CN113890206B - 屏蔽外周磁场的感应式wpt双边lclc拓扑及其参数设计方法 - Google Patents

屏蔽外周磁场的感应式wpt双边lclc拓扑及其参数设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无线供电技术领域，具体公开了一种屏蔽外周磁场的感应式WPT双边LCLC拓扑及其参数设计方法，基于提出的双边LCLC拓扑结构，构造出与发射线圈和接收线圈相互解耦的原边屏蔽线圈和副边屏蔽线圈，并在电流同向时则反向绕制对应的屏蔽线圈，电流反向时则正向绕制对应的屏蔽线圈，使原副边屏蔽线圈的电流方向分别与流经发射线圈和接收线圈的电流反向，从而形成抵消磁场达到削弱收发线圈间磁场泄漏的目的；屏蔽线圈间产生的屏蔽磁场能够在不影响主磁场传能特性的前提下实现对收发线圈外周磁场的屏蔽，且由于LCLC的拓扑特性，能够通过参数设计改变屏蔽线圈内的电流和收发线圈内的电流比值，从而达到最佳的屏蔽效果。

Description

屏蔽外周磁场的感应式WPT双边LCLC拓扑及其参数设计方法
技术领域
本发明涉及无线供电技术领域，尤其涉及一种屏蔽外周磁场的感应式WPT双边LCLC拓扑及其参数设计方法。
背景技术
无线电能传输(WPT)系统借用空间中的能量载体(如磁场、电场、电磁波等)，将电能从电源侧传送到负载侧。其中，感应式无线电能传输利用发送线圈内感应出的交变磁场，经过电磁感应，在接收线圈内产生电压，实现能量的无线传输。该技术能有效避免传统有线电能传输所引起的漏电、电火花等问题。目前广泛应用于电动汽车、医疗器械、手机等充电领域。
但现有的感应式无线电能传输技术应用受到很大的限制，其主要原因之一就是该技术产生的磁场会散发到四周，对人体健康产生影响。因此如何屏蔽感应式无线电能传输过程中散发到四周的磁场(简称外周磁场)是一个有待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种屏蔽外周磁场的感应式WPT双边LCLC拓扑及其参数设计方法，解决的技术问题在于：如何屏蔽感应式无线电能传输过程中的外周磁场。
为解决以上技术问题，本发明首先提供一种屏蔽外周磁场的感应式WPT双边LCLC拓扑，包括连接在发射端的全桥逆变器(I1)与发射线圈(L3)之间的原边LCLC拓扑，和连接在接收端的接收线圈(L4)与全桥整流器(H1)之间的副边LCLC拓扑；
所述原边LCLC拓扑包括串联在所述全桥逆变器(I1)两端的原边第一线圈(L1)和原边第一补偿电容(C1)，串联在所述原边第一补偿电容(C1)两端的原边第二线圈(L2)与原边第二补偿电容(C2)，所述原边第二补偿电容(C2)的两端连接所述发射线圈(L3)的两端；所述副边LCLC拓扑包括串联在所述全桥整流器(H1)两端的副边第二补偿电容(C4)与副边第二线圈(L6)，串联在所述副边第二补偿电容(C4)两端的副边第一线圈(L5)与副边第一补偿电容(C3)，所述副边第一补偿电容(C3)的两端连接所述接收线圈(L4)的两端；
所述原边第一线圈(L1)或/和所述原边第二线圈(L2)中的至少一部分是由绕制在所述发射线圈(L3)解耦位置上的原边屏蔽线圈构成；对应在所述接收线圈(L4)的解耦位置上绕制有副边屏蔽线圈并作为所述副边第二线圈(L6)或/和所述副边第一线圈(L5)中的至少一部分，所述原边第一线圈(L1)与所述发射线圈(L3)中的电流流向相反，所述原边第二线圈(L2)与所述接收线圈(L4)中的电流流向相同。所述副边第一线圈(L5)与所述发射线圈(L3)中的电流流向相同，所述副边第二线圈(L6)与所述接收线圈(L4)中的电流流向相反。
优选的，所述发射线圈(L3)、所述原边屏蔽线圈、所述副边屏蔽线圈、所述接收线圈(L4)为平面线圈且从下到上依次摆放；所述原边屏蔽线圈和所述副边屏蔽线圈的位置在俯视视角上保持交错排列，使两者相互解耦。
