CN110299767A - 一种具有三维抗偏移的恒压输出无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有三维抗偏移的恒压输出无线电能传输系统，其发射线圈电路包括第一原边发射线圈电路和第二原边发射线圈电路，接收线圈电路包括第一副边接收线圈电路和第二副边接收线圈电路，第一副边接收线圈电路和第二副边接收线圈电路分别对应接收第一原边发射线圈电路和第二原边发射线圈电路所发射能量，第一副边接收线圈电路输出端和第二副边接收线圈电路输出端共同作为副边能量接收部分中接收线圈电路的输出端，第一原边发射线圈与第二原边发射线圈、第一副边接收线圈与第二副边接收线圈都采用田‑Q型线圈组合。本发明控制成本较低，能够实现3个维度的大范围移动，系统始终成纯阻性，不存在原边空载所引起的安全隐患且系统效率较高。

Description

一种具有三维抗偏移的恒压输出无线电能传输系统

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种具有三维抗偏移的恒压输出无线电能传输系统。

背景技术

感应式无线电能传输(Inductive Power Transfer)技术，简称IPT技术，是一种通过利用高频磁场实现电能非接触式传输的新型技术。该技术有着较为广阔的应用前景，可被应用于电动自行车充电、电动汽车充电、医疗电子设备、消费电子产品、水下照明系统等多个领域。

现有无线电能传输系统的主要工作过程是在原边能量发射部分，通过整流将市电转换为直流电，再通过高频逆变将直流电转换为高频交流电，高频交流电通过原边发射线圈电路产生高频磁场，在副边能量接收部分，副边接收线圈在高频磁场中感应出电动势通过高频整流后为用电设备提供电能。由于传统的无线电能传输系统中原边发射线圈与副边接收线圈分别采用的是一个线圈，当它们之间出现未对准的情况时，原边发射线圈与副边接收线圈之间的互感M会有较大波动，造成在恒定输入电压下系统输出的电能不再恒定。为了使输出的电能保持恒定，在现有技术下较为典型的方法有三种：一、在系统增加闭环控制，如在逆变的过程中加入控制器以此调整输入电压或者控制逆变器的导通角实现移相控制逆变后的高频交流电，或者在高频整流输出端加入直-直变换器，但这种方法增加了系统复杂程度及所对应的控制成本费用；二、采用混合拓扑电路的形式，利用不同拓扑电路之间的互相弥补实现偏移过程中的输出恒定，但这种方式仅能在两个维度下实现较大范围移动，而在另一个方向上移动范围较小；三、采用配置系统中补偿元件参数的方式，通过合理的配置补偿元件参数保持系统的输出恒定，但这种方法会使得高频逆变器的输出端无法成纯阻态，从而增加高频逆变器的开关损耗，大大降低系统的效率。

发明内容

本发明的目的在于：解决目前无线电能传输系统在实现抗偏移恒压输出时存在控制成本高、不能在3个维度都实现大范围移动、输出端无法成纯阻态增加了开关损耗使系统效率降低的问题，提出了一种具有三维抗偏移的恒压输出无线电能传输系统。

本发明采用的技术方案如下：

一种具有三维抗偏移的恒压输出无线电能传输系统，系统包括原边能量发射部分和副边能量接收部分；

所述原边能量发射部分包括有发射线圈电路，发射线圈电路包括第一原边发射线圈电路和第二原边发射线圈电路；

所述副边能量接收部分包括有接收线圈电路，接收线圈电路包括第一副边接收线圈电路和第二副边接收线圈电路；

第一副边接收线圈电路对应接收第一原边发射线圈电路所发射能量，第二副边接收线圈电路对应接收第二原边发射线圈电路所发射能量，第一副边接收线圈电路输出端和第二副边接收线圈电路输出端共同作为副边能量接收部分中接收线圈电路的输出端；

其中第一原边发射线圈电路的第一原边发射线圈与第二原边发射线圈电路的第二原边发射线圈、第一副边接收线圈电路的第一副边接收线圈与第二副边接收线圈电路的第二副边接收线圈都采用田-Q型线圈组合，且第一原边发射线圈与第一副边接收线圈类型相同，第二原边发射线圈与第二副边接收线圈类型相同，田-Q型线圈组合中的田字线圈和Q型线圈之间的磁通为零。

