CN112615440A - 无线电能传输装置和无线电能传输系统 - Google Patents

无线电能传输装置和无线电能传输系统 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种无线电能传输装置和无线电能传输系统，该无线电能传输装置包括：发射线圈，与交流电源电连接，用于产生入射磁场；接收线圈，与负载电连接，与发射线圈在入射磁场的磁场方向上相对且间隔设置，用于与发射线圈产生磁场耦合；混合环阵列，设置在发射线圈和接收线圈之间，混合环阵列包括至少一个放大环线圈和多个屏蔽环线圈，多个屏蔽环线圈环绕放大环线圈设置，第一磁场方向与入射磁场的磁场方向相同，第二磁场方向与入射磁场的磁场方向相反，第一磁场方向为放大环线圈产生的感应磁场的磁场方向，第二磁场方向为屏蔽环线圈产生的感应磁场的磁场方向。该无线电能传输装置通过放大环线圈和屏蔽环线圈保证了无线电能传输的高效和稳定。

Description

无线电能传输装置和无线电能传输系统
技术领域
本申请涉及无线电能传输技术领域，具体而言，涉及一种无线电能传输装置和无线电能传输系统。
背景技术
目前，无线电能传输(WPT)技术已广泛应用于手机、智能手表、无人机等各种电子设备。此外，WPT技术的这些优势正在广泛应用于大功率应用，如电动汽车、电动客车、电动火车等。WPT采用磁场作为能量传递介质。因此，在设计WPT系统时，必须考虑漏磁场和WPT系统的效率。随着传输功率从几十瓦增大到几千瓦，漏电动势问题和系统效率对无线输电系统变得尤为重要。泄漏的电动势会影响附近的电子元件，导致系统故障。铁氧体、超材料和环形线圈等方法曾用来降低漏电势和提高效率，但每种方法都各有优缺点。在铁氧体、超导材料情况下，它成功地提高效率和降低漏电动势水平，但它是沉重的，昂贵和脆弱；而环型线圈虽可降低漏电动势，系统效率也会降低，同时，接收线圈与发射线圈存在偏移时，传输效率将大幅降低。
在背景技术部分中公开的以上信息只是用来加强对本文所描述技术的背景技术的理解，因此，背景技术中可能包含某些信息，这些信息对于本领域技术人员来说并未形成在本国已知的现有技术。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种无线电能传输装置和无线电能传输系统，以解决现有技术中难以实现无线电能传输的高效和稳定的问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种无线电能传输装置，包括：发射线圈，与交流电源电连接，用于产生入射磁场；接收线圈，与负载电连接，与所述发射线圈在所述入射磁场的磁场方向上相对且间隔设置，用于与所述发射线圈产生磁场耦合；混合环阵列，设置在所述发射线圈和所述接收线圈之间，所述混合环阵列包括至少一个放大环线圈和多个屏蔽环线圈，多个所述屏蔽环线圈环绕所述放大环线圈设置，第一磁场方向与所述入射磁场的磁场方向相同，第二磁场方向与所述入射磁场的磁场方向相反，所述第一磁场方向为所述放大环线圈产生的感应磁场的磁场方向，所述第二磁场方向为所述屏蔽环线圈产生的感应磁场的磁场方向。
可选地，所述混合环阵列中任意两个相邻的环线圈的间距相同，所述环线圈为所述放大环线圈或者所述屏蔽环线圈。
可选地，所述混合环阵列为4×4阵列结构，所述混合环阵列包括4个所述放大环线圈和12个所述屏蔽环线圈，4个所述放大环线圈按照2×2阵列结构排列，12个所述屏蔽环线圈围绕4个所述放大环线圈排列且各所述屏蔽环线圈的中心连线形成正方形。
可选地，所述放大环线圈和所述屏蔽环线圈均包括利兹线和电容器，所述利兹线形成环形线圈且所述利兹线的两端分别与所述电容器两端电连接。
可选地，所述混合环阵列包括多个所述放大环线圈，所述无线电能传输装置还包括：辅助线圈，位于所述放大环线圈内且所述辅助线圈的中轴线与所述放大环线圈的中轴线重合，所述辅助线圈用于产生检测电压，所述辅助线圈与所述放大环线圈内一一对应。
