CN111525708A - 一种基于多线圈切换控制的s-s拓扑广域无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于多线圈切换控制的S‑S拓扑广域无线充电系统。所述系统包括：电压源、工频整流单元、逆变单元、谐振电容C_p、开关阵列、接收线圈Ls、副边整流单元、副边DCDC单元、负载电阻R_L和发射线圈。本发明大幅减小了在大范围的充电区域内，保证任意位置的互感平稳性，大幅解决了接收线圈位置随机性带来的效率和传输功率降低的问题。本发明采用大线圈时，互感最小处相比于最大处降低了27.5％，而采用2*2发射线圈阵列，互感最小处仅比最大处降低5.1％。本发明可以实现在相对于接收线圈尺寸的大范围内，既消除传输效率的低谷，同时简化线圈切换控制结构。

Description

一种基于多线圈切换控制的S-S拓扑广域无线充电系统

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，是一种基于多线圈切换控制的S-S拓扑广域无线充电系统。

背景技术

现有的使用多小线圈替代大发射线圈的切换式多发射线圈阵列，如图1所示，以解决在接收线圈中心位置相对于发射线圈中心位置存在偏移时，出现的效率降低问题。其优点是：在相同的圆形范围内，将原来的一个效率峰值点，优化成7个效率峰值点，原因是同尺寸的线圈，在正对时效率最高。

该方案存在的问题是，当接收线圈位置处于两个或三个小发射线圈中间时，会出现效率低谷，如图2所示，因此无法解决接收线圈范围内的位置随机性带来的效率低谷问题，线圈的数量也决定了其控制系统的复杂度，增加了系统的成本。

现有的一种多线圈阵列的系统，如图3所示，通过设置发射线圈的尺寸以配合接收线圈，使得当接收线圈位于充电区域的任意一点时，至少有一个发射线圈落在接收线圈的俯视平面范围内，通过开关切换使得对应的一个发射线圈导通进行充电。其优点是：解决了接收线圈位置随机性带来的效率低谷问题。

该方案存在的问题是，在相对于接收线圈尺寸较大的一个充电区域内，该系统需要布置紧密排布的大量发射线圈，同时带来的是对应大量的补偿网络和复杂的切换控制结构；而且，为了在减小单个发射线圈尺寸的同时达到相应的互感要求，需要大量增加发射线圈的匝数，也因此需要缠绕多层线圈，如图4所示，从而增加了发射线圈阵列的高度。现有无线充电的接收线圈位置处于紧密排布的多小发射线圈中间时，会出现效率低谷。采用减小单个发射线圈尺寸以应对效率低谷的方法，若想得到相对接收线圈尺寸较大的一个充电范围，将会严重增加系统复杂度。

发明内容

本发明为提升无线充电效率，本发明提供了一种基于多线圈切换控制的S-S拓扑广域无线充电系统，本发明提供了以下技术方案：

一种基于多线圈切换控制的S-S拓扑广域无线充电系统，所述系统包括：电压源、工频整流单元、逆变单元、谐振电容C_p、开关阵列、接收线圈Ls、副边整流单元、副边DCDC单元、负载电阻R_L和发射线圈；

所述工频整流单元包括二极管D₁、D₂、D₃和D₄以及电容C₁，逆变单元包括开关管Q_p1、Q_p2、Q_p3和Q_p4，所述开关阵列包括开关S_r1和S_r2，开关S_l1和S_l2，所述发射线圈包括电感L₁₁、L₁₂、L₂₁和L₂₂,副边整流单元包括电容C_S以及开关管Q_S1、Q_S2、Q_S3和Q_S4,副边DCDC单元包括开关管Q_D1、开关管Q_D2、电容C₂和电感L₂；

所述电压源一端连接二极管D₁的一端，所述二极管D₁的另一端连接二极管D₃的一端，二极管D₃的一端连接电容C₁的一端，所述电压源的另一端连接二极管D₄的一端，二极管D₄的另一端连接电容C₁的另一端，二极管D₁的一端连接二极管D₂的一端，二极管D₂另一端连接电容C₁的另一端，二极管D₃的另一端连接二极管D₄的一端；

电容C₁的一端连接开关管Q_p1的一端，开关管Q_p1的另一端连接开关管Q_p2的一端，开关管Q_p2的另一端连接电容C₁的另一端，开关管Q_p1的一端连接开关管Q_p3的一端，开关管Q_p3的另一端连接开关管Q_p4的一端，开关管Q_p4的另一端连接开关管Q_p2的另一端；