进一步，所述第一原边发射线圈电路和第二原边发射线圈电路的具体电路为：原边能量发射部分包括有高频逆变器，高频逆变器输出端正极连接第一原边发射线圈的一端，第一原边发射线圈的另一端连接第一补偿电容的一端，第一补偿电容的另一端连接第二原边发射线圈和第二补偿电容的一端，第二原边发射线圈的另一端连接第三补偿电容的一端，第三补偿电容的另一端与第二补偿电容的另一端共同连接到高频逆变器输出端负极。

进一步，所述第一副边接收线圈电路和第二副边接收线圈电路的电路具体为：第一副边接收线圈的一端连接第四补偿电容的一端，第四补偿电容的另一端连接补偿电感的一端和第五补偿电容的一端，第五补偿电容的另一端连接第一副边接收线圈的另一端，补偿电感的另一端作为第一副边接收线圈电路的输出端连接到副边能量接收部分中的整流电路输入端，补偿电感的另一端还连接第二副边接收线圈的一端，第二副边接收线圈的另一端连接第六补偿电容的一端，第六补偿电容的另一端连接第一副边接收线圈的另一端，第六补偿电容的另一端作为第二副边接收线圈电路的输出端连接到副边能量接收部分中的整流电路输入端。

进一步，所述第二原边发射线圈与第二副边接收线圈之间的互感M₂₄和第一原边发射线圈与第一副边接收线圈之间的互感M₁₃存在函数关系为M₂₄＝aM₁₃+b，其中a为斜率系数，b 为轴截距常数项。

进一步，所述第一补偿电容的电容值由式(1)计算得出：

所述第二补偿电容的电容值由式(2)计算得出：

所述第三补偿电容的电容值由式(3)计算得出：

所述第四补偿电容的电容值由式(4)计算得出：

所述第五补偿电容的电容值由式(5)计算得出：

所述第六补偿电容的电容值由式(6)计算得出：

所述补偿电感的电感值由式(7)计算得出：

上述式中A、B、C、D分别表示：

其中：副边能量接收部分中的阻性负载上的输入电压大小为u_o；Δ为副边能量接收部分中的阻性负载上的输入电压的最大误差波动；系统在偏移过程中能量接收部分中的阻性负载上的输入电压最大为(1+Δ)u_o；直流电压源E的输出电压大小为系统的工作角频率为ω；第一原边发射线圈与第一副边接收线圈正对时之间互感M₁₃大小为第一原边发射线圈的电感值为第二原边发射线圈的电感值为第一副边接收线圈的电感值为第二副边接收线圈的电感值为a为斜率系数；b为轴截距常数项。

进一步，所述田-Q型线圈组合采用以下方式中的任意一种：

(1)、第一原边发射线圈和第一副边接收线圈为田字型线圈，第二原边发射线圈和第二副边接收线圈为Q型线圈；

(2)、第二原边发射线圈和第二副边接收线圈为田字型线圈，第一原边发射线圈和第一副边接收线圈为Q字型线圈。

进一步，所述田-Q型线圈组合由一个田字型线圈重叠一个Q型线圈组成，田字型线圈由4个Q型线圈组成，其中对角线的Q型线圈极性相同，同一行或同一列的Q型线圈极性相反。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，相比现有无线电能传输系统在系统发生偏移时采用的方案，具有控制成本较低，能够实现3个维度的大范围移动，系统始终成纯阻性，不存在原边空载所引起的安全隐患且系统效率较高。由于多增加了一条能量通道，将高频逆变器输出的能量分为两部分发送给副边分别接收，使得系统在发生偏移时，随着偏移距离的增加，其中一部分能量增加或者减少后，另一路能量会随之减少或增加，保证输出的能量总体不发生变化，即在恒定输入电压下系统仍可以输出恒定电压，提高了系统的抗偏移能力，保证了系统的工作效率。而田-Q型线圈方案有良好的对称性能，这种组合式的线圈是使田字线圈和Q型线圈之间的磁通为零，实现在水平面的左右和前后及垂直水平面方向偏移过程中两线圈之间的互感始终为零，使得系统能够在实现三维的抗偏移恒压输出，且电路中不需配置系统中补偿元件参数，保证了系统的纯阻性。

2、本发明中，令第二原边发射线圈与第二副边接收线圈之间的互感M₂₄和第一原边发射线圈与第一副边接收线圈之间的互感M₁₃存在函数关系为M₂₄＝aM₁₃+b，在副边离开充电区域时，即第一原边发射线圈L₁与第一副边接收线圈L₃之间的互感值第二原边发射线圈L₂与第二副边接收线圈L₄之间的互感值减小至零时，交流电压源所流过的电流为零，因此，更加安全稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例一中系统电路图；

