CN112803611A - 一种无线能量传输系统 - Google Patents

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CN112803611A CN202110016270.1A CN202110016270A CN112803611A CN 112803611 A CN112803611 A CN 112803611A CN 202110016270 A CN202110016270 A CN 202110016270A CN 112803611 A CN112803611 A CN 112803611A
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曹鹏飞
郝钟秀
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Abstract

本发明提供了一种无线能量传输系统，其中，该系统包括发射端补偿电路、磁耦合结构、及接收端补偿电路。所述磁耦合结构包括发射端线圈和接收端线圈；所述发射端线圈与发射端补偿电路连接；其中，所述发射端补偿电路包括：第一发射端谐振补偿电路和第二发射端谐振补偿电路；所述接收端线圈与接收端补偿电路连接；其中，所述接收端补偿电路包括：第一接收端谐振补偿电路和第二接收端谐振补偿电路。本发明的无线能量传输系统通过磁耦合结构结合谐振补偿电路可以在无线传输过程中发射端线圈和接收端线圈位置发生偏移时仍保持高功率高效率传输。

Description

一种无线能量传输系统
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，具体而言，涉及一种无线能量传输系统。
背景技术
磁耦合无线能量传输技术近年来受到广泛关注，在生活的许多方面都有涉及，比如智能家居、便携式电子设备、无人机和轨道交通等领域。
但是在实际使用中由于发射端和接收端线圈的位置和距离会不可避免的出现偏移，导致系统参数变化、耦合系数变化、阻抗变化，从而导致系统性能下降，有时甚至出现传输功率下降至零的情况。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无线能量传输系统，当无线传输过程中发射线圈和接收线圈位置和距离发生偏移时仍能够保持高功率高效率传输。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种无线能量传输系统，包括发射端补偿电路、磁耦合结构、及接收端补偿电路；
所述磁耦合结构包括发射端线圈和接收端线圈；
所述发射端线圈与发射端补偿电路连接；其中，所述发射端补偿电路包括：第一发射端谐振补偿电路和第二发射端谐振补偿电路；
其中，所述第一发射端谐振补偿电路包括第一补偿电感L1、第一补偿电容C1、第二补偿电容Cp1；所述第一补偿电感L1、所述第一补偿电容C1、及所述第二补偿电容Cp1并联连接；所述第二发射端谐振补偿电路包括第三补偿电容Cpt2；所述第三补偿电容Cpt2与所述第一补偿电感L1并联连接；
所述接收端线圈与接收端补偿电路连接；其中，所述接收端补偿电路包括：第一接收端谐振补偿电路和第二接收端谐振补偿电路；
其中，所述第一接收端谐振补偿电路包括第一接收端补偿电感L2、第一接收端补偿电容C2、第二接收端补偿电容Cs1；所述第一接收端补偿电感L2、所述第一接收端补偿电容C2、及所述第二接收端补偿电容Cs1并联连接；所述第二接收端谐振补偿电路包括第三接收端补偿电容Cst2；所述第三接收端补偿电容Cst2与所述第一接收端补偿电感L2并联连接。
可选的，所述发射端线圈包括第一发射线圈Lpt1和第二发射线圈Lpt2：
所述第一发射线圈Lpt1与所述第二补偿电容Cp1串联与所述第一补偿电容C1并联连接；
所述第二发射线圈Lpt2与所述第三补偿电容Cpt2串联连接。
可选的，所述接收端线圈包括第一接收线圈Lst1和第二接收线圈Lst2：
所述第一接收线圈Lst1与所述第一接收端补偿电容C2并联与所述第二接收端补偿电容Cs1串联连接；
所述第二接收线圈Lst2与所述第三接收端补偿电容Cst2串联连接。
可选的，所述第一发射线圈Lpt1和第二发射线线圈Lpt2共用一组磁芯结构；
所述第一发射线圈Lpt1平面绕制在所述第二发射线圈Lpt2的外圈；