优选的，所述原边屏蔽线圈绕制成2个以上均匀分布的原边屏蔽子线圈，所述副边屏蔽线圈也绕制成2个以上均匀分布的副边屏蔽子线圈，所述原边屏蔽子线圈和所述副边屏蔽子线圈的位置在俯视视角上保持原副边交错排列，使两两之间都处于解耦点，即是使所述原边屏蔽子线圈与所述副边屏蔽子线圈之间相互解耦，所述原边屏蔽子线圈之间相互解耦，所述副边屏蔽子线圈之间相互解耦。
优选的，令K1表示所述原边第一补偿电容(C1)的参数值C1与所述原边第二补偿电容(C2)的参数值C2之间的比值即
Figure BDA0003316110690000021
K2表示所述副边第二补偿电容(C4)的参数值C4与所述副边第一补偿电容(C3)的参数值C3之间的比值即
Figure BDA0003316110690000022
则通过设计K1与K2，使得所述原边屏蔽线圈、所述副边屏蔽线圈的屏蔽效果达到最佳。
具体的，所述原边第一线圈(L1)与所述原边第一补偿电容(C1)谐振；所述原边第二线圈(L2)、所述原边第一补偿电容(C1)和所述原边第二补偿电容(C2)构成的回路串联谐振；所述原边第二补偿电容(C2)与所述发射线圈(L3)并联谐振；所述副边第二线圈(L6)与所述副边第二补偿电容(C4)谐振；所述副边第一线圈(L5)、所述副边第一补偿电容(C3)和所述副边第二补偿电容(C4)构成的回路串联谐振；所述副边第一补偿电容(C3)与所述接收线圈(L4)并联谐振。
优选的，当所述原边第一线圈(L1)的一部分被绕制成原边第一屏蔽线圈(L11)时，剩余部分采用与所述原边第一屏蔽线圈(L11)串联的原边第一补偿电感(L12)，且所述原边第一屏蔽线圈(L11)绕制方向与所述发射线圈(L3)相同；
当所述原边第二线圈(L2)的一部分被绕制成原边第二屏蔽线圈(L21)时，剩余部分采用与所述原边第二屏蔽线圈(L21)串联的原边第二补偿电感(L22)，且所述原边第二屏蔽线圈(L21)绕制方向与所述接收线圈(L4)相反；
当所述副边第一线圈(L5)的一部分被绕制成副边第一屏蔽线圈(L51)时，剩余部分采用与所述副边第一屏蔽线圈(L51)串联的副边第一补偿电感(L52)，且所述副边第一屏蔽线圈(L51)绕制方向与所述发射线圈(L3)相反；
当所述副边第二线圈(L6)的一部分被绕制成副边第二屏蔽线圈(L61)时，剩余部分采用与所述副边第二屏蔽线圈(L61)串联的副边第二补偿电感(L62)，且所述副边第二屏蔽线圈(L61)绕制方向与所述接收线圈(L4)相同。
本发明还提供一种屏蔽外周磁场的感应式WPT双边LCLC拓扑的参数设计方法，包括步骤：
S1、根据负载功率PL、无线传输距离、工作频率f的要求，确定所述发射线圈(L3)、所述接收线圈(L4)的形状、尺寸和参数值，以及两者的互感参数M34；
S2、基于所述原边第二补偿电容(C2)与所述发射线圈(L3)的谐振关系，所述副边第一补偿电容(C3)与所述接收线圈(L4)的谐振关系，确定所述原边第二补偿电容(C2)和所述副边第一补偿电容(C3)的参数值；
S3、根据所述发射线圈(L3)的形状、尺寸、参数值和磁场屏蔽性能需求，确定所述原边屏蔽线圈的形状、尺寸和参数值，并以不影响主磁场传能特性为前提，确定所述原边屏蔽线圈的放置位置：所述原边屏蔽线圈位于所述发射线圈(L3)的上方，且两者间的水平偏移距离要保证两者处于解耦点；
S4、根据所述接收线圈(L4)的形状、尺寸、参数值和磁场屏蔽性能需求，设计确定所述副边屏蔽线圈的形状、尺寸和参数值，并以不影响主磁场传能特性为前提，确定所述副边屏蔽线圈的放置位置：所述副边屏蔽线圈位于所述接收线圈(L4)的下方，且两者间的水平偏移距离要保证两者处于解耦点；
S5、所述原边屏蔽线圈和所述副边屏蔽线圈的位置在俯视视角上保持交错排列，使两者都处于解耦点；S6、在负载(RL)和负载功率PL确定的情况下，算出所述副边第二线圈(L6)的电流I6的大小；