可选地，所述交流电源包括：直流电源，用于输出第一直流电；逆变电路，与所述直流电源和所述发射线圈电连接，用于将所述第一直流电逆变为交流电并传输至所述发射线圈。
可选地，所述逆变电路为全桥逆变电路，所述全桥逆变电路包括第一支路和第二支路，所述第一支路和所述第二支路并联连接在所述直流电源上，第一桥臂和第二桥臂串联连接在所述第一支路上，第三桥臂和第四桥臂串联连接在所述第二支路上，所述第一桥臂和所述第二桥臂之间线路与所述发射线圈的一端电连接，所述第三桥臂和所述第四桥臂之间线路与所述发射线圈的另一端电连接。
可选地，所述无线电能传输装置还包括：整流电路，与所述接收线圈和所述负载电连接，用于所述接收线圈的感应电流转换为第二直流电并传输至所述负载。
可选地，所述整流电路为全桥整流电路，所述全桥整流电路包括第三支路和第四支路，所述第三支路和所述第四支路并联连接在所述负载上，第一二极管和第二二极管串联连接在所述第三支路上，第三二极管和第四二极管串联连接在所述第四支路上，所述第一二极管和所述第二二极管之间线路与所述接收线圈的一端电连接，所述第三二极管和所述第四二极管之间线路与所述接收线圈的另一端电连接。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种无线电能传输系统，包括交流电源、负载和无线电能传输装置，包括：所述无线电能传输装置包括用于执行任意一种所述的无线电能传输装置。
在本发明实施例中，上述无线电能传输装置中，发射线圈和接收线圈产生磁场耦合，以通过磁场无线传输电能，放大环线圈设置在发射线圈和接收线圈之间，放大环线圈产生的感应磁场的磁场方向与入射磁场的磁场方向相同，从而起助磁作用，提高无线电能传输具有能量传输距离和传输效率，屏蔽环线圈产生的感应磁场的磁场方向与入射磁场的磁场方向相反，且屏蔽环线圈环绕上述放大环线圈设置，从而屏蔽漏磁，减少泄露电势，进而保证了无线电能传输的高效和稳定，解决了现有技术中难以实现无线电能传输的高效和稳定。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本申请的一种实施例的无线电能传输装置的示意图；
图2示出了根据本申请的一种实施例的放大环线圈和屏蔽环线圈的示意图；
图3示出了根据本申请的一种实施例的混合环阵列的示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
01、直流电源；02、逆变电路；021、第一桥臂；022、第二桥臂；023、第三桥臂；024、第四桥臂；03、负载；10、发射线圈；20、接收线圈；30、混合环阵列；31、放大环线圈；32、屏蔽环线圈；40、整流电路；41、第一二极管；42、第二二极管；43、第三二极管；44、第四二极管。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。
正如背景技术中所说的，现有技术中难以实现无线电能传输的高效和稳定，为了解决上述问题，本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种无线电能传输装置和无线电能传输系统。
根据本申请的实施例，提供了一种无线电能传输装置，如图1所示，该无线电能传输装置包括：
发射线圈10，与交流电源电连接，用于产生入射磁场；
接收线圈20，与负载03电连接，与上述发射线圈10在上述入射磁场的磁场方向上相对且间隔设置，用于与上述发射线圈10产生磁场耦合；
混合环阵列30，设置在上述发射线圈10和上述接收线圈20之间，上述混合环阵列30包括至少一个放大环线圈31和多个屏蔽环线圈32，多个上述屏蔽环线圈32环绕上述放大环线圈31设置，第一磁场方向与上述入射磁场的磁场方向相同，第二磁场方向与上述入射磁场的磁场方向相反，上述第一磁场方向为上述放大环线圈31产生的感应磁场的磁场方向，上述第二磁场方向为上述屏蔽环线圈32产生的感应磁场的磁场方向。
