CN110518711A - 一种采用无源元件解耦的多接收感应电能传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用无源元件解耦的多接收感应电能传输系统，由能量发送端和接收端组成，能量发送端依次连接直流源(E)、高频逆变电路(H1)、原边补偿电感(Lf)、原边补偿电容一(Cf)、原边补偿电容二(Cp)及能量发射线圈(Lp)；能量接收端的组成为：接收线圈一(L1)、副边补偿电容一(C1)、高频整流电路一(K1)、直流负载一(R1)、接收线圈二(L2)、副边补偿电容二(C2)、高频整流电路二(K2)、直流负载二(R2)和无源解耦元件(XM)。本发明使用无源元件对接收线圈进行解耦，无需精确的线圈布置、不受限于固定的接收线圈电流比，提高了系统效率和功率；并且这些电源不受系统工况改变的影响，提高了设备供电的稳定性。

Description

一种采用无源元件解耦的多接收感应电能传输系统
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，具体为一种采用无源元件解耦的多接收感应电能传输系统。
背景技术
感应电能传输(IPT)技术可以在没有任何物理接触的情况下将电能从电源传输到负载，无需人工进行插拔充电。IPT技术的原理是通过发射线圈中的高频交流电产生交变磁场将电能传输到接收线圈，该技术能够提高供电的安全性、可靠性和便捷性，因此，受到广泛关注。
近年来，IPT技术已广泛应用到生物医学植入物，便携式电子产品和电动汽车等设备。大多数应用采用单发射和单接收结构的IPT系统，但某些工业设备中可能需要多个电源分别给控制系统、驱动系统供电，如自动导引运输车、轮胎式龙门吊等。传统的方法是在能量接收端加入多个DC-DC控制器实现多个电源输出。但这种方法在系统工况发生剧烈变化时，DC-DC控制会有一个较长的响应时间和较大的振荡，系统也可能会因为不稳定的供电电压出现故障。因此，需要采用多个接收线圈来提供多个独立的电源。然而，多个接收线圈间存在交叉耦合，造成系统功率和效率降低，并且两个接收线圈的输出会相互干扰。
在多接收线圈的感应电能传输系统中，已有采用磁路解耦或电路解耦的方法。磁路解耦通常是通过布置接收线圈的相对位置，使得接收线圈间的互感为零，但需要精确的摆放，使得设计的灵活性受限。电路解耦的方法包括:采用电容补偿，通过分别在各个接收线圈串联电容，选取合适的电容值来抵消接收线圈间交叉耦合的影响。但该方法需要接收线圈中的电流比固定，才能用设计的电容值解耦，当其中一个线圈的电流发生改变时，交叉耦合就会继续相互作用。在接收线圈间加入去耦变压器进行解耦，去耦用于感应相反的电压以抵消由交叉耦合引起的感应电压，该方法的缺陷在于增加了磁性元件，会增加系统的能量损耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用无源元件解耦的多接收感应电能传输系统，该系统能够提供多个稳定电压源，即使在负载剧烈变化的情况下，接收线圈的输出也不会受到其他接收线圈的干扰，适用于给需要多个独立电源的设备供电，解决了背景技术中所提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种采用无源元件解耦的多接收感应电能传输系统，由能量发送端和接收端组成，能量发送端依次连接直流源(E)、高频逆变电路(H1)、原边补偿电感(Lf)、原边补偿电容一(Cf)、原边补偿电容二(Cp)及能量发射线圈(Lp)；
能量接收端的组成为：接收线圈一(L1)、副边补偿电容一(C1)、高频整流电路一(K1)、直流负载一(R1)、接收线圈二(L2)、副边补偿电容二(C2)、高频整流电路二(K2)、直流负载二(R2)和无源解耦元件(XM)。
所述的接收线圈一(L1)、接收线圈二(L2)之间的互感为M12，同时两个接收线圈各自的一端连在公共端，无源解耦元件(XM)的一端与公共端相连，形成一个“T”型电路：
如图1所示，当接收线圈一(L1)、接收线圈二(L2)同名端相连，无源解耦元件(XM)为一个电容元件(CM),电容值由式(1)确定；
