CN112467888A - 一种能量信号同传结构及动态无线能量传输系统 - Google Patents

一种能量信号同传结构及动态无线能量传输系统 Download PDF

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许庆强
王成亮
肖宇华
杨庆胜
徐妍
王智慧
左志平
贾亚辉
张振
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State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体公开了一种能量信号同传结构及动态无线能量传输系统，该系统包括发射端和接收端；发射端即能量信号同传结构，包括多段导轨式无线能量发射线圈和与其重叠设置的原边信号线圈，其中每一段导轨式无线能量发射线圈设置呈Q型能量发射线圈结构，原边信号线圈相对于多段导轨式无线能量发射线圈整体按照宽度方向并行设置成DD型原边信号线圈结构；接收端包括副边信号线圈和无线能量接收线圈，副边信号线圈设置呈DD型副边信号线圈结构，无线能量接收线圈设置呈Q型能量接收线圈结构。本发明的信号和能量传输通道分别采用DD型线圈和Q型线圈，由于DD线圈与Q线圈能实现自然解耦，实现能量与信号并行传输。

Description

一种能量信号同传结构及动态无线能量传输系统
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种能量信号同传结构及动态无线能量传输系统。
背景技术
无线充电技术具有灵活、可靠、安全等优点。在无人机、家电及电动汽车等领域应用越来越广泛。为实现系统能效最优及状态监测，提高无线充电系统性能，无线充电系统往往需要原副边通信交互信息。
然而在动态充电过程中受电端处于快速移动状态，传统的通信方式例如WiFi、Zigbee等接入时间均较长，传输速度较慢无法满足动态充电通信要求。因此迫切需要提出一种短延时、快接入的能量信号并行传输的通信方式以应对动态无线充电系统。
发明内容
本发明提供一种能量信号同传结构及动态无线能量传输系统，解决的技术问题在于：如何在动态无线充电系统实现能量与信号的并行传输。
为解决以上技术问题，本发明提供一种能量信号同传结构，包括多段导轨式无线能量发射线圈和与所述多段导轨式无线能量发射线圈重叠设置的原边信号线圈，其中每一段导轨式无线能量发射线圈设置呈Q型能量发射线圈结构，所述原边信号线圈相对于所述多段导轨式无线能量发射线圈整体按照宽度方向并行设置成DD型原边信号线圈结构。
优选的，所述DD型原边信号线圈结构为两个矩形线圈串联而成，两个矩形线圈并行布置在同一平面上，二者的匝数相同但绕线方向相反。
优选的，所述原边信号线圈位于所述多段导轨式无线能量发射线圈的上方。
优选的，在所述多段导轨式无线能量发射线圈的下方铺设有磁芯结构。
优选的，所述Q型能量发射线圈结构为矩形线圈，其宽度与所述DD型原边信号线圈结构的宽度相适应。
优选的，所述DD型原边信号线圈结构和所述Q型能量发射线圈结构分别采用一根利兹线按照平面密绕方式绕制而成，且最里层一匝线圈围合形成有空心区域。
本发明还提供一种动态无线能量传输系统，包括发射端和接收端，所述发射端采用上述能量信号同传结构，所述接收端包括副边信号线圈和无线能量接收线圈，所述副边信号线圈设置呈DD型副边信号线圈结构，所述无线能量接收线圈设置呈Q型能量接收线圈结构。
优选的，所述DD型副边信号线圈结构为两个矩形线圈串联而成，两个矩形线圈并行布置在同一平面上，二者的匝数相同但绕线方向相反。
优选的，所述DD型副边信号线圈结构长度短于所述DD型原边信号线圈结构的长度，但二者的宽度相适应。
优选的所述Q型能量接收线圈结构为矩形线圈，其长度短于所述Q型能量发射线圈结构，但二者的宽度相适应。
本发明提供的一种能量信号同传结构及动态无线能量传输系统，信号传输通道(包括DD型原边信号线圈结构和DD型副边信号线圈结构)采用DD型线圈，能量传输通道(包括Q型能量发射线圈结构和Q型能量接收线圈结构)采用Q型线圈，由于DD线圈与Q线圈能实现自然解耦，所以能量传输与信号传输间的交叉影响比较小，实现能量与信号并行传输。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的一种能量信号同传结构的正视图；
图2是本发明实施例1提供的DD型原边信号线圈结构的俯视图；
图3是本发明实施例1提供的Q型能量发射线圈结构的俯视图；
图4是本发明实施例2提供的一种动态无线能量传输系统的正视图；
图5是本发明实施例2提供的一种动态无线能量传输系统的电路拓扑图；
图6是本发明实施例2提供的实验时只有Q型能量发射线圈结构通入励磁电流后系统的空间磁场分布图；
图7是本发明实施例2提供的实验时只有DD型原边信号线圈结构通入励磁电流后系统的空间磁场分布图；
图8是本发明实施例2提供的实验中在DD型原边信号线圈结构和Q型能量发射线圈结构同时通入励磁电流后系统的空间磁场分布图。
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。
为在动态无线充电系统中实现能量与信号的并行传输，本实施例首先提供一种能量信号同传结构(如下实施例1所示)，同时本实施例还提供一种应用实施例1的一种动态能量无线传输系统(如下实施例2所示)。