开关管Q_p1的另一端连接谐振电容C_p的一端，谐振电容C_p的另一端连接开关S_r1的一端，开关管Q_p4的一端连接开关S_r2的一端，谐振电容C_p的另一端连接开关S_l1和S_l2的一端，开关S_r1的另一端连接电感L₁₁和L₁₂的一端，电感L₁₁的另一端连接开关S_l1的另一端，电感L₂₁的一端连接开关S_r2的另一端，电感L₂₁的另一端连接开关S_l1的另一端，开关S_r2的另一端连接电感L₂₂的一端，电感L₂₂的另一端连接开关S_l2的另一端，电感L₁₂另一端连接开关S_l2的另一端；

接收线圈Ls的一端连接电容C_S的一端，电容C_S另一端连接开关管Q_S1的一端，开关管Q_S1的另一端连接开关管Q_S3的一端，开关管Q_S3的另一端连接开关管Q_S4的一端，开关管Q_S4的另一端连接开关管Q_S2的一端，开关管Q_S2的另一端连接开关管Q_S1的一端，接收线圈Ls的另一端连接开关管Q_S4的一端；

开关管Q_S3的一端连接开关管Q_D1的一端，开关管Q_D1的另一端连接电感L₂的一端，电感L₂的另一端连接电容C₂和负载电阻R_L的一端，开关管Q_D1的另一端连接开关管Q_D2的一端，开关管Q_D2、电容C₂和负载电阻R_L的另一端连接开关管Q_S4的另一端。

优选地，所述电压源采用220伏交流电压源。

优选地，确定输入阻抗，通过下式表示输入阻抗：

其中，Z_in为输入阻抗，U_s为逆变输出电压，I₁为发射线圈的电流，R_s'为接收线圈的电阻与电压源的内阻和，ω为电流频率，M为互感，R₂'为接收线圈电阻和复杂电阻和；

逆变输出电压U_s不变时，确定逆变单元的输出电流，通过下式表示逆变单元的输出电流：

其中，I₀为逆变单元的输出电流，选取逆变单元的输出电流最小的作为最佳充电线圈。

本发明具有以下有益效果：

本发明大幅减小了在大范围的充电区域内，保证任意位置的互感平稳性，大幅解决了接收线圈位置随机性带来的效率和传输功率降低的问题。本发明采用大线圈时，互感最小处相比于最大处降低了27.5％，而采用2*2发射线圈阵列，互感最小处仅比最大处降低5.1％。本发明可以实现在相对于接收线圈尺寸的大范围内，既消除传输效率的低谷，同时简化线圈切换控制结构。

本发明减小了切换控制系统的复杂度，用较少的线圈即可获得较大范围的充电区域，这个范围是相对于接收线圈尺寸而言的较大范围，重叠排布的线圈最厚处只有四层，而且可以根据需要扩展为i行*j列的线圈阵列。本发明大幅减小了广域无线充电系统的成本，不论线圈阵列数量多少，本发明仅需使用一个逆变源即可。

附图说明

图1是使用多小线圈替代大发射线圈的切换式多发射线圈阵列图；

图2是传输效率图；

图3是一种多线圈阵列的系统结构图；

图4是发射线圈的匝数图；

图5是基于多线圈切换控制的S-S拓扑广域无线充电系统电路图；

图6是基于多线圈切换控制的S-S拓扑广域无线充电系统结构图；

图7是MOS管以图腾柱输出式光耦驱动电路图；

图8是单元线圈绕制图；

图9是S-S谐振拓扑；

图10是基于多线圈切换控制的S-S拓扑广域无线充电系统传输效率图，图10-(a)为采用一个大的发射线圈时，互感随接收线圈偏移的变化情况，图10-(b)为在同等面积下采用2*2发射线圈阵列，互感随接收线圈位置的变化情况。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

根据图6所示，本发明提供一种基于多线圈切换控制的S-S拓扑广域无线充电系统，所述系统包括：电压源、工频整流单元、逆变单元、谐振电容C_p、开关阵列、接收线圈Ls、副边整流单元、副边DCDC单元、负载电阻R_L和发射线圈；

根据图5所示，所述工频整流单元包括二极管D₁、D₂、D₃和D₄以及电容C₁，逆变单元包括开关管Q_p1、Q_p2、Q_p3和Q_p4，所述开关阵列包括开关S_r1和S_r2，开关S_l1和S_l2，所述发射线圈包括电感L₁₁、L₁₂、L₂₁和L₂₂,副边整流单元包括电容C_S以及开关管Q_S1、Q_S2、Q_S3和Q_S4,副边DCDC单元包括开关管Q_D1、开关管Q_D2、电容C₂和电感L₂；

