CN112564309A - 一种基于多线圈解耦集成的紧凑型无线充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多线圈解耦集成的紧凑型无线充电系统，包括高频逆变器电路、谐振网络以及整流器电路；高频逆变器电路，将逆变器输入侧的直流电压转为高频交流电压，用于激励谐振网络；谐振网络，受高频交流电压激励后，线圈产生高频交流电流，激发高频电磁场，使得副边线圈感应出高频电压，从而实现能量从原边传递到副边；整流器电路，将谐振网络输出的高频交流电压，经全桥整流后再经过滤波电容得到直流电压用于后级负载供电。在本发明中，无线充电系统中同一侧的所有线圈均解耦集成，同一侧线圈共用磁芯，且所有线圈中仅主线圈间相互耦合，其它线圈相互解耦，不相干扰，从而减小无线充电系统的体积，并且节约磁芯。

Description

一种基于多线圈解耦集成的紧凑型无线充电系统
技术领域
本发明属于无线充电技术领域，具体涉及一种基于多线圈解耦集成的紧凑型无线充电系统。
背景技术
随着电动汽车逐渐普及，电动汽车的无线充电成为一种非常具有优势的充电方式，相较于传统的有线充电方式，具有使用灵活方便、少维护、可适应恶劣环境、易于实现无人自动供电和移动式供电的优点。目前，诸如城市公交，电动机车等应用场合都要求实现快充的功能。因此为了实现无线充电系统的大功率传输，通常采用逆变器级联，同时采用多线圈传输从而增强功率的传输能力。然而采用多线圈传输能量，会增加装置占用的空间，尤其是在常用的LCC或者LCL补偿拓扑中，补偿线圈会进一步加大装置占用的空间。因此需要对系统中的线圈集成以减小充电系统的体积。现有的线圈集成方法，主要分为两种：1，线圈直接集成，线圈之间相互耦合。2，采用合适的线圈结构与组合方式，实现仅用于传输功率的线圈相互耦合，其余线圈相互不耦合。第一种集成方式，由于多个线圈间的相互耦合，大大增加电路分析的难度，同时由于线圈间的相互影响，会导致系统谐振频率发生变化，从而丢失谐振拓扑原有的恒压或恒流的优良特性，同时会造成系统无功增加，所以往往采用第二种线圈集成方式。但是采用第二种线圈集成的方式，现有方法只能实现对单个双侧LCC补偿谐振网络系统中同一侧补偿线圈与主线圈解耦集成。其中同一侧只有一个补偿线圈和一个主线圈。当前没有一种方法可以实现两并联的双侧LCC谐振网络系统中同一侧补偿线圈与主线圈的解耦集成，同一侧有两个补偿线圈和两个主线圈。
综上所述，在大功率无线充电系统中，比如并联型双侧LCC补偿拓扑的系统，能实现仅对应的主线圈间相互耦合，其余线圈都相互解耦集成，是非常有意义的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多线圈解耦集成的紧凑型无线充电系统。该系统中原副边变换器并联，每个高频逆变器驱动一个双侧LCC补偿的谐振网络的拓扑。本发明中提出了一种线圈集成方法，将同一侧的四个线圈全部集成在一起，共用磁芯，实现同一侧线圈间全部相互解耦，同时两侧补偿线圈间解耦，以及副边主线圈与原边补偿线圈和原边主线圈与副边补偿线圈间相互解耦。这样的线圈集成方法既节约装置占用的空间，并且节约磁芯，同时不影响LCC补偿拓扑原有恒流的工作特性。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：
一种基于多线圈解耦集成的紧凑型无线充电系统，包括高频逆变器电路、谐振网络以及整流器电路；
高频逆变器电路，将逆变器输入侧的直流电压转为高频交流电压，用于激励谐振网络；
谐振网络，受高频交流电压激励后，线圈产生高频交流电流，激发高频电磁场，使得副边线圈感应出高频电压，从而实现能量从原边传递到副边；
整流器电路，将谐振网络输出的高频交流电压，经全桥整流后再经过滤波电容得到直流电压用于后级负载供电。
本发明进一步的改进在于，高频逆变器电路由两个并联逆变器组成，逆变器采用的为全桥型逆变器，每个逆变器由四个功率管组成。
本发明进一步的改进在于，高频逆变器电路具体包括两个全桥逆变器并联而成，逆变器一共包含八个功率管S1-S8；其中单个全桥逆变器由两个桥臂组成，每个桥臂由上下两个功率管构成；在两逆变器的输入侧并联然后接入直流电源Vin，同时并联母线电容Cd1和Cd2；逆变器的输出端从桥臂中点引出，每个逆变器输出端分别与一个双侧LCC补偿的谐振网络输入端连接。