如图2所示，当接收线圈一(L1)、接收线圈二(L2)异名端相连，无源解耦元件(XM)为一个电感元件(LM),电感值由式(2)确定：
LM＝M12 (2)
本发明的第一种方案的工作原理是：
能量接收端的两个接收线圈的互感模型和T形等效电路如图1所示，此处以同名端相连为例，两个接收线圈的输出电压U1、U2可以分别表示为：
从式(3)、(4)中，可以看出接收线圈一(L1)的端口电压U1的大小不仅与通过自己线圈的电流有关，同时还受到流过接收线圈二(L2)的电流的影响，U2亦然；这表明两个接收线圈的输出会相互干扰。
为了消除两个接收线圈间的相互干扰，实现电路上的解耦，本发明在T形等效电路的一条支路上加入一个无源电容元件CM，如图2所示，并令该电容与支路上的互感M12谐振，得到式(5)：
根据图4，两个接收线圈的输出电压U'1、U'2可以分别表示为：
从式(6)、(7)可以看出，U'1、U'2只与流过所在线圈的电流有关，即实现了两个接收线圈的解耦。
式(3)(4)(6)(7)中，I1和I2分别表示流过接收线圈一(L1)和接收线圈二(L2)的电流。
本发明的实现其发明目的所采用的第二种技术方案是：
一种采用无源元件解耦的多接收感应电能传输系统，由能量发送端和接收端组成，能量发送端依次连接直流源(E)、高频逆变电路(H1)、原边补偿电感(Lf)、原边补偿电容一(Cf)、原边补偿电容二(Cp)及能量发射线圈(Lp)；
能量接收端的组成为：接收线圈一(L1)、副边补偿电容一(C1)、高频整流电路一(K1)、直流负载一(R1)、接收线圈二(L2)、副边补偿电容二(C2)、高频整流电路二(K2)、直流负载二(R2)、接收线圈三(L3)、副边补偿电容三(C3)、高频整流电路三(K3)、直流负载三(R3)和无源解耦元件(XM)。
所述的三个接收线圈(L1)、(L2)、(L3)两两之间的互感分别为M12、M13、M23，并且满足M＝M12＝M13＝M23，公共连接端为三个线圈的同名端；无源解耦元件(XM)为一个电容元件(CM),电容值由式(3)确定；
本发明的第二种方案的工作原理与第一种方案的工作原理同理。式(1)-(8)中，ω表示系统的工作角频率，j代表虚数单位。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明使用无源元件对接收线圈进行解耦，无需精确的线圈布置、不受限于固定的电流比，提高了系统效率和功率。
2.本发明能够提供多个独立的电压源，并且这些电源不受系统工况改变的影响，提高了设备供电的稳定性，保证系统的正常运行。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例一的感应电能传输系统的电路示意图；
图2为本发明采用无源元件解耦的多接收感应电能传输系统的解耦原理示意图；
图3为本发明实施例一(同名端相连)的感应电能传输系统的电路示意图；
图4为本发明实施例一(异名端相连)的感应电能传输系统的电路示意图；
图5为本发明采用无源元件解耦的多接收感应电能传输系统的电路示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
实施例一：
一种采用无源元件解耦的多接收感应电能传输系统，由能量发送端和接收端组成；能量发送端依次连接直流源(E)、高频逆变电路(H1)、原边补偿电感(Lf)、原边补偿电容一(Cf)、原边补偿电容二(Cp)、及能量发射线圈(Lp)；
能量接收端的组成为：接收线圈一(L1)、副边补偿电容一(C1)、高频整流电路一(K1)、直流负载一(R1)、接收线圈二(L2)、副边补偿电容二(C2)、高频整流电路二(K2)、直流负载二(R2)、无源解耦元件(XM)。
所述的原边补偿电容一(Cf)、原边补偿电容二(Cp)的值分别由式(1)、(2)确定：
所述的接收线圈一(L1)、接收线圈二(L2)之间的互感为M12，同时两个接收线圈各自的一端连在公共端，无源解耦元件(XM)的一端与公共端相连，形成一个“T”型电路：
A.如图3所示，当接收线圈一(L1)、接收线圈二(L2)同名端相连，无源解耦元件(XM)为一个电容元件(CM),电容值由式(3)确定；