上述无线电能传输装置中，发射线圈和接收线圈产生磁场耦合，以通过磁场无线传输电能，放大环线圈设置在发射线圈和接收线圈之间，放大环线圈产生的感应磁场的磁场方向与入射磁场的磁场方向相同，从而起助磁作用，提高无线电能传输具有能量传输距离和传输效率，屏蔽环线圈产生的感应磁场的磁场方向与入射磁场的磁场方向相反，且屏蔽环线圈环绕上述放大环线圈设置，从而屏蔽漏磁，减少泄露电势，进而保证了无线电能传输的高效和稳定，解决了现有技术中难以实现无线电能传输的高效和稳定。
需要说明的是，如图2所示，上述放大环线圈产生的感应磁场的磁场方向和上述屏蔽环线圈产生的感应磁场的磁场方向相反，即上述第一磁场方向与上述第二磁场方向相反，使得上述第一磁场方向与上述入射磁场的磁场方向相同，上述第二磁场方向与上述入射磁场的磁场方向相反。
还需要说明的是，入射磁场的磁场强度的计算公式为B＝B0ejωt，其中，B0为入射磁场的最大值，ω为交流电源的输出电路的角速度，j为常数，利用法拉第电磁感应定律，计算求得屏蔽环线圈的感应电压和放大环线圈的感应电压为
Figure BDA0002861972040000041
其中，S为屏蔽环线圈或者放大环线圈的面积，计算求得屏蔽环线圈的感应电流
Figure BDA0002861972040000042
其中，Z1为屏蔽环线圈的阻抗，L1为屏蔽环线圈的电感，C1为屏蔽环线圈的电容，R1为屏蔽环线圈的电阻，放大环线圈的感应电流为
Figure BDA0002861972040000043
Z2为放大环线圈的阻抗，L2为放大环线圈的电感，C2为放大环线圈的电容，R2为屏蔽环线圈的电阻，磁感应磁场强度的通用公式为
Figure BDA0002861972040000044
屏蔽环线圈为电感主导的阻抗，放大环线圈电容为主的阻抗，推导即可得到屏蔽环线圈的感应磁场强度为
Figure BDA0002861972040000045
放大环线圈的感应磁场强度为
Figure BDA0002861972040000046
Figure BDA0002861972040000047
本申请的一种实施例中，上述混合环阵列中任意两个相邻的环线圈的间距相同，上述环线圈为上述放大环线圈或者上述屏蔽环线圈。具体地，上述混合环阵列中环线圈对入射磁场均有影响，任意两个相邻的环线圈的间距相同，提高入射磁场分布的均匀性，进一步提高无线电能传输的稳定性。
本申请的一种具体的实施例中，如图3所示，上述混合环阵列为4×4阵列结构，上述混合环阵列包括4个上述放大环线圈31和12个上述屏蔽环线圈32，4个上述放大环线圈31按照2×2阵列结构排列，12个上述屏蔽环线圈32围绕4个上述放大环线圈排列且各上述屏蔽环线圈32的中心连线形成正方形。具体地，上述混合环阵列为4×4阵列结构，各上述放大环线圈和各上述屏蔽环线圈均对称设置，进一步提高入射磁场分布的均匀性，提高无线电能传输的稳定性。
本申请的一种实施例中，上述放大环线圈和上述屏蔽环线圈均包括利兹线和电容器，上述利兹线形成环形线圈且上述利兹线的两端分别与上述电容器两端电连接。具体地，采用利兹线形成的环形线圈相比于铁氧体和超材料，分量轻、成本低且耐用，电容器起到调谐作用，使其感应信号与发射线圈的信号频率共振。
本申请的一种实施例中，上述混合环阵列包括多个上述放大环线圈，上述无线电能传输装置还包括辅助线圈，上述辅助线圈位于上述放大环线圈内且上述辅助线圈的中轴线与上述放大环线圈的中轴线重合，上述辅助线圈用于产生检测电压，上述辅助线圈与上述放大环线圈内一一对应。具体地，接收线圈与发射线圈存在偏移时，通过电压检测设备检测辅助线圈产生的检测电压，通过最大的检测电压确定发射线圈的距离最近的放大环线圈，开启该放大环线圈即可提高抗偏移高效传输性能。
本申请的一种实施例中，如图1所示，上述交流电源包括直流电源01和逆变电路02，其中，上述直流电源01用于输出第一直流电；上述逆变电路02与上述直流电源01和上述发射线圈10电连接，用于将上述第一直流电逆变为交流电并传输至上述发射线圈10。具体地，通过逆变电路将直流电源产生的第一直流电逆变为交流电并传输至上述发射线圈，即可作为交流电源为上述发射线圈提供交流电，当然，本领域技术人员可以选择合适频率的交流电源给上述发射线圈供电。
