CN112865330B - 实现同边线圈解耦的模块化无线充电系统 - Google Patents

实现同边线圈解耦的模块化无线充电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现同边线圈解耦的模块化无线充电系统，该系统包括两个以上的功率发射器或功率接收器，所述的功率发射器包含有驱动电源、发射补偿网络和发射线圈，所述的功率接收器包含有接收线圈、接收补偿网络和整流器，其特征在于：所述的接收线圈或发射线圈采取单排放置的摆放方法，通过每一个接收线圈和/或发射线圈对应连接一多绕组解耦器，用以消除同边的接收线圈或发射线圈之间的互感影响，实现接收线圈和/或发射线圈的解耦；本发明可以用于消除同边线圈之间的互感影响，从而对提高模块化无线充电系统传输效率、降低系统控制难度具有重要意义。

Description

实现同边线圈解耦的模块化无线充电系统
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，特别涉及一种实现同边线圈解耦的模块化无线充电系统。
背景技术
无线电能传输技术因其安全便捷的特性而被广泛应用于各种用电设备，比如移动终端、医疗设备以及电动汽车等等。作为无线充电大功率应用的代表，电动汽车无线充电技术，由于具有高效便利、维护成本低、不受环境影响等一系列优点备受关注。虽然目前中低功率无线充电技术已经得到一定发展，但大功率无线快充仍在研究当中。多线圈的无线传能技术有利于突破传统单通道无线充电的局限性，由于同边线圈之间存在的互感导致同边功率器中电流受到影响，不仅仅会降低系统的效率，同时使得系统的控制存在较大难度，所以目前还没有实际应用。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种实现同边线圈解耦的模块化无线充电系统。本发明可以消除同边线圈之间的互感影响，提高了系统的无线电能传输效率和降低了系统的控制难度。
本发明的技术方案：实现同边线圈解耦的模块化无线充电系统，该系统包括两个以上的功率发射器或功率接收器，所述的功率发射器包含有驱动电源、发射补偿网络和发射线圈，所述的功率接收器包含有接收线圈、接收补偿网络和整流器，所述的接收线圈或发射线圈采取单排放置的摆放方法，通过同边的发射线圈和/或接收线圈连接一多绕组解耦器，用以消除同边的接收线圈和/或发射线圈之间的互感影响，实现接收线圈和/或发射线圈的解耦。
上述的实现同边线圈解耦的模块化无线充电系统，所述的多绕组解耦器包括一主磁回路，主磁回路包括一主磁芯，主磁芯的外部设置有与对应的接收线圈或发射线圈相连接的绕组，通过调整相邻绕组之间的互感值，使该互感值与对应接收线圈或发射线圈间的互感值大小相等，极性相反，用于消除同边线圈之间的互感影响。
前述的实现同边线圈解耦的模块化无线充电系统，所述的主磁芯的外部还设有用于调整不同绕组间的互感值的辅助磁回路，所述的辅助磁回路包括设置在主磁芯侧部的辅助磁芯，辅助磁芯覆盖在相邻的绕组上，且辅助磁芯的两端设有磁条，磁条与主磁芯之间存在气隙，通过调整磁条尺寸以及位置和/或调整辅助磁芯的数量、尺寸以及位置，来对相邻绕组的互感值进行调整。
前述的实现同边线圈解耦的模块化无线充电系统，相邻绕组上覆盖的辅助磁芯与另外相邻绕组上覆盖的辅助磁芯处于主磁芯的不同侧面。
前述的实现同边线圈解耦的模块化无线充电系统，对于任意单排放置的接收线圈或发射线圈，同边的接收线圈或发射线圈间互感均为负值，所配置的多绕组解耦器的绕组间互感均为正值，使其与对应接收线圈或发射线圈间的互感值大小相等，极向相反，用于消除互感。
