CN109995151A - 一种实现无线充电系统中两线圈解耦的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现无线充电系统中两线圈解耦的方法，该无线充电系统中至少包含第一功率线圈和第二功率线圈；所述第一功率线圈包含第一功率子线圈和解耦线圈；所述解耦线圈与所述第一功率子线圈串联且解耦线圈包围或部分包围第二功率线圈。采用本发明的方法可以有效的降低线圈耦合系数对于线圈相对位置的敏感度，对于同样尺寸的两个线圈，采用传统的双极解耦，耦合系数较大，线圈之间相对位置发生仅1mm变化时，就会使两线圈产生强烈的干扰，而采用本发明的解耦方法，则可大大降低相对位置变化对线圈耦合的影响。

Description

一种实现无线充电系统中两线圈解耦的方法

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，涉及一种实现无线充电系统中两线圈解耦的方法。

背景技术

无线充电技术因其安全、便捷、能实现自动化等特性，被广泛的应用到手机、家电、医疗设备以及电动汽车等产品当中。为了进一步提高可充电面积，需要多个线圈配合使用，如模块化无线充电系统、电动汽车动态无线充电系统。但相邻线圈之间的耦合会造成不必要的能量传递，降低能量传输效率，并为系统的设计造成困扰，因此需要实现相邻线圈之间的解耦。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种能够实现无线充电系统中两线圈解耦的方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种实现无线充电系统中两线圈解耦的方法，该无线充电系统中至少包含第一功率线圈和第二功率线圈；所述第一功率线圈包含第一功率子线圈和解耦线圈；所述解耦线圈与所述第一功率子线圈串联且解耦线圈包围或部分包围第二功率线圈。

上述技术方案中，进一步的，所述的第一功率子线圈与所述第二功率线圈均为平面螺旋绕制，两者相邻放置。

进一步的，所述的解耦线圈包围在所述第一功率子线圈的外圈，其绕制方向需保证其中电流方向与所述第一功率子线圈中电流方向相同。

进一步的，该无线充电系统还包括：

一或多个额外的功率线圈；

其中所述额外的功率线圈由一个功率子线圈和一个解耦线圈串联组成，且所述的解耦线圈包围或部分包围其他一个或多个功率线圈。

本发明的有益效果是：

采用本发明的方法可以有效的降低线圈耦合系数对于线圈相对位置的敏感度，对于同样尺寸的两个线圈，采用传统的双极解耦，耦合系数较大，线圈之间相对位置发生仅1mm变化时，就会使两线圈产生强烈的干扰，而采用本发明的解耦方法，则可大大降低相对位置变化对线圈耦合的影响。

附图说明

图1是双极性解耦线圈(Bipolar Pad,也就是BPP)示意图；

图2是双极解耦线圈耦合系统k随线圈之间间隙(OP)变化曲线；

图3是图2中k为0附近的局部放大；

图4是本发明的解耦方法示意图；

图5是图4结构的耦合系统k随线圈之间间隙(OP)变化曲线；

图6是本发明中一种可用于无线电能传输系统中的功能框图。

图7为根据一个实施例的示范性多线圈系统的平面图。

图8为图7中的第一功率线圈与第二功率线圈之间的耦合系数随第一功率子线圈的匝数与解耦线圈的匝数的比值变化的曲线图。

图9为图7中的第一功率线圈与第二功率线圈之间的耦合系数随解耦线圈包围第二功率线圈的面积变化的曲线图。

图10为图7的调整解耦线圈包围第二功率线圈面积实现第一功率线圈与第二功率线圈解耦的整体线圈结构平面图。

图11为以四个线圈为例的多线圈系统的平面图。

图12为以三个线圈为例的多线圈系统的平面图。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明技术方案做进一步说明。

对于传统的双极解耦线圈(BPP)，见图1，两线圈尺寸皆为：300mm×300mm，其耦合系统k随线圈之间间隙(OP)变化的曲线如图2所示。OP代表线圈1右边与线圈2左边之间的距离。当两线圈重叠时，OP为负数。图3为图2在k为0附近的局部放大。k在0附近随OP变化的斜率为0.004/mm，也就是说线圈间距离变化1mm，会使k变化0.004。假如线圈之间的相对位置变化了线圈尺寸的1％，也就是3mm，k的变化达到0.012，会使两线圈产生强烈的干扰，影响线圈的谐振情况。

