CN111049281A - 一种可自由定位的无线充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可自由定位的无线充电系统，该系统包括发射部分和接收部分；发射部分包括市电、整流模块、高频全桥逆变模块、LCC补偿模块、发射线圈以及第三线圈；接收部分包括接收线圈、LCL/S补偿模块、整流稳压模块、滤波模块以及负载。系统的原边采用LCC补偿，以此实现原边恒流模式输出；副边可在LCL补偿及S补偿之间进行切换，在采用LCL补偿时能够实现对负载的恒流输出，在采用S补偿时能够实现对负载的恒压输出；与此同时，系统在发射部分引入了第三线圈，与发射线圈及接收线圈配合，共同实现系统的抗偏移性，从而实现系统接收线圈的自由定位。该系统能够实现接收线圈在水平方向偏移而不影响传输效果，同时通过LCL/S的可切换型补偿结构实现对电池负载的恒流及恒压充电。

Description

一种可自由定位的无线充电系统
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，具体涉及一种可自由定位的无线充电系统。
背景技术
无线电能传输(WPT)是指在没有线路互相连接的条件下进行的能量传输过程，其在电源侧和负载之间没有机械接触，能够实现电气隔离，且具有维护成本低、可靠性高、能够在恶劣环境中稳定运行的优点。无线电能传输技术已广泛应用于生物医学植入物、消费类电子产品、电动汽车等领域，对人类的日常生活带来了极大的便利。
无线电能传输主要有电磁感应方式、共振磁耦合方式以及微波方式等。在这其中，共振磁耦合方式的无线电能传输以其极大的优势，深受广大研究者的青睐。共振磁耦合方式的无线电能传输系统主要由发射部分以及接收部分组成。其中发射部分包括发射电路以及发射线圈等，接收部分包括接收线圈以及负载电路等。
对于电池这一类负载，其充电需要遵循三段式充电的原则，否则容易对电池造成损坏。因此当采用无线电能传输方式对电池进行充电时，需要考虑实现电池的三段式充电，如何减少电池性负载的损害。
一般情况下，发射线圈以及接收线圈会绕制成相同尺寸的平面螺旋型线圈。但是，在实际情况中，接收端的位置并不是固定的，其相对于发射端一般都会有一定程度的偏移，而由于平面螺旋型线圈周围的磁场分布是十分不均匀的，接收端的偏移将会引起互感量的变化，从而使系统的传输效率显著地降低。因此，需要考虑提高系统线圈的抗偏移特性。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种可自由定位的无线充电系统，通过对线圈的重新设计，实现系统的抗偏移性，从而实现系统的自由定位；同时通过接收部分在LCL补偿与S补偿之间的切换，实现蓄电池的三段式充电，防止对蓄电池的损害。
本发明提供如下技术方案：
一种可自由定位的无线充电系统，该系统用于对蓄电池的三段式充电，第一阶段为恒流阶段；第二阶段为恒压阶段；第三阶段为涓流阶段，该系统包括发射部分和接收部分；所述发射部分包括依次连接的市电、整流模块、高频全桥逆变模块、LCC补偿模块、发射线圈以及第三线圈；所述接收部分包括依次连接的接收线圈、LCL/S补偿模块、整流稳压模块、滤波模块以及负载。
在本发明的技术方案中，该系统的发射部分采用LCC拓扑的补偿方式，通过该拓扑能够实现原边的恒流输出。
在本发明的技术方案中，该系统的接收部分采用LCL/S可切换型的拓扑进行补偿；当副边处于LCL补偿时，系统能够实现对负载的恒流输出，实现三段式充电中的恒流阶段；当副边处于串联S补偿时，系统能够实现对负载的恒压输出，实现三段式充电中的恒压阶段。
在本发明的技术方案中，第三线圈与发射线圈反向连接，并放置于发射线圈的中间部分。
在本发明的技术方案中，该系统的发射线圈以及接收线圈皆采用矩形绕制方式，并在转角处以圆弧代替；第三线圈采用圆形绕制。