所述第二发射线圈Lpt2缠绕在所述磁芯结构上。
可选的，所述第一接收线圈Lst1和第二接收线圈Lst2共用一组磁芯结构；
所述第一接收线圈Lst1和所述第二接收线圈Lst2平面绕制在所述磁芯结构的上方；
所述第一接收线圈Lst1的部分和所述第二接收线圈Lst2的部分重叠连接。
可选的，所述发射端线圈和所述接收端线圈采用利兹线绕制。
可选的，所述磁芯结构由若干等间隔平行排布于同一平面上的铁氧条组成。
可选的，所述无线能量传输系统，还包括：
所述第一发射端谐振补偿电路将交流电加载到所述第一发射线圈Lpt1；所述第二发射线圈Lpt2与所述第二发射端谐振补偿电路相连，通过第二发射端谐振补偿电路将所述交流电加载到第二发射线圈Lpt2；
所述第一接收线圈Lst1和所述第二接收线圈Lst2耦合所述第一发射线圈Lpt1和所述第二发射线圈Lpt2进行能量传输。
可选的，所述系统还包括逆变器模块：
所述逆变器模块包括第一输出端和第二输出端；
其中，所述第一输出端与所述第一补偿电感L1连接；所述第二输出端与所述发射端线圈连接。
可选的，所述系统还包括整流滤波模块包括：
所述整流滤波模块包括第一输入端和第二输入端；
其中，所述第一输入端与所述第一接收端补偿电感L2连接；所述第二输入端与所述接收端线圈连接。
本发明实施例提供的无线能量传输系统，首先通过磁耦合结构连接发射端补偿电路和接收端补偿电路，所述磁耦合结构可以在发射端和接收端位置出现偏移时，通过其结构中的发射端线圈和接收端线圈之间的互感的互补变化来维持系统传输功率仍保持在高水平。而且通过发射端线圈与第一发射端谐振补偿电路、第二发射端谐振补偿电路相连接，接收端线圈与第一接收端谐振补偿电路、第二接收端端谐振补偿电路相连接可以降低无线能量传输系统受参数变化、耦合系数变化、阻抗变化的影响，进而提高了系统的抗偏移能力。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本发明实施例所提供的一种无线能量传输系统的结构示意图；
图2示出了本发明实施例所提供的一种发射端线圈的结构示意图；
图3示出了本发明实施例所提供的一种接收端线圈的结构示意图；
图4示出了本发明实施例所提供的一种磁耦合结构的线圈互感图；
图5示出了本发明实施例所提供的一种无线能量传输系统的原理图；
图6示出了本发明实施例所提供的一种无线能量传输系统的逆变器模块的结构示意图；
图7示出了本发明实施例所提供的一种无线能量传输系统的整流滤波模块的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做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。
在现有技术中，无线能量传输过程中不可避免的会出现发射线圈和接收线圈的位置发生偏移，导致系统参数发生变化、耦合系数发生变化、阻抗发生变化，进而导致系统性能下降，传输功率下降的问题。
针对上述问题，如图1所示，本申请提供了一种无线能量传输系统，包括：发射端补偿电路101、磁耦合结构102、及接收端补偿电路103；
所述磁耦合结构102包括发射端线圈1021和接收端线圈1022；
所述发射端线圈1021与发射端补偿电路101连接；其中，所述发射端补偿电路101包括：第一发射端谐振补偿电路1011和第二发射端谐振补偿电路1012；
这里，第一发射端谐振补偿电路1011和第二发射端谐振补偿电路1012并联连接；
其中，所述第一发射端谐振补偿电路1011包括第一补偿电感L1、第一补偿电容C1、第二补偿电容Cp1；所述第一补偿电感L1、所述第一补偿电容C1、及所述第二补偿电容Cp1并联连接；所述第二发射端谐振补偿电路1012包括第三补偿电容Cpt2；所述第三补偿电容Cpt2与所述第一补偿电感L1并联连接；
可选的，所述第一补偿电感L1的电感值为22.12μH；所述第一补偿电容C1的电容值为115nF；所述第二补偿电容Cp1的电容值为119.7nF；所述第三补偿电容Cpt2的电容值为21nF；
所述接收端线圈1022与接收端补偿电路103连接；其中，所述接收端补偿电路103包括：第一接收端谐振补偿电路1031和第二接收端谐振补偿电路1032；
这里，第一接收端谐振补偿电路1031和第二接收端谐振补偿电路1032并联连接；