本发明通过设置解耦线圈，进行配置可以有效的降低耦合系数对于两线圈相对位置的敏感度。

所提出的结构如图4，采用该结构时，k随线圈之间位置的变化曲线如图5所示。可以看出其在0附近的斜率为0.0008/mm，仅为BPP结构的1/5。

图6为根据本发明的一种可用于无线电能传输系统中的功能框图。发射器109可包括高频电源101，补偿网络102和发射线圈103。高频电源101可经配置产生所需频率(如85kHz、6.78MHz等)的高频方波，高频方波加在补偿网络102和发射线圈103上，从而产生传输能量所需的电磁场。补偿网络102包含电容、电感等无源元件，可以在所需频率处抵消或部分抵消发射器109中的无功分量。

接收器110可包含接收线圈105，补偿网络106和整流器107。接收线圈105与发射线圈103间隔一定距离的气隙104，接收线圈105耦合到发射线圈103产生的电磁场，经补偿网络106后将高频交流电输入到整流器107。补偿网络106可以在所需频率处抵消或部分抵消接收器110中的无功分量。整流器107将高频交流电转化为直流电对负载108进行供电或充电。

发射线圈103和接收线圈105可经配置以包含空芯或实芯，例如软磁铁氧体磁芯。含有软磁铁氧体磁芯的线圈可更好的将发射线圈产生的电磁场耦合到接收线圈。

在某些实施例中，无线电能传输系统可包含多个接收器110。在一个实施例中，发射线圈103的大小固定。因此，发射器109可不良好地匹配于不同大小的接收线圈105。出于多种原因，可需要使发射器109使用多个发射线圈103，在一些实施例中，多个发射线圈103可按阵列布置。在一些实施例中，所述阵列可为模块化。在一些实施例中，所述阵列可包含具有相同大小的发射线圈103。

在一些实施例中，个别发射线圈103可彼此耦合。例如，经耦合的发射线圈103可引起一个高频电源101中的电能传输到相邻的高频电源101中。因此，经耦合的发射线圈103可造成高频电源101不稳定或损坏。需要使无线电能传输系统中的发射线圈103之间解耦。

图7为根据一个实施例的示范性多线圈系统的平面图。如图所示，包含第一功率线圈200，第一功率子线圈201，第二功率线圈202，和解耦线圈203。虽然所说明的多线圈系统仅包含两个功率线圈200和202，但一般所属领域的技术人员应了解，可包含额外功率线圈。

在所说明的实施例中，第一功率子线圈201与解耦线圈203均为从里向外逆时针绕制，两者串联，第一功率子线圈201与解耦线圈203中电流的方向一致。

在所说明的实施例中，第一功率子线圈201和第二功率线圈202为矩形。在一些实施例中，根据应用场合的不同，第一功率子线圈201和第二功率线圈202可具有几厘米到几十厘米的宽度w，例如，约30cm。第一功率子线圈201和第二功率线圈202可具有几厘米到数百厘米的长度l_o，例如，30cm。第一功率子线圈201和第二功率线圈202可具有几厘米到数百厘米的内径l_i，例如，10cm。解耦线圈203最右侧边缘与第二功率线圈202最右侧边缘在x方向上可具有几厘米到几十厘米的距离d，例如1cm。调整距离d可作为众多调整解耦线圈203包围第二功率线圈202面积的方法中的一种。第一功率子线圈201和第二功率线圈202可在x方向上具有约0.5mm到5mm的分离度s，例如2mm。在一些实施例中，第一功率子线圈201、第二功率线圈202和解耦线圈203可为其他形状，例如圆形、六边形等。

在所说明的实施例中，在第一功率子线圈的宽度w、长度l_o、内径l_i不变的条件下，可以调整第一功率子线圈200的匝数N_{1_i}与解耦线圈203的匝数N_{1_o}的比值N_{1_i}/N_{1_o}来实现第一功率线圈200与第二功率线圈202的解耦。

在所说明的实施例中，可以调整解耦线圈203包围第二功率线圈202的面积来实现第一功率线圈200与第二功率线圈202的解耦。

图8为根据一个实施例的展示图2的第一功率线圈200与第二功率线圈202之间的耦合系数随第一功率子线圈201的匝数N_{1_i}与解耦线圈203的匝数N_{1_o}的比值N_{1_i}/N_{1_o}变化的曲线图。x轴为第一功率子线圈201的匝数N_{1_i}与解耦线圈203的匝数N_{1_o}的比值N_{1_i}/N_{1_o}。y轴为第一功率线圈200与第二功率线圈202的耦合系数k。

如图8所示，随着第一功率子线圈201的匝数N_{1_i}与解耦线圈203的匝数N_{1_}o的比值N_{1_i}/N_{1_o}逐渐增大，第一功率线圈200与第二功率线圈202之间的耦合系数k逐渐减小到0，后又负向增大，当N_{1_i}/N_{1_o}＝15时，第一功率线圈200与第二功率线圈202之间的耦合系数k几乎为0，实现了第一功率线圈200与第二功率线圈202的解耦。

图9为根据一个实施例的展示图7的第一功率线圈200与第二功率线圈202之间的耦合系数随解耦线圈203包围第二功率线圈202的面积变化的曲线图。x轴为图7中所示的解耦线圈203最右侧边缘与第二功率线圈202最右侧边缘在x方向上的距离d，d的值负向增大表示解耦线圈203包围第二功率线圈202的面积减小。第一功率子线圈201的匝数N_{1_i}与解耦线圈203的匝数N_{1_o}的比值N_{1_i}/N_{1_o}为10。

如图9所示，随着解耦线圈203最右侧边缘与第二功率线圈202最右侧边缘在x方向上的距离d逐渐负向增大，即解耦线圈203包围第二功率线圈202的面积逐渐减小，第一功率线圈200与第二功率线圈202的耦合系数k先增大后逐渐减小到0，后又负向增大，当d＝-10.5cm时第一功率线圈200与第二功率线圈202之间的耦合系数k几乎为0，实现了第一功率线圈200与第二功率线圈202的解耦。

图10为根据实施例展示图7的调整解耦线圈203包围第二功率线圈202面积实现第一功率线圈200与第二功率线圈202解耦的整体线圈结构平面图。

图11为以四个线圈为例的多线圈系统的平面图。可以通过调整第一功率子线圈605与第一解耦线圈608的匝数比N_{1_i}/N_{1_o}或通过调整第一解耦线圈608包围第二功率子线圈606的面积来实现第一功率线圈601与第二功率线圈602的解耦；可以通过调整第二功率子线圈606与第二解耦线圈609的匝数比N_{2_i}/N_{2_o}或通过调整第二解耦线圈609包围第三功率子线圈607的面积来实现第二功率线圈606与第三功率线圈607的解耦；可以通过调整第三功率子线圈607与第三解耦线圈610的匝数比N_{3_i}/N_{3_o}或通过调整第三解耦线圈610包围第四功率线圈604的面积来实现第三功率线圈603与第四功率线圈604的解耦。

图12为以三个线圈为例的多线圈系统的平面图。如图所示，包括第一功率线圈701，第二功率线圈702，第三功率线圈703。第一功率线圈701由第一功率子线圈704、第一解耦线圈706和第二解耦线圈707串联组成。第二功率线圈702由第二功率子线圈705和第三解耦线圈708串联组成。

可以通过调整第一功率子线圈704与第一解耦线圈706的匝数比N_{1_i}/N_{1_}o1或通过调整第一解耦线圈706包围第二功率子线圈705的面积来实现第一功率线圈701与第二功率线圈702的解耦；可以通过调整第一功率子线圈704与第二解耦线圈707的匝数比N_{1_i}/N_{1_o2}或通过调整第二解耦线圈707包围第三功率线圈703的面积来实现第一功率线圈701与第三功率线圈703的解耦；可以通过调整第二功率子线圈705与第三解耦线圈708的匝数比N_{2_i}/N_{2_o}或通过调整第三解耦线圈708包围第三功率线圈703的面积来实现第二功率线圈702与第三功率线圈703的解耦。

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 (4)

1.一种实现无线充电系统中两线圈解耦的方法，其特征在于，该无线充电系统中至少包含第一功率线圈和第二功率线圈；所述第一功率线圈包含第一功率子线圈和解耦线圈；所述解耦线圈与所述第一功率子线圈串联且解耦线圈包围或部分包围第二功率线圈。

2.根据权利要求1所述的实现无线充电系统中两线圈解耦的方法，其特征在于，所述的第一功率子线圈与所述第二功率线圈均为平面螺旋绕制，两者相邻放置。

3.根据权利要求1所述的实现无线充电系统中两线圈解耦的方法，其特征在于，所述的解耦线圈包围在所述第一功率子线圈的外圈，其绕制方向需保证其中电流方向与所述第一功率子线圈中电流方向相同。

4.根据权利要求1所述的实现无线充电系统中两线圈解耦的方法，其特征在于，该无线充电系统还包括：

一或多个额外的功率线圈；

其中所述额外的功率线圈由一个功率子线圈和一个解耦线圈串联组成，且所述的解耦线圈包围或部分包围其他一个或多个功率线圈。