实施例1
本实施例1提供一种能量信号同传结构，如图1的正视图所示，包括多段导轨式无线能量发射线圈(本实施例以3段为例)和与多段导轨式无线能量发射线圈重叠设置的原边信号线圈，其中每一段导轨式无线能量发射线圈设置呈Q型能量发射线圈结构，原边信号线圈相对于多段导轨式无线能量发射线圈整体按照宽度方向并行设置成DD型原边信号线圈结构。并且，原边信号线圈位于多段导轨式无线能量发射线圈的上方。在多段导轨式无线能量发射线圈的下方铺设有磁芯结构。
作为本实施例的优选实施方式，如图2的俯视图所示，DD型原边信号线圈结构为两个矩形线圈串联而成，两个矩形线圈并行布置在同一平面上，二者的匝数相同但绕线方向相反。如图3所示，Q型能量发射线圈结构也为矩形线圈，其宽度与DD型原边信号线圈结构的宽度相适应。
其中，DD型原边信号线圈结构和Q型能量发射线圈结构分别采用一根利兹线按照平面密绕方式绕制而成，且最里层一匝线圈围合形成有空心区域。
本实施例采用DD型原边信号线圈结构和Q型能量发射线圈结构组成的DDQ型能量信号结构，可结合DDQ型能量信号接收结构，组成DDQ型动态无线能量传输系统，实现信号和能量的并行传输。
实施例2
本实施例2提供一种动态无线能量传输系统，如图4的正视图所示，包括发射端和接收端，其中发射端即为实施例1所述的能量信号同传结构，接收端包括副边信号线圈和无线能量接收线圈，副边信号线圈设置呈DD型副边信号线圈结构(其形状可以参考图2)，无线能量接收线圈设置呈Q型能量接收线圈结构(其形状可以参考图3)。
其中，DD型副边信号线圈结构为两个矩形线圈串联而成，两个矩形线圈并行布置在同一平面上，二者的匝数相同但绕线方向相反。DD型副边信号线圈结构长度短于DD型原边信号线圈结构的长度，但二者的宽度相适应。Q型能量接收线圈结构为矩形线圈，其长度短于Q型能量发射线圈结构，但二者的宽度相适应。
对于任意段数的多段导轨式无线能量发射线圈，本实施例的动态无线能量传输系统的电路拓扑图如图5所示。其中，在能量回路等效电路图中，Lpi(i＝1,2,…,n)表示第i段导轨式无线能量发射线圈，其线路中的通电电压、谐振电容、等效内阻、电流分别用Upi、Cpi、Rpi和Ipi表示；Ls表示无线能量接收线圈，其线路中的谐振电容、等效内阻、电流分别用Cs、Rs和Is表示，RL表示负载等效电阻，M1～Mn分别表示各Q型能量发射线圈结构与其无线能量接收线圈之间的互感。在信号回路等效电路图中，Lp表示原边信号线圈，其线路中的感应电压、谐振电容、等效内阻、电流分别用Ui、Cp、Rp和Ip表示；Ls表示副边信号线圈，其线路中的谐振电容、等效内阻、电流分别用Cs、Rs和Is表示，RL表示负载等效电阻，M表示原边信号线圈与副边信号线圈之间的互感。
本实施例采用DD型原边信号线圈结构和Q型能量发射线圈结构组成的DDQ型能量信号发射结构，以及DD型副边信号线圈结构和Q型能量接收线圈结构组成的DDQ型能量信号接收结构，组成DDQ型动态无线能量传输系统，基于DD型线圈与Q型线圈之间的解耦作用，实现信号和能量的并行传输。
为说明DD型线圈与Q型线圈的自然解耦效果，本实施例进行了如下实验验证。
当只有Q型能量发射线圈结构通入励磁电流后，可以观察到空间磁场分布如图6所示。此时Q型能量接收线圈结构感应到能量，互感为125uH。而DD型副边信号线圈结构与Q型能量发射线圈结构互感仅为0.003uH，可以忽略不计。因此Q型能量发射线圈结构与DD型副边信号线圈结构之间没有耦合。
同理，当只有DD型原边信号线圈结构通入励磁电流后，可以观察到空间磁场分布如图7所示。此时DD型副边信号线圈结构感应到信号，互感为288uH。而Q型能量接收线圈结构与DD型原边信号线圈结构互感仅为0.0019uH，可以忽略不计。因此DD型原边信号线圈结构与Q型能量接收线圈结构之间没有耦合。
当Q型能量发射线圈结构与DD型原边信号线圈结构同时通入励磁电流后，可以观察到空间磁场分布如图8所示。此时DD型副边信号线圈结构感应到信号，互感为288uH。而Q型能量接收线圈结构感应到能量，互感为125uH。可以看出能量通道与信号通道相互独立，没有交叉耦合，可以实现能量与信号同步传输。
本实施例基于“DDQ”线圈结构形式进行能量线圈与信号线圈解耦，在不影响电能传输功率稳定及效率最优的基础上，实现数字信号同步传输。基于“DD”型线圈结构磁耦合特性传输信号，包括位置信息、电压电流信息等，实现原副边通信交互。当DD型原边信号线圈结构接收到来自副边的位置信息时，根据控制算法设计实现原边供能导轨的切换。同时根据副边反馈的电压电流信息，通过原边逆变器移相控制满足输出功率需求及跟踪最优效率。
综上，本实施例提供的一种动态无线能量传输系统，其有益效果在于：
1.基于“DDQ”线圈结构形式实现了能量通道与信号通道的解耦，保证了在信号传输的同时对功率传输无影响，保证了功率传输的稳定性；
2.基于“DDQ”线圈结构实现了能量信号的同步传输，具有通信速度快、延时低等优点，尤其适用于动态无线充电系统；
3.基于能量信号同传通信方式可以实现副边实时定位，便于原边导轨切换及最优效率跟踪控制，实现能效最优。
最后需要说明的是，上述“DD”、“Q”、“DDQ”仅仅是一种便于记忆的比喻，并不限制线圈的具体形状。
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 (10)

