CN112751428A - 工况适应型多通道互联无线供电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及工况适应型多通道互联无线供电系统及方法，无线供电系统包括直流电源、多个发射单元、多个接收单元、电源状态检测模块、控制模块、负载状态检测模块、整流稳压模块和负载；直流电源分别与多个发射单元和电源状态检测模块连接，控制模块分别与电源状态检测模块和负载状态检测模块，负载分别与负载状态检测模块、多个接收单元和整流稳压模块连接。该系统采用的是磁耦合谐振式无线电能传输技术，对发射线圈进行优化设计，通过降低线圈垂直耦合磁场以减小无线充电系统对外界的影响。通过改变无线充电耦合机构的数量，来改变无线电能传输功率，使无线充电系统能够满足不同功率等级负载的充电需要。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，特别涉及工况适应型多通道互联无线供电系统及方法。
背景技术
无线电能传输技术目前应用十分广泛，根据电能传输机理比较常见的分为三种形式：电磁感应式、辐射式以及电磁共振式。
电磁感应式无线电能传输技术是基于分离变压器的感应原理实现能量的无接触传输，将高频电流通入初级侧线圈，利用磁场的感应耦合从初级侧发射能量并耦合至次级侧产生感应电流。其具有传输功率及效率较高的优点，但其传输距离较短。
辐射式可分为微波式、激光式和超声波式。微波式无线电能传输技术是利用微波产生装置将电能转变为微波形式发射至自由空间，激光无线电能传输技术通过受激福射放大将电能转变为激光，进而将能量发射至接收部分，超声波无线电能传输技术则利用压电效应产生超声波，再通过接收器接收能量。辐射式具有传输距离远等优点，但实现门槛普遍较高，且传输效率较低。
磁耦合谐振式无线电能传输技术是基于近场耦合的概念，通过设置发射装置和接收装置的电气参数，使其具有相同的谐振频率，在发射端通入高频电流时，系统呈现电谐振状态，从而使发射端与接收端之间实现高效的能量交换。其具有传输功率较大、传输效率较高、传输距离较远以及对外界电磁影响小等优点。该技术以交变磁场作为能量传递的媒介，不但能够一对一地传输能量，而且能够在有效耦合区域内为多个具有相同谐振频率的接收端提供电能，同时其他频率不匹配的物体几乎不受影响。
目前，磁耦合谐振式无线电能传输技术发展势头迅猛，但针对磁耦合谐振式无线电能传输对外界的影响方面的解决方案较少，这使得大功率无线电能传输技术容易对外界产生较大干扰。同时，为了扩大无线电能传输技术的适用性，实现单个无线充电系统对多个需要充电的不同功率等级负载进行充电，实现“一机多用”非常有必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够实现适应工况目的的高输出功率、高性能无线供电系统。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：工况适应型多通道互联无线供电系统，包括直流电源、多个发射单元、多个接收单元、电源状态检测模块、控制模块、负载状态检测模块、整流稳压模块和负载；直流电源分别与多个发射单元和电源状态检测模块连接，控制模块分别与电源状态检测模块、多个发射单元和负载状态检测模块连接，负载分别与负载状态检测模块、多个接收单元和整流稳压模块连接；各发射单元均包括依次连接的小型逆变模块、LCC补偿电路和发射线圈模块；各接收单元均包括依次连接的接收线圈模块、并联补偿电路和选择开关，以及小型整流稳压模块；小型整流稳压模块通过选择开关与并联补偿电路连接，整流稳压模块通过选择开关与各接收单元连接；发射线圈模块与接收线圈模块通过磁耦合方式连接。
在上述工况适应型多通道互联无线供电系统中，发射线圈模块自上而下包括塑料发射板、发射线圈和铁氧体粉末和铝制金属外壳。
在上述工况适应型多通道互联无线供电系统中，发射线圈包括内、中、外三重线圈，且三重线圈均为圆角方形结构。
在上述工况适应型多通道互联无线供电系统中，接收线圈模块自上而下包括塑料发射板、发射线圈和铁氧体粉末和铝制金属外壳。
在上述工况适应型多通道互联无线供电系统中，小型逆变模块、LCC补偿电路以及发射线圈集成在一个单元内部；接收线圈、并联补偿电路以及小型整流稳压模块集成在一个单元内部。
一种工况适应型多通道互联无线供电系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤1、首先根据负载需求通过选择开关选择并联方式；