所述电压源一端连接二极管D₁的一端，所述二极管D₁的另一端连接二极管D₃的一端，二极管D₃的一端连接电容C₁的一端，所述电压源的另一端连接二极管D₄的一端，二极管D₄的另一端连接电容C₁的另一端，二极管D₁的一端连接二极管D₂的一端，二极管D₂另一端连接电容C₁的另一端，二极管D₃的另一端连接二极管D₄的一端；

电容C₁的一端连接开关管Q_p1的一端，开关管Q_p1的另一端连接开关管Q_p2的一端，开关管Q_p2的另一端连接电容C₁的另一端，开关管Q_p1的一端连接开关管Q_p3的一端，开关管Q_p3的另一端连接开关管Q_p4的一端，开关管Q_p4的另一端连接开关管Q_p2的另一端；

开关管Q_p1的另一端连接谐振电容C_p的一端，谐振电容C_p的另一端连接开关S_r1的一端，开关管Q_p4的一端连接开关S_r2的一端，谐振电容C_p的另一端连接开关S_l1和S_l2的一端，开关S_r1的另一端连接电感L₁₁和L₁₂的一端，电感L₁₁的另一端连接开关S_l1的另一端，电感L₂₁的一端连接开关S_r2的另一端，电感L₂₁的另一端连接开关S_l1的另一端，开关S_r2的另一端连接电感L₂₂的一端，电感L₂₂的另一端连接开关S_l2的另一端，电感L₁₂另一端连接开关S_l2的另一端；

接收线圈Ls的一端连接电容C_S的一端，电容C_S另一端连接开关管Q_S1的一端，开关管Q_S1的另一端连接开关管Q_S3的一端，开关管Q_S3的另一端连接开关管Q_S4的一端，开关管Q_S4的另一端连接开关管Q_S2的一端，开关管Q_S2的另一端连接开关管Q_S1的一端，接收线圈Ls的另一端连接开关管Q_S4的一端；

开关管Q_S3的一端连接开关管Q_D1的一端，开关管Q_D1的另一端连接电感L₂的一端，电感L₂的另一端连接电容C₂和负载电阻R_L的一端，开关管Q_D1的另一端连接开关管Q_D2的一端，开关管Q_D2、电容C₂和负载电阻R_L的另一端连接开关管Q_S4的另一端。所述电压源采用220伏交流电压源。

系统的磁耦合机构部分由四个互相交叠排列的正方形发射线圈阵列和接收线圈及其谐振补偿网络组成，四个互相交叠的正方形线圈排列形成大的正方形充电区域，每一个发射线圈及其补偿网络分配一个逆变单元并接入直流母线。发射线圈的导通与关断由逆变单元控制。

为解决大范围内接收线圈位置随机性带来的效率问题，引入单线圈“最大偏移容忍”的概念，定义为：在发射线圈阵列中，当接收线圈与某个发射线圈中心正对为基准，当偏移量(无论X方向或Y方向)超过一定值时，存在一个相邻的发射线圈，使得该接收线圈相对于相邻发射线圈的偏移量小于该值，这个值被定义为发射线圈最大偏移容忍。设正方形充电区域总计L*L，排布阵列线圈个数为N*N，单个线圈尺寸为D*D，则对于单个线圈而言，其最大偏移容忍为：

可知，单线圈最大偏移容忍随着单个线圈尺寸的增大而减小，通过合理选择D的大小，可以保证接收线圈相对于发射线圈的偏移量永远小于Δ_T，从而消除接收线圈位置随机性带来的效率问题。

将发射线圈阵列中，位于同一行的线圈入线并联，位于同一列的出线并联，形成矩阵式开关阵列，并联后接入双向关断的MOS开关，图6给出了基础2*2阵列的开关接入方式示例，MOS管以图腾柱输出式光耦驱动，如图7所示。

基于接收线圈位于大发射线圈中间位置时，互感降低比较严重的问题，采取如图8所示，两个线圈串联的绕线方法。图中箭头表示电流流向，这种方法可以增加中间位置处的互感，但降低了边缘位置处的互感。而本发明提出的发射线圈阵列排布方式产生的“最大偏移容忍”可以避免这种绕线方式的缺点。

为确定最适合导通的发射线圈，需在充电前完成位置检测，以确定最佳充电线圈，即与接收线圈互感最大的线圈，本发明采用的S-S谐振拓扑如图9所示

确定输入阻抗，通过下式表示输入阻抗：

其中，Z_in为输入阻抗，U_s为逆变输出电压，I₁为发射线圈的电流，R_s'为接收线圈的电阻与电压源的内阻和，ω为电流频率，M为互感，R₂'为接收线圈电阻和复杂电阻和；