S7、根据电流I6，通过选择不同的K1和K2值，分别计算所述原边第一线圈(L1)的电流I1、所述原边第二线圈(L2)的电流I2、所述发射线圈(L3)的电流I3、所述接收线圈(L4)的电流I4、所述副边第一线圈(L5)的电流I5，并通过电磁分析模型获得对应的屏蔽效果；
S8、选择屏蔽效果最佳的K1值和K2值，从而确定所述原边第一补偿电容(C1)和所述副边第二补偿电容(C4)的参数值；
S9、根据谐振关系，结合所述原边第一补偿电容(C1)和所述原边第二补偿电容(C2)的参数值确定所述原边第一线圈(L1)和所述原边第二线圈(L2)的参数值；结合所述副边第一补偿电容(C3)、所述副边第二补偿电容(C4)的参数值确定所述副边第一线圈(L5)和所述副边第二线圈(L6)的参数值；
S10、根据所述原边第一线圈(L1)和所述原边第二线圈(L2)的参数值以及所述原边屏蔽线圈的参数值和连接位置确定对应的原边补偿电感的参数值；根据所述副边第一线圈(L5)和所述副边第二线圈(L6)的参数值以及所述副边屏蔽线圈的参数值和连接位置确定对应的副边补偿电感的参数值。
进一步地，在所述步骤S3中，当所述原边屏蔽线圈包括原边第一屏蔽线圈(L11)与原边第二屏蔽线圈(L21)时，所述原边第一屏蔽线圈(L11)与所述原边第二屏蔽线圈(L21)在同一平面，且两者之间的互感忽略不计；
在所述步骤S4中，当所述副边屏蔽线圈包括副边第一屏蔽线圈(L51)与副边第二屏蔽线圈(L61)时，所述副边第一屏蔽线圈(L51)与所述副边第二屏蔽线圈(L61)在同一平面，且两者之间的互感忽略不计；
此时，在所述步骤S5中，所述原边第一屏蔽线圈(L11)、原边第二屏蔽线圈(L21)、副边第一屏蔽线圈(L51)与副边第二屏蔽线圈(L61)的位置在俯视视角上保持原副边交错排列，使两两之间相互解耦；
若原边第一屏蔽线圈(L11)、原边第二屏蔽线圈(L21)、副边第一屏蔽线圈(L51)与副边第二屏蔽线圈(L61)均被绕制成2个以上屏蔽子线圈时，则各个屏蔽子线圈的位置在俯视视角上保持原副边交错排列，使两两之间都处于解耦点。
进一步地，在步骤S6中，通过下式计算出I6：
Figure BDA0003316110690000051
其中，Req表示所述全桥整流器(H1)及其后连接的直流滤波电容(Cd)、负载(RL)共同被等效为的电阻值，RL表示所述负载(RL)的电阻值。
进一步地，在步骤S7中，电流I1、I2、I3、I4、I5被表示为：
Figure BDA0003316110690000052
其中，ω＝2πf。
本发明提供的一种屏蔽外周磁场的感应式WPT双边LCLC拓扑及其参数设计方法，相比现有技术，具有以下优势：
1、构造出(两组交错排布的且)与发射线圈和接收线圈相互解耦的原副边屏蔽线圈(原副边第一、第二屏蔽线圈)，并通过提出的双边LCLC拓扑结构，在电流同向时则反向绕制对应的屏蔽线圈，电流反向时则正向绕制对应的屏蔽线圈，使原副边屏蔽线圈的电流方向分别与流经发射线圈和接收线圈的电流反向(原边第一屏蔽线圈和副边第二屏蔽线圈的电流方向分别与流经发射线圈和接收线圈的电流反向，原边第二屏蔽线圈和副边第一屏蔽线圈的电流方向分别与流经发射线圈和接收线圈的电流同向)，从而形成抵消磁场达到削弱收发线圈间磁场泄漏的目的；
2、屏蔽线圈产生的屏蔽磁场能够在不影响主磁场传能特性的前提下实现对发射线圈与接收线圈之间的外周磁场的屏蔽，且由于LCLC的拓扑特性，能够通过参数设计改变屏蔽线圈内的电流和收发线圈内的电流比值，从而达到最佳的屏蔽效果；
3、基于本发明提出的双边LCLC拓扑及其参数优化设计，还可以进行扩展：在实际工作中，根据负载阻值、负载功率、工作频率等系统要求的变化，采集空间中的磁场强度，动态改变LCLC拓扑的电路参数，可实现不同功率等级、频率等级等条件下的磁场屏蔽自适应调节。
附图说明
图1是本发明实施例提供的屏蔽外周磁场的感应式WPT双边LCLC拓扑的示意图；
图2是本发明实施例提供的耦合线圈之间的相对位置关系示意图；