步骤2、由负载状态检测模块测量得到负载两端的电气参数；
步骤3、负载状态检测模块将测得电气参数信息发送给控制模块；
步骤4、控制模块根据接收到的信息判断无线供电系统传输的电能是否与负载需要的电能相匹配；
步骤5、如果相匹配则结束；
步骤6、若不匹配则获取电源状态检测模块所测量的电源电气参数；
步骤7、控制模块根据电源电气参数判断逆变输出能否往需要的方向调整，如若小型逆变模块处于最大输出，仍然无法满足负载的需要，则结束；
步骤8、否则控制模块对小型逆变模块进行调整。
在上述工况适应型多通道互联无线供电系统的控制方法中，步骤1所述负载两端的电气参数包括电压电流以及可计算得到的传输功率。
本发明的有益效果是：1、本发明工况适应型多通道互联无线供电系统的传输技术采用磁耦合谐振式电能传输技术，提高了发射线圈和接收线圈之间的抗偏移能力(即两者之间位置偏移的容忍度)。
2、本发明通过对发射线圈的特殊设计，包括辅助线圈以及线圈的特殊绕制等，提高线圈间的耦合系数以及传输效率，减小发射线圈的垂直耦合磁场，从而减小线圈磁场对外界的影响，以达到适应工况的目的。
3、本发明采用发射单元和接收单元的模块化处理以及多个共振磁耦合无线电能传输机构并联和控制，增加了输出功率，提高了传输性能，通过调整输出功率，避免电能浪费，同时，可根据负载充电功率的实际需要，改变发射单元以及接收单元的数量，从而能够较好地满足不同功率等级负载的充电需求。
4、本发明可以根据实际应用场景选择在整流前并联和在整流后并联，扩大无线充电应用场景，其中在整流前并联能够减小整流器个数，同时提高传输功率，适用于单个较大功率需求的负载；在整流后并联能够有效降低纹波系数，稳定输出，适用于对传输功率稳定性要求较高的负载。
附图说明
图1是本发明一个实施例的电路连接图；
图2是本发明一个实施例的发射线圈模型图；
图3是本发明一个实施例的发射线圈模块分解图；
图4是本发明一个实施例的发射单元及接收单元模块化设计图；
图5是本发明一个实施例的系统控制方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施例采用的是磁耦合谐振式无线电能传输技术，提出针对发射线圈进行优化设计，通过降低线圈垂直耦合磁场以减小无线充电系统对外界的影响，同时，辅助以电磁屏蔽技术，进一步减小磁场对外界的影响，实现适应工况的目的。还提出利用多个无线充电耦合机构并联和控制增加输出功率、效率及电能质量，通过改变无线充电耦合机构的数量，来改变无线电能传输功率，使无线充电系统能够满足不同功率等级的负载充电需要。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，如图1所示，一种工况适应型多通道互联无线供电系统，包括：直流电源、多个发射单元、多个接收单元、负载、电源状态检测模块、负载状态检测模块、控制模块以及整流稳压模块。直流电源分别与电源状态检测模块、多个发射单元连接。负载分别与负载状态检测模块、多个接收单元和整流稳压模块连接。控制模块分别与电源状态检测模块、负载状态检测模块以及发射单元连接。
发射单元包括：小型逆变模块、LCC补偿电路以及发射线圈模块。
接收单元包括：接收线圈模块、并联补偿电路、选择开关以及小型整流稳压模块。
直流电源：将电能传输给多个能量发射单元，为系统提供电能。
小型逆变模块：在控制模块的控制作用下，将直流电源传输来的直流电转换为高频交流电，并将高频交流电传输给LCC补偿电路以及发射线圈模块。
LCC补偿电路：与发射线圈模块构成谐振电路。
发射线圈模块：与LCC补偿构成谐振电路，将电能转换为磁场能发射到自由空间，通过优化设计，减小发射线圈的垂直耦合磁场，从而减小线圈磁场对外界的影响，以达到适应工况的目的。
接收线圈模块：感应发射线圈产生的磁场，将磁场能转换为电能，与接收单元补偿电路构成谐振电路。
并联补偿电路：与接收线圈模块构成谐振电路，并与原边的LCC补偿电路构成LCC-P补偿拓扑，从而输出恒流。
选择开关：根据实际应用场景选择合适的并联方式。
小型整流稳压模块：对应开关触点闭合时将接收单元内接收线圈交流输出转换为直流。
整流稳压模块：对应开关触点闭合时将全部接收单元并联得到的交流输出转换为直流。
电源状态检测模块：测量得到电源模块输出的电压电流等电气参数，并将得到的电气参数信息发送给控制模块。
负载状态检测模块：测量得到负载两端的电压以及流经负载的电流等电气参数，并将得到的电气参数信息发送给控制模块。