所述的副边补偿电容一(C1)、副边补偿电容二(C2)的值由式(4)、(5)确定：
B.如图4所示，当接收线圈一(L1)、接收线圈二(L2)异名端相连，无源解耦元件(XM)为一个电感元件(LM),电感值由式(6)确定：
LM＝M12 (6)
所述的副边补偿电容一(C1)、副边补偿电容二(C2)的值由式(7)、(8)确定：
实施例二：
本发明的实现其发明目的所采用的第二种技术方案是：
一种采用无源元件解耦的多接收感应电能传输系统，由能量发送端和接收端组成。如图5所示，能量发送端依次连接直流源(E)、高频逆变电路(H1)、原边补偿电感(Lf)、原边补偿电容一(Cf)、原边补偿电容二(Cp)及能量发射线圈(Lp)；
能量接收端的组成为：接收线圈一(L1)、副边补偿电容一(C1)、高频整流电路一(K1)、直流负载一(R1)、接收线圈二(L2)、副边补偿电容二(C2)、高频整流电路二(K2)、直流负载二(R2)、接收线圈三(L3)、副边补偿电容三(C3)、高频整流电路三(K3)、直流负载三(R3)及无源解耦元件(XM)。
所述的三个接收线圈(L1)、(L2)、(L3)两两之间的互感分别为M12、M13、M23，并且满足M＝M12＝M13＝M23，公共连接端为三个线圈的同名端。无源解耦元件(XM)为一个电容元件(CM),电容值由式(9)确定；
式(1)-(9)中，ω表示系统的工作角频率。
根据以上实施例一的两个接收线圈的感应电能传输系统和实施例二的三个接收线圈的感应电能传输系统的结构及参数，可类似得到三个以上的多接收线圈的感应电能传输系统的组成、结构及相应的参数。
在一种采用无源元件解耦的多接收感应电能传输系统使用的时候，部件均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种采用无源元件解耦的多接收感应电能传输系统，包括能量发送端和接收端，其特征在于：能量发送端依次连接直流源(E)、高频逆变电路(H1)、原边补偿电感(Lf)、原边补偿电容一(Cf)、原边补偿电容二(Cp)及能量发射线圈(Lp)；
能量接收端的组成为：接收线圈一(L1)、副边补偿电容一(C1)、高频整流电路一(K1)、直流负载一(R1)、接收线圈二(L2)、副边补偿电容二(C2)、高频整流电路二(K2)、直流负载二(R2)和无源解耦元件(XM)。
2.根据权利要求1所述的一种采用无源元件解耦的多接收感应电能传输系统，其特征在于：所述的接收线圈一(L1)、接收线圈二(L2)之间的互感为M12，同时两个接收线圈各自的一端连在公共端，无源解耦元件(XM)的一端与公共端相连，形成一个“T”型电路：
当接收线圈一(L1)、接收线圈二(L2)同名端相连，无源解耦元件(XM)为一个电容元件(CM),电容值由式(1)确定：
当接收线圈一(L1)、接收线圈二(L2)异名端相连，无源解耦元件(XM)为一个电感元件(LM),电感值由式(2)确定：
LM＝M12， (2)。
3.一种采用无源元件解耦的多接收感应电能传输系统，包括能量发送端和接收端，其特征在于：能量发送端依次连接直流源(E)、高频逆变电路(H1)、原边补偿电感(Lf)、原边补偿电容一(Cf)、原边补偿电容二(Cp)及能量发射线圈(Lp)；
能量接收端的组成为：接收线圈一(L1)、副边补偿电容一(C1)、高频整流电路一(K1)、直流负载一(R1)、接收线圈二(L2)、副边补偿电容二(C2)、高频整流电路二(K2)、直流负载二(R2)、接收线圈三(L3)、副边补偿电容三(C3)、高频整流电路三(K3)、直流负载三(R3)和无源解耦元件(XM)。
4.根据权利要求3所述的一种采用无源元件解耦的多接收感应电能传输系统，其特征在于：三个所述接收线圈(L1)、(L2)、(L3)两两之间的互感分别为M12、M13、M23，并且满足M＝M12＝M13＝M23，公共连接端为三个线圈的同名端；无源解耦元件(XM)为一个电容元件(CM),电容值由式(3)确定；
式(1)、(2)、(3)中，ω表示系统的工作角频率。
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