CN112260414B - 一种使用三线圈结构提高抗偏移能力的无线电能传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用三线圈结构提高抗偏移能力的无线电能传输装置。该装置将能量从功率发生器无线传输至功率接收器，其中功率接收器设有一个接收线圈，功率发射器设有两个同轴的线圈，其中一个当作发射线圈使用，另外一个当作中继线圈使用。三个线圈分别串联一个电容进行补偿，高频逆变器对发射线圈提供交流电流，高频整流器将接收线圈接收到的交流电流转换为直流电流并对负载提供能量。本发明通过利用三线圈结构的配置可以实现无线电能传输系统在一定范围内的抗偏移能力，对提高无线电能传输系统的抗偏移能力、降低控制难度、实现软开关以及提高系统效率具有重要意义。

Description

一种使用三线圈结构提高抗偏移能力的无线电能传输装置

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术，尤其涉及一种使用三线圈结构提高无线电能传输系统抗偏移能力的装置。

背景技术

无线电能传输技术可以免去充电线的烦恼，具有安全、便捷等特点，因而被广泛应用于例如医疗设备、移动终端以及电动汽车等各种用电设备。在这些无线电能传输的应用中，不可避免的会存在功率发射器和功率接收器偏移导致的线圈耦合变化的问题。在传统的无线电能传输装置中，线圈耦合的变化会导致输出功率剧烈变化或者控制复杂、不能实现软开关等问题，而对于正在研究的动态无线电能传输的应用，例如电动汽车动态无线充电等，抗偏移能力差的装置会导致输出功率的脉动。人们希望无线电能传输装置拥有较高的容错性并且能够传输充足稳定的能量，因此，本发明提出一种使用三线圈结构的无线电能传输装置，该装置可以实现较大范围内的抗偏移能力，并提供了装置中三个线圈之间互感的设计方法以及每个线圈串联的补偿电容容值的确定方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种使用三线圈结构实现在较大范围内实现抗偏移能力的无线电能传输的装置。

本发明所述装置由功率发射器和功率接收器组成，前者将电能无线传输至后者。所述的功率发射器中设有两个同轴排布的线圈，其中一个作为发射线圈使用，另一个作为中继线圈使用，功率发射器还包含有分别补偿两个线圈的补偿电容和逆变器。所述的功率接收器中设有接收线圈，此外还包含有接收线圈的补偿电容以及整流器。

本发明提供了其中发射线圈、中继线圈以及接收线圈之间互感的设计方法，以及三个线圈串联的补偿电容容值的确定方法。本装置对应有两种典型负载，即电阻负载和电池负载，对于这两种负载，本发明给出的线圈互感的设计方法以及补偿电容的设计方法都适用。

其中，三个线圈之间的互感按照如下方法设计：

计算常数

设计发射线圈与接收线圈之间的互感

设计中继线圈与接收线圈之间的互感M₂₃与发射线圈与中继线圈之间的互感M₁₂的比值

其中，p为所设计系统最大输出功率对于正对位置处输出功率P_a的倍数，f为系统工作频率，U_i为发射线圈输入交流电压的有效值，

U_idc为输入直流电压，R_L为负载的等效交流电阻，

U_o为接收线圈输出交流电压的有效值，

U_odc为输出直流电压；

通过仿真或实验设计三个线圈的形状、大小、匝数以及位置关系使其互感匹配上述条件，并仿真计算或测量得到发射线圈、中继线圈、接收线圈的电感值L₁、L₂、L₃；

三个线圈对应的补偿电容的容值才用如下方法确定：

发射线圈补偿电容的容值

中继线圈补偿电容的容值

接收线圈补偿电容的容值

其中，ω为系统工作频率f对应的角频率，ω＝2πf。

本发明的有益效果是：

采用本发明的三线圈结构的设计，通过三个线圈的互相耦合，可大大提高无线电能传输装置在较大范围内的抗偏移特性，简化了偏移时的控制方法，在偏移时也能实现软开关，提高了无线电能传输系统的效率。并且，本发明给出了三个线圈的互感的设计方法以及三个补偿电容容值的计算方法，可以根据需要快速的计算出系统的各个元件的参数。本发明装置的交流等效电路的输入电流和电压同相，可以最大限度地挖掘出装置传输能量的潜力。

