CN113708506A - 一种无线充电抗偏移耦合机构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种无线充电抗偏移耦合机构，发射端机构和接收端机构；发射端机构包括能量发射线圈和发射端谐振补偿网络；发射端谐振补偿网络包括发射端补偿线圈，接收端机构包括能量接收线圈和接收端谐振补偿网络；接收端谐振补偿网络包括接收端补偿线圈，本发明将补偿电感集成于能量传输线圈中而不相互干扰，即使能量发射线圈和能量接收线圈的相对位置存在一定的偏移度，不是完全对准状态，也能很好地实现能量发射线圈向能量接收线圈发射能量的功能，提升了耦合机构的抗偏移能力，在一定偏移范围内系统特性基本保持不变；补偿电感与能量传输线圈相互解耦，解决了其相互干扰的问题，保证了拓扑的恒流输出特性。

Description

一种无线充电抗偏移耦合机构
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种无线充电抗偏移耦合机构。
背景技术
无线电能传输（Wireless Power Transfer，WPT）技术为解决用电设备安全可靠、灵活便捷的电能补给问题提供了思路。基于LCC-LCC补偿拓扑的无线充电系统可以实现与负载解耦的恒流输出，且系统在一定偏移范围内输出功率更加平稳，近年来受到了广泛关注。然而，拓扑中补偿电感的引入增加了系统体积与成本，也带来了补偿电感与能量传输线圈相互干扰的问题，为结构设计带来了困难。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种无线充电抗偏移耦合机构，以解决现有技术中，无线充电系统中补偿拓扑的补偿电感的引入增加了系统体积与成本，也带来了补偿电感与能量传输线圈的相互干扰的问题。为了解决上述问题，本发明的具体技术方案如下：
一种无线充电抗偏移耦合机构，包括：
发射端机构和接收端机构；
所述发射端机构包括能量发射线圈和发射端谐振补偿网络；所述发射端谐振补偿网络包括发射端补偿线圈，所述能量发射线圈为单极型线圈，所述发射端补偿线圈包括两对大小相同、方向相反的双极型子线圈；所述能量发射线圈和所述发射端补偿线圈集成于同一平面上，所述能量发射线圈绕制成封闭的一周，其中部留有第一未绕制区域，所述发射端补偿线圈设置在所述第一未绕制区域内；
所述接收端机构包括能量接收线圈和接收端谐振补偿网络；所述接收端谐振补偿网络包括接收端补偿线圈，所述能量接收线圈为单极型线圈，所述接收端补偿线圈包括两对大小相同、方向相反的双极型子线圈；所述能量接收线圈和所述接收端补偿线圈集成于同一平面上，所述能量接收线圈绕制成封闭的一周，其中部留有第二未绕制区域，所述接收端补偿线圈设置在所述第二未绕制区域内；
所述能量发射线圈与所述能量接收线圈耦合，所述能量发射线圈与所述接收端补偿线圈解耦，所述发射端补偿线圈与所述能量接收线圈解耦，所述发射端补偿线圈与所述接收端补偿线圈解耦，所述能量发射线圈与所述发射端补偿线圈解耦，所述能量接收线圈与所述接收端补偿线圈解耦。
优选地，所述发射端补偿线圈的两对双极型子线圈、以及所述接收端补偿线圈的两对双极型子线圈的绕制形状不同。
优选地，所述发射端补偿线圈的每个子线圈、以及所述接收端补偿线圈的每个子线圈的绕制形状为回形线圈、三角形线圈、环形线圈、扇形线圈中的一种。
优选地，所述能量发射线圈与所述能量接收线圈的绕制形状和大小相同。
优选地，所述能量发射线圈、所述能量接收线圈的绕制形状为回形线圈、三角形线圈、环形线圈、扇形线圈中的一种。
优选地，所述能量发射线圈、所述能量接收线圈的外侧均设置有磁芯和磁屏蔽层
优选地，所述磁屏蔽层包括铝板或铜板。
优选地，所述发射端补偿线圈位于所述能量发射线圈的中心位置处；所述接收端补偿线圈位于所述能量接收线圈的中心位置处。
优选地，所述发射端谐振补偿网络和接收端谐振补偿网络为LCC-LCC、LCC-S、S-LCC、LCL型谐振补偿网络中的一种。
本发明的有益效果为： 本发明提供了一种无线充电抗偏移耦合机构，将补偿电感集成于能量传输线圈中而不相互干扰，即使能量发射线圈和能量接收线圈的相对位置存在一定的偏移度，不是完全对准状态，也能很好地实现能量发射线圈向能量接收线圈发射能量的功能，提升了耦合机构的抗偏移能力，在一定偏移范围内系统特性基本保持不变；补偿电感与能量传输线圈相互解耦，解决了其相互干扰的问题，保证了拓扑的恒流输出特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为一种无线充电抗偏移耦合机构的示意图；
图2为发射端机构的示意图；
图3为接收端机构的示意图；
图4为LCC-LCC型谐振网络结构拓扑的示意图；
图5为LCC-LCC型谐振网络等效电路的示意图；
图6为一种无线充电抗偏移耦合机构的磁场分布情况的示意图；
图7为一种无线充电抗偏移耦合机构偏移后发射端补偿线圈和能量接收线圈间互感变化情况的示意图；
图8为一种无线充电抗偏移耦合机构偏移后接收端补偿线圈和能量发射线圈间互感变化情况的示意图；
图9为一种无线充电抗偏移耦合机构偏移后发射端补偿线圈和接收端补偿线圈间互感变化情况的示意图；
其中：
10-发射端机构、20-接收端机构、101-能量发射线圈、102发射端补偿线圈、201能量接收线圈、202-接收端补偿线圈、301-磁芯、302-磁屏蔽层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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做出创造性劳动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。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和 “包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/ 或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
为了解决现有技术中，无线充电系统中补偿拓扑的补偿电感的引入增加了系统体积与成本，也带来了补偿电感与能量传输线圈的相互干扰的问题，本实施例提出一种无线充电抗偏移耦合机构，可以应用于汽车、无人机等的无线充电场景，参见图1至图3，无线充电抗偏移耦合机构包括：
发射端机构10和接收端机构20；
发射端机构10包括能量发射线圈101和发射端谐振补偿网络，发射端谐振补偿网络包括发射端补偿线圈102；能量发射线圈101是单极型线圈，是由一根导线平面绕制而成；发射端补偿线圈102包括两对大小相同、方向相反的双极型子线圈，这四个子线圈是由一根导线平面绕制而成；能量发射线圈101和发射端补偿线圈102集成于同一平面上，能量发射线圈101绕制成封闭的一周，其中部留有第一未绕制区域，发射端补偿线圈102设置在第一未绕制区域内，也即能量发射线圈101沿发射端补偿线圈102外周绕制，能量发射线圈101位于发射端补偿线圈102外周。本实施例中的发射端补偿线圈102可以在一定偏移范围内实现与能量发射线圈101的解耦。
接收端机构20包括能量接收线圈201和接收端谐振补偿网络，接收端谐振补偿网络包括接收端补偿线圈202；能量接收线圈201是单极型线圈，是由一根导线平面绕制而成；接收端补偿线圈202包括两对大小相同、方向相反的双极型子线圈，这四个子线圈是由一根导线平面绕制而成；能量接收线圈201和接收端补偿线圈202集成于同一平面上，能量接收线圈201绕制成封闭的一周，其中部留有第二未绕制区域，接收端补偿线圈202设置在第二未绕制区域内，也即能量接收线圈201沿接收端补偿线圈202外周绕制，接收端补偿线圈202位于能量接收线圈201外周。本实施例中的接收端补偿线圈202可以在一定偏移范围内实现与能量接收线圈201的解耦。
本实施例中的发射端谐振补偿网络、接收端谐振补偿网络可以是基于LCC-LCC、LCC-S、S-LCC、LCL型谐振补偿网络中的一种。
本实施例中，能量发射线圈101与能量接收线圈201耦合，能量发射线圈101与接收端补偿线圈202解耦，发射端补偿线圈102与能量接收线圈201解耦，发射端补偿线圈102与接收端补偿线圈202解耦，能量发射线圈101与发射端补偿线圈102解耦，能量接收线圈201与接收端补偿线圈202解耦。在本实施例中，除了能量发射线圈101和能量接收线圈201相互耦合之外，其余两两线圈之间相互解耦，也即其余两两线圈之间不会产生相互干扰。通过设计补偿线圈为两个相互解耦的双极型子线圈的方式，提升了耦合机构的抗偏移能力。
在本实施例中，通过将能量发射线圈101和发射端补偿线圈102设置在同一平面上，且能量发射线圈101沿发射端补偿线圈102外周绕制，以及将能量接收线圈201和接收端补偿线圈202设置在同一平面上，且能量接收线圈201沿接收端补偿线圈202外周绕制，以及除了能量发射线圈101和能量接收线圈201相互耦合之外，其余两两线圈之间相互解耦的方式，也即将补偿电感集成于能量发射线圈101和能量接收线圈201中而不相互干扰，即使能量发射线圈101和能量接收线圈201的相对位置存在一定的偏移度，不是完全对准状态，也能很好地实现能量发射线圈101向能量接收线圈201发射能量的功能，提升了耦合机构的抗偏移能力，本实施例的无线充电抗偏移耦合机构具有较强的抗偏移能力，在一定偏移范围内系统特性基本保持不变。补偿电感与能量传输线圈相互解耦，解决了其相互干扰的问题，保证了拓扑的恒流输出特性。
发射端补偿线圈102和接收端补偿线圈202的尺寸大小可以根据实际需求进行设置，这在本实施例中不作限制。在一种实施方式中，参见图2、图3，图2中示出了能量发射线圈101的形状（回形线圈）和绕线方向，以及发射端补偿线圈102的四个子线圈的形状（回形线圈）、位置和绕线方向；图3中示出了能量接收线圈201的形状（回形线圈）和绕线方向，以及接收端补偿线圈202的四个子线圈的形状（三角形线圈）、位置和绕线方向；图2、图3中的箭头代表了线圈的绕线方向。
可选地，在本实施例中，发射端补偿线圈102的两对双极型子线圈、以及接收端补偿线圈202的两对双极型子线圈的绕制形状不同，以实现二者的解耦。例如发射端补偿线圈102的两对双极型子线圈的绕制形状均为回形线圈，接收端补偿线圈202的两对双极型子线圈的绕制形状均为三角形线圈。可选地，在本实施例中，发射端补偿线圈102的每个子线圈、以及接收端补偿线圈202的每个子线圈的绕制形状为回形线圈、三角形线圈、环形线圈、扇形线圈中的一种。
在本实施例中，能量发射线圈101与能量接收线圈201的绕制形状可以相同也可以不同，绕制大小可以相同也可以不同，保证二者一定的耦合度即可。例如能量发射线圈101与能量接收线圈201的绕制形状可以都设置为回形线圈，且大小相同，能量发射线圈101与能量接收线圈201的绕制形状和大小都相同的这种设置方式，设计更为合理；也可以是能量发射线圈101的绕制形状设置为圆环形线圈，能量接收线圈201的绕制形状设置为椭圆环形线圈，且大小不同。可选地，在本实施例中，能量发射线圈101、能量接收线圈201的绕制形状为回形线圈、三角形线圈、环形线圈、扇形线圈中的一种。
可选地，在本实施例中，能量发射线圈101、能量接收线圈201的外侧均设置有磁芯301和磁屏蔽层302，以提升能量发射线圈101和能量接收线圈201之间的耦合强度，同时实现磁屏蔽。可选地，在本实施例中，磁屏蔽层302包括铝板或铜板。
可选地，在本实施例中，参见图2和图3，发射端补偿线圈102位于能量发射线圈101的中心位置处；接收端补偿线圈202位于能量接收线圈201的中心位置处。将补偿线圈集成于能量传输线圈的中间位置处而不会发生相互干扰，补偿线圈与能量传输线圈共用一套磁芯301和磁屏蔽层302，减小了系统体积与成本。
可选地，在本实施例中，能量发射线圈101中部留给发射端补偿线圈102的绕制区域的形状和大小、与能量接收线圈201中部留给接收端补偿线圈202的绕制区域的形状和大小相同。
参见图1至图9，以下将以LCC-LCC型的谐振补偿网络进行说明：
LCC-LCC拓扑如图4所示，Udc为直流电源输入，MOSFET V1~V4构成全桥逆变电路，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure DEST_PATH_IMAGE003
分别表示系统输入交流电压、电流向量，L1为能量发射线圈101自感，L2为能量接收线圈201自感，M为能量发射线圈101和能量接收线圈201之间的互感，L1P、C1P与C2P组成发射端谐振补偿网络，L1S、C1S与C2S组成接收端谐振补偿网络，经整流滤波环节输出直流电供给负载，RL表示负载电阻。
LCC-LCC型谐振网络等效电路如图5所示，等效负载电阻Req表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；(1)
对能量发射端补偿网络分析有：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
；(2)
Figure DEST_PATH_IMAGE009
；(3)
对能量拾取端补偿网络分析有：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
；(4)
Figure DEST_PATH_IMAGE013
；(5)
系统正常工作时处于谐振状态，对能量接收端分析，其等效阻抗为：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
；(6)
于是有：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
；(7)
由式(6)可知，拾取端的阻抗
Figure DEST_PATH_IMAGE019
在谐振状态下仅与负载有关，当负载为纯阻性负载时，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
表现为纯阻性。由(7)可知，负载电流
Figure DEST_PATH_IMAGE022
与耦合机构的互感值M、功率发射端电流
Figure DEST_PATH_IMAGE023
、谐振网络
Figure DEST_PATH_IMAGE025
有关。
对于反射阻抗有：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
；(8)
输入阻抗有：
Figure DEST_PATH_IMAGE029
；(9)
于是有：
Figure DEST_PATH_IMAGE031
；(10)
由式(10)可知，能量发射线圈101电流在系统确定后，其参数以及工作频率基本保持不变，发射端的电流仅与发射端输入电压有关，因此当发射端输入电压一定时，发射端可以保持恒流状态工作，其恒流输出特性使得能量发射线圈101电流不随负载变化，发射磁场稳定。结合式（7）可知，当系统输入电压、谐振网络参数确定时，拾取端输出电流
Figure DEST_PATH_IMAGE033
仅仅与耦合机构互感M有关，而与负载无关。
基于LCC-LCC拓扑的耦合机构集成方案，如图1至图3所示。利用双极型线圈与单极型线圈的解耦原理，将补偿线圈（包括发射端补偿线圈102和接收端补偿线圈202）与能量发射线圈101、能量接收线圈201分别集成在一个平面中，同时将补偿线圈分别设计为相互解耦的两个双极型子线圈，只保留了能量发射线圈101与能量接收线圈201的相互耦合而使其他线圈相互解耦，保证了拓扑的恒流输出特性，同时耦合机构具备了良好的抗偏移性能，在X轴、Y轴一定范围内偏移的情况下，耦合机构特性基本保持不变。
图1至图3所示中，能量发射线圈101与能量接收线圈201均为回形线圈，对应的补偿线圈均集成于同一平面，位于能量发射线圈101与能量接收线圈201内部。补偿线圈由两对大小相同、方向相反的双极型子线圈组成，可以在一定偏移范围内实现与回形线圈的解耦，且发射端补偿线圈102与接收端补偿线圈202互不耦合，只保留了能量发射线圈101与能量接收线圈201的耦合，从而保证了拓扑的恒流输出特性。在能量发射线圈101和能量接收线圈201外侧均集成一层磁芯301与磁屏蔽层302，以提升线圈间耦合强度，同时实现对耦合机构的屏蔽。
在一种实施方式中，无线充电抗偏移耦合机构的参数如下表1所示：
表1
参数 数值
能量发射线圈101和能量接收线圈201的尺寸 240mm*240mm
能量发射线圈101和能量接收线圈201的匝数 20
发射端补偿线圈102和接收端补偿线圈202的尺寸 160mm*160mm
发射端补偿线圈102的四个子线圈，以及接收端补偿线圈202的四个子线圈的匝数 10
发射端补偿线圈102的四个子线圈之间的间距，以及接收端补偿线圈202的四个子线圈之间的间距 50mm
导线线径 2mm
磁芯301尺寸 240mm*240mm*2mm
磁屏蔽层302尺寸 250mm*250mm*2mm
当能量发射线圈101与能量接收线圈201正对时，耦合机构仿真结果如下表2所示：
表2
参数 数值
L<sub>1</sub> 216.64μH
L<sub>2</sub> 216.6μH
M 97.99μH
L<sub>1s</sub> 64μH
L<sub>1p</sub> 67.76μH
M<sub>1s-1</sub> 0.37μH
M<sub>1p-2</sub> 0.001μH
M<sub>1p-1</sub> 0.049μH
M<sub>1s-2</sub> 1.74μH
M<sub>1s-1p</sub> 0.6μH
由上表可知，相较于能量发射线圈101与能量接收线圈201的互感M，发射端补偿线圈102和接收端补偿线圈202之间的互感M1s-1p、补偿线圈与能量传输线圈之间的互感[M1s-1（接收端补偿线圈202和能量发射线圈101之间的互感）、M1p-2（发射端补偿线圈102和能量接收线圈201之间的互感）、M1p-1（发射端补偿线圈102和能量发射线圈101之间的互感）、M1s-2（接收端补偿线圈202和能量接收线圈201之间的互感）很小，可以忽略不计。耦合机构磁场分布情况如图6所示，如果图6看不清楚，对本实施例的方案也没影响。由于磁芯301与磁屏蔽层302的作用，磁场全部集中在耦合机构内部，几乎无漏磁。
参见图7至图9，图7至图9示出了横向偏移时耦合机构互感变化情况，偏移范围是[-8cm，8cm]。由于线圈结构的对称性，在发生纵向偏移时，互感变化与横向偏移时保持一致。可以看到，补偿线圈之间、补偿线圈与能量传输线圈之间互感在±8cm范围内变化时，最大不超过2μH，远小于能量发射线圈101与能量接收线圈201之间的互感，可以忽略不计。在一定偏移范围内系统可以保持较好的耦合特性，耦合机构抗偏移容忍度达到30%。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种无线充电抗偏移耦合机构，其特征在于，包括：
发射端机构和接收端机构；
所述发射端机构包括能量发射线圈和发射端谐振补偿网络；所述发射端谐振补偿网络包括发射端补偿线圈，所述能量发射线圈为单极型线圈，所述发射端补偿线圈包括两对大小相同、方向相反的双极型子线圈；所述能量发射线圈和所述发射端补偿线圈集成于同一平面上，所述能量发射线圈绕制成封闭的一周，其中部留有第一未绕制区域，所述发射端补偿线圈设置在所述第一未绕制区域内；
所述接收端机构包括能量接收线圈和接收端谐振补偿网络；所述接收端谐振补偿网络包括接收端补偿线圈，所述能量接收线圈为单极型线圈，所述接收端补偿线圈包括两对大小相同、方向相反的双极型子线圈；所述能量接收线圈和所述接收端补偿线圈集成于同一平面上，所述能量接收线圈绕制成封闭的一周，其中部留有第二未绕制区域，所述接收端补偿线圈设置在所述第二未绕制区域内；
所述能量发射线圈与所述能量接收线圈耦合，所述能量发射线圈与所述接收端补偿线圈解耦，所述发射端补偿线圈与所述能量接收线圈解耦，所述发射端补偿线圈与所述接收端补偿线圈解耦，所述能量发射线圈与所述发射端补偿线圈解耦，所述能量接收线圈与所述接收端补偿线圈解耦。
2.根据权利要求1所述的无线充电抗偏移耦合机构，其特征在于，所述发射端补偿线圈的两对双极型子线圈、以及所述接收端补偿线圈的两对双极型子线圈的绕制形状不同。
3.根据权利要求2所述的无线充电抗偏移耦合机构，其特征在于，所述发射端补偿线圈的每个子线圈、以及所述接收端补偿线圈的每个子线圈的绕制形状为回形线圈、三角形线圈、环形线圈、扇形线圈中的一种。
4.根据权利要求1所述的无线充电抗偏移耦合机构，其特征在于，所述能量发射线圈与所述能量接收线圈的绕制形状和大小相同。
5.根据权利要求4所述的无线充电抗偏移耦合机构，其特征在于，所述能量发射线圈、所述能量接收线圈的绕制形状为回形线圈、三角形线圈、环形线圈、扇形线圈中的一种。
6.根据权利要求1所述的无线充电抗偏移耦合机构，其特征在于，所述能量发射线圈、所述能量接收线圈的外侧均设置有磁芯和磁屏蔽层。
7.根据权利要求6所述的无线充电抗偏移耦合机构，其特征在于，所述磁屏蔽层包括铝板或铜板。
8.根据权利要求1所述的无线充电抗偏移耦合机构，其特征在于，所述发射端补偿线圈位于所述能量发射线圈的中心位置处；所述接收端补偿线圈位于所述能量接收线圈的中心位置处。
9.根据权利要求1所述的无线充电抗偏移耦合机构，其特征在于，所述发射端谐振补偿网络和接收端谐振补偿网络为LCC-LCC、LCC-S、S-LCC、LCL型谐振补偿网络中的一种。
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