本发明进一步的改进在于，谐振网络采用双侧LCC补偿型的谐振网络。
本发明进一步的改进在于，谐振网络具体包括两个并联的基于双侧LCC补偿的谐振网络，每个谐振网络输入侧分别接一个高频逆变器，输出端接一个高频整流器；其中两个LCC补偿的谐振网络基本结构一致，第一个谐振网络中原边补偿线圈L1pt并联连接谐振电容C1pt，然后串联连接谐振电容C1p，谐振电容C1p同时串联连接原边主线圈L1p，副边主线圈L1s先串联连接谐振电容C1s，然后并联连接谐振电容C1st，最后再串联补偿线圈L1st，补偿线圈L1st的另一端连接整流器的桥臂中点；第二个谐振网络中线圈与电容的电气连接方式与第一个谐振网络的连接方式相同；两个谐振网络中的线圈全部按照一定的相对位置集成在一起，使得集成的线圈之间不相互干扰；谐振网络中的线圈结构如下：主线圈Lp1与Ls1采用DD结构的线圈，主线圈L2p与主线圈L2s采用单个矩形平面线圈，其余的补偿线圈全部采用的DD结构线圈；谐振网络中同一边的线圈的相对位置如下：线圈Lp1与Lp2上下重叠放置，且中心点重合；线圈L1pt与线圈L2pt分别放在主线圈L1p与主线圈L2p的x轴上靠边位置；同时线圈L1pt和线圈L2pt需要重叠合适的长度；在线圈下边为铁芯，铁芯采用条状磁芯拼接而成，用于增加原副边主线圈的耦合系数，同时减小漏感，磁芯下边为铝板，用于屏蔽对外的电磁辐射；由于副边的线圈集成方式与原边的线圈一样，线圈的相对位置一样，与原边不同的是，副边磁芯放在线圈上边，磁芯上边为铝板。
本发明进一步的改进在于，同一边的补偿线圈u需要重叠合适的间距放置，从而实现补偿线圈的相互解耦；该重叠间距通过以下方法找到：先将两DD极性线圈完全重合，再将两DD极性线圈逐渐往分开的方向移动，在逐渐分开的过程中同时测量两DD极性线圈的耦合系数，随着两线圈重叠距离d的减小，两线圈耦合系数先减小到零随后增加；记录下该过程中耦合系数最小时对应的重叠距离，该重叠距离即可使得两线DD极性线圈的解耦。
本发明进一步的改进在于，整流器电路具体包括两个高频整流器，包含八个整流二极管D1-D8，然后每个全桥整流器桥臂由上下两个二极管组成；两个整流器输出端并联后接到负载，每个整流器输入侧的桥臂中点分别接到两个谐振网络的输出两端。
本发明至少具有以下的有益效果：
该无线充电系统主要包含三个主要部分：高频逆变器，双侧LCC补偿网络，高频整流器部分。在本发明中，无线充电系统中同一侧的所有线圈均解耦集成，同一侧线圈共用磁芯，且所有线圈中仅主线圈间相互耦合，其它线圈相互解耦，不相干扰，从而减小无线充电系统的体积，并且节约磁芯。
1本发明中的无线充电系统耦合机构采用了线圈集成的方式，减小无线充电系统中线圈占用的空间。
2除对应主线圈相互耦合，其余所有线圈组合都相互不耦合。大大降低电路的分析难度，也保持了LCC补偿谐振网络具有恒流输出，最小无功的优良特性。
3同一侧的线圈共用磁芯，因此本发明中提出的线圈集成方法具有节约磁芯的作用，从而降低系统成本。
4本发明中的无线充电采用的并联结构，即逆变器并联然后分别驱动两个谐振网络，两谐振网络输出侧分别接到两个整流器。系统中存在两个能量传输路径，从而有利于提高系统的可靠性与功率传输能力。
附图说明
图1是本发明中的大功率无线充电拓扑图；
图2是本发明线圈集成方法整体示意图；
图3是本发明中原边集成线圈俯视图；
图4是本发明中补偿线圈重叠示意图；
图5是本发明方法中补偿线圈d值的确定示意图；
图6是采用本发明提出的线圈集成方法，线圈耦合系数仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，是本系统中用于大功率的双侧LCC补偿网络无线充电拓，该系统主要由三部分组成:高频逆变器电路，谐振网络，以及整流器电路组成。
其中逆变部分由两个并联逆变器组成，逆变器采用的为全桥型逆变器，每个逆变器由四个功率管组成，一共八个功率管：S1-S8。逆变器的开关频率为fs。开关频率的大小等于谐振网络的谐振频率。谐振网络采用双侧LCC补偿型的谐振网络，其中L1st,L1pt,L2pt,L2st为补偿线圈，L1p,L2p,L1s,L2s为主线圈，用于能量传输。Cp1,Cp2,Cpt1,Cpt2,Cs1,Cs2,Cst1,Cst2为谐振电容。其电感与电容值满足以下关系。
