CN111049274B - 无线电能传输的补偿网络和无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线电能传输的补偿网络和无线电能传输系统，补偿网络包括多个元件组，元件组包括电容或电感中的至少一个；元件组至少具有四个，每个元件组均具有输入端和输出端；第一元件组的输入端和第三元件组的输入端连接；第一元件组的输出端和第四元件组的输入端连接，并形成第一连接点，第一连接点用于连接功率线圈的一端；第二元件组的输入端和第三元件组的输出端连接，并形成第二连接点，第二连接点用于连接功率线圈的另一端；第二元件组的输出端和第四元件组的输出端连接。本发明能有效提高无线充电效率；可以根据设计目标，如最小体积重量或者最低成本等来合理选取元件，能够优化设计，降低制造成本或者减小体积重量。

Description

无线电能传输的补偿网络和无线电能传输系统

技术领域

本发明涉及无线充电领域，尤其涉及无线电能传输的补偿网络和无线电能传输系统。

背景技术

无线能量传输，将电能以非接触的方式进行传输，无论是给手机等电子设备充电的小功率产品，还是给电动汽车充电的大功率产品，都日益丰富。这种无线的充电方式，能够消除导线裸露、磨损等问题，安全性和灵活性都有提高。目前存在的无线能量传输方式可以大体分为两种，一种是磁场耦合式无线电能传输系统（MF-WPT，Magnetic Field-Wireless Power Transmission），以线圈作为耦合器件，以磁场作为无线能量传输的物理基础。另有一种是电场耦合式无线电能传输系统（EC-WPT，Electric Field Coupled-Wireless Power Transmission），以电场作为无线能量传输物理基础。

以使用磁场耦合式无线电能传输系统的电动汽车无线充电为例，一般是通过发射端的发射线圈以及接收端的车载线圈，实现电能传输。在发射线圈和接收线圈之间，具有气隙，存在漏感，系统整体的传输效率低。

发明内容

本发明提供一种无线电能传输的补偿网络以及无线电能传输系统，能够提高无线充电的传输效率。

本发明的无线电能传输的补偿网络，所述补偿网络包括多个元件组，所述元件组包括电容或电感中的至少一个；所述元件组分别为第一元件组、第二元件组、第三元件组、第四元件组和第五元件组，且每个所述元件组均具有输入端和输出端；其中，所述第一元件组、所述第二元件组、所述第三元件组和第四元件组均为电容，所述第五元件组为电感；所述第一元件组的输入端和所述第三元件组的输入端连接；所述第一元件组的输出端和所述第四元件组的输入端连接，并形成第一连接点，所述第一连接点用于连接功率线圈的一端；所述第二元件组的输入端和所述第三元件组的输出端连接，并形成第二连接点，所述第二连接点用于连接功率线圈的另一端；所述第二元件组的输出端和所述第四元件组的输出端连接；所述第五元件组的输出端连接所述第一元件组的输入端和所述第三元件组的输入端；所述第一元件组具有第一电抗值A；所述第二元件组具有第二电抗值B；所述第三元件组具有第三电抗值C；所述第四元件组具有第四电抗值D；所述功率线圈具有线圈电抗值L；所述第五元件组具有第五电抗值F；所述第一电抗值A等于所述第二电抗值B；所述第三电抗值C等于所述第四电抗值D；所述第五电抗值F与线圈电抗值L相等；且至少同时满足：L(A+B+C+D)+(A+C)(D+B)=0和AB≠CD两个关系式。

优选的，还包括第六元件组，连接在所述第一连接点和所述第二连接点之间，用于和所述功率线圈串联。

优选的，所述第六元件组和所述功率线圈串联后，具有联合电抗U，从而至少同时满足：U(A+B+C+D)+(A+C)(D+B)=0和AB≠CD两个关系式。

优选的，所述第五电抗值F与所述联合电抗U相等。

本发明的无线电能传输系统，具有发射端和接收端，所述发射端包括：功率发射线圈；上述的无线电能传输的补偿网络；依次连接的电源、整流器和逆变器，所述逆变器连接所述补偿网络；所述功率发射线圈作为功率线圈的一种，连接在所述第一连接点和所述第二连接点之间。

优选的，所述接收端包括：依次连接的功率接收线圈；上述的无线电能传输的补偿网络；接收端整流器和负载；其中，所述功率接收线圈作为功率线圈的一种，连接在所述第一连接点和所述第二连接点之间。

