CN111953083A - 一系列用于无线电能传输系统的可抗偏移耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一系列用于无线电能传输系统的可抗偏移耦合器，属于发电、变电或配电的技术领域。在耦合器线圈发生偏移时，该系列抗偏移耦合器的等效自感和互感系数波动范围均较小，适用于各种无线电能传输场合。该系列抗偏移耦合器包括第一原边线圈、第二原边线圈、第一副边线圈、第二副边线圈、原边补偿电容和副边补偿电容。该系列抗偏移耦合器利用线圈之间的互感特性，通过合理设计线圈耦合异名端和互感参数，实现了在偏移过程中耦合器等效自感和互感系数波动范围较小，可用于任何补偿拓扑以及构建抗偏移无线电传输系统，并且，该系列可抗偏移耦合器四个线圈可以集成设计，不增加额外的体积。

Description

一系列用于无线电能传输系统的可抗偏移耦合器

技术领域

本发明公开了一系列用于无线电能传输系统的可抗偏移耦合器，涉及无线电 能传输技术，属于发电、变电或配电的技术领域。

背景技术

无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)因供电端和受电端之间没有电气和机械连接使用方便且安全可靠。目前，感应式无线电能传输(Inductive PowerTransfer,IPT)技术是应用最广的WPT技术。

IPT通过松耦合变压器来传输能量，在一些应用中，IPT变换器的原、副边 线圈不可避免地出现偏移，从而改变互感系数，造成输出电压或电流出现较大波 动，并降低传输效率。为了保证IPT系统能够在偏移情况下输出稳定功率，现有 的研究方案主要分为三类：1、从控制角度提出一些控制策略，但这些控制策略 需要额外的闭环控制器或射频通信或DC-DC变换器，增加了系统的成本和体积， 并降低了系统的效率；2、从耦合器角度提出一系列耦合器设计，如DD型、DDQ 型和BP型，使得这些耦合器在线圈某个偏移方向下自身的自感系数和互感系数 相对波动较小，但难以满足其它方向的偏移；3、从补偿网络角度研究具有抗偏 移特性的补偿拓扑，但单个补偿网络的抗偏移能力相当有限。

综上，目前的IPT系统的抗偏移能力相对较弱，并且不具有普适性。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一系列用于无线电能 传输系统的可抗偏移耦合器，通过合理的线圈耦合异名端和互感参数设计，实现 了在较大的偏移量下耦合器等效自感和互感系数波动较小，可适用于任意的补偿 网络，从而构建各种输出需求的可抗偏移IPT系统，解决了现有IPT系统抗偏移 能力相对较弱且不具有普适性的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一系列用于无线电能传输系统的可抗偏移耦合器，包括：第一原边线圈、第 二原边线圈、第一副边线圈、第二副边线圈、原边补偿电容和副边补偿电容。

第一原边线圈的两端为可抗偏移耦合器的原边输入端，第一副边线圈的两端 为可抗偏移耦合器的副边输出端。原边补偿电容的两极分别与第二原边线圈的两 端连接，副边补偿电容的两极分别与第二副边线圈的两端连接。

为了减小可抗偏移耦合器体积，可抗偏移耦合器通过集成线圈耦合变压器来 实现，第一原边线圈、第二原边线圈、第一副边线圈和第二副边线圈共用一组磁 芯结构。在耦合器正对无偏移下，第一原边线圈与第一副边线圈、第二原边线圈 与第二副边线圈为两组同轴线圈，第一原边线圈与第二原边线圈、第一副边线圈 与第二副边线圈为两组交叠线圈，第一原边线圈与第二副边线圈、第一副边线圈 与第二原边线圈为两组交叉线圈。可抗偏移耦合器在不同偏移量下同轴线圈互感 M_PS和M_AB满足M_PS≈M_AB，交叠线圈互感M_PA和M_SB满足乘积近似恒定，即为 定值M_PAM_SB，交叉线圈互感M_PB和M_SA可忽略不计。可抗偏移耦合器两组同轴 线圈耦合以及两组交叠线圈耦合中存在奇数个异名端互感线圈。

由此，在系统工作的角频率

下，根据基尔霍夫电压定律， 可抗偏移耦合器原边自感等效为L_Peq＝L_P，副边自感等效为L_Seq＝L_S，耦合器互 感等效为

可抗偏移耦合器的等效互感与线圈互感M_PS、M_AB、M_PA和M_SB关系为：

M_eq为互感M_PS的函数，设可抗偏移耦 合器正对无偏差时的同轴线圈的互感为M_{PS_align}和M_{AB_align}，此时耦合器等效互 感为

设可抗偏移耦合器偏移最大时同轴线圈的互感 为M_{PS_min}和M_{AB_min}，此时耦合器等效互感为

设可抗偏移耦合器等效互感最小时同轴线圈的互感分别为M_{PS_mid}和M_{AB_mid}，此 时可抗偏移耦合器同轴线圈互感

耦合器等效互感为

联立上面三式，可求得在耦合器等效互感允 许的波动范围±α(百分比)内，耦合器在线圈正对无偏差情况下同轴线圈和交叠 线圈的互感满足

其中，ω为系统 工作的角频率，L_P为第一原边线圈自感的感值，L_S为第一副边线圈自感的感值， L_A为第二原边线圈自感的感值，L_B为第二副边线圈自感的感值，C_A为原边补偿 电容的容值，C_B为副边补偿电容的容值。