其中，所述第一接收端谐振补偿电路1031包括第一接收端补偿电感L2、第一接收端补偿电容C2、第二接收端补偿电容Cs1；所述第一接收端补偿电感L2、所述第一接收端补偿电容C2、及所述第二接收端补偿电容Cs1并联连接；所述第二接收端谐振补偿电路1032包括第三接收端补偿电容Cst2；所述第三接收端补偿电容Cst2与所述第一接收端补偿电感L2并联连接。
可选的，所述第一接收端补偿电感L2的电感值为21.899μH；所述第一接收端补偿电容C2的电容值为115nF；所述第二接收端补偿电容Cs1的电容值为54nF；所述第三接收端补偿电容Cst2的电容值为42nF。
可选的，所述发射端线圈1021包括第一发射线圈Lpt1和第二发射线圈Lpt2：
所述第一发射线圈Lpt1与所述第二补偿电容Cp1串联与所述第一补偿电容C1并联连接；
所述第二发射线圈Lpt2与所述第三补偿电容Cpt2串联连接。
可选的，所述接收端线圈1022包括第一接收线圈Lst1和第二接收线圈Lst2：
所述第一接收线圈Lst1与所述第一接收端补偿电容C2并联与所述第二接收端补偿电容Cs1串联连接；
所述第二接收线圈Lst2与所述第三接收端补偿电容Cst2串联连接。
在具体实施时，发射端线圈1021采用不对称线圈设计，在无线传输过程中出现发射端和接收端之间位置发生偏移的状况时，通过发射端线圈中一个发射线圈与接收端的互感下降而另一个发射线圈与接收端的互感上升以此保持系统总互感一直维持在高功率传输水平，进而保证系统不会因为发射端和接收端之间发生偏移而传输功率发生急剧下降的情况。如图2所示，在发射端线圈中，所述第一发射线圈Lpt1和所述第二发射线圈Lpt2共用一组磁芯结构；
所述第一发射线圈Lpt1平面绕制在所述第二发射圈Lpt2的外圈；
所述第二发射线圈Lpt2缠绕在所述磁芯结构上。
这里，所述第一发射线圈Lpt1可以由Q(Quadrature)线圈组成；第二发射线圈Lpt2可以由螺线管线圈组成；第一发射线圈Lpt1平面绕制在所述第二发射圈Lpt2的外圈产生垂直磁场，第二发射线圈Lpt2平面绕制在所述磁芯结构的上方产生平行磁场，在无线能量传输过程中，垂直磁场与平行磁场不会发生耦合以保证发射端线圈可以将全部的能量传输给接收端线圈。
可选的，当发射端线圈可以保持能量传输最大化传输时，如图3所示，本申请采用如下结构的接收端线圈接收能量，具体地：所述第一接收线圈Lst1和第二接收线圈Lst2共用一组磁芯结构；
所述第一接收线圈Lst1和所述第二接收线圈Lst2平面绕制在所述磁芯结构的上方；
所述第一接收线圈Lst1的部分和所述第二接收线圈Lst2的部分重叠连接。
这里，第一接收线圈Lst1和第二接收线圈Lst2可以由BPP(Bipolar Pad)线圈组成；所述第一接收线圈Lst1的部分和所述第二接收线圈Lst2的部分重叠连接是指第一接收线圈Lst1和第二接收线圈Lst2互相解耦。
在具体实施时，通过发射端线圈的第一发射线圈Lpt1、第二发射线圈Lpt2与接收端线圈的第一接收线圈Lst1、第二接收线圈Lst2之间的互感的互补变化，可以保证系统在传输过程中，始终维持在高功率传输水平。如图4所示，第一发射线圈Lpt1、第二发射线圈Lpt2与接收端线圈的第一接收线圈Lst1、第二接收线圈Lst2之间的互感的互补变化如下，例如：
当发射端和接收端在Y方向发生偏移时，若第二发射线圈Lpt2与第二接收线圈Lst2的互感值M34处于下降状态时，则第二发射线圈Lpt2与第一接收线圈Lst1的互感值M23会处于上升状态以维持系统传输功率仍保持高水平传输；若第一发射线圈Lpt1与第一接收线圈Lst1的互感值M12处于下降状态时，则第一发射线圈Lpt1与第二接收线圈Lst2的互感值M14会处于上升状态以维持系统传输功率仍保持高水平传输；其中，Y方向代表发射端和接收端在能量传输过程中在上下方向发生偏移。
当发射端和接收端在X方向发生偏移时，由于有磁芯引导磁场方向以及偏移方向与磁芯引导方向相同，所以传输功率一直较高，发射端第一发射线圈Lpt1、第二发射线圈Lpt2与接收端线圈的第一接收线圈Lst1、第二接收线圈Lst2之间的互感变化平稳，一直保持在较大值，因此，系统传输功率可以一直保持高功率高效率传输。其中，X方向代表发射端和接收端在能量传输过程中在左右方向发生偏移。
