第二功率发射器的负端相连，第七解耦元件的另一端与第一功率发射器的负端和第六功率发射器的负端相连，第四解耦元件的另一端与第四功率发射器的正端和第五解耦元件的一端相连，第五解耦元件的另一端与第二功率发射器的正端和第六功率发射器的正端相连；

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。

2)包括七个发射线圈、七个补偿电容、六个解耦元件；发射线圈按方式二布置，通过配置方法二配置六个解耦元件消除全部发射线圈之间的互感，同时配置七个补偿电容以满足谐振；

所述的方式二是将七个发射线圈中六个环绕一个设置，且任意相邻两个发射线圈的中心等距；所述的发射线圈为圆形线圈。

所述的配置方法二包括如下步骤：

①在每个功率发射器中将驱动电源的正端与发射线圈的同名端相接，发射线圈的另一端与补偿电容的一端相接，定义功率发射器的负端为驱动电源的负端，功率发射器的正端为补偿电容的另一端；

②第一功率发射器的正端、第四功率发射器的正端与第六解耦元件的一端相连，第二功率发射器的正端、第五功率发射器的正端与第四解耦元件的一端相连，第三功率发射器的正端、第六功率发射器的正端与第五解耦元件的一端相连，第四解耦元件的另一端、第五解耦元件的另一端、第六解耦元件的另一端与第一解耦元件的一端和第七功率发射器的正端相连，第一解耦元件的另一端、第二解耦元件的一端、第三解耦元件的一端与第七功率发射器的负端相连，第一功率发射器的负端、第三功率发射器的负端、第五功率发射器的负端与第二解耦元件的另一端相连，第二功率发射器的负端、第四功率发射器的负端、第六功率发射器的负端与第三解耦元件的另一端相连；

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。

本发明的有益效果是：

现有方法仅仅可解决相邻发射线圈之间的互感，而针对多发射线圈的情况，由于存在许多非相邻发射线圈，其相互之间的耦合往往也不能忽略，但采用现有方法尚无法实现全解耦；相对于现有方法，本发明通过利用解耦元件的配置可以实现多发射线圈的全解耦，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为根据本发明方式一的一个实施例中六个发射线圈系统的平面示意图。

图3为六个发射线圈按方式一布置时的解耦电路图。

图4为根据图3采用本发明装置时的仿真波形图。

图5为根据本发明方式二的一个实施例中七个单匝发射线圈系统的平面示意图。

图6为七个圆形发射线圈按方式二布置时的解耦电路图。

图7为根据图6采用本发明装置时的仿真波形图。

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，六个发射线圈可双排阵列等距放置(如图2方式)，此时发射线圈之间存在较强耦合，实际应用中不可简单忽略。在某实施例中，七个圆形发射线圈可按六个环绕一个等距放置(如图5方式)，此时发射线圈之间同样存在较强耦合，实际应用中也不可简单忽略。

图2为根据本发明方式一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。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，所有功率发射线圈之间存在较大互感。此外，六个功率发射器中的发射线圈双排阵列布置且任意相邻两发射线圈的中心等距。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＝M₄₅＝M₅₆＝M₁₄＝M₃₆；

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为六个发射线圈按方式一布置时的解耦电路图。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、第四功率发射器304、第五功率发射器305、第六功率发射器306以及第一解耦元件307、第二解耦元件308、第三解耦元件309、第四解耦元件310、第五解耦元件311、第六解耦元件312、第七解耦元件313。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以消除包含该元件的发射线圈之间的互感，补偿电容经配置可满足谐振。所述的配置方法包括：

1)在每个功率发射器中将驱动电源的正端与发射线圈的同名端相接，发射线圈的另一端与补偿电容的一端相接，定义功率发射器的负端为驱动电源的负端，功率发射器的正端为补偿电容的另一端；

2)第一功率发射器301的正端、第五功率发射器305的正端与第一解耦元件307的一端相连，第一解耦元件307的另一端与第三功率发射器303和第二解耦元件308的一端相连，第二解耦元件308的另一端与第四解耦元件310的一端和第三解耦元件309的一端相连，第三解耦元件309的另一端与第六解耦元件312的一端、第四功率发射器304的负端和第七解耦元件313的一端相连，第六解耦元件312的另一端与第五功率发射器305的负端和第二功率发射器302的负端相连，第七解耦元件313的另一端与第一功率发射器301的负端和第六功率发射器306的负端相连，第四解耦元件310的另一端与第四功率发射器304的正端和第五解耦元件311的一端相连，第五解耦元件311的另一端与第二功率发射器302的正端和第六功率发射器306的正端相连；

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，这是本领域技术人员根据电路理论均可实现的。

图4为根据图3采用本发明装置时的仿真波形图。在一个实施例中，六个发射线圈双排阵列布置且任意相邻两发射线圈的中心等距，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，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，即六个发射线圈之间全解耦。

图5为根据本发明方式二的一个实施例中七个单匝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501、第二功率发射线圈502、第三功率发射线圈503、第四功率发射线圈504、第五功率发射线圈505、第六功率发射线圈506和第七功率发射线圈507。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，所有功率发射器之间存在较大互感。此外，七个功率发射器中的发射线圈按照六个环绕一个布置，且任意相邻两个发射线圈均等距，功率发射线圈的形状均为圆形发射线圈，每个功率发射器中的发射线圈所有参数均相同。因此发射线圈之间的互感存在如下关系：