1.一种能量信号同传结构，其特征在于，包括多段导轨式无线能量发射线圈和与所述多段导轨式无线能量发射线圈重叠设置的原边信号线圈，其中每一段导轨式无线能量发射线圈设置呈Q型能量发射线圈结构，所述原边信号线圈相对于所述多段导轨式无线能量发射线圈整体按照宽度方向并行设置成DD型原边信号线圈结构。
2.如权利要求1所述的能量信号同传结构，其特征在于：所述DD型原边信号线圈结构为两个矩形线圈串联而成，两个矩形线圈并行布置在同一平面上，二者的匝数相同但绕线方向相反。
3.如权利要求1或2所述的能量信号同传结构，其特征在于：所述原边信号线圈位于所述多段导轨式无线能量发射线圈的上方。
4.如权利要求3所述的能量信号同传结构，其特征在于：在所述多段导轨式无线能量发射线圈的下方铺设有磁芯结构。
5.如权利要求1或4所述的能量信号同传结构，其特征在于：所述Q型能量发射线圈结构为矩形线圈，其宽度与所述DD型原边信号线圈结构的宽度相适应。
6.如权利要求5所述的能量信号同传结构，其特征在于：所述DD型原边信号线圈结构和所述Q型能量发射线圈结构分别采用一根利兹线按照平面密绕方式绕制而成，且最里层一匝线圈围合形成有空心区域。
7.一种动态无线能量传输系统，包括发射端和接收端，其特征在于：所述发射端采用权利要求1-6任一所述的能量信号同传结构，所述接收端包括副边信号线圈和无线能量接收线圈，所述副边信号线圈设置呈DD型副边信号线圈结构，所述无线能量接收线圈设置呈Q型能量接收线圈结构。
8.如权利要求7所述的动态无线能量传输系统，其特征在于：所述DD型副边信号线圈结构为两个矩形线圈串联而成，两个矩形线圈并行布置在同一平面上，二者的匝数相同但绕线方向相反。
9.如权利要求7所述的动态无线能量传输系统，其特征在于：所述DD型副边信号线圈结构长度短于所述DD型原边信号线圈结构的长度，但二者的宽度相适应。
10.如权利要求7-9任一所述的动态无线能量传输系统，其特征在于：所述Q型能量接收线圈结构为矩形线圈，其长度短于所述Q型能量发射线圈结构，但二者的宽度相适应。
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