当发射端和接收端在Z方向发生偏移时，即发射端与接收端的距离发生变化时，耦合结构互感会一直下降，但是通过第一发射端谐振补偿电路和第二发射端谐振补偿电路与发射端线圈相连接，第一接收端谐振补偿电路和第二接收端谐振补偿电路与接收端线圈相连接可以降低系统受参数变化的影响，提高了系统的抗偏移能力。而且，第一发射端谐振补偿电路和第二发射端谐振补偿电路并联连接、第一接收端谐振补偿电路和第二接收端谐振补偿电路并联连接，在无线能量传输过程中可以使系统保持稳定的总输出功率，进一步降低系统受参数变化的影响。其中，Z方向代表发射端和接收端在能量传输过程中距离发生变化。
本申请通过发射端线圈的第一发射线圈Lpt1、第二发射线圈Lpt2与接收端线圈的第一接收线圈Lst1、第二接收线圈Lst2之间的互感变化趋势相反的特点可以使系统总耦合一直保持在最大值，以此达到系统在发射端和接收端位置发生偏移时也能达到稳定的高功率传输。而且，本申请通过发射端线圈、接收端线圈的线圈设计可以使系统在三维方向上保持好的抗偏移能力，以此保证系统在发射端和接收端位置和距离发生偏移时系统传输功率不会急剧下降。
可选的，所述发射端线圈和所述接收端线圈采用利兹线绕制。
这里，发射端线圈和接收端线圈采用利兹线绕制，可以减少趋肤效应，进一步降低系统功率损耗。
可选的，所述磁芯结构由若干等间隔平行排布于同一平面上的铁氧条组成。
这里，磁芯结构采用铁氧条并等间隔平行排布可以提高磁场强度，使发射端线圈和接收端线圈之间的互感变化保持平稳。
如图5所示，本申请所述的无线能量传输系统还包括逆变器模块和整流滤波模块，在能量传输过程中，逆变器模块连接有直流电源，直流电源供电通过逆变器模块将直流电转为高频交流电，逆变器模块与第一发射端谐振补偿电路501和第二发射端谐振补偿电路502相连接并传输高频交流电。然后，通过所述第一发射端谐振补偿电路501将高频交流电加载到所述第一发射线圈Lpt1；所述第二发射线圈Lpt2与所述第二发射端谐振补偿电路502串联连接，通过第二发射端谐振补偿电路502将所述高频交流电加载到第二发射线圈Lpt2；
所述第一接收线圈Lst1和所述第二接收线圈Lst2耦合所述第一发射线圈Lpt1和所述第二发射线圈Lpt2进行能量传输。
在具体实施时，当第一接收线圈Lst1和第二接收线圈Lst2接收到第一发射线圈Lpt1、第二发射线圈Lpt2传输的电能后，通过第一接收线圈Lst1与第一接收端谐振补偿电路503相连接和第二接收线圈Lst2与第二接收端谐振补偿电路504相连接接收能量。第一接收端谐振补偿电路503和第二接收端谐振补偿电路504连接有整流滤波模块，整流滤波模块将高频交流电转为直流电传递给负载完成能量传输。
具体的，如图6所示，本系统还包括逆变器模块601：
所述逆变器模块601包括第一输出端6011和第二输出端6012；
其中，所述第一输出端6011与所述第一补偿电感L1连接；所述第二输出端6012与所述发射端线圈连接。
在具体实施时，逆变器模块可以由Q1、Q2、Q3、Q4四个晶体管采用全桥逆变电路的连接方式组成。其中，晶体管可以采用金属氧化物半导体场效应晶体管。逆变器模块还连接直流电源，直流电源通过逆变器模块将直流电转为高频交流电输出到第一发射端谐振补偿电路501和第二发射端谐振补偿电路502中。
具体地，如图7所示，本系统还包括整流滤波模块701：
所述整流滤波模块701包括第一输入端7011和第二输入端7012；
其中，所述第一输入端7011与所述第一接收端补偿电感L2连接；所述第二输入端7012与所述接收端线圈连接。
在具体实施时，整流滤波模块可以由D1、D2、D3、D4四个二级管和滤波电容CV组成。整流滤波模块用于将交流电转为直流电传送给负载进行供电。
本申请提供的无线能量传输系统，通过磁耦合结构的线圈设计一方面可以在无线能量传输过程中发射端和接收端的位置发生偏移时通过不同线圈之间互感的互补变化，以此达到系统整体互感都保持较高的状态，从而保持系统高功率高效率输出；另一方面，在磁耦合结构的发射端线圈的设计中利用第一发射线圈Lpt1产生垂直磁场、第二发射线圈Lpt2产生平行磁场，通过产生的垂直磁场和平行磁场不耦合的特点可以保证发射端的磁场能量可以全部传输给接收端。而且，当发射端和接收端的距离发生变化时，通过与谐振补偿电路的结合，可以降低系统受线圈参数变化的影响，提高系统的抗偏移能力。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种无线能量传输系统，其特征在于，包括发射端补偿电路、磁耦合结构、及接收端补偿电路；