本申请的一种实施例中，如图1所示，上述逆变电路02为全桥逆变电路，上述全桥逆变电路包括第一支路和第二支路，上述第一支路和上述第二支路并联连接在上述直流电源上，第一桥臂021和第二桥臂022串联连接在上述第一支路上，第三桥臂023和第四桥臂024串联连接在上述第二支路上，上述第一桥臂021和上述第二桥臂022之间线路与上述发射线圈的一端电连接，上述第三桥臂023和上述第四桥臂024之间线路与上述发射线圈的另一端电连接。具体地，四个桥臂一周期内导通180°，按第一桥臂-第四桥臂-第三桥臂-第二桥臂顺序每间隔90°依次导通，通过控制四个桥臂导通实现不同频率交流电源输出。
本申请的一种实施例中，如图1所示，上述无线电能传输装置还包括整流电路40，上述整流电路40与上述接收线圈20和上述负载03电连接，用于上述接收线圈20的感应电流转换为第二直流电并传输至上述负载03。具体地，无线充电的负载通常采用直流电充电，例如，手机、智能手表、无人机，通过整流电路将上述接收线圈的感应电流转换为第二直流电并传输至上述负载，实现对负载充电。
本申请的一种实施例中，如图1所示，上述整流电路40为全桥整流电路，上述全桥整流电路包括第三支路和第四支路，上述第三支路和上述第四支路并联连接在上述负载上，第一二极管41和第二二极管42串联连接在上述第三支路上，第三二极管43和第四二极管44串联连接在上述第四支路上，上述第一二极管41和上述第二二极管42之间线路与上述接收线圈20的一端电连接，上述第三二极管43和上述第四二极管44之间线路与上述接收线圈20的另一端电连接。具体地，利用二极管的单向导电性能将交流电压转变成直流电，在交流电源作用下，第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管周期性导通和截至，正半周期，第一二极管和第四二极管导通，负半周期，第二二极管和第三二极管导通，经过全桥整流输出稳定直流信号供给负载。
本申请实施例还提供了一种无线电能传输系统，包括交流电源、负载和无线电能传输装置，包括：上述无线电能传输装置包括用于执行任意一种上述的无线电能传输装置。
上述无线电能传输系统中，包括交流电源、负载和无线电能传输装置，发射线圈和接收线圈产生磁场耦合，以通过磁场无线传输电能，放大环线圈设置在发射线圈和接收线圈之间，放大环线圈产生的感应磁场的磁场方向与入射磁场的磁场方向相同，从而起助磁作用，提高无线电能传输具有能量传输距离和传输效率，屏蔽环线圈产生的感应磁场的磁场方向与入射磁场的磁场方向相反，且屏蔽环线圈环绕上述放大环线圈设置，从而屏蔽漏磁，减少泄露电势，进而保证了无线电能传输的高效和稳定，解决了现有技术中难以实现无线电能传输的高效和稳定。
从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：
1)、本申请的无线电能传输装置中，发射线圈和接收线圈产生磁场耦合，以通过磁场无线传输电能，放大环线圈设置在发射线圈和接收线圈之间，放大环线圈产生的感应磁场的磁场方向与入射磁场的磁场方向相同，从而起助磁作用，提高无线电能传输具有能量传输距离和传输效率，屏蔽环线圈产生的感应磁场的磁场方向与入射磁场的磁场方向相反，且屏蔽环线圈环绕上述放大环线圈设置，从而屏蔽漏磁，减少泄露电势，进而保证了无线电能传输的高效和稳定，解决了现有技术中难以实现无线电能传输的高效和稳定。
2)、本申请的无线电能传输系统中，包括交流电源、负载和无线电能传输装置，发射线圈和接收线圈产生磁场耦合，以通过磁场无线传输电能，放大环线圈设置在发射线圈和接收线圈之间，放大环线圈产生的感应磁场的磁场方向与入射磁场的磁场方向相同，从而起助磁作用，提高无线电能传输具有能量传输距离和传输效率，屏蔽环线圈产生的感应磁场的磁场方向与入射磁场的磁场方向相反，且屏蔽环线圈环绕上述放大环线圈设置，从而屏蔽漏磁，减少泄露电势，进而保证了无线电能传输的高效和稳定，解决了现有技术中难以实现无线电能传输的高效和稳定。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无线电能传输装置，其特征在于，包括：