Figure BDA0002809281520000051
其中f0为谐振网络的谐振频率，系统中变换器开关频率fs大小与谐振网络的谐振频率大小相同。逆变器输出的高频交流电压用于激励两并联型的双侧LCC补偿网络。
本发明中的耦合机构是将同一侧的线圈全部解耦集成在一起，从而实现磁芯共用，减小无线充电系统占用的空间。所有的线圈均采用多股利兹线绕制而成。将L1pt,L2pt,L1p,L2p线圈集成在一起，作为无线充电系统的发射端，将L1s,L2s,L1st,L2st线圈集成在一起，作为无线充电系统的接收端。系统中有八个线圈，线圈两两组合一共有28种组合，其中只有L1p,L1s与L2p,L2s这两种组合的线圈相互耦合，其余26种线圈组合全都不耦合。
本发明提出的线圈集成结构如参考图2，集成线圈从上往下分别为铝屏蔽板，磁芯，副边DD极性主线圈L1s，副边矩形平面非极性主线圈L2s，副边DD极补偿线圈L2st，副边DD补偿线圈L1st，原边DD补偿线圈L1pt，原边DD补偿线圈L2pt，原边DD主线圈L1p，原边矩形平面非极性主线圈L2p。
本发明中，原副边补偿线圈均用DD线圈，用于能量传输的两组主线圈分别为DD线圈与矩形平面线圈。两侧分别为一个DD主线圈与一个矩形平面主线圈以及两个DD补偿线圈。首先其中同一侧的补偿线圈交叠一定长度放置，实现补偿线圈间的解耦。其次，原副边用于能量传输的主线圈各两个，一个DD极性线圈，一个矩形平面非极性线圈。同一侧的DD极性主线圈与矩形平面非极性主线圈上下重叠放置，两主线圈中心点对准。通过这样的放置，同一侧的主线圈可实现相互解耦。然后，同一侧的补偿线圈放在同一侧主线圈x轴上靠边的位置，实现同一侧的补偿线圈与主线圈相互解耦。集成后的线圈结构，从上往下为，铝板屏蔽层，条状铁氧体磁芯，DD极性主线圈，矩形平面非极性主线圈，两交叠放置的DD极性补偿线圈，原副边线圈集成结构一致。
同一侧的线圈具体的相对位置如参考图3所示，图3所示为原边线圈的俯视图。同一侧的线圈都以x轴对称。首先DD极性主线圈中心点与矩形平面非极性主线圈中心点重合。这样的放置方式使得DD线圈产生的磁通穿过矩形平面线圈的总量为零，从而使得DD极性主线圈与矩形平面非极性主线圈实现解耦。两DD极性补偿线圈交叠后，放置在矩形平面非极性主线圈靠边的位置上。DD极性补偿线圈是沿y轴方向放置，而DD极性主线圈是沿x轴方向放置。同理，通过这样的方式，补偿线圈产生的磁通穿过主线圈的总量为零，从而使得补偿线圈与主线圈解耦。副边线圈结构与原边线圈结构一致。
其中同一侧的补偿线圈与补偿线圈的放置如图4所示，本发明中的补偿线圈采用的是DD极性线圈。本发明方法中采用的DD极性线圈可以看作是两个矩形平面线圈连接而成，因此DD极性线圈交叠一定距离d后可以实现两DD极性线圈之间的解耦。d的取值跟线圈尺寸形状有关系，具体值得确定可以根据如图5确定。当两DD极性线圈完全重合到两DD极性线圈完全分开的过程中，两DD极性线圈的耦合系数随d的减小，先减小到零随后增加然后再减小。因此两DD极性线圈在重合一定距离时可以实现两线圈的解耦。因此DD极性补偿线圈L1pt，L2pt与L1st，L2st重叠一定距离后可以实现线圈的解耦。
最后两双侧LCC补偿网络输出交流电流经过两并联型的高频整流器桥滤波后得到直流电流，用于负载供电。
在本发明中，耦合机构采用的多线圈解耦集成，通过Q3D仿真验证后如图6所示。很显然，耦合机构中同一侧的8个线圈的28种线圈组合中，仅用于能量传输的两组主线圈相互耦合，其余26种线圈组合的耦合系数都足够小，可以忽略。其中主线圈耦合系数分别为kLp1Ls1＝0.137和kLp2Ls2＝0.143，原副边线圈间隔h为15cm，用于仿真的各线圈参数如表1所示。
表1用于仿真验证的系统参数
Figure BDA0002809281520000071