M₁₇＝M₂₇＝M₃₇＝M₄₇＝M₅₇＝M₆₇＝M₁₂＝M₂₃＝M₃₄＝M₄₅＝M₅₆＝M₁₆；

M₁₃＝M₁₅＝M₃₅＝M₂₄＝M₄₆＝M₂₆；M₁₄＝M₂₅＝M₃₆；

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6为七个圆形发射线圈按方式二布置时的解耦电路图。如图所示，包含第一功率发射器601、第二功率发射器602、第三功率发射器603、第四功率发射器604、第五功率发射器605、第六功率发射器606、第七功率发射器607以及第一解耦元件608、第二解耦元件609、第三解耦元件610、第四解耦元件611、第五解耦元件612、第六解耦元件613。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以消除包含该元件的发射线圈之间的互感，补偿电容经配置以满足谐振。所述的配置方法包括：

1)在每个功率发射器中将驱动电源的正端与发射线圈的同名端相接，发射线圈的另一端与补偿电容的一端相接，定义功率发射器的负端为驱动电源的负端，功率发射器的正端为补偿电容的另一端；

2)第一功率发射器601的正端、第四功率发射器604的正端与第六解耦元件613的一端相连，第二功率发射器602的正端、第五功率发射器605的正端与第四解耦元件611的一端相连，第三功率发射器603的正端、第六功率发射器606的正端与第五解耦元件612的一端相连，第四解耦元件611的另一端、第五解耦元件612的另一端、第六解耦元件613的另一端与第一解耦元件608的一端和第七功率发射器607的正端相连，第一解耦元件608的另一端、第二解耦元件609的一端、第三解耦元件610的一端与第七功率发射器607的负端相连，第一功率发射器601的负端、第三功率发射器603的负端、第五功率发射器605的负端与第二解耦元件609的另一端相连，第二功率发射器602的负端、第四功率发射器604的负端、第六功率发射器606的负端与第三解耦元件610的另一端相连；

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，这是本领域技术人员根据电路理论均可实现的。

图7为根据图6采用本发明装置时的仿真波形图。七个发射线圈按照六个环绕一个布置，且任意相邻两个发射线圈均等距，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，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、第六功率发射器和第七功率发射器。

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；第七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，即七个发射线圈之间全解耦。

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 (2)

1.一种实现无线电能传输系统中多发射线圈全解耦的装置，其特征在于，所述装置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，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的补偿形式；所述的每个功率发射器中驱动电源频率相同；所述装置包括装置一或装置二：

装置一包括六个发射线圈、六个补偿电容、七个解耦元件；发射线圈按方式一布置，通过配置方法一配置七个解耦元件消除全部发射线圈之间的互感，同时配置六个补偿电容以满足谐振；

装置二包括七个发射线圈、七个补偿电容、六个解耦元件；发射线圈按方式二布置，通过配置方法二配置六个解耦元件消除全部发射线圈之间的互感，同时配置七个补偿电容以满足谐振；所述的发射线圈为圆形线圈；

所述的装置一中，所述的方式一是将六个发射线圈设置为双排阵列且任意相邻两个发射线圈中心等距放置；

所述的配置方法一包括如下步骤：

①在每个功率发射器中将驱动电源的正端与发射线圈的同名端相接，发射线圈的另一端与补偿电容的一端相接，定义功率发射器的负端为驱动电源的负端，功率发射器的正端为补偿电容的另一端；

②第一功率发射器的正端、第五功率发射器的正端与第一解耦元件的一端相连，第一解耦元件的另一端与第三功率发射器和第二解耦元件的一端相连，第二解耦元件的另一端与第三解耦元件的一端和第四解耦元件的一端相连，第三解耦元件的另一端与第六解耦元件的一端、第四功率发射器的负端和第七解耦元件的一端相连，第六解耦元件的另一端与第五功率发射器的负端和第二功率发射器的负端相连，第七解耦元件的另一端与第一功率发射器的负端和第六功率发射器的负端相连，第四解耦元件的另一端与第四功率发射器的正端和第五解耦元件的一端相连，第五解耦元件的另一端与第二功率发射器的正端和第六功率发射器的正端相连；

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；

所述的装置二中，所述的方式二是将七个发射线圈中六个环绕一个设置，且任意相邻两个发射线圈的中心等距；

所述的配置方法二包括如下步骤：

①在每个功率发射器中将驱动电源的正端与发射线圈的同名端相接，发射线圈的另一端与补偿电容的一端相接，定义功率发射器的负端为驱动电源的负端，功率发射器的正端为补偿电容的另一端；

②第一功率发射器的正端、第四功率发射器的正端与第六解耦元件的一端相连，第二功率发射器的正端、第五功率发射器的正端与第四解耦元件的一端相连，第三功率发射器的正端、第六功率发射器的正端与第五解耦元件的一端相连，第四解耦元件的另一端、第五解耦元件的另一端、第六解耦元件的另一端与第一解耦元件的一端和第七功率发射器的正端相连，第一解耦元件的另一端、第二解耦元件的一端、第三解耦元件的一端与第七功率发射器的负端相连，第一功率发射器的负端、第三功率发射器的负端、第五功率发射器的负端与第二解耦元件的另一端相连，第二功率发射器的负端、第四功率发射器的负端、第六功率发射器的负端与第三解耦元件的另一端相连；

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。

2.根据权利要求1所述的实现无线电能传输系统中多发射线圈全解耦的装置，其特征在于，所述的装置一中，发射线圈为任意形状的发射线圈。

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