前述的实现同边线圈解耦的模块化无线充电系统，所述主磁芯为磁柱、不闭合的磁环、空气磁芯或一不闭合的多边形磁芯。
前述的实现同边线圈解耦的模块化无线充电系统，多绕组解耦器产生新的自感，将新的自感与接收线圈或发射线圈自感相加后作为总的自感进行补偿电容的配置。
前述的实现同边线圈解耦的模块化无线充电系统，相隔多个线圈的两个接收线圈或发射线圈和相隔多个绕组的两个绕组之间的互感与气隙长度间满足安培环路定理，用于抵消相隔多个线圈间的两个接收线圈或发射线圈的互感。
与现有技术相比，本发明通过同边的接收线圈和/或发射线圈连接一多绕组解耦器，用以消除同边的接收线圈和/或发射线圈之间的互感影响，此处的同边线圈互感影响不仅仅指相邻的两个同边线圈互感的影响，也包括相隔了一个线圈的两个同边线圈互感的影响，并且本发明对相隔多个同边线圈的两个同边线圈互感的影响也有一定抵消作用。由此本发明可以消除同边线圈之间的互感影响，从而对提高模块化无线充电系统传输效率、降低系统控制难度具有重要意义。此外，本发明进一步地提出了多绕组解耦器的设置结构，通过在主磁芯的外部设置有与对应的接收线圈或发射线圈相连接的绕组，在相邻绕组的侧面设有一根或数根辅助磁芯，辅助磁芯与磁柱间设有磁条，相邻绕组上覆盖的辅助磁芯与另外相邻绕组上覆盖的辅助磁芯处于主磁芯的不同侧面，然后通过调整绕组间的间距使相隔一个绕组的两绕组间的互感符合要求并使绕组间的互感分布基本对称，由此可以通过调整磁条尺寸以及位置和/或调整辅助磁芯的数量、尺寸以及位置，也即调整辅助磁回路中磁条与主磁芯之间气隙，来对相邻绕组的互感值进行调整，具有极好的电感调整效果，达到更好的解耦效果。本发明不会在不同功率发射器或功率接收器之间建立电气连接，在功率接收器的负载端或功率发射器的输入端并联情况下不会通过全桥电路产生新的回路，不存在实现问题。本发明相隔多个线圈的两个接收线圈或发射线圈和相隔多个绕组的两个绕组之间的互感与气隙长度间满足安培环路定理，还能抵消相隔多个线圈间的两个接收线圈或发射线圈的互感，具有良好的延伸性。
附图说明
图1是单通道无线电能传输系统的功能结构框图；
图2是单排多线圈系统示意图；
图3是根据一个实施例的示范性四个同边线圈系统的平面示意图；
图4是本发明的解耦电路图；
图5是实施例中多绕组解耦器的平面结构示意图；
图6是实施例中多绕组解耦器或的立体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例：实现同边线圈解耦的模块化无线充电系统，如图1所示，该系统包括由多个功率发射器109将电能无线传输至一个或者多个功率接收器110，每个所述的功率发射器109包含有驱动电源101、发射补偿网络102和发射线圈103，驱动电源101输出高频交流电，加在发射补偿网络102和发射线圈103上，从而使得功率发射器109产生高频交变磁场，发射补偿网络102可包含电容器和/或电感器，常用补偿电容与发射线圈串联补偿的形式，可以抵消功率发射器109中的无功功率；每个所述的功率接收器110包含有接收线圈104、接收补偿网络105和整流器106，整流器106连接有负载107，接收线圈104因功率发射器109产生的高频交变磁场而产生高频交流电，经过接收补偿网络105之后将高频交流电输入整流器106补偿网络105可包含电容器和/或电感器，常用补偿电容与发射线圈串联补偿的形式，可以抵消功率接收器110中的无功功率。整流器106将高频交流电整流为直流电，并将电能提供给负载107，从而实现电能的无线传输。发射线圈103和接收线圈104可配置为包含空芯或实芯，例如铁氧体磁芯。含有铁氧体磁芯的线圈可更好地将能量从功率发射器109传输至功率接收器110。
为了提高无线电能传输的传输距离以及提升无线电能传输系统的偏位能力，在某些实施例中，无线电能传输系统可包含多个功率发射器或多个功率接收器，图2为单排多线圈系统示意图。在一些实施例中，多个同边的接收线圈或发射线圈可单个并排等距放置。在一些实施例中，多个同边的接收线圈或发射线圈可单个并排非等距放置。在一些实施例中，当多个同边的接收线圈或发射线圈单个并排放置时，同边的接收线圈或发射线圈之间存在耦合，尤其是不仅相邻的同边的接收线圈或发射线圈存在耦合，相隔一个线圈之间也存在较强耦合，此情况下不利于无线电能传输系统的控制，并且会一定程度降低系统效率。
图3为根据一个实施例的示范性四个同边线圈系统的平面示意图。如图所示，包含第一功率同边线圈201、第二功率同边线圈202、第三功率同边线圈203和第四功率同边线圈204。在某一些常见实施例中，功率器中的同边线圈包含磁芯。在这种情况下，主要考虑抵消相邻两线圈或相隔一个线圈的两线圈之间互感的影响，对相隔多个线圈，例如第一功率同边线圈201与第四功率同边线圈204之间的互感的影响仅抵消一部分。此外，四个功率器中的同边线圈可以等距或者非等距单排布置。在一些实施例中，四个功率器中的同边线圈所有参数均相同，有利于功率同边器的模块化。在一些实施例中，同边线圈可改变为其他形状，如圆形、椭圆形等。
如图4所示采用本发明的解耦电路图，该系统中两个及以上同边的接收线圈或发射线圈采取单排放置的摆放方法，本实施例中以四个同边的接收线圈或发射线圈(以下部分内容简称同边线圈，是指同一边的接收线圈或同一边的发射线圈)为例。通过同边的接收线圈和/或发射线圈连接一多绕组解耦器，用以消除同边的接收线圈和/或发射线圈之间的互感影响，实现接收线圈和/或发射线圈的解耦；
为了得到满足上述步骤的多绕组解耦器，需要找到一个使所有绕组间互感均为正的方法并且要得到相互解耦的两个设计参数，分别配置使相邻或相隔一个绕组的两绕组间互感值大小与相邻或相隔一个线圈的两线圈间互感值大小相等，具体所述多绕组解耦器包括一主磁回路，主磁回路如图5-6所示，主磁回路包括一根磁柱3(即主磁芯，在其他实施例中，也可以是一个不闭合的多边形磁芯或者一个C型磁芯或者空气磁芯)，主磁芯的外部设置有与对应的接收线圈或发射线圈相连接的绕组，即磁柱3上自下而上设有绕组，根据仿真得到的互感系数和实际线圈间的互感值决定绕组匝数，所述绕组包括第一绕组301、第二绕组302、第三绕组303、第四绕组304和第五绕组305；所述辅助磁回路为在相邻绕组的侧面设有一根或数根辅助磁芯306，辅助磁芯306与磁柱3间设有磁条307，磁条307采用不导磁的材料，磁条与主磁芯之间存在气隙，相邻绕组上覆盖的辅助磁芯与另外相邻绕组上覆盖的辅助磁芯处于主磁芯的不同侧面，即第一绕组301和第二绕组302的侧面添加一根或数跟新的辅助磁芯306，在旋转90角度后的磁柱3的另一侧面上的第二绕组302和第三绕组303之间添加一根或数根新的辅助磁芯308并添加磁条，以此类推。通过调整绕组间的间距使相隔一个绕组的两绕组间的互感符合要求并使绕组间的互感分布基本对称(由于边缘效应，磁柱两端绕组的间距要更近)，通过调整磁条尺寸以及位置和/或调整辅助磁芯的数量、尺寸以及位置，来对相邻绕组的互感值进行调整。
对于单排等距放置的多线圈，相隔多个线圈的两个接收线圈或发射线圈和相隔多个绕组的两个绕组之间的互感与气隙长度间满足安培环路定理，用于抵消相隔多个线圈间的两个接收线圈或发射线圈的互感，这是本领域技术人员根据电路理论可以实现的，为此本发明不在具体赘述。
本发明不会在不同功率发射器的回路之间建立电气连接，在负载端或输入端并联情况下不会通过全桥电路产生新的回路，不存在实现问题。由于多绕组解耦器产生新的自感，将新的自感与接收线圈或发射线圈自感相加后作为总的自感求解得到补偿电容。
以五线圈系统为例进行仿真试验，通过软件可以仿真得到五线圈间的自感和互感参数如表1所示：
Figure BDA0002908771620000071
表1
对应的多绕组解耦器的示意图如图5所示，其中磁芯3的材料为PC95。通过上述方法进行参数调整，其中两端绕组与相邻绕组间距为80mm，其余绕组间距均为100mm，线圈匝数选择5匝，可以得到如表2所示的绕组互感：
Figure BDA0002908771620000081
表2
从表2可以看出，上述所设计的多绕组解耦器的互感参数与单排线圈互感参数基本大小一致，符号相反，除M2T4T外互感差值除基本维持在1μH左右或之内，M2T4T差距最大为2.55μH，同匝数的正对线圈正对互感值为60μH，误差小于正对互感的5％。由此可以时候本发明可以消除同边线圈之间的互感影响，实现同边线圈解耦。
进一步的，在除本实施例中采用一根磁柱作为主磁回路的情况，还可以选用不闭合的多边形或圆环状磁芯等，其中绕组间的气隙可以根据实际需要选择添加与否。
综上，本发明的方法可扩展推广至无限多个单排排布放置的同边线圈的情况，可以用于消除同边线圈之间的互感影响，从而对提高模块化无线充电系统传输效率、降低系统控制难度具有重要意义。

Claims (6)

1.实现同边线圈解耦的模块化无线充电系统，该系统包括两个以上的功率发射器或功率接收器，所述的功率发射器包含有驱动电源、发射补偿网络和发射线圈，所述的功率接收器包含有接收线圈、接收补偿网络和整流器，其特征在于：所述的接收线圈或发射线圈采取单排放置的摆放方法，通过同边的发射线圈和/或接收线圈连接一多绕组解耦器，用以消除同边的接收线圈和/或发射线圈之间的互感影响，实现接收线圈和/或发射线圈的解耦；
所述的多绕组解耦器包括一主磁回路，主磁回路包括一主磁芯，主磁芯的外部设置有与对应的接收线圈或发射线圈相连接的绕组，通过调整相邻绕组之间的互感值，使该互感值与对应接收线圈或发射线圈间的互感值大小相等，极性相反，用于消除同边线圈之间的互感影响；
所述的主磁芯的外部还设有用于调整不同绕组间的互感值的辅助磁回路，所述的辅助磁回路包括设置在主磁芯侧部的辅助磁芯，辅助磁芯覆盖在相邻的绕组上，且辅助磁芯的两端设有磁条，磁条与主磁芯之间存在气隙，通过调整磁条尺寸以及位置和/或调整辅助磁芯的数量、尺寸以及位置，来对相邻绕组的互感值进行调整。
2.根据权利要求1所述的实现同边线圈解耦的模块化无线充电系统，其特征在于：相邻绕组上覆盖的辅助磁芯与另外相邻绕组上覆盖的辅助磁芯处于主磁芯的不同侧面。
3.根据权利要求1所述的实现同边线圈解耦的模块化无线充电系统，其特征在于：对于任意单排放置的接收线圈或发射线圈，同边的接收线圈或发射线圈间互感均为负值，所配置的多绕组解耦器的绕组间互感均为正值，使其与对应接收线圈或发射线圈间的互感值大小相等，极向相反，用于消除互感。
4.根据权利要求1所述的实现同边线圈解耦的模块化无线充电系统，其特征在于：所述主磁芯为磁柱、不闭合的磁环、空气磁芯或一不闭合的多边形磁芯。
5.根据权利要求1所述的实现同边线圈解耦的模块化无线充电系统，其特征在于：多绕组解耦器产生新的自感，将新的自感与接收线圈或发射线圈自感相加后作为总的自感进行补偿电容的配置。
6.根据权利要求1所述的实现同边线圈解耦的模块化无线充电系统，其特征在于：相隔多个线圈的两个接收线圈或发射线圈和相隔多个绕组的两个绕组之间的互感与气隙长度间满足安培环路定理，用于抵消相隔多个线圈间的两个接收线圈或发射线圈的互感。
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