CN112421795A - 一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体公开了一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统，其耦合结构包括发射线圈和第1～第A级接收线圈，A≥2；第2～A级接收线圈由同轴放置的第1～第A‑1级中继线圈和第1～第A‑1级拾取线圈组成；发射线圈、第1级接收线圈、第1～第A‑1级中继线圈依次同轴放置且尺寸相同；第1～第A负载分别串接于第1级接收线圈和第1～第A‑1级拾取线圈所在的谐振回路中。本发明采用了多线圈多负载的耦合机构，通过设置多级等效负载电阻相等并且耦合机构互感满足一定关系。实验证明，本发明可以实现多级负载端的恒压输出，在负载变化时也能拾取到较为一致的功率，同时还提升了总的无线传能距离。

Description

一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)又称无线电力传输，是通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量(如电磁场能、激光、微波及机械波等)，隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能，实现无线电能传输。利用电磁场的谐振方式，通过两个或多个具有相同谐振频率的电磁耦合系统进行无线传能，可以实现数米范围内的无线供电，并且存在障碍物时也能高效传输，极具潜力。其中，多负载WPT系统是指原边电能发射部分只有一组，而副边电能接收部分有多组的系统。该系统能实现一个供电源对多个用电设备的非接触式供电，有着越来越广泛的用途。

近年来，国内外对多负载WPT系统的研究取得了很多新成果：研究了多负载条件下WPT系统的多频控制策略，可以实现对多个负载进行有效辨识；运用了阻抗匹配、补偿电抗、加屏蔽体、负载隔离等方案来解决多个线圈之间的交叉耦合问题；研究了多负载WPT系统输出控制策略，以实现对多路输出的功率控制；针对多负载恒压输出问题展开研究，实现了系统在接收端数量和负载发生变化时仍能保持恒压输出特性。但这些成果大多只是研究了单纯的“一对多”WPT系统，对于一类既需要多级输出又需要延长传输距离的应用场合，例如为无人超市中多个叠放的智能购物篮无线充电，却研究较少。

发明内容

本发明提供一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统，解决的技术问题在于：如何在传输距离较长的情况下实现多级稳定输出。

为解决以上技术问题，本发明提供一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统，其耦合结构包括发射线圈和第1～第A级接收线圈，A≥2；所述第2～A级接收线圈由同轴放置的第1～第A-1级中继线圈和第1～第A-1级拾取线圈组成；所述发射线圈、所述第1级接收线圈、所述第1～第A-1级中继线圈依次同轴放置且尺寸相同；第1～第A负载分别串接于所述第1级接收线圈和所述第1～第A-1级拾取线圈所在的谐振回路中。

优选的，所述第1～第A负载的电阻相等，所述第1级接收线圈、所述第1～第A-1级中继线圈和所述第1～第A-1级拾取线圈相对的两级线圈之间的互感相等。

优选的，所述发射线圈与所述第1级接收线圈相距d₁，所述第1～第A级接收线圈中相邻的两级接收线圈相距d₂，d₁＝d₂＝d。

优选的，所述发射线圈包括第一磁芯，以及紧贴所述第一磁芯且正对所述第1级接收线圈的第一线圈；

所述第1级接收线圈及所述第1～第A-1级中继线圈均包括按照传输方向顺序设置的第二线圈、第二磁芯、铝板、第三磁芯、第三线圈；

所述第1～第A-1级拾取线圈包括第四磁芯，以及紧贴所述第四磁芯的第四线圈，所述第四线圈贴近其对应的中继线圈的第三线圈；

所述第一～第四线圈、所述第一～第四磁芯、所述铝板均同轴设置，所述第一～第三线圈尺寸相同，所述第四线圈与所述第一～第三线圈形状相同但尺寸更小，所述第一～第四磁芯尺寸相同。

优选的，当A＝2时，该系统的KVL方程为：

其中，

为全桥逆变电路输出的等效交流电压向量，L₀为所述发射电路的谐振电感，L₁为所述发射线圈的自感，L₂、L₃、L₄分别代表所述第1级接收线圈、所述第1级中继线圈和所述第1级拾取线圈的自感，C₀、C₁为LCC原边发射电路中的两个谐振电容，C₂、C₃、C₄分别为L₂、L₃、L₄各自所在谐振回路中的谐振电容，