本说明书所描述的主题的实施方案的细节在随附图式和以下描述中予以阐述。其特征、方面和优点将从所述描述、所述图式和权利要求书变得显而易见。应注意，以下诸图的相对尺寸可未按比例绘制。

附图说明

图1为根据本发明中功率发射器与功率接收器中的三个线圈的分布示意图。

图2为根据本发明的示范性实施例的无线电能传输系统的功能结构框图。

图3为本发明中两种典型负载。

图4为本发明的交流等效电路原理图。

图5为本发明的一个具体仿真实例系统的示意图。

图6是SS拓扑的无线电能传输系统的交流等效电路图。

图7是双边LCC拓扑的无线电能传输系统的交流等效电路图。

图8为使用电阻负载的情况下不同系统输出功率随偏移距离的变化图。

图9为使用电池负载的情况下不同系统输出功率随偏移距离的变化图。

具体实施方式

下文结合附加图式而阐述的详细描述希望作为对本发明的示范性实施例的描述，且不希望表示可实践本发明的仅有实施例。贯穿此描述而使用的术语“示范性”意谓“充当实例、例子或说明”，且未必应被认作相对于其它示范性实施例优选或有利。详细描述包含特定细节以便提供对本发明的示范性实施例的透彻理解。在一些例子中，一些装置是以框图形式而展示。

图1为根据本发明中功率发射器与功率接收器中的三个线圈的分布示意图。功率发射器102中有两个同轴的线圈105和106，其中线圈105在内部，线圈106在外部，这两个线圈中任意一个都可以当作发射线圈使用，同时另外一个当作中继线圈使用。功率接收器101中的线圈104是接收线圈。功率接收器101与功率发射器102可以为线圈配置磁芯103和磁芯107，磁芯一般由高频磁性材料组成，例如铁氧体材料，磁芯可以提高线圈之间的互感值，使无线电能传输装置更好的将能量从功率发射器102传输至功率接收器101。

图2为根据本发明的示范性实施例的无线电能传输系统的功能结构框图。电源201为整个系统提供直流电。功率发射器212包含逆变器202、发射线圈203、发射线圈补偿电容204、中继线圈206以及中继线圈补偿电容205。逆变器202输出高频交流电，加在发射线圈203及其补偿电容204上产生高频交变磁场，其中补偿电容204可以抵消发射线圈203产生的无功。发射线圈203的能量一部分直接发射到功率接收器213上，另一部分需要通过中继线圈206进行中继。中继线圈206也需要串联一个补偿电容205进行无功的补偿。功率接收器213中的接收线圈207因为功率发射器212产生的高频交变磁场而产生高频的交变电流，经过整流器209后转换为直流电为负载210供电。接收线圈207也需要一个电容208进行无功的补偿。

图3为针对无线电能传输装置中的两种典型负载。其中301与303为二极管整流桥，将前端输出的交变电流整流为直流电流为负载供电。通常情况下，无线电能传输装置的负载可以分为两种类型，阻性负载302与电池负载304，阻性负载流过的电流与两端的电压成正比，而电池负载的特征是在一段时间内输出电压不会随着输出功率的改变而改变，因而在无线电能传输的系统中使用不同的负载，就具有不同的偏移特性。本发明对于两种负载都适用，都有着抗偏移特性，并且本发明提出的三个线圈互感的设计方法以及三个补偿电容的计算方法对两种负载也都适用，另外，采用本发明的装置，对于电池负载304，在偏移较多的情况下，由于电路的空载输出电压小于电池电压，还可以实现自动断流的功能，这个功能对于应用是非常有利的，我们并不希望在偏移过大，传输功率很小的时候系统仍在传输功率，所以自动断流这是一个很好的特性。

图4为本发明的交流等效电路原理图。图中401为输入交流电源，403、405、408分别表示发射线圈、中继线圈以及接收线圈，它们的电感值分别为L₁、L₂、L₃，发射线圈与中继线圈之间的互感为M₁₂，发射线圈与接收线圈之间的互感为M₁₃，中继线圈与接收线圈之间的互感为M₂₃。图中402、406、409分别为发射线圈、中继线圈以及接收线圈串联的补偿电容，它们的容值分别为C₁、C₂、C₃。图中404、407、411分别为发射线圈、中继线圈以及接收线圈的交流电阻，它们的阻值分别为R₁、R₂、R₃。图中410是负载电阻，其阻值为R_L。

下面说明使用三线圈结构实现抗偏移的无线电能传输装置中互感的设计方法以及补偿电容容值的计算方法。现在需要设计一个系统，其输入直流电压为U_idc，输出直流电压为U_odc，工作频率为f，正对位置输出功率为P_a，最大输出功率为正对位置输出功率的p倍(例如，p＝1.12，具体可以根据实际要求规定)。下面是设计方法：

1.首先计算以下三个量：

1)计算逆变器的输出，即发射线圈输入交流电压的有效值

2)计算接收线圈输出交流电压的有效值

3)计算负载的等效交流电阻

2.接下来设计三个线圈之间的互感：

1)计算常数

2)设计发射线圈与接收线圈之间的互感

3)设计中继线圈与接收线圈之间的互感M₂₃与发射线圈与中继线圈之间的互感M₁₂的比值

3.通过仿真或实验设计三个线圈的形状、大小、匝数以及位置关系(根据需要可以增加屏蔽层或磁芯)，使它们之间的互感匹配2中所述条件，并使用仿真软件(如Maxwell等有限元仿真软件)仿真计算或测量得到三个线圈的电感值L₁、L₂、L₃。

4.计算三个补偿电容的容值：

1)计算系统工作频率f对应的角频率ω＝2πf；

2)计算发射线圈补偿电容的容值

3)计算中继线圈补偿电容的容值

4)计算接收线圈补偿电容的容值

按照上述方法设计好电路后，在正对位置处，可以保证该无线电能传输装置交流等效电路的输入电压与输入电流同相，即不存在无功，这样可以最大化地挖掘整个系统传输功率的潜力。从正对位置开始，在一定的偏移范围内，随着偏移距离的增加，系统的输出功率在较大的偏移范围内先略微上升，然后再下降，这样整个系统就获得了较好的抗偏移能力，而传统的无线电能传输系统随着偏移距离的增加，其输出功率或者急剧增加，或者急剧减小，不利于抗偏移的实现。

图5本发明的一个具体仿真实例系统的示意图。

这个无线电能传输系统的设计目标为：输入直流电压为400V、输出直流电压为300V、操作频率为85kHz、正对位置的功率为3.3kW、最大输出功率为正对位置输出功率的1.12倍。通过使用上述方法可以计算出发射线圈与接收线圈之间的互感M₁₃＝30.834μH，设计中继线圈与接收线圈之间的互感M₂₃与发射线圈与中继线圈之间的互感M₁₂的比值为0.75。需要设计系统以匹配互感的条件。

经过有限元软件的仿真计算，可以得到一个如图5所示的仿真系统。示意图为设计好的无限电能传输系统。在示意图中，图(a)是功率发射器的俯视图。501是屏蔽层，由铝板制成，它的边长是555mm，厚度为2mm。504是磁芯，由铁氧体制成，它的边长是380mm，厚度是3.5mm。502是发射线圈，是由直径为2.6mm的利兹线等距绕制而成的，它的外部边长是350mm，内部边长是255mm，一共绕了9圈。503是中继线圈，同样是由直径为2.6mm的利兹线等距绕制而成的，它的外部边长是250mm，内部变长是90mm，一共绕了19圈。图(b)是功率接收器的仰视图。505是屏蔽层，材料规格与屏蔽层501相同。507是磁芯，材料规格与504相同。506是接收线圈，也是由直径为2.6mm的利兹线等距绕制而成的，它的外部边长是350mm，内部变长是90mm，一共绕了40圈。图(c)是整个装置的侧视剖面图。功率接收器的屏蔽层505的下表面与功率接收器的磁芯507下表面的距离是14mm。接收线圈506下表面与屏蔽层507的下表面的距离是20mm。功率发射器的屏蔽层501的上表面与功率接收器的屏蔽层504的下表面的距离为240mm。功率发射器的磁芯504的上表面与屏蔽层501的上表面的距离为14mm。发射线圈502与中继线圈503的上表面与屏蔽层501的上表面的距离为20mm。