逆变输出电压U_s不变时，确定逆变单元的输出电流，通过下式表示逆变单元的输出电流：

其中，I₀为逆变单元的输出电流，选取逆变单元的输出电流最小的作为最佳充电线圈。

式中变量仅有互感M一个变量，且电流随着M的增加而减小，逆变单元输入电流也随之减小。因此，位置检测流程为：保持逆变单元输出电压不变，依次短时间导通各发射线圈，采样得到直流母线的电流有效值，各线圈导通完毕后，选择直流母线电流最小时对应导通的发射线圈进行充电。

如图10所示，(a)为采用一个大的发射线圈时，互感随接收线圈偏移的变化情况，(b)为在同等面积下采用2*2发射线圈阵列，互感随接收线圈位置的变化情况。

以上所述仅是一种基于多线圈切换控制的S-S拓扑广域无线充电系统的优选实施方式，一种基于多线圈切换控制的S-S拓扑广域无线充电系统的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于多线圈切换控制的S-S拓扑广域无线充电系统，其特征是：所述系统包括：电压源、工频整流单元、逆变单元、谐振电容C_p、开关阵列、接收线圈Ls、副边整流单元、副边DCDC单元、负载电阻R_L和发射线圈；

所述工频整流单元包括二极管D₁、D₂、D₃和D₄以及电容C₁，逆变单元包括开关管Q_p1、Q_p2、Q_p3和Q_p4，所述开关阵列包括开关S_r1和S_r2，开关S_l1和S_l2，所述发射线圈包括电感L₁₁、L₁₂、L₂₁和L₂₂,副边整流单元包括电容C_S以及开关管Q_S1、Q_S2、Q_S3和Q_S4,副边DCDC单元包括开关管Q_D1、开关管Q_D2、电容C₂和电感L₂；

所述电压源一端连接二极管D₁的一端，所述二极管D₁的另一端连接二极管D₃的一端，二极管D₃的一端连接电容C₁的一端，所述电压源的另一端连接二极管D₄的一端，二极管D₄的另一端连接电容C₁的另一端，二极管D₁的一端连接二极管D₂的一端，二极管D₂另一端连接电容C₁的另一端，二极管D₃的另一端连接二极管D₄的一端；

电容C₁的一端连接开关管Q_p1的一端，开关管Q_p1的另一端连接开关管Q_p2的一端，开关管Q_p2的另一端连接电容C₁的另一端，开关管Q_p1的一端连接开关管Q_p3的一端，开关管Q_p3的另一端连接开关管Q_p4的一端，开关管Q_p4的另一端连接开关管Q_p2的另一端；

开关管Q_p1的另一端连接谐振电容C_p的一端，谐振电容C_p的另一端连接开关S_r1的一端，开关管Q_p4的一端连接开关S_r2的一端，谐振电容C_p的另一端连接开关S_l1和S_l2的一端，开关S_r1的另一端连接电感L₁₁和L₁₂的一端，电感L₁₁的另一端连接开关S_l1的另一端，电感L₂₁的一端连接开关S_r2的另一端，电感L₂₁的另一端连接开关S_l1的另一端，开关S_r2的另一端连接电感L₂₂的一端，电感L₂₂的另一端连接开关S_l2的另一端，电感L₁₂另一端连接开关S_l2的另一端；

接收线圈Ls的一端连接电容C_S的一端，电容C_S另一端连接开关管Q_S1的一端，开关管Q_S1的另一端连接开关管Q_S3的一端，开关管Q_S3的另一端连接开关管Q_S4的一端，开关管Q_S4的另一端连接开关管Q_S2的一端，开关管Q_S2的另一端连接开关管Q_S1的一端，接收线圈Ls的另一端连接开关管Q_S4的一端；

开关管Q_S3的一端连接开关管Q_D1的一端，开关管Q_D1的另一端连接电感L₂的一端，电感L₂的另一端连接电容C₂和负载电阻R_L的一端，开关管Q_D1的另一端连接开关管Q_D2的一端，开关管Q_D2、电容C₂和负载电阻R_L的另一端连接开关管Q_S4的另一端。

2.根据权利要求1所述的一种基于多线圈切换控制的S-S拓扑广域无线充电系统，其特征是：所述电压源采用220伏交流电压源。

3.根据权利要求1所述的一种基于多线圈切换控制的S-S拓扑广域无线充电系统，其特征是：确定输入阻抗，通过下式表示输入阻抗：

其中，Z_in为输入阻抗，U_s为逆变输出电压，I₁为发射线圈的电流，R_s'为接收线圈的电阻与电压源的内阻和，ω为电流频率，M为互感，R₂'为接收线圈电阻和复杂电阻和；

逆变输出电压U_s不变时，确定逆变单元的输出电流，通过下式表示逆变单元的输出电流：

其中，I₀为逆变单元的输出电流，选取逆变单元的输出电流最小的作为最佳充电线圈。

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