为所述全桥逆变电路输出的电流向量，

为所述LCC原边发射电路流向所述发射线圈的电流向量，

分别为L₂、L₃、L₄各自所在谐振回路的电流向量，R₁、R₂、R₃、R₄分别为L₁、L₂、L₃、L₄的内阻，M_i(i+1)(i∈{1,2,3})为线圈L_i和L_(i+1)之间的互感，RL₁、RL₂为两级负载的等效电阻，ω为该系统的工作角频率。

优选的，该无线电能传输系统的工作角频率ω满足：

其中，ω₀为L₀、L₁、L₂、L₃、L₄各自所在谐振回路的谐振角频率；

若RL₁＝RL₂且M₂₃＝M₃₄，忽略R₁、R₂、R₃、R₄的大小不计，则该系统的输出电压为：

其中，U₁、U₂分别代表RL₁、RL₂所在谐振回路的输出电压。

优选的，当A>2时，若RL₁＝RL₂＝…＝RL_A且M₂₃＝M₃₄＝…＝M_(2A-1)(2A)，M_i(i+1)(i∈{2,…,2A-1})为所述第1级接收线圈、所述第1～第A-1级中继线圈和所述第1～第A-1级拾取线圈相对的两级线圈L_i和L_(i+1)之间的互感，与式(1)、(2)、(5)相同过程进行推导，则该系统的输出电压为：

其中，U₁、U₂…U_A分别代表RL₁、RL₂…RL_A所在谐振回路的输出电压。

优选的，基于Neumann公式进行推导，任意两同轴载流圆环之间的互感计算式如下：

其中，μ₀为真空磁导率，a、b分别为该两圆环的半径，D为该两圆环间的距离，γ＝2ab/(a²+b²+D²)；

对于两同轴平面螺旋线圈L_I和L_J，两者之间的互感为：

当该两线圈的形状均为圆形时，ρ＝1；N₁、N₂分别为该两平面螺旋线圈的匝数。

本发明提供的一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统，采用了多线圈多负载的耦合机构，通过设置多级等效负载电阻相等并且耦合机构互感满足一定关系，以两级线圈两个负载推导了两段传输距离下双路恒压输出的实现条件。实验证明，本发明所述系统可以实现多级负载端的恒压输出，在负载变化时也能拾取到较为一致的功率，同时还提升了总的无线传能距离。

附图说明

图1是本发明实施例提供的三线圈双负载无线电能传输系统的耦合结构图；

图2是本发明实施例提供的三线圈双负载无线电能传输系统的电路原理图；

图3是不同线圈间距下拾取线圈L₄的匝数与半径关系图；

图4是线圈互感随间距d变化的曲线图；

图5是带屏蔽体结构的耦合机构示意图；

图6是加入屏蔽体后线圈互感随间距变化的曲线图；

图7是三线圈双负载无线电能传输系统的实验装置图；

图8-1是10Ω负载下逆变器输出电压电流和负载两端电压波形图；

图8-2是20Ω负载下逆变器输出电压电流和负载两端电压波形图；

图9是两级输出功率及系统效率随负载变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。

本发明实施例提供的一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统，其耦合结构包括发射线圈和第1～第A级接收线圈，A≥2；其中，第2～A级接收线圈由同轴放置的第1～第A-1级中继线圈和第1～第A-1级拾取线圈组成；发射线圈、第1级接收线圈、第1～第A-1级中继线圈依次同轴放置且尺寸相同；第1～第A负载分别串接于第1级接收线圈和第1～第A-1级拾取线圈所在的谐振回路中。

以A＝2为例，本发明的耦合结构如图1所示，包括发射线圈、第一/1级接收线圈和第二/2级接收线圈。第二/2级接收线圈包括中继线圈和拾取线圈。L₁代表发射线圈及其自感，L₂代表第一/1级接收线圈及其自感。L₃代表第一/1级中继线圈及其自感，L₄代表第一/1级拾取线圈及其自感。各个线圈依次同轴放置，两负载RL₁、RL₂分别位于第一级接收线圈和第一级拾取线圈中。其中，第一级接收线圈既作为能量拾取单元，又作为能量中继单元，在拾取能量的同时又向下一级传递能量，其与发射线圈相距d₁。第二级接收线圈由直径较大的中继线圈与直径较小的拾取线圈组成，两者紧密贴近但分别位于两个回路中，以保证在第二级负载端实现恒压输出，其与第一级接收线圈间距为d₂。V_AC表示前级全桥逆变电路输出的等效交流源，L₀为LCC原边耦合结构的谐振电感，C₀和C₁为对应的谐振电容。C₂、C₃、C₄分别为L₂、L₃、L₄各自所在谐振回路中的谐振电容。