本发明的无线电能传输的补偿网络能够有效的提高无线充电时充电效率，并且，每个元件组均为电容或电感中的至少一个，可以根据设计目标，比如最小体积重量或者最低成本等来合理选取元件，因此能够优化设计，降低制造成本或者减小体积重量等。

附图说明

图1为本发明无线电能传输的补偿网络一种实施例的示意图。

图2为本发明无线电能传输的补偿网络另一种实施例的示意图。

图3为本发明无线电能传输的补偿网络另再种实施例的示意图。

图4为对应图1的结构示意图。

图5为对应图3的结构示意图。

图6为现有技术中LCC补偿网络结构示意图。

图7为本发明无线电能传输系统中发射端结构示意图。

图8为本发明无线电能传输系统中接收端结构示意图。

附图标记：

本申请：补偿网络1、负载3、接收端整流器4、电源5、整流器6、逆变器7、功率线圈8、第一元件组11、第二元件组12、第三元件组13、第四元件组14、第五元件组15、第六元件组16、功率发射线圈81、功率接收线圈82、第一连接点X、第二连接点Y；

现有技术：线圈1’、第一电容2’、第二电容3’、电感4’。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明公开一种无线电能传输的补偿网络1，补偿网络包括多个元件组，每个元件组包括电容或者电感中的至少一个。也就是说，每个元件组可以是一个电容、或者是一个电感、也可以是多个电容、也可以是多个电感、还可以是电容和电感的组合。需要注意，多个电容可以组合成一个电容，为了区分，可以分为电容和电容单元，电容由多个电容单元组成。本文提到的电容，更多的是指代由多个电容单元组合后的电容。在图1到图5，以及图7和图8中，虚线框出的部分属于本申请的补偿网络1的主体部分，在虚线框外，可能包括了连接线、其他与补偿网络1连接的设备或结构。功率线圈8是和该补偿网络1连接的结构，可以不属于补偿网络1的一部分。

参见图1，上述的元件组，至少具有四个——第一元件组11、第二元件组12、第三元件组13和第四元件组14，且每个元件组均具有输入端和输出端。需要注意，这里提及的“输入端”和“输出端”是为了对连接的端口进行区分，并不是限制其导电方向。例如我们还能够以“第一端”和“第二端”区分或者直接以“一端”、“另一端”区分。结合上述，元件组是电容和电感的组合，其并不像二极管具有单向导电性，因此不能将“输入端”和“输出端”与二极管的单向导电性混淆。例如在电动汽车的无线充电中，使用交流电工作时，本申请的元件组，并不会因为电流方向的改变，导致无法正常工作。

下面说明这至少四个元件组的连接关系。

第一元件组11的输入端和第三元件组13的输入端连接；第一元件组11的输出端和第四元件组14的输入端连接，并形成第一连接点X，第一连接点X用于连接功率线圈8的一端；第二元件组12的输入端和第三元件组13的输出端连接，并形成第二连接点Y，第二连接点Y用于连接功率线圈8的另一端；第二元件组12的输出端和第四元件组14的输出端连接。

从上描述可以知晓，第一连接点X和第二连接点Y能够用来连接功率线圈8。但是需要注意，这并不用来限制第一连接点X和第二连接点Y之间只能用来连接功率线圈8，例如在一些实施例中，还可能有其他元件组和功率线圈8一起串联在第一连接点X和第二连接点Y之间（这个实施例会在下文进行说明）。

上述描述中，说明了各个元件组之间的整体连接关系，局部细节并不影响实施。例如第一元件组11的输入端和第三元件组13的输入端连接，并不是说明第一元件组11的输入端必须直接连接到第三元件组13的输入端，还可以是第一元件组11的输入端连接有一个或多个其他元器件，再连接到第三元件组13的输入端。即，上述的“连接”，可以是直接连接，也可以是间接连接。上述的其他元器件可以是检测设备，例如电压表、电流表等等，甚至是开关，或者其他用电器均可。此处是为了表明，各个元件组之间，实现的连接顺序是按照上述说明即可，并非完全否定在其中添加其他元器件的可能性。另外，如果上述其他元器件是电感或电容时，还可以并入相邻的元件组中。

第一元件组11具有第一电抗值A；第二元件组12具有第二电抗值B；第三元件组13具有第三电抗值C；第四元件组14具有第四电抗值D；功率线圈8具有线圈电抗值L；且至少同时满足：L(A+B+C+D)+(A+C)(D+B)=0和AB≠CD两个关系式。