图2为本发明实施例一中系统等效电路图；

图3为本发明实施例一中田-Q型线圈结构的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本发明较佳实施例提供的一种具有三维抗偏移的恒压输出无线电能传输系统，系统包括原边能量发射部分和副边能量接收部分；

所述原边能量发射部分中的发射线圈电路包括第一原边发射线圈电路和第二原边发射线圈电路，副边能量接收部分中的接收线圈电路包括第一副边接收线圈电路和第二副边接收线圈电路，第一副边接收线圈电路对应接收第一原边发射线圈电路所发射能量，第二副边接收线圈电路对应接收第二原边发射线圈电路所发射能量，第一副边接收线圈电路输出端和第二副边接收线圈电路输出端并联，共同作为副边能量接收部分中接收线圈电路的输出端；

其中第一原边发射线圈电路的第一原边发射线圈与第二原边发射线圈电路的第二原边发射线圈、第一副边接收线圈电路的第一副边接收线圈与第二副边接收线圈电路的第二副边接收线圈都采用田-Q型线圈组合，且第一原边发射线圈与第一副边接收线圈类型相同，第二原边发射线圈与第二副边接收线圈类型相同，田-Q型线圈组合中的田字线圈和Q型线圈之间的磁通为零。

如图1所示，进一步地，所述原边能量发射部分包括直流电压源E、高频逆变器H、第一原边发射线圈L₁、第一补偿电容C₁、第二补偿电容C₂、第三补偿电容C₃、第二原边发射线圈L₂。

所述第一副边接收线圈电路包括第一副边接收线圈L₃、第四补偿电容C₄、第五补偿电容C₅、补偿电感L₅、整流桥D、阻性负载R。所述第二副边接收线圈电路包括第二副边接收线圈L₄、第六补偿电容C₆。

进一步地，所述直流电压源E与高频逆变器H输入端并联连接，高频逆变器H输出端与第一原边发射线圈L₁、第一补偿电容C₁、第三补偿电容C₃、第二原边发射线圈L₂依次串联连接，所述第二补偿电容C₂与第三补偿电容C₃、第二原边发射线圈L₂并联连接；所述第一副边接收线圈L₃、第四补偿电容C₄、补偿电感L₅、整流桥D输入端依次串联连接，整流桥D输出端与阻性负载R并联连接，第五补偿电容C₅与第一副边接收线圈L₃、第四补偿电容C₄并联连接；所述第二副边接收线圈L₄、第六补偿电容C₆串联连接并最终与副边能量拾取部分一中整流桥D输入端并联连接。

所述第一副边接收线圈电路用于接收原边能量发射部分第一原边发射线圈L₁发射出的部分能量，并将这部分能量与第二副边接收线圈电路接收的能量共同经过整流桥D转换，最后输出给阻性负载R；

所述第二副边接收线圈电路用于接收原边能量发射部分第二原边发射线圈L₂发射出的部分能量，并将这部分能量与第一副边接收线圈电路接收的能量共同经过整流桥D转换，最后输出给阻性负载R。

进一步地，如图2所示，所述相互连接的直流电压源E和逆变器H可以等效为交流电压源V_i；所述相互连接的整流桥D和阻性负载R可以等效为交流等效负载R_ac。

设第一原边发射线圈L₁与第二原边发射线圈L₂之间的互感M₁₂的大小为

第一副边接收线圈L₃与第二副边接收线圈L₄之间的互感M₃₄大小为

第一原边发射线圈L₁与第二副边接收线圈L₄之间的互感M₁₄大小为

第二原边发射线圈L₂与第一副边接收线圈L₃之间的互感M₂₃大小为

第一原边发射线圈L₁与第一副边接收线圈L₃之间的互感M₁₃正对时大小为

令所述第二原边发射线圈与第二副边接收线圈之间的互感M₂₄和第一原边发射线圈与第一副边接收线圈之间的互感M₁₃存在函数关系为M₂₄＝aM₁₃+b，其中a为斜率系数，b为轴截距常数项；