该系统的线圈设计方法如下：
(1)确定系统的工作频率、线径、发射线圈以及接收线圈边长、第三线圈直径；
(2)确定传输距离以及目标的互感值；从发射线圈与接收线圈都只绕制1匝开始，计算互感值MPS，若MPS符合要求，则令第三线圈的匝数为1，计算互感值MTS，若MTS符合要求，则将此情况下的参数进行记录，若MTS不符合要求，将第三线圈的匝数加1，继续计算MTS，直至MTS符合要求或第三线圈的匝数无法再增加，此时将发射线圈的匝数加1，并将接收线圈的匝数重置为1；若MPS不符合要求，则将接收线圈的匝数增加1，再次计算互感值MPS，如此往复，直至接收线圈的匝数不能够继续增加，此时同样将发射线圈的匝数加1，并将接收线圈的匝数重置为1，继续重复上述步骤；
(3)通过上述步骤能够获得共n种第三线圈直径为d的条件下符合要求的情况，在这n种情况中挑出最佳的结果，并重新做好记录；
(4)此后使第三线圈的直径减小Δd，继续进行上述步骤；
(5)最终能够获得m种最佳结果，在这m种最佳结果中挑选出最优结果，如此便可得到在目标条件下的最佳参数配置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：系统的原边采用LCC补偿，以此实现原边恒流模式输出，使发射线圈能够产生稳定的磁场；副边可在LCL补偿及S补偿之间进行切换，在采用LCL补偿时能够实现对负载的恒流输出，在采用S补偿时能够实现对负载的恒压输出，以此有利于对电池性负载的充电；与此同时，系统在发射部分引入了第三线圈，与发射线圈及接收线圈配合，共同实现系统的抗偏移性，从而实现系统接收线圈的自由定位。该系统能够实现接收线圈在水平方向偏移而不影响传输效果，同时通过LCL/S的可切换型补偿结构实现对电池负载的恒流及恒压充电。
附图说明
图1是本发明可自由定位的无线充电系统的系统结构示意图。
图2是三段式充电过程中的电压电流曲线示意图。
图3是本发明可自由定位的无线充电系统的系统整体拓扑示意图。
图4是LCC-LCL补偿的简化电路图。
图5是LCC-S补偿的简化电路图。
图6是本发明可自由定位的无线充电系统的线圈结构示意图。
图7是为图6的俯视图。
图8是本系统中线圈的等效电路图。
图9是本系统中线圈设计的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
图1为本发明可自由定位的无线充电系统的系统结构示意图，该系统包括发射部分1和接收部分2；其中，发射部分1包括依次连接的市电11、整流模块12、高频全桥逆变模块13、LCC补偿模块14、发射线圈15以及第三线圈16；接收部分2包括依次连接的接收线圈25、LCL/S补偿模块24、整流稳压模块23、滤波模块22以及负载21。
对于共振磁耦合方式的无线电能传输，其原边与副边主要通过高频的交变磁场进行耦合，以此实现能量的传递。为了使能量的传递过程更加稳定可靠，需要耦合的磁场保持稳定，因此这要求流过发射线圈的电流恒定。基于此，本可自由定位的无线充电系统的原边采用LCC拓扑的补偿方式，以此实现原边的恒流输出，进而实现磁场的稳定。
对于蓄电池，其充电过程需要满足三段式充电。三段式充电过程中的电压电流曲线示意图如图2所示。三段式充电过程主要分为三个阶段：第一阶段为恒流阶段，在此阶段中流经蓄电池的电流保持恒定，电量快速增加，蓄电池的电压上升；第二阶段为恒压阶段，在此阶段中蓄电池两端的电压保持恒定，电量继续增加，蓄电池的电压缓慢上升，流经蓄电池的电流下降；第三阶段为涓流阶段，当蓄电池充满时，充电电流将下降到低于浮充转换电流，充电器充电电压降低到浮充电压并保持为浮充电压。