通过仿真可以得到，发射线圈的电感L₁＝80.6μH，中继线圈的电感L₂＝133.0μH，接收线圈的电感L₁＝642.5μH，发射线圈与中继线圈的互感M₁₂＝44.0μH,发射线圈与接收线圈的互感M₁₃＝30.6μH,中继线圈与接收线圈的互感M₂₃＝32.8μH。通过前文所述的计算方法，可以计算得到发射线圈补偿电容C₁＝43.5nF，中继线圈补偿电容C₂＝20.1nF，接收线圈补偿电容C₃＝5.46nF。

图6是SS(Series-Series)拓扑的无线电能传输系统的交流等效电路图。图中601为输入交流电源，603、604为发射线圈和接收线圈，602为发射线圈自感的补偿电容，606为接收线圈自感的补偿电容，604、608分别为发射线圈和接收线圈的交流电阻，607为等效交流负载电阻。

图7是双边LCC(Double-Sided LCC)拓扑的无线电能传输系统的交流等效电路图。图中701为输入交流电源，705、707分别为发射线圈和接收线圈，706、709分别为发射线圈和接收线圈的交流电阻，704、708分别为发射侧和接收侧的串联补偿电容，703、710分别为发射侧和接收侧的并联补偿电容，702、711分别为发射侧和接收侧的补偿电感，712为等效交流负载电阻。

图8是图5中系统在使用电阻负载的情况下输出功率随偏移距离的变化图。可以看到，在偏移距离120mm之内，相比较于传统的两线圈SS补偿与LCC补偿，该系统有着非常好的抗偏移特性。

图9是图5中系统在使用电池负载的情况下输出功率随偏移距离的变化图。可以看到，在偏移距离115mm之内，相比较于传统的两线圈SS补偿与LCC补偿，该系统有着非常好的抗偏移特性。并且，在偏移距离140mm之外，该系统的输出功率为零，即自动停止工作，实现自动断流，在无线电能传输系统中，这是一个非常有益的特性。

Claims (3)

1.一种使用三线圈结构提高抗偏移能力的无线电能传输装置，其特征在于，所述装置包括功率发射器和功率接收器，前者将电能无线传输至后者；所述的功率发射器中设有两个同轴排布的线圈，其中一个作为发射线圈，另一个作为中继线圈，功率发射器还包含有分别补偿两个线圈的补偿电容和逆变器；所述的功率接收器中设有接收线圈，还包含有接收线圈的补偿电容以及整流器；

其中，三个线圈之间的互感按照如下方法设计：

计算常数

设计发射线圈与接收线圈之间的互感

设计中继线圈与接收线圈之间的互感M₂₃与发射线圈与中继线圈之间的互感M₁₂的比值

其中，p为所设计系统最大输出功率对于正对位置处输出功率P_a的倍数，f为系统工作频率，U_i为发射线圈输入交流电压的有效值，

U_idc为输入直流电压，R_L为负载的等效交流电阻，

U_o为接收线圈输出交流电压的有效值，

U_odc为输出直流电压；

通过仿真或实验设计三个线圈的形状、大小、匝数以及位置关系使其互感匹配上述条件，并仿真计算或测量得到发射线圈、中继线圈、接收线圈的电感值L₁、L₂、L₃；

三个线圈对应的补偿电容的容值才用如下方法确定：

发射线圈补偿电容的容值

中继线圈补偿电容的容值

接收线圈补偿电容的容值

其中，ω为系统工作频率f对应的角频率，ω＝2πf。

2.根据权利要求1所述的使用三线圈结构提高抗偏移能力的无线电能传输装置，其特征在于，所述无线电能传输装置的负载为电池负载，不仅可实现抗偏移，而且可实现自动断流。

3.根据权利要求1所述的使用三线圈结构提高抗偏移能力的无线电能传输装置，其特征在于，所述无线电能传输装置的负载为阻性负载。

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