在这里，原边发射回路采用LCC补偿网络，其余接收回路采用S型补偿拓扑，构成了单发射-双接收的磁耦合无线电能传输系统，利用LCC拓扑原边恒流特性，在不考虑线圈间交叉耦合的情况下，通过设置线圈间互感参数及负载满足一定条件，可以实现两级负载近似相同的恒压输出，其等效电路原理图如图2所示。

图2中，还需要作出解释的有，V_dc为直流电压源，功率MOSFET S1-S4组成全桥逆变电路，

为全桥逆变电路输出的等效交流电压向量，

为各谐振回路的电流向量，R₁、R₂、R₃、R₄为线圈内阻，M_i(i+1)(i∈{1,2,3})为线圈L_i和L_(i+1)之间的互感，RL₁、RL₂为两级负载的等效电阻。

图2所示电路的KVL方程为：

其中，ω为该系统的工作角频率。该角频率ω满足：

其中，ω₀为L₀、L₁、L₂、L₃、L₄各自所在谐振回路的谐振角频率。

由于线圈内阻相比负载电阻而言小得多，可以忽略不计，故由(1)、(2)可得两个负载上获得的电压(即RL₁、RL₂所在谐振回路的输出电压)为：

当上式(3)和(4)满足RL₁＝RL₂且M₂₃＝M₃₄时，负载输出电压为：

由(5)可以看出，系统两级负载实现了近似相同的恒压输出，输出电压只与输入电压U_S、互感M₁₂、谐振电感L₀有关，而与负载大小无关。

该系统输入输出功率及效率为：

此外，本实施例式(1)～(6)是以三线圈双负载(发射线圈+两级接收线圈+两个负载)为例进行分析，实际应用中可以根据需求改变负载数量。可以证明，当系统中加入四线圈三负载(发射线圈+三级接收线圈+三个负载)时，在忽略交叉耦合及线圈内阻的情况下，为实现负载恒压输出，需要满足条件：

RL₁＝RL₂＝RL₃且M₂₃＝M₃₄、M₄₅＝M₅₆ (7)

此时，多负载输出为：

由(8)可知，系统仍然可以实现三级恒压输出，且电压相等，能够为相同的负载同时供电。

故有结论：针对A≥2的所有情形，有RL₁＝RL₂＝…＝RL_A(即第1～第A负载的电阻相等)且M₂₃＝M₃₄＝...＝M_(2A-1)(2A)(即第1级接收线圈、第1～第A-1级中继线圈和第1～第A-1级拾取线圈相对的两级线圈之间的互感相等)时，系统的输出电压为：

其中，U₁、U₂…U_A分别代表RL₁、RL₂…RL_A所在谐振回路的输出电压，M_i(i+1)(i∈{2,…,2A-1})为相邻两级线圈L_i和L_(i+1)之间的互感。

当得出上述结论后，如何实现M₂₃＝M₃₄＝…＝M_(2A-1)(2A)通过设计耦合机构可以实现。

依旧以A＝2为例，为满足M₂₃＝M₃₄，同时减小多个线圈之间交叉耦合的影响，对系统耦合机构进行优化设计。

线圈之间的互感主要取决于线圈的尺寸大小和相对位置，根据Neumann公式可以近似推导出两同轴载流圆环之间的互感计算方法：

其中，a、b分别为该两圆环的半径，D为该两圆环间的距离，γ＝2ab/(a²+b²+D²)；

对于两同轴平面螺旋线圈L_I和L_J，两者之间的互感为：

这里，当两个线圈形状均为圆形时，ρ＝1；N₁、N₂分别为两平面螺旋线圈的匝数。

为便于研究，本实施例设定线圈L₁、L₂、L₃参数相同，间距相同d₁＝d₂＝d，且均为平面螺旋线圈，具体参数值如表1所示。

表1耦合机构参数

由式(8)、(9)得，M₂₃只与间距d有关，M₃₄与线圈L₄的匝数N₄和半径r₄有关。为保证M₂₃＝M₃₄成立，当线圈间距d变化时，线圈L₄的匝数与半径变化曲线如图3所示。