第一补偿电容C₁的电容值为第二补偿电容C₂的电容值为

第三补偿电容C₃的电容值为第四补偿电容C₄的电容值为

第五补偿电容C₅的电容值为第六补偿电容C₆的电容值为

第一原边发射线圈L₁的电感值为第二原边发射线圈L₂的电感值为

第一副边接收线圈L₃的电感值为第二副边接收线圈L₄的电感值为

补偿电感的电感值L₅为系统的工作角频率为ω；

直流电压源E的输出电压大小为交流电压源V_i的输出电压大小为V_i ^&；

阻性负载R上的输入电压大小为u_o；交流等效负载的R_ac上的输入电压大小为V_o ^&；

Δ为阻性负载R上的输入电压的最大误差波动；

系统在偏移过程中阻性负载R上的输入电压最大为(1+Δ)u_o；

图中电流I₁的电流值为I₁ ^&，电流I₂的电流值为I₂ ^&，电流I3的电流值为I₃ ^&，电流 I₄的电流值为I₄ ^&，电流I₅的电流值为I₅ ^&。

j表示虚数单位。

在一定的条件下，令满足如下关系：

结合公式(8)对图2所示的等效电路利用基尔霍夫定理进行分析，得到方程组如式(9) 所示：

本发明中，第一原边发射线圈L₁与第二原边发射线圈L₂、第一副边接收线圈L₃与第二副边接收线圈L₄之间采用田-Q型线圈组合，如图3所示，所述田-Q型线圈组合由一个田字型线圈重叠一个Q型线圈组成，田字型线圈由4个Q型线圈组成，其中对角线的Q型线圈极性相同，同一行或同一列的Q型线圈极性相反。田-Q型线圈组合中的田字线圈和Q型线圈之间的磁通为零。田-Q型线圈有着良好的对称性，因此可在平面内实现相同范围的移动。所述田-Q型线圈组合采用以下方式中的任意一种：

(1)、第一原边发射线圈和第一副边接收线圈为田字型线圈，第二原边发射线圈和第二副边接收线圈为Q型线圈；

(2)、第二原边发射线圈和第二副边接收线圈为田字型线圈，第一原边发射线圈和第一副边接收线圈为Q字型线圈。

基于本发明采用的田-Q型线圈组合，除互感以外的所有互感 均为零。将其带入式(9)进行求解可得到系统中流过交流电压源的电流及流过交流等效负载R_ac的电流I₄ ^&+I₅ ^&分别为：

从式(10)中可得到当副边离开充电区域时，即互感趋近于零时，交流电压源的电流也将趋近于零。因此在副边离开充电区域时，系统有着较高安全性和稳定性。系统流入交流等效负载R_ac的电压为：

根据式(11)，输入交流等效负载R_ac的电压表达式中不含R_ac项，因此可认为系统输出的电压与负载无关。

在图2中的交流电压源V_i可与图1中的直流电压源E和高频逆变器H进行相互转换，直流电压源的数值与交流电压源的数值为V_i ^&之间的关系为：

在图2中等效负载R_ac可与图1中的高频整流器D和阻性负载R进行相互转换，输入到等效负载R_ac上的电压V_o ^&与输入到阻性负载上的电压u_o之间的关系为：

因此可得到系统输入到阻性负载上的电压为：

从式(14)中得到，当副边发射移动时，互感减小，阻性负载上的电压可能会先增加后减小，因此通过合理的设计电容的数值，可使得阻性负载上的电压在一定区间内保持在允许的波动范围。

设阻性负载R上的电压达到最大时所对应的互感为M_{o_max}，则通过对式(14)求导可得到 M_{o_max}为：

将式(15)带入到式(9)中，可得到第二补偿电容的电容值及第五补偿电容的电容值为：

由此可根据式(16)和式(8)分别算出其他补偿元件的数值：

上述式中A、B、C、D分别表示

总上所述，系统能够在偏移的情况下输出与负载无关的电压，且在副边离开充电区域时，即互感减小至零时，交流电压源所流过的电流为零，因此，更加安全稳定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有三维抗偏移的恒压输出无线电能传输系统，系统包括原边能量发射部分和副边能量接收部分，其特征在于：

所述原边能量发射部分包括有发射线圈电路，发射线圈电路包括第一原边发射线圈电路和第二原边发射线圈电路；

所述副边能量接收部分包括有接收线圈电路，接收线圈电路包括第一副边接收线圈电路和第二副边接收线圈电路；

第一副边接收线圈电路对应接收第一原边发射线圈电路所发射能量，第二副边接收线圈电路对应接收第二原边发射线圈电路所发射能量，第一副边接收线圈电路输出端和第二副边接收线圈电路输出端共同作为接收线圈电路的输出端；