所述磁耦合结构包括发射端线圈和接收端线圈；
所述发射端线圈与发射端补偿电路连接；其中，所述发射端补偿电路包括：第一发射端谐振补偿电路和第二发射端谐振补偿电路；
其中，所述第一发射端谐振补偿电路包括第一补偿电感L1、第一补偿电容C1、第二补偿电容Cp1；所述第一补偿电感L1、所述第一补偿电容C1、及所述第二补偿电容Cp1并联连接；所述第二发射端谐振补偿电路包括第三补偿电容Cpt2；所述第三补偿电容Cpt2与所述第一补偿电感L1并联连接；
所述接收端线圈与接收端补偿电路连接；其中，所述接收端补偿电路包括：第一接收端谐振补偿电路和第二接收端谐振补偿电路；
其中，所述第一接收端谐振补偿电路包括第一接收端补偿电感L2、第一接收端补偿电容C2、第二接收端补偿电容Cs1；所述第一接收端补偿电感L2、所述第一接收端补偿电容C2、及所述第二接收端补偿电容Cs1并联连接；所述第二接收端谐振补偿电路包括第三接收端补偿电容Cst2；所述第三接收端补偿电容Cst2与所述第一接收端补偿电感L2并联连接。
2.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述发射端线圈包括第一发射线圈Lpt1和第二发射线圈Lpt2：
所述第一发射线圈Lpt1与所述第二补偿电容Cp1串联连接与所述第一补偿电容C1并联连接；
所述第二发射线圈Lpt2与所述第三补偿电容Cpt2串联连接。
3.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述接收端线圈包括第一接收线圈Lst1和第二接收线圈Lst2：
所述第一接收线圈Lst1与所述第一接收端补偿电容C2并联连接与所述第二接收端补偿电容Cs1串联连接；
所述第二接收线圈Lst2与所述第三接收端补偿电容Cst2串联连接。
4.根据权利要求2所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述第一发射线圈Lpt1和第二发射线圈Lpt2共用一组磁芯结构；
所述第一发射线圈Lpt1平面绕制在所述第二发射线圈Lpt2的外圈；
所述第二发射线圈Lpt2缠绕在所述磁芯结构上。
5.根据权利要求3所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述第一接收线圈Lst1和第二接收线圈Lst2共用一组磁芯结构；
所述第一接收线圈Lst1和所述第二接收线圈Lst2平面绕制在所述磁芯结构的上方；
所述第一接收线圈Lst1的部分和所述第二接收线圈Lst2的部分重叠连接。
6.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述发射端线圈和所述接收端线圈采用利兹线绕制。
7.根据权利要求4-5任一所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述磁芯结构由若干等间隔平行排布于同一平面上的铁氧条组成。
8.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于：
所述第一发射端谐振补偿电路将高频交流电加载到所述第一发射线圈；所述第二发射线圈与所述第二发射端谐振补偿电路相连，通过第二发射端谐振补偿电路将所述高频交流电加载到第二发射线圈；
所述第一接收线圈和所述第二接收线圈耦合所述第一发射线圈和所述第二发射线圈进行能量传输。
9.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述系统还包括逆变器模块：
所述逆变器模块包括第一输出端和第二输出端；
其中，所述第一输出端与所述第一补偿电感L1连接；所述第二输出端与所述发射端线圈连接。
10.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述系统还包括整流滤波模块：
所述整流滤波模块包括第一输入端和第二输入端；
其中，所述第一输入端与所述第一接收端补偿电感L2连接；所述第二输出端与所述接收端线圈连接。
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