由图3可知，当线圈间距d为一定值时，线圈L₄半径随匝数的增加而减小，其变化规律随间距不同而不同。为减小线圈交叉耦合，便于非相邻线圈间的磁场屏蔽，线圈L₄半径应小于线圈L₃的半径，同时为减小线圈L₄内阻，根据平面螺旋线圈内阻计算公式，其匝数也不应过大，结合图3所示，选定虚线矩形框为理想的参数选择边界，可以满足2cm≤d≤8cm条件下的线圈参数选型。

进一步地，研究耦合机构互感随间距的变化规律，选取r₄＝3.5cm，可得线圈间距d与匝数N₄的近似拟合关系式为：

N₄＝450d²-200d+21 (11)

由式(9)、(10)、(11)可以得到线圈互感随线圈间距变化曲线如图4所示。

从图4可以看出，随着线圈间距增加，线圈互感均变小，互感M₁₂与M₂₃完全重合，M₃₄与其近似相等，非相邻线圈互感M₁₃、M₁₄、M₂₄相对较小，但耦合机构的交叉耦合不可忽略，因此本实施例选择插入屏蔽体来抑制交叉耦合。

如图5所示，本实施例将“磁芯-铝板-磁芯”结构的屏蔽体插入线圈L₂、L₃中，能够有效地抑制非相邻线圈间的磁场耦合(铝板具有磁屏蔽的作用)。为了实现非相邻线圈的磁交叉解耦，在线圈中加入一层铝板，同时为减小铝板对相邻线圈间耦合的影响，在铝板两侧和线圈L₁、L₄外侧加入磁芯，将线圈L₂、L₃绕制成两层紧贴于磁芯上，分别用L₂₁、L₂₂、L₃₁、L₃₂表示，线圈L₁、L₄也分别紧贴磁芯，线圈参数与以上研究均保持一致。利用有限元仿真软件COMSOL验证这种屏蔽体的屏蔽效果，屏蔽体尺寸参数如表2所示，可以得到线圈互感随间距d的变化曲线如图6所示。

表2屏蔽体尺寸参数

对比图4和图6可知，“磁芯-铝板-磁芯”结构的屏蔽体对交叉耦合起到很好的抑制作用，非相邻线圈互感相比相邻线圈互感小两个数量级，同时相邻线圈的互感在同等条件下得到提升，且保持了M₁₂、M₂₃、M₃₄近似相等。

同样可得，针对A≥2的所有情形，有：

发射线圈与第1级接收线圈相距d₁，第1～第A-1级接收线圈中相邻的线圈相距d₂，d₁＝d₂＝d；

发射线圈包括第一磁芯，以及紧贴第一磁芯且正对第1级接收线圈的第一线圈；

第1级接收线圈及第1～第A-1级中继线圈均包括按照传输方向顺序设置的第二线圈、第二磁芯、铝板、第三磁芯、第三线圈；

第1～第A-1级拾取线圈包括第四磁芯，以及紧贴第四磁芯的第四线圈，第四线圈贴近其对应的中继线圈的第三线圈；

第一～第四线圈、第一～第四磁芯、铝板均同轴设置，第一～第三线圈尺寸相同，第四线圈与第一～第三线圈形状相同但尺寸更小，第一～第四磁芯尺寸相同。

基于上文对系统性能和耦合机构的研究，搭建了如图7所示的实验平台对本实施例所述的三线圈双负载系统进行实验验证，相关实验参数如表3所示。

表3系统实验参数

实验中，设置系统输入频率、输入电压为恒定值，同时调节两个电子负载阻值并使其保持相等，测量两级输出电压及系统效率，所得不同负载(10Ω、20Ω)下逆变器输出电压电流波形和负载两端波形如图8-1和8-2所示。

当负载电阻在1～30Ω范围内变化时，输出功率及效率变化曲线如图9所示。由图8-1、8-2、9可以看出，负载电阻在10Ω向20Ω切换时，两级输出电压基本相同且保持不变，同时系统工作在ZVS状态；随着负载电阻逐渐变大，两级输出功率基本相同，且逐渐减小；系统效率先增大后减小，存在最优负载值，最高效率为82％。