其中第一原边发射线圈电路的第一原边发射线圈与第二原边发射线圈电路的第二原边发射线圈、第一副边接收线圈电路的第一副边接收线圈与第二副边接收线圈电路的第二副边接收线圈都采用田-Q型线圈组合，且第一原边发射线圈与第一副边接收线圈类型相同，第二原边发射线圈与第二副边接收线圈类型相同，田-Q型线圈组合中的田字线圈和Q型线圈之间的磁通为零。

2.根据权利要求1所述的一种具有三维抗偏移的恒压输出无线电能传输系统，其特征在于：所述第一原边发射线圈电路和第二原边发射线圈电路的具体电路为：原边能量发射部分包括有高频逆变器，高频逆变器输出端正极连接第一原边发射线圈的一端，第一原边发射线圈的另一端连接第一补偿电容的一端，第一补偿电容的另一端连接第二原边发射线圈和第二补偿电容的一端，第二原边发射线圈的另一端连接第三补偿电容的一端，第三补偿电容的另一端与第二补偿电容的另一端共同连接到高频逆变器输出端负极。

3.根据权利要求1所述的一种具有三维抗偏移的恒压输出无线电能传输系统，其特征在于：所述第一副边接收线圈电路和第二副边接收线圈电路的电路具体为：第一副边接收线圈的一端连接第四补偿电容的一端，第四补偿电容的另一端连接补偿电感的一端和第五补偿电容的一端，第五补偿电容的另一端连接第一副边接收线圈的另一端，补偿电感的另一端作为第一副边接收线圈电路的输出端连接到副边能量接收部分中的整流电路输入端，补偿电感的另一端还连接第二副边接收线圈的一端，第二副边接收线圈的另一端连接第六补偿电容的一端，第六补偿电容的另一端连接第一副边接收线圈的另一端，第六补偿电容的另一端作为第二副边接收线圈电路的输出端连接到副边能量接收部分中的整流电路输入端。

4.根据权利要求1所述的一种具有三维抗偏移的恒压输出无线电能传输系统，其特征在于：所述第二原边发射线圈与第二副边接收线圈之间的互感M₂₄和第一原边发射线圈与第一副边接收线圈之间的互感M₁₃存在函数关系为M₂₄＝aM₁₃+b，其中a为斜率系数，b为轴截距常数项。

5.根据权利要求1或4所述的一种具有三维抗偏移的恒压输出无线电能传输系统，其特征在于：所述第一补偿电容的电容值由式(1)计算得出：

所述第二补偿电容的电容值由式(2)计算得出：

所述第三补偿电容的电容值由式(3)计算得出：

所述第四补偿电容的电容值由式(4)计算得出：

所述第五补偿电容的电容值由式(5)计算得出：

所述第六补偿电容的电容值由式(6)计算得出：

所述补偿电感的电感值由式(7)计算得出：

上述式中A、B、C、D分别表示：

其中：副边能量接收部分中的阻性负载上的输入电压大小为u_o；Δ为副边能量接收部分中的阻性负载上的输入电压的最大误差波动；系统在偏移过程中能量接收部分中的阻性负载上的输入电压最大为(1+Δ)u_o；直流电压源E的输出电压大小为系统的工作角频率为ω；第一原边发射线圈与第一副边接收线圈正对时之间互感M₁₃大小为第一原边发射线圈的电感值为第二原边发射线圈的电感值为第一副边接收线圈的电感值为第二副边接收线圈的电感值为a为斜率系数；b为轴截距常数项。

6.根据权利要求1所述的一种具有三维抗偏移的恒压输出无线电能传输系统，其特征在于：所述田-Q型线圈组合采用以下方式中的任意一种：

(1)、第一原边发射线圈和第一副边接收线圈为田字型线圈，第二原边发射线圈和第二副边接收线圈为Q型线圈；

(2)、第二原边发射线圈和第二副边接收线圈为田字型线圈，第一原边发射线圈和第一副边接收线圈为Q字型线圈。

7.根据权利要求1所述的一种具有三维抗偏移的恒压输出无线电能传输系统，其特征在于：所述田-Q型线圈组合由一个田字型线圈重叠一个Q型线圈组成，田字型线圈由4个Q型线圈组成，其中对角线的Q型线圈极性相同，同一行或同一列的Q型线圈极性相反。