为了实现对蓄电池的三段式充电，本系统的副边采用LCL/S补偿，即补偿可以在LCL补偿以及S补偿之间进行切换。当副边处于LCL补偿时，系统能够实现对负载的恒流输出，实现三段式充电中的恒流阶段；当副边处于串联(S)补偿时，系统能够实现对负载的恒压输出，实现三段式充电中的恒压阶段。两种补偿方式互相切换，能够共同实现对电池性负载的三段式充电，防止对电池性负载的损害。整个系统的整体拓扑示意图如图3所示。
当系统需要进行恒流模式充电时，将开关S1断开，并将开关S2闭合，此时系统处于LCC-LCL补偿模式，其简化的电路示意图如图4所示。对该电路列写网孔电流方程如下：
Figure BDA0002331640120000061
求解上述方程组，可以得到：
Figure BDA0002331640120000062
从上述结果可以看出，流经发射线圈的电流以及流经负载的电流都不会随着负载的改变而改变，因此能够实现磁场的稳定，同时实现对蓄电池的恒流充电。
当系统需要进行恒压模式充电时，将开关S1闭合，并将开关S2断开，此时系统处于LCC-S补偿模式，其简化的电路示意图如图5所示。对该电路列写网孔电流方程如下：
Figure BDA0002331640120000071
求解上述方程组，可以得到：
Figure BDA0002331640120000072
此时负载两端的电压UO为：
UO＝IORL＝ω2(MPS-MTS)CfUP
从上述结果可以看出，此时负载两端的电压不会随着负载的改变而改变，因此能够实现对蓄电池的恒压充电。
图6是本发明可自由定位的无线充电系统的线圈结构示意图，图7是线圈结构俯视图，其特点是：对比传统的无线电能传输系统，引入了第三线圈，第三线圈与特殊设计的发射线圈反向连接，并放置于发射线圈的中间部分，这样的设计能够大大提高无线充电系统的抗偏移特性，使系统的接收部分停靠于系统发射部分上方的任何位置都能够保证无线充电系统的能量传输效果，从而实现了无线充电系统的自由定位。该线圈设计方式的等效电路图如图8所示。根据基尔霍夫定理，可以列写出方程组如下：
Figure BDA0002331640120000073
在这其中，令：
LPe＝LP+LT-2MPT
Me＝MPS-MTS
则方程组可变形为：
Figure BDA0002331640120000081
当接收线圈发生偏移时，会引起互感MPS和MTS的变化，如果在这一变换过程中互感MPS和MTS的变化量相同，则能够保持Me＝MPS-MTS的不变，如此便可以在接收线圈发生偏移时保证无线充电系统的传输效果，从而提高系统的抗偏移性，进而实现自由定位。
该系统的特殊设计的发射线圈15以及特殊设计的接收线圈25皆采用矩形绕制方式，并在转角处以圆弧代替，减小磁场的突变；第三线圈16与发射线圈15反向链接，这种特殊设计利于大大提高无线充电系统的抗偏移特性，第三线圈16采用圆形绕制，并提出了一套完整的线圈设计过程，通过这一过程能够根据需求设计出一套发射线圈、接收线圈以及第三线圈的各类参数，线圈的设计流程图如图9所示。
首先确定系统的工作频率、线径、发射线圈以及接收线圈边长、第三线圈直径；其次确定传输距离以及目标的互感值；从发射线圈与接收线圈都只绕制1匝开始，计算互感值MPS，若MPS符合要求，则令第三线圈的匝数为1，计算互感值MTS，若MTS符合要求，则将此情况下的参数进行记录，若MTS不符合要求，将第三线圈的匝数加1，继续计算MTS，直至MTS符合要求或第三线圈的匝数无法再增加，此时将发射线圈的匝数加1，并将接收线圈的匝数重置为1；若MPS不符合要求，则将接收线圈的匝数增加1，再次计算互感值MPS，如此往复，直至接收线圈的匝数不能够继续增加，此时同样将发射线圈的匝数加1，并将接收线圈的匝数重置为1，继续重复上述步骤。通过上述步骤能够获得共n种第三线圈直径为d的条件下符合要求的情况，在这n种情况中挑出最佳的结果，并重新做好记录。此后使第三线圈的直径减小Δd，继续进行上述步骤。最终能够获得m种最佳结果，在这m种最佳结果中挑选出最优结果，如此便可得到在目标条件下的最佳参数配置。以此达到自由定位的效果。