发射线圈，与交流电源电连接，用于产生入射磁场；
接收线圈，与负载电连接，与所述发射线圈在所述入射磁场的磁场方向上相对且间隔设置，用于与所述发射线圈产生磁场耦合；
混合环阵列，设置在所述发射线圈和所述接收线圈之间，所述混合环阵列包括至少一个放大环线圈和多个屏蔽环线圈，多个所述屏蔽环线圈环绕所述放大环线圈设置，第一磁场方向与所述入射磁场的磁场方向相同，第二磁场方向与所述入射磁场的磁场方向相反，所述第一磁场方向为所述放大环线圈产生的感应磁场的磁场方向，所述第二磁场方向为所述屏蔽环线圈产生的感应磁场的磁场方向。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述混合环阵列中任意两个相邻的环线圈的间距相同，所述环线圈为所述放大环线圈或者所述屏蔽环线圈。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述混合环阵列为4×4阵列结构，所述混合环阵列包括4个所述放大环线圈和12个所述屏蔽环线圈，4个所述放大环线圈按照2×2阵列结构排列，12个所述屏蔽环线圈围绕4个所述放大环线圈排列且各所述屏蔽环线圈的中心连线形成正方形。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述放大环线圈和所述屏蔽环线圈均包括利兹线和电容器，所述利兹线形成环形线圈且所述利兹线的两端分别与所述电容器两端电连接。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述混合环阵列包括多个所述放大环线圈，所述无线电能传输装置还包括：
辅助线圈，位于所述放大环线圈内且所述辅助线圈的中轴线与所述放大环线圈的中轴线重合，所述辅助线圈用于产生检测电压，所述辅助线圈与所述放大环线圈内一一对应。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述交流电源包括：
直流电源，用于输出第一直流电；
逆变电路，与所述直流电源和所述发射线圈电连接，用于将所述第一直流电逆变为交流电并传输至所述发射线圈。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述逆变电路为全桥逆变电路，所述全桥逆变电路包括第一支路和第二支路，所述第一支路和所述第二支路并联连接在所述直流电源上，第一桥臂和第二桥臂串联连接在所述第一支路上，第三桥臂和第四桥臂串联连接在所述第二支路上，所述第一桥臂和所述第二桥臂之间线路与所述发射线圈的一端电连接，所述第三桥臂和所述第四桥臂之间线路与所述发射线圈的另一端电连接。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述无线电能传输装置还包括：
整流电路，与所述接收线圈和所述负载电连接，用于所述接收线圈的感应电流转换为第二直流电并传输至所述负载。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述整流电路为全桥整流电路，所述全桥整流电路包括第三支路和第四支路，所述第三支路和所述第四支路并联连接在所述负载上，第一二极管和第二二极管串联连接在所述第三支路上，第三二极管和第四二极管串联连接在所述第四支路上，所述第一二极管和所述第二二极管之间线路与所述接收线圈的一端电连接，所述第三二极管和所述第四二极管之间线路与所述接收线圈的另一端电连接。
10.一种无线电能传输系统，包括交流电源、负载和无线电能传输装置，其特征在于，包括：
所述无线电能传输装置包括用于执行权利要求1至9中任意一项所述的无线电能传输装置。
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