在一种优选的实施例中，第一电抗值A等于第二电抗值B；第三电抗值C等于第四电抗值D。

优选的，第一元件组11、第二元件组12、第三元件组13和第四元件组14均为电容，如图4所示，所有元件组就均为电容。

以上结构，是能够实现对无线电能传输进行补偿的基础结构在一些实施方式，还可以包括第六元件组16，如图2所示，其连接在第一连接点X和第二连接点Y之间，用于和功率线圈8串联。第六元件组16和功率线圈8串联后具有联合电抗U，从而至少同时满足：U(A+B+C+D)+(A+C)(D+B)=0和AB≠CD两个关系式。这里的提到的联合电抗U，是指把第六元件组16和功率线圈8串联后作为一个整体结构，这个整体结构的电抗值。优选的，第六元件组16为电容，其与功率线圈8进行串联，但是他们的联合电抗U不一定是直接将第六元件组16的容抗值和功率线圈8的感抗值直接相加。具体的计算方式，应该根据电学基础原理进行。

进一步，本申请还可以包括第五元件组15，第五元件组15的输出端连接第一元件组11的输入端和第三元件组13的输入端；第五元件组15具有第五电抗值F，第五电抗值F与线圈电抗值L相等。如图3所示，第五元件组15可以和第六元件组16同时设置在补偿网络1中。而当设置有第六元件组16的情况下，第五电抗值F是和联合阻抗U相等的。

结合图5，第一元件组11到第六元件组16，均为电容，而第五元件组15优选的使用电感。需要注意，这里使用电感仅作为优选的实施例，第五元件组15如果采用电容的话，只要满足上述电抗的关系要求即可。

本领域技术人员可以知晓的是，在具有电阻、电感和电容的电路里，对电路中的电流所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗是一个复数，实部称为电阻，虚部称为电抗。本申请中，考虑一般化的补偿网络1，没有使用电阻，因此只含有虚部，即电抗。当然这里是忽略导线的电阻等情况，目的就是为了更好的计算上述各个元件组的电抗值之间的关系。上述使用字母“A”、“B”、“U”等表示电抗值，是为了方便表达，可以理解为虚部的代数值。

另外，对于现有技术中具有LCC补偿网络，如图6所示，是无线充电领域中，常见的一种LCC补偿网络。图中仅示出了一端(发射端或接收端)。其包括线圈1’、第一电容2’、第二电容3’和电感4’。线圈1’和第一电容2’串联形成第一电路，第二电容3’和第一电路并联形成第二电路，电感4’和第二电路串联。

与这种LCC补偿网络相比，本申请的补偿网络1的一个优点就是能够节省零部件的使用数量，降低成本，减小体积。以电容为例，上文也提到过，电容可以由多个电容单元组成，一般是电容单元通过串联和并联的组合，最终形成或者说等效成一个电容。

而需要多少电容单元组成一个电容，是要根据电路需求，或者说电路中对一个电容的需求所决定的。在一个电路中，以同样的功率需求为基础，能够满足使用需求的LCC补偿网络中，所需电容单元的数量，多于本申请补偿网络1中，所需要的电容单元的数量。

具体的，以6.6KW的电路需求为例，经过计算，在使用LCC补偿网络时使用最少的电容单元为345个，其中第一电容2’需要150个电容单元——每25个并联后，形成6组串联（6串25并），共计150个电容单元。第二电容3’需要195个电容单元——每39个电容单元并联后，串联5组（5串39并），共计195个电容单元。一共使用345个电容单元，实现LCC补偿网络的工作。

而在同样的条件下，本申请只需要252个。第一元件组11和第二元件12都是电容，并且均为6串11并结构，第一元件组11和第二元件组12分别具有66个，共计132个。第三元件组13和第四元件组14也为电容，并且均为4串15并结构，即15个电容单元并联后，串联4组，第三元件组13和第四元件组14共计使用120个电容单元。本申请的补偿网络1一共使用电容单元252个，比现有技术的LCC补偿网络，减少25%左右的电容单元使用数量。

以上对两个补偿网络中电容单元数量的计算，是在同等的条件下，计算的最优结果。并且，在对不同的功率需求下计算，本申请的补偿网络1所使用的电容单元数量均小于LCC补偿网络所使用的电容单元数量。

在LCC补偿网络中，流经每个电容的电流较大，因此其需要更多的电容单元，而本申请的补偿网络1中，每个电容，或者说每个元件组所经过的电流相对更低，因此可以减少电容单元的使用。