本发明的无线充电系统，其发射部分1采用LCC拓扑的补偿方式，通过该拓扑能够实现原边的恒流输出，使其产生稳定的磁场，有利于发射部分1与接收部分2的磁场耦合，实现更好的无线能量传输效果。接收部分2采用LCL/S可切换型的拓扑进行补偿，当副边处于LCL补偿时，系统能够实现对负载的恒流输出，实现三段式充电中的恒流阶段；当副边处于串联S补偿时，系统能够实现对负载的恒压输出，实现三段式充电中的恒压阶段。两种补偿方式互相切换，能够共同实现对电池性负载的三段式充电，防止对电池性负载的损害。
该系统的发射部分1对比传统的无线电能传输系统，引入了第三线圈16，第三线圈16与特殊设计的发射线圈15反向连接，并放置于发射线圈15的中间部分，这样的设计能够大大提高无线充电系统的抗偏移特性，使系统的接收部分2停靠于系统发射部分上方的任何位置都能够保证无线充电系统的能量传输效果，从而实现了无线充电系统的自由定位。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种可自由定位的无线充电系统，该系统用于对蓄电池的三段式充电，第一阶段为恒流阶段；第二阶段为恒压阶段；第三阶段为涓流阶段，其特征在于：该系统包括发射部分(1)和接收部分(2)；所述发射部分(1)包括依次连接的市电(11)、整流模块(12)、高频全桥逆变模块(13)、LCC补偿模块(14)、发射线圈(15)以及第三线圈(16)；所述接收部分(2)包括依次连接的接收线圈(25)、LCL/S补偿模块(24)、整流稳压模块(23)、滤波模块(22)以及负载(21)。
2.根据权利要求1所述的一种可自由定位的无线充电系统，其特征在于：该系统的发射部分(1)采用LCC拓扑的补偿方式，通过该拓扑能够实现原边的恒流输出。
3.根据权利要求1所述的一种可自由定位的无线充电系统，其特征在于：该系统的接收部分(2)采用LCL/S可切换型的拓扑进行补偿；当副边处于LCL补偿时，系统能够实现对负载的恒流输出，实现三段式充电中的恒流阶段；当副边处于串联S补偿时，系统能够实现对负载的恒压输出，实现三段式充电中的恒压阶段。
4.根据权利要求1所述的一种可自由定位的无线充电系统，其特征在于：第三线圈(16)与发射线圈(15)反向连接，并放置于发射线圈(15)的中间部分。
5.根据权利要求4所述的一种可自由定位的无线充电系统，其特征在于：该系统的发射线圈(15)以及接收线圈(25)皆采用矩形绕制方式，并在转角处以圆弧代替；第三线圈(16)采用圆形绕制。
6.根据权利要求4所述的一种可自由定位的无线充电系统，其特征在于：该系统的线圈设计方法如下：
(1)确定系统的工作频率、线径、发射线圈以及接收线圈边长、第三线圈直径；
(2)确定传输距离以及目标的互感值；从发射线圈与接收线圈都只绕制1匝开始，计算互感值MPS，若MPS符合要求，则令第三线圈的匝数为1，计算互感值MTS，若MTS符合要求，则将此情况下的参数进行记录，若MTS不符合要求，将第三线圈的匝数加1，继续计算MTS，直至MTS符合要求或第三线圈的匝数无法再增加，此时将发射线圈的匝数加1，并将接收线圈的匝数重置为1；若MPS不符合要求，则将接收线圈的匝数增加1，再次计算互感值MPS，如此往复，直至接收线圈的匝数不能够继续增加，此时同样将发射线圈的匝数加1，并将接收线圈的匝数重置为1，继续重复上述步骤；
(3)通过上述步骤能够获得共n种第三线圈直径为d的条件下符合要求的情况，在这n种情况中挑出最佳的结果，并重新做好记录；
(4)此后使第三线圈的直径减小Δd，继续进行上述步骤；
(5)最终能够获得m种最佳结果，在这m种最佳结果中挑选出最优结果，如此便可得到在目标条件下的最佳参数配置。
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