可抗偏移耦合器的等效自感为L_Peq＝L_P、L_Seq＝L_S，等效互感M_eq为：

且在较大的偏移量下耦合器等效自感和互感系数波动较 小，可用于构建恒流或恒压输出的可抗偏移IPT系统。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明提出了一系列用于无线电能传输系统的可抗偏移耦合器，合理 设计两组同轴线圈和两组交叠线圈的异名端，并根据不同偏移情形下耦合器等效 电感与同轴线圈互感的关系，确定等效互感允许波动范围内同轴线圈互感与交叠 线圈互感的数值关系，实现较大的偏移量下耦合器等效自感和互感系数波动较小。

(2)本发明提出的一系列用于无线电能传输系统的可抗偏移耦合器，通过 多种异名端互感线圈设计实现了一系列较大偏移量下耦合器等效自感和互感系 数波动较小的可抗偏移耦合器，可适用于各种补偿网络以及构建抗偏移无线电传 输系统，从而构建各种输出需求的可抗偏移IPT系统，该方法具有普适性。此外， 该系列可抗偏移耦合器四个线圈可以集成设计，不增加额外的体积。

附图说明

图1是可抗偏移耦合器系列之一的拓扑结构图。

图2(a)至图2(h)是一系列可抗偏移耦合器线圈耦合异名端设计图。

图3是该系列可抗偏移耦合器的等效电路图。

图4是可抗偏移耦合器等效互感M_eq随线圈互感M_PS变化曲线图。

图5是可抗偏移耦合器各线圈互感随X轴偏移的变化曲线图。

图6是可抗偏移耦合器等效自感和互感系数随X轴偏移的变化曲线图。

图中标号说明：L_P为第一原边线圈自感的感值，L_S为第一副边线圈自感的 感值，L_A为第二原边线圈自感的感值，L_B为第二副边线圈自感的感值，C_A为原 边补偿电容的容值，C_B为副边补偿电容的容值。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明公开的可抗偏移耦合器系列之一的拓扑结构如图1所示，包括第一原 边线圈L_P、第二原边线圈L_A、第一副边线圈L_S、第二副边线圈L_B、原边补偿电 容C_A和副边补偿电容C_B。

第一原边线圈L_P的两端为可抗偏移耦合器的原边输入端，第一副边线圈L_S的两端为可抗偏移耦合器的副边输出端。原边补偿电容C_A的两极分别与第二原 边线圈L_A的两端连接，副边补偿电容C_B的两极分别与第二副边线圈L_B的两端连 接。

图2为一系列可抗偏移耦合器线圈耦合异名端设计图。图2(a)至图2(d) 对应于两组同轴线圈以及两组交叠线圈中有一组线圈为异名端互感线圈，分别是 第一副边线圈L_S与第二副边线圈L_B异名互感、第一原边线圈L_P与第二原边线圈 L_A异名互感、第二原边线圈L_A与第二副边线圈L_B异名互感、第一原边线圈L_P与 第一副边线圈L_S异名互感；图2(e)至图2(h)对应于两组同轴线圈以及两组 交叠线圈中有三组线圈为异名互感线圈，图2(e)表示除了第一副边线圈L_S与 第二副边线圈L_B这组互感线圈以外的其它三组互感线圈均为异名互感线圈，图2 (f)表示除了第一原边线圈L_P与第二原边线圈L_A这组互感线圈以外的其它三组互感线圈均为异名互感线圈，图2(g)表示除了第二原边线圈L_A与第二副边线 圈L_B这组互感线圈以外的其它三组互感线圈均为异名互感线圈，图2(h)表示 除了第一原边线圈L_P与第一副边线圈L_S这组互感线圈以外的其它三组互感线圈 均为异名互感线圈。

图3为该系列可抗偏移耦合器的等效电路图。在不同偏移量下耦合器等效自 感L_Peq、L_Seq为：L_Peq＝L_P、L_Seq＝L_S，等效互感M_eq为：

波动较小，具有良好的抗偏移能力，可用于构建恒流或恒压输出的可抗偏移IPT 系统。

图4为可抗偏移耦合器等效互感M_eq随线圈互感M_PS变化的曲线图。由图可 知，当线圈互感M_PS在偏移范围内变化时，耦合器等效互感M_eq波动较小，并且， 耦合器等效互感M_eq随线圈互感M_PS的减小呈现先减小后增大的趋势，当线圈互 感M_PS减小超出偏移范围，耦合器等效互感M_eq呈指数上升，其中，M_{PS_align}为 耦合器无偏差时对应的同轴线圈互感值，M_{PS_min}为耦合器偏移最大时对应的同 轴线圈互感值，M_{PS_mid}为耦合器等效互感最小值时对应的同轴线圈互感值。

图5为可抗偏移耦合器线圈互感随耦合器X轴偏移的变化曲线。耦合器线 圈之间的交叉耦合互感M_PB和M_SA可以忽略不计，X轴方向上不同偏移量下的同 轴线圈互感满足M_PS≈M_AB，交叠线圈互感满足乘积近似为定值M_PAM_SB。

图6为可抗偏移耦合器等效线圈自感和互感随X轴偏移的变化曲线。由图 可知，随X轴偏移距离变化，可抗偏移耦合器的原边等效自感在325uH左右波 动，副边等效自感在160uH左右波动，线圈等效互感范围为80～90uH，可抗偏 移耦合器的自感和互感参数随X轴偏移变化不明显，具有良好的抗偏移能力。

Claims (7)

1.一系列用于无线电能传输系统的可抗偏移耦合器，其特征在于，包括：共用一组磁芯结构的第一原边线圈、第二原边线圈、第一副边线圈、第二副边线圈，以及原边补偿电容、副边补偿电容，第一原边线圈的两端构成可抗偏移耦合器的原边输入端口，第一副边线圈的两端构成可抗偏移耦合器的副边输出端口，原边补偿电容与第二原边线圈串接形成原边回路，副边补偿与第二副边线圈串接形成副边回路，共用一组磁芯结构的四个线圈在耦合器正对无偏移下形成两组同轴线圈以及两组交叠线圈，所述两组同轴线圈以及两组交叠线圈包含奇数对异名端互感线圈，所述同轴线圈互感值与交叠线圈互感值的约束关系根据可抗偏移耦合器等效互感允许波动范围内耦合器等效互感与同轴线圈的数值关系确定。

2.根据权利要求1所述一系列用于无线电能传输系统的可抗偏移耦合器，其特征在于，所述两组同轴线圈以及两组交叠线圈有一组线圈为异名端互感线圈。

3.根据权利要求1所述有一组线圈一系列用于无线电能传输系统的可抗偏移耦合器，其特征在于，所述两组同轴线圈以及两组交叠线圈有三组线圈为异名端互感线圈。

4.根据权利要求1所述一系列用于无线电能传输系统的可抗偏移耦合器，其特征在于，所述同轴线圈互感值与交叠线圈互感值的约束关系为：

M_{PS_align}为可抗偏移耦合器正对无偏差时的第一原边线圈与第一副边线圈组成的同轴线圈的互感值，M_{AB_align}为可抗偏移耦合器正对无偏差时的第二原边线圈与第二副边线圈组成的同轴线圈的互感值，M_PA为第一原边线圈与第二原边线圈的互感值，M_SB为第一副边线圈与第二副边线圈的互感值，±α％为可抗偏移耦合器等效互感允许波动的范围。

5.根据权利要求2所述一系列用于无线电能传输系统的可抗偏移耦合器，其特征在于，第一副边线圈与第二副边线圈为异名端互感线圈，或，第一原边线圈与第二原边线圈为异名端互感线圈，或，第二原边线圈与第二副边线圈为异名端互感线圈，或，第一原边线圈与第一副边线圈为异名端互感线圈。

6.根据权利要求3所述一系列用于无线电能传输系统的可抗偏移耦合器，其特征在于，仅第一副边线圈与第二副边线圈为同名端互感线圈，或，仅第一原边线圈与第二原边线圈为同名端互感线圈，或，仅第二原边线圈与第二副边线圈为同名端互感线圈，或，仅第一原边线圈与第一副边线圈为同名端互感线圈。

7.根据权利要求4所述一系列用于无线电能传输系统的可抗偏移耦合器，其特征在于，获得所述同轴线圈互感值与交叠线圈互感值的约束关系的方法为：联立可抗偏移耦合器正对无偏差时耦合器等效互感与同轴线圈互感的数值关系、可抗偏移耦合器偏移最大时耦合器等效互感与同轴线圈互感的数值关系、可抗偏移耦合器等效互感最小时耦合器等效互感与同轴线圈互感的数值关系解得，可抗偏移耦合器正对无偏差时耦合器等效互感与同轴线圈互感的数值关系为

可抗偏移耦合器偏移最大时耦合器等效互感与同轴线圈互感的数值关系为

可抗偏移耦合器等效互感最小时耦合器等效互感与同轴线圈互感的数值关系为

此时同轴线圈互感

M_{eq_ref}为耦合器等效互感，M_{PS_min}为可抗偏移耦合器偏移最大时第一原边线圈与第一副边线圈组成的同轴线圈的互感值，M_{PS_mid}为可抗偏移耦合器等效互感最小值时第一原边线圈与第一副边线圈组成的同轴线圈的互感值。

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