综上所述，本发明提出的一种基于多线圈解耦集成的紧凑型无线充电系统，可以实现仅对应的主线圈相互耦合，其余所有线圈组合都相互不耦合。降低了电路的分析难度，保持了LCC补偿谐振网络恒流的优良工作特性。而且同一侧的线圈共用磁芯，因此可以节约磁芯，从而节省系统成本。采用本发明中提出的线圈集成方式可以明显减小大功率无线充电系统的线圈占用的空间。

Claims (7)

1.一种基于多线圈解耦集成的紧凑型无线充电系统，其特征在于，包括高频逆变器电路、谐振网络以及整流器电路；
高频逆变器电路，将逆变器输入侧的直流电压转为高频交流电压，用于激励谐振网络；
谐振网络，受高频交流电压激励后，线圈产生高频交流电流，激发高频电磁场，使得副边线圈感应出高频电压，从而实现能量从原边传递到副边；
整流器电路，将谐振网络输出的高频交流电压，经全桥整流后再经过滤波电容得到直流电压用于后级负载供电。
2.根据权利要求1所述的一种基于多线圈解耦集成的紧凑型无线充电系统，其特征在于，高频逆变器电路由两个并联逆变器组成，逆变器采用的为全桥型逆变器，每个逆变器由四个功率管组成。
3.根据权利要求2所述的一种基于多线圈解耦集成的紧凑型无线充电系统，其特征在于，高频逆变器电路具体包括两个全桥逆变器并联而成，逆变器一共包含八个功率管S1-S8；其中单个全桥逆变器由两个桥臂组成，每个桥臂由上下两个功率管构成；在两逆变器的输入侧并联然后接入直流电源Vin，同时并联母线电容Cd1和Cd2；逆变器的输出端从桥臂中点引出，每个逆变器输出端分别与一个双侧LCC补偿的谐振网络输入端连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于多线圈解耦集成的紧凑型无线充电系统，其特征在于，谐振网络采用双侧LCC补偿型的谐振网络。
5.根据权利要求4所述的一种基于多线圈解耦集成的紧凑型无线充电系统，其特征在于，谐振网络具体包括两个并联的基于双侧LCC补偿的谐振网络，每个谐振网络输入侧分别接一个高频逆变器，输出端接一个高频整流器；其中两个LCC补偿的谐振网络基本结构一致，第一个谐振网络中原边补偿线圈L1pt并联连接谐振电容C1pt，然后串联连接谐振电容C1p，谐振电容C1p同时串联连接原边主线圈L1p，副边主线圈L1s先串联连接谐振电容C1s，然后并联连接谐振电容C1st，最后再串联补偿线圈L1st，补偿线圈L1st的另一端连接整流器的桥臂中点；第二个谐振网络中线圈与电容的电气连接方式与第一个谐振网络的连接方式相同；两个谐振网络中的线圈全部按照一定的相对位置集成在一起，使得集成的线圈之间不相互干扰；谐振网络中的线圈结构如下：主线圈Lp1与Ls1采用DD结构的线圈，主线圈L2p与主线圈L2s采用单个矩形平面线圈，其余的补偿线圈全部采用的DD结构线圈；谐振网络中同一边的线圈的相对位置如下：线圈Lp1与Lp2上下重叠放置，且中心点重合；线圈L1pt与线圈L2pt分别放在主线圈L1p与主线圈L2p的x轴上靠边位置；同时线圈L1pt和线圈L2pt需要重叠合适的长度；在线圈下边为铁芯，铁芯采用条状磁芯拼接而成，用于增加原副边主线圈的耦合系数，同时减小漏感，磁芯下边为铝板，用于屏蔽对外的电磁辐射；由于副边的线圈集成方式与原边的线圈一样，线圈的相对位置一样，与原边不同的是，副边磁芯放在线圈上边，磁芯上边为铝板。
6.根据权利要求5所述的一种基于多线圈解耦集成的紧凑型无线充电系统，其特征在于，同一边的补偿线圈u需要重叠合适的间距放置，从而实现补偿线圈的相互解耦；该重叠间距通过以下方法找到：先将两DD极性线圈完全重合，再将两DD极性线圈逐渐往分开的方向移动，在逐渐分开的过程中同时测量两DD极性线圈的耦合系数，随着两线圈重叠距离d的减小，两线圈耦合系数先减小到零随后增加；记录下该过程中耦合系数最小时对应的重叠距离，该重叠距离即可使得两线DD极性线圈的解耦。
7.根据权利要求5所述的一种基于多线圈解耦集成的紧凑型无线充电系统，其特征在于，整流器电路具体包括两个高频整流器，包含八个整流二极管D1-D8，然后每个全桥整流器桥臂由上下两个二极管组成；两个整流器输出端并联后接到负载，每个整流器输入侧的桥臂中点分别接到两个谐振网络的输出两端。
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