控制模块：根据电源状态检测模块和负载状态检测模块发送的电气参数信息对逆变模块进行控制，根据负载的实际需要，调节输出功率大小。
发射线圈模块如图2所示，为了减小垂直耦合磁场以及提升面积利用率，针对发射线圈本发明进行了如下优化：其一，采用圆角方形结构，能够充分利用面积，且圆角的设计能够有效避免直角矩形转角处的折角效应，减小线圈电阻。其二，采用内、中、外三重线圈结构，能够有效避免中心磁场过强，从而降低对外界造成影响，同时提高磁场均匀程度，提高线圈搞偏移能力。
图3为本发明的发射线圈结构分解图，接收线圈结构也与之相同，最上层的为塑料发射板，由于采用金属板容易产生较大损耗，而塑料对无线电能传输几乎没有影响，因此这里采用塑料发射板，接着是发射线圈，第三层采用铁氧体粉末，相较于铁氧体贴片能够更加有效地形成电磁屏蔽，最后一层为铝制金属外壳，进一步屏蔽磁场。
图4为发射单元与接收单元的模块化结构，发射单元将小型逆变模块、LCC补偿电路以及发射线圈集成在一个单元内部，接收单元则将接收线圈、并联补偿电路以及小型整流稳压模块集成在一个单元内部。
图5为控制模块调节小型逆变模块的控制流程图，首先根据实际情况控制选择开关，选择合适的并联方式，然后由负载状态检测模块测量得到负载两端的电气参数，包括电压电流以及可计算得到的传输功率。接着负载状态检测模块将这些信息发送给控制模块，控制模块根据这些信息判断无线供电系统传输的电能是否与负载需要的电能相匹配，如果相匹配则直接结束流程，否则获取从电源状态检测模块测量得到的电源电气参数。控制模块依据这些参数判断逆变输出能否往需要的方向调整，如若逆变模块处于最大输出，仍然无法满足负载的需要，则由于无法继续调整直接结束，否则对逆变模块进行相应调整。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.工况适应型多通道互联无线供电系统，其特征是，包括直流电源、多个发射单元、多个接收单元、电源状态检测模块、控制模块、负载状态检测模块、整流稳压模块和负载；直流电源分别与多个发射单元和电源状态检测模块连接，控制模块分别与电源状态检测模块、多个发射单元和负载状态检测模块连接，负载分别与负载状态检测模块、多个接收单元和整流稳压模块连接；各发射单元均包括依次连接的小型逆变模块、LCC补偿电路和发射线圈模块；各接收单元均包括依次连接的接收线圈模块、并联补偿电路和选择开关，以及小型整流稳压模块；小型整流稳压模块通过选择开关与并联补偿电路连接，整流稳压模块通过选择开关与各接收单元连接；发射线圈模块与接收线圈模块通过磁耦合方式连接。
2.如权利要求1所述工况适应型多通道互联无线供电系统，其特征是，发射线圈模块自上而下包括塑料发射板、发射线圈和铁氧体粉末和铝制金属外壳。
3.如权利要求2所述工况适应型多通道互联无线供电系统，其特征是，发射线圈包括内、中、外三重线圈，且三重线圈均为圆角方形结构。
4.如权利要求1所述工况适应型多通道互联无线供电系统，其特征是，接收线圈模块自上而下包括塑料发射板、发射线圈和铁氧体粉末和铝制金属外壳。
5.如权利要求1所述工况适应型多通道互联无线供电系统，其特征是，小型逆变模块、LCC补偿电路以及发射线圈集成在一个单元内部；接收线圈、并联补偿电路以及小型整流稳压模块集成在一个单元内部。
6.如权利要求1-5任意一项所述工况适应型多通道互联无线供电系统的控制方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1、首先根据负载需求通过选择开关选择并联方式；
步骤2、由负载状态检测模块测量得到负载两端的电气参数；
步骤3、负载状态检测模块将测得电气参数信息发送给控制模块；
步骤4、控制模块根据接收到的信息判断无线供电系统传输的电能是否与负载需要的电能相匹配；
步骤5、如果相匹配则结束；
步骤6、若不匹配则获取电源状态检测模块所测量的电源电气参数；
步骤7、控制模块根据电源电气参数判断逆变输出能否往需要的方向调整，如若小型逆变模块处于最大输出，仍然无法满足负载的需要，则结束；
步骤8、否则控制模块对小型逆变模块进行调整。
7.如权利要求6所述工况适应型多通道互联无线供电系统的控制方法，其特征是，步骤1所述负载两端的电气参数包括电压电流以及可计算得到的传输功率。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210504 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |