CN112886721B - 一种组合式发射线圈、发射电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线电能传输(WPT)技术领域，具体公开了一种组合式发射线圈、发射电路及其控制方法，发射线圈包括Q线圈L₁，以及在所述Q线圈L₁中空区域纵向并排设置的DD线圈L_A，以及在所述DD线圈L_A上横向并排设置的DD线圈L_B，内部串联的DD线圈L_A和内部串联的DD线圈L_B串联后组成复合线圈L₂与Q线圈L₁串联。本发明的发射电路和控制方法可使得组合式发射线圈工作在不同的状态，从而激发出不同方向的发射磁场，从而可以适配单水平平面型、单垂直平面型、螺线管和DD型(双垂直平面型)等多种不同类型的接收线圈。此外通过开关切换，电路拓扑和耦合机构还能实现各种接收线圈的恒流恒压供电。

Description

一种组合式发射线圈、发射电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输(WPT)技术领域，尤其涉及一种组合式发射线圈、一种发射电路和一种发射电路的控制方法。

背景技术

磁耦合谐振式无线传能技术具有安全、灵活、便捷等特点，可应用于诸多领域，比如无人机领域，则可以实现无人机的自主充电，从而极大拓展无人机的续航里程和作业范围。而耦合机构作为无线传输系统中的重要组成部分，直接决定了系统的传输性能，由于接收侧用电设备的外观结构不同，因此适用于其的耦合机构多种多样，从而导致了耦合机构和电路拓扑存在兼容性差、互联风险高等缺点，不利于无人机无线充电技术的推广应用。

发明内容

本发明提供一种组合式发射线圈、一种发射电路和一种发射电路的控制方法，旨在通过设计发射线圈的结构与相应的电路拓扑、控制策略，使得组合式发射线圈中的小线圈工作在不同的状态，从而激发出不同方向的发射磁场，可以适配水平平面线圈、垂直平面线圈、螺线管线圈和DD型等多种不同类型的接收线圈，并能通过控制策略实现恒流恒压供电。

为解决以上技术问题，本发明提供：

包括Q线圈L₁，以及在所述Q线圈L₁中空区域纵向并排设置的DD线圈L_A，以及在所述DD线圈L_A上横向并排设置的DD线圈L_B，内部串联的DD线圈L_A和内部串联的DD线圈L_B串联后组成复合线圈L₂与Q线圈L₁串联。通过控制组合式发射线圈中的Q线圈L₁和复合线圈L₂工作在不同的状态，可激发出不同方向的发射磁场，从而可以适配单水平平面型、单垂直平面型、螺线管和DD型(双垂直平面型)等多种不同类型的接收线圈。

在该组合式发射线圈的基础上，本发明还提供：

一种发射电路，包括上述组合式发射线圈，还包括交变电源U_S、补偿电容C₀、补偿电容C₁、补偿电容C₂、开关S₁和开关S₂，所述开关S₁、所述补偿电容C₁、所述Q线圈L₁、所述复合线圈L₂、所述补偿电容C₂、所述开关S₂顺序串联在所述交变电源U_S的一端和另一端之间。

在此基础上，还包括开关S₃、开关S₄和补偿电容C₀；所述开关S₃与所述开关S₄顺序串联在所述交变电源U_S的一端与另一端之间，且所述开关S₃和所述开关S₄的公共端连接所述补偿电容C₀；C₀的另一端连在所述Q线圈L₁和所述复合线圈L₂的公共端。

下面通过方法具体描述控制这种发射电路实现为不同类型线圈恒压充电或恒流充电的过程。

一种发射电路的控制方法，包括步骤：

S1、根据接收线圈的线圈类型、电池电压确定所述接收线圈的充电类型；

S2、根据所述充电类型控制所述开关S₁、所述开关S₂、所述开关S₃、所述开关S₄的闭合与断开，而变换所述发射电路在对应的工作模式。

在所述步骤S1中：

(1)若所述接收线圈为平行于所述组合式发射线圈的平行线圈，或者为垂直于所述组合式发射线圈且紧邻所述Q线圈L₁的垂直线圈，进一步：

1)若电池电压U/额定电压U_额定<预设比例，则确定充电类型为第一恒流充电类型；

2)若电池电压U/额定电压U_额定≥预设比例，则为第一恒压充电类型；

(2)若所述接收线圈为螺线管线圈或垂直于所述组合式发射线圈且位于所述Q线圈L₁上方的垂直线圈，进一步：

3)若电池电压U/额定电压U_额定<预设比例，则确定充电类型为第二恒流充电类型；

4)反之，则为第二恒压充电类型。

在所述步骤S2中：

1)若所述接收线圈的充电类型为第一恒流充电类型，则控制所述开关S₁、所述开关S₄闭合，所述开关S₂、所述开关S₃断开，变换所述发射电路处于第一恒流充电模式；

2)若所述接收线圈的充电类型为第一恒压充电类型，则控制所述开关S₁、所述开关S₂、所述开关S₃闭合，所述开关S₄断开，变换所述发射电路处于第一恒压充电模式；

3)若所述接收线圈的充电类型为第二恒流充电类型，则控制所述开关S₂、所述开关S₃闭合，所述开关S₁、所述开关S₄断开，变换所述发射电路处于第二恒流充电模式；

4)若所述接收线圈的充电类型为第二恒压充电类型，则控制所述开关S₁、所述开关S₁、所述开关S₄闭合，所述开关S₃断开，变换所述发射电路处于第二恒压充电模式。

该方法通过判断接收线圈的类型和电池的值，切换4个开关的状态，从而切换发射电路在不同的工作模式下，以改变组合式发射线圈的磁场分布，适配各种类型接收线圈的恒流恒压分时供能，提高了无人机耦合机构的互操作性。在恒压供电状态时，组合式发射线圈内部互为补偿与发射线圈，无需外加补偿电感。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种组合式发射线圈的立体结构图；

图2是本复合线圈L₂内部串绕双D线圈的仿真模型(a)和走线示意图(b)；

图3是本发明实施例提供的发射电路的拓扑图；

图4是本发明实施例提供的接收线圈为平行平面型的耦合结构图(a)及接收线圈为双垂直平面型的耦合结构图(b)；

图5是本发明实施例提供的接收线圈为单垂直平面型的耦合结构图(a)及接收线圈为螺线管型的耦合结构图(b)；

图6是本发明实施例提供的一种发射电路的控制方法的工作流程图；

图7是本发明实施例提供的一种无线电能传输系统的拓扑图。

具体实施方式

下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。

为了适配不同类型的接收线圈，并实现为其恒流充电或恒压充电，本发明实施例首先提供一种组合式发射线圈，如图1的立体图所示，包括Q线圈L₁，以及在所述Q线圈L₁中空区域纵向并排设置的DD线圈L_A，以及在所述DD线圈L_A上横向并排设置的DD线圈L_B，内部串联的DD线圈L_A和内部串联的DD线圈L_B串联后组成复合线圈L₂与Q线圈L₁串联。组合线圈L₂的绕制方式如图2所示。

需要说明的是，本实施例允许在图1、2所示的组合结构上做不超出本发明构思的变形，比如改变各个线圈的形状、绕线匝数等。

与图1所示的组合式发射线圈相适配的是，本实施例还提供一种发射电路，如图3的拓扑图所示，该电路包括L₁、L₂这2个发射线圈，还包括C₀、C₁、C₂这3个补偿电容，S₁、S₂、S₃、S₄这4个控制开关。所述开关S₁、所述补偿电容C₁、所述Q线圈L₁、所述复合线圈L₂、所述补偿电容C₂、所述开关S₂顺序串联在所述交变电源U_S的一端和另一端之间。在此基础上，还包括开关S₃、开关S₄和补偿电容C₀；所述开关S₃与所述开关S₄顺序串联在所述交变电源U_S的一端与另一端之间，且所述开关S₃和所述开关S₄的公共端连接所述补偿电容C₀；C₀的另一端连在所述Q线圈L₁和复合L₂的公共端。R₁、R₂、R₃为三个发射线圈对应的内阻。

为便于分析，图3还示出了与该发射电路相适配的接收电路，其为S型补偿拓扑，L_S为接收线圈，R_S为线圈内阻，C_S为补偿电容，R_L为负载，M_ij表示线圈L_i和线圈L_j之间的互感。当发射电路和接收电路所组成的图3所示的无线传输系统工作在谐振频率时，有如下关系式：

其中，ω为系统的工作角频率。

组合式发射线圈和对应电路拓扑可以根据不同的接收线圈类型及需求的充电状态工作在不同的组态，满足多种类型接收线圈的分时供能，提高了无人机耦合机构的互操作性。下面说明实现的具体过程。

比如，当接收线圈L_S为单个平面接收线圈(平行于发射线圈，也为矩形，故也称之为单平行平面型矩形线圈)或双垂直平面接收线圈(垂直于发射线圈，也为矩形，故也称之为双垂直平面型矩形线圈)时，发射线圈和接收线圈L_S所组成的耦合机构其仿真模型如图4(a)、(b)所示，根据接收线圈L_S的不同供能需求，发射端可以分别工作在恒流状态和恒压状态。

当机载接收侧电池需要恒流充电时，整个电路需要切换为：

工作模式1(第一恒流充电模式)：此时开关S₁、S₄闭合，开关S₂、S₃断开，线圈L₁给接收线圈L_S供能。

根据交流阻抗分析法可得输出电流为：

由式(2)可以看出此时的电路拓扑，忽略线圈内阻，则系统的输出电流与负载R_L无关，随着电池电量变化，负载值增大，输出电流仍可以保持恒定。

当机载接收侧电池需要恒压充电时，整个电路需要切换为：

工作模式2(第一恒压充电模式)：此时开关S₁、S₂、S₃闭合，开关S₄断开，Q线圈L₁和补偿电容C₀并联作为发射线圈给接收线圈供能，复合线圈L₂作为补偿线圈。

将线圈L₁、电容C₁等效为电感L₂ ^*，即：

忽略线圈内阻，根据交流阻抗分析法可得输出恒压为：

可以看出，本实施例所提出的电路拓扑结构，当接收线圈为平行于组合式发射线圈的单平行平面型矩形线圈或者对称的垂直于组合式发射线圈的双垂直平面型矩形线圈时，忽略系统中线圈内阻及补偿线圈与接收线圈之间的互感，发射线圈的电流和输出电压均保持恒定，不受负载的影响。

比如，当接收线圈为单垂直平面线圈或螺线管线圈时，两者都需要水平方向的磁场，耦合机构的仿真模型分别如图5(a)、(b)所示，由于发射线圈的90度旋转对称性，接收线圈旋转90°依然可以较好耦合，根据接收线圈的不同供能需求，发射端可以分别工作在恒流状态和恒压状态。

对应这两种接收线圈，当机载接收侧电池需要恒流充电时，整个电路需要切换为：

工作模式3(第二恒流充电模式)：此时开关S₂、S₃闭合，开关S₁、S₄断开，复合线圈L₂给接收线圈L_S供能。

忽略线圈内阻，根据交流阻抗分析法可得输出电流为：

由式(5)可以看出此时的电路拓扑，系统的输出电流与负载无关，随着电池电量变化，负载值增大，输出电流仍可以保持恒定。

当机载接收侧电池需要恒压充电时，整个电路需要切换为：

工作模式4(第二恒压充电模式)：开关S₁、S₂、S₄闭合，开关S₃断开，此时线圈L₂与电容C₀并联，共同给接收线圈供能，线圈L₁与线圈L₂相互解耦，作为补偿电感。

将线圈L₁、电容C₁等效为电感L₁ ^*，即：

此时根据交流阻抗分析法可得输出恒压为：

由式(7)可以看出本实施例所提出的电路拓扑结构，当接收线圈为螺线管线圈或者单个垂直接收线圈时，忽略系统中线圈内阻及补偿线圈与接收线圈之间的互感，发射线圈电流和输出电压均保持恒定，不受负载的影响。

还需说明的是，其他在本实施例所示发射电路的基础上所做的容易想到的变换都在本发明的保护范围之内。

在搭建完发射电路并完成验证后，需要一套控制方法对其控制，以实现不同工作模式的切换。

如图6所示，本实施例还提供一种发射电路的控制方法，具体包括步骤：

S1、根据接收线圈的线圈类型、电池电压确定接收线圈的充电类型；

S2、根据充电类型控制开关S₁、开关S₂、开关S₃、开关S₄、的闭合与断开，而变换发射电路在对应的工作模式。

进一步地，在步骤S1中：

(1)若接收线圈为平行于组合式发射线圈的平行线圈，或者为垂直于组合式发射线圈且紧邻矩形线圈L₁的垂直线圈，进一步：

1)若电池电压U/额定电压U_额定<预设比例，则确定充电类型为第一恒流充电类型；

2)若电池电压U/额定电压U_额定≥预设比例，则为第一恒压充电类型；

(2)若接收线圈为螺线管线圈或垂直于组合式发射线圈且位于第一矩形线圈L₁上方的垂直线圈，进一步：

3)若电池电压U/额定电压U_额定<预设比例，则确定充电类型为第二恒流充电类型；

4)反之，则为第二恒压充电类型。

这里的预设比例设置为0.8，可根据具体需求设置。

进一步地，在步骤S2中：

1)若接收线圈的充电类型为第一恒流充电类型，则控制开关S₁、开关S₄闭合，开关S₂、开关S₃断开，变换发射电路处于第一恒流充电模式；

2)若接收线圈的充电类型为第一恒压充电类型，则控制开关S₁、开关S₂、开关S₃闭合，开关S₄断开，变换发射电路处于第一恒压充电模式；

3)若接收线圈的充电类型为第二恒流充电类型，则控制开关S₂、开关S₃闭合，开关S₁、开关S₄断开，变换发射电路处于第二恒流充电模式；

4)若接收线圈的充电类型为第二恒压充电类型，则控制开关S₁、开关S₂、开关S₄闭合，开关S₃断开，变换发射电路处于第二恒压充电模式。

多个接收线圈的不同充电状态下开关状态如下表1所示。

表1开关控制状态表

故对应上述控制方法，本实施例还提供一种控制电路，其电路拓扑如图7所示，包括顺序连接的发射端无线通讯模块、发射端MCU和驱动器，以及顺序连接的接收端无线通讯模块、接收端MCU和连接接收端MCU的电压检测模块、线圈类型判断模块。驱动器的第一、第二、第三、第四控制线分别连接开关S₁、S₂、S₃、S₄，以单独控制这4个开关的通断。

其中每个开关都用两个反向串联的MOS管，接收端无线通讯模块将接收端将线圈类型和检测的电压值传输给发射端，发射端MCU通过判断获得的信息给出4路驱动信号，分别驱动4个开关，使发射端的电路拓扑工作在不同的状态，从而实现一个机构为多种接收线圈供能，提高了耦合机构的互操作性。

本实施例还提供一种无线电能传输系统，包括如上文所述的发射电路、接收电路和控制电路，如图7所示，由于上文已经对发射电路、接收电路和控制电路均进行了说明，此处不再赘述。另外，本实施例仅以无人机为优选实施方式，并不限制应用在其他的领域。

综上，本实施例针对不同厂家设计的无线充电系统中耦合机构和电路拓扑的兼容性差、互联风险高的缺点，提出一种组合式发射线圈结构与相应的电路拓扑(发射电路)，通过一定的开关控制策略(控制方法及控制电路)，使得每个组合式发射线圈的每个小线圈工作在不同的状态，从而激发出不同方向的发射磁场，从而可以适配单水平平面型、单垂直平面型、螺线管和DD型(双垂直平面型)等多种不同类型的接收线圈。此外通过开关切换，电路拓扑和耦合机构还能实现各种接收线圈的恒流恒压供电，且恒压供电状态时，组合式发射线圈内部互为补偿与发射线圈。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种发射电路的控制方法，所述发射电路包括组合式发射线圈，所述组合式发射线圈包括Q线圈L₁，以及在所述Q线圈L₁中空区域纵向并排设置的DD线圈L_A，以及在所述DD线圈L_A上横向并排设置的DD线圈L_B，内部串联的DD线圈L_A和内部串联的DD线圈L_B串联后组成复合线圈L₂与Q线圈L₁串联；所述发射电路还包括交变电源U_S、补偿电容C₀、补偿电容C₁、补偿电容C₂、开关S₁和开关S₂，所述开关S₁、所述补偿电容C₁、所述Q线圈L₁、所述复合线圈L₂、所述补偿电容C₂、所述开关S₂顺序串联在所述交变电源U_S的一端和另一端之间；所述发射电路还包括开关S₃、开关S₄和补偿电容C₀，所述开关S₃与所述开关S₄顺序串联在所述交变电源U_S的一端与另一端之间，且所述开关S₃和所述开关S₄的公共端连接所述补偿电容C₀，C₀的另一端连在所述Q线圈L₁和所述复合线圈L₂的公共端；其特征在于，所述控制方法包括步骤：

S1、根据接收线圈的线圈类型、电池电压确定所述接收线圈的充电类型；

S2、根据所述充电类型控制所述开关S₁、所述开关S₂、所述开关S₃、所述开关S₄的闭合与断开，而变换所述发射电路在对应的工作模式；

在所述步骤S1中：

(1)若所述接收线圈为平行于所述组合式发射线圈的平行线圈，或者为垂直于所述组合式发射线圈且紧邻所述Q线圈L₁的垂直线圈，进一步：

1)若电池电压U/额定电压U_额定<预设比例，则确定充电类型为第一恒流充电类型；

2)若电池电压U/额定电压U_额定≥预设比例，则为第一恒压充电类型；

(2)若所述接收线圈为螺线管线圈或垂直于所述组合式发射线圈且位于所述Q线圈L₁上方的垂直线圈，进一步：

3)若电池电压U/额定电压U_额定<预设比例，则确定充电类型为第二恒流充电类型；

4)反之，则为第二恒压充电类型；

在所述步骤S2中：

1)若所述接收线圈的充电类型为第一恒流充电类型，则控制所述开关S₁、所述开关S₄闭合，所述开关S₂、所述开关S₃断开，变换所述发射电路处于第一恒流充电模式；

2)若所述接收线圈的充电类型为第一恒压充电类型，则控制所述开关S₁、所述开关S₂、所述开关S₃闭合，所述开关S₄断开，变换所述发射电路处于第一恒压充电模式；

3)若所述接收线圈的充电类型为第二恒流充电类型，则控制所述开关S₂、所述开关S₃闭合，所述开关S₁、所述开关S₄断开，变换所述发射电路处于第二恒流充电模式；

4)若所述接收线圈的充电类型为第二恒压充电类型，则控制所述开关S₁、所述开关S₂、所述开关S₄闭合，所述开关S₃断开，变换所述发射电路处于第二恒压充电模式。

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