本发明还公开一种无线电能传输系统，该系统具有发射端和接收端，实现发射端向接收端进行电能的无线传递。而在发射端和接收端中，都可以包括本申请上述的补偿网络1。

具体的，参见图7，在发射端除了上述补偿网络1外，还具至少有功率发射线圈81、电源5、整流器6和逆变器7，功率发射线圈81做为功率线圈8的一种，连接在补偿网络1的第一连接点X和第二连接点Y之间。电源5、整流器6和逆变器7依次连接，电源5提供交流电，经过整流器6形成直流电，再经过逆变器7称为交流电，交流电经过补偿网络1，最终通过功率发射线圈81，实现电能的传输，当然，实现该电能传输还需要具有接收端的功率接收线圈82等零部件。

如图8所示，接收端除了具有补偿网络1和功率接收线圈82之外，还至少具有接收端整流器4和负载3。功率接收线圈82作为功率线圈8的一种，连接在补偿网络1的第一连接点X和第二连接点Y之间，能够和功率发射线圈81在特定的距离范围内，实现电能的传递，接收到的电能通过补偿网络1后经过接收端整流器4后，提供给负载3使用。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种无线电能传输的补偿网络，其特征在于，

所述补偿网络（1）包括多个元件组，所述元件组包括电容或电感中的至少一个；

所述元件组分别为第一元件组（11）、第二元件组（12）、第三元件组（13）、第四元件组（14）和第五元件组（15），且每个所述元件组均具有输入端和输出端；其中，所述第一元件组（11）、所述第二元件组（12）、所述第三元件组（13）和第四元件组（14）均为电容，所述第五元件组（15）为电感；

所述第一元件组（11）的输入端和所述第三元件组（13）的输入端连接；

所述第一元件组（11）的输出端和所述第四元件组（14）的输入端连接，并形成第一连接点（X），所述第一连接点（X）用于连接功率线圈（8）的一端；

所述第二元件组（12）的输入端和所述第三元件组（13）的输出端连接，并形成第二连接点（Y），所述第二连接点（Y）用于连接功率线圈（8）的另一端；

所述第二元件组（12）的输出端和所述第四元件组（14）的输出端连接；

所述第五元件组（15）的输出端连接所述第一元件组（11）的输入端和所述第三元件组（13）的输入端；

所述第一元件组（11）具有第一电抗值A；

所述第二元件组（12）具有第二电抗值B；

所述第三元件组（13）具有第三电抗值C；

所述第四元件组（14）具有第四电抗值D；

所述功率线圈（8）具有线圈电抗值L；

所述第五元件组（15）具有第五电抗值F；

所述第一电抗值A等于所述第二电抗值B；

所述第三电抗值C等于所述第四电抗值D；

所述第五电抗值F与线圈电抗值L相等；

且至少同时满足：L(A+B+C+D)+(A+C)(D+B)=0和AB≠CD两个关系式。

2.根据权利要求1所述的无线电能传输的补偿网络，其特征在于，

还包括第六元件组（16），连接在所述第一连接点（X）和所述第二连接点（Y）之间，用于和所述功率线圈（8）串联。

3.根据权利要求2所述的无线电能传输的补偿网络，其特征在于，

所述第六元件组（16）和所述功率线圈（8）串联后，具有联合电抗U，从而至少同时满足：U(A+B+C+D)+(A+C)(D+B)=0和AB≠CD两个关系式。

4.根据权利要求3所述的无线电能传输的补偿网络，其特征在于，

所述第五电抗值F与所述联合电抗U相等。

5.一种无线电能传输系统，具有发射端和接收端，其特征在于，

所述发射端包括：

功率发射线圈（81）；

权利要求1-4任一项所述的无线电能传输的补偿网络（1）；

依次连接的电源（5）、整流器（6）和逆变器（7），所述逆变器（7）连接所述补偿网络（1）；

所述功率发射线圈（81）作为功率线圈（8）的一种，连接在所述第一连接点（X）和所述第二连接点（Y）之间。

6.根据权利要求5所述的无线电能传输系统，其特征在于，

所述接收端包括：

依次连接的功率接收线圈（82）；

权利要求1-4任一项所述的无线电能传输的补偿网络（1）；

接收端整流器（4）和负载（3）；其中，

所述功率接收线圈（82）作为功率线圈（8）的一种，连接在所述第一连接点（X）和所述第二连接点（Y）之间。

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