针对可变传输距离下的多路输出问题，本实施例以三线圈双负载系统为例，推导了两段传输距离下双路恒压输出的实现条件，同时提出了一种新型的耦合机构设计方法。实验证明，通过设置多级等效负载电阻相等并且耦合机构互感满足一定关系，可以实现多级负载端的恒压输出，在负载变化时也能拾取到较为一致的功率。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统，其特征在于，其耦合结构包括发射线圈和第1～第A级接收线圈，A≥2；所述第2～A级接收线圈由同轴放置的第1～第A-1级中继线圈和第1～第A-1级拾取线圈组成；所述发射线圈、所述第1级接收线圈、所述第1～第A-1级中继线圈依次同轴放置且尺寸相同；第1～第A负载分别串接于所述第1级接收线圈和所述第1～第A-1级拾取线圈所在的谐振回路中。

2.如权利要求1所述的一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统，其特征在于：所述第1～第A负载的电阻相等，所述第1级接收线圈、所述第1～第A-1级中继线圈和所述第1～第A-1级拾取线圈相对的两级线圈之间的互感相等。

3.如权利要求2所述的一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统，其特征在于：所述发射线圈与所述第1级接收线圈相距d₁，所述第1～第A级接收线圈中相邻的两级接收线圈相距d₂，d₁＝d₂＝d。

4.如权利要求3所述的一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统，其特征在于：

所述发射线圈包括第一磁芯，以及紧贴所述第一磁芯且正对所述第1级接收线圈的第一线圈；

所述第1级接收线圈及所述第1～第A-1级中继线圈均包括按照传输方向顺序设置的第二线圈、第二磁芯、铝板、第三磁芯、第三线圈；

所述第1～第A-1级拾取线圈包括第四磁芯，以及紧贴所述第四磁芯的第四线圈，所述第四线圈贴近其对应的中继线圈的第三线圈；

所述第一～第四线圈、所述第一～第四磁芯、所述铝板均同轴设置，所述第一～第三线圈尺寸相同，所述第四线圈与所述第一～第三线圈形状相同但尺寸更小，所述第一～第四磁芯尺寸相同。

5.如权利要求4所述的一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统，其特征在于，当A＝2时，该系统的KVL方程为：

其中，

为全桥逆变电路输出的等效交流电压向量，L₀为所述发射电路的谐振电感，L₁为所述发射线圈的自感，L₂、L₃、L₄分别代表所述第1级接收线圈、所述第1级中继线圈和所述第1级拾取线圈的自感，C₀、C₁为LCC原边发射电路中的两个谐振电容，C₂、C₃、C₄分别为L₂、L₃、L₄各自所在谐振回路中的谐振电容，

为所述全桥逆变电路输出的电流向量，

为所述LCC原边发射电路流向所述发射线圈的电流向量，

分别为L₂、L₃、L₄各自所在谐振回路的电流向量，R₁、R₂、R₃、R₄分别为L₁、L₂、L₃、L₄的内阻，M_i(i+1)(i∈{1,2,3})为线圈L_i和L_(i+1)之间的互感，RL₁、RL₂为两级负载的等效电阻，ω为该系统的工作角频率。

6.如权利要求5所述的一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统，其特征在于，该系统的工作角频率ω满足：

其中，ω₀为L₀、L₁、L₂、L₃、L₄各自所在谐振回路的谐振角频率；

若RL₁＝RL₂且M₂₃＝M₃₄，忽略R₁、R₂、R₃、R₄的大小不计，则该系统的输出电压为：

其中，U₁、U₂分别代表RL₁、RL₂所在谐振回路的输出电压。

7.如权利要求6所述的一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统，其特征在于：当A>2时，若RL₁＝RL₂＝…＝RL_A且M₂₃＝M₃₄＝…＝M_(2A-1)(2A)，M_i(i+1)(i∈{2,…,2A-1})为所述第1级接收线圈、所述第1～第A-1级中继线圈和所述第1～第A-1级拾取线圈相对的两级线圈L_i和L_(i+1)之间的互感，与式(1)、(2)、(5)相同过程进行推导，则该系统的输出电压为：

其中，U₁、U₂…U_A分别代表RL₁、RL₂…RL_A所在谐振回路的输出电压。

8.如权利要求7所述的一种多线圈多负载远距离无线电能传输系统，其特征在于，基于Neumann公式进行推导，任意两同轴载流圆环之间的互感计算式如下：

其中，μ₀为真空磁导率，a、b分别为该两圆环的半径，D为该两圆环间的距离，γ＝2ab/(a²+b²+D²)；

对于两同轴平面螺旋线圈L_I和L_J，两者之间的互感为：

当该两线圈的形状均为圆形时，ρ＝1；N₁、N₂分别为该两平面螺旋线圈的匝数。

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