图3是本发明实施例提供的原副边第一、第二屏蔽线圈的位置排布俯视图。
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。
为了屏蔽感应式无线电能传输过程中的外周磁场，本发明实施例提供一种屏蔽外周磁场的感应式WPT双边LCLC拓扑，如图1所示，包括连接在发射端的全桥逆变器I1与发射线圈L3之间的原边LCLC拓扑，和连接在接收端的接收线圈L4与全桥整流器H1之间的副边LCLC拓扑。在发射端还设有连接全桥逆变器I1的直流电源E，在接收端还设有连接全桥整流器H1的直流滤波电容Cd及连接直流滤波电容Cd的负载RL。全桥整流器H1、直流滤波电容Cd、负载RL共同被等效为Req。
具体的，原边LCLC拓扑包括原边第一线圈L1、原边第二线圈L2、原边第一补偿电容C1和原边第二补偿电容C2，其中：原边第一线圈L1与原边第一补偿电容C1串联在全桥逆变器I1的两端，原边第二线圈L2与原边第二补偿电容C2串联在原边第一补偿电容C1的两端，原边第二补偿电容C2的两端连接发射线圈L3的两端。
副边LCLC拓扑包括副边第一线圈L5、副边第二线圈L6、副边第一补偿电容C3、副边第二补偿电容C4，其中：副边第二补偿电容C4与副边第二线圈L6串联在全桥整流器H1的两端，副边第一线圈L5与副边第一补偿电容C3串联在副边第二补偿电容C4的两端，副边第一补偿电容C3的两端连接接收线圈L4的两端。
原边第一线圈L1与原边第一补偿电容C1谐振；原边第二线圈L2、原边第一补偿电容C1和原边第二补偿电容C2构成的回路串联谐振；原边第二补偿电容C2与发射线圈L3并联谐振；副边第二线圈L6与副边第二补偿电容C4谐振；副边第一线圈L5、副边第一补偿电容C3和副边第二补偿电容C4构成的回路串联谐振；副边第一补偿电容C3与接收线圈L4并联谐振。
在图1所示的拓扑连接中，经过原边第一线圈L1的电流I1的相位和经过发射线圈L3的电流I3的相位相差180°(即电流反向)，经过原边第二线圈L2的电流I2的相位和经过接收线圈L4的电流I4的相位相差0°(即电流同向)，经过副边第一线圈L5的电流I5的相位和经过发射线圈L3的电流I3的相位相差0°(即电流同向)，经过副边第二线圈L6的电流I6的相位和经过接收线圈L4的电流I4的相位相差180°(即电流反向)。推导如下：
根据电路模型和基尔霍夫电压、电流定律，以及各个线圈、电容之间的谐振关系、解耦关系和网孔电流法，可以写出式(1)：
Figure BDA0003316110690000081
其中，C1、C2、C3、C4分别代表原边第一补偿电容C1、原边第二补偿电容C2、副边第一补偿电容C3和副边第二补偿电容C4的参数值；其中，
Figure BDA0003316110690000082
f表示工作频率，UP表示全桥逆变器I1的输出电压，M34则如图1表示对应两个线圈之间的互感。
由(1)解得：
Figure BDA0003316110690000091
由上式(3)可知经过副边第二线圈L6的电流I6与负载无关，即双边LCLC拓扑具有恒流特性，且有下式：
Figure BDA0003316110690000092
由此证得经过原边第一线圈L1的电流I1的相位和经过发射线圈L3的电流I3的相位相差180°，经过原边第二线圈L2的电流I2的相位和经过接收线圈L4的电流I4的相位相差0°，经过副边第一线圈L5的电流I5的相位和经过发射线圈L3的电流I3的相位相差0°，经过副边第二线圈L6的电流I6的相位和经过接收线圈L4的电流I4的相位相差180°。
利用I1和I3相位差180°、I2和I4相位差0°、I5和I3相位差0°、I4和I6相位差180°的关系，本例可将原边第一线圈L1、原边第二线圈L2、副边第一线圈L5、副边第二线圈L6作为一组或两组相互解耦的屏蔽线圈，用于屏蔽发射线圈与接收线圈之间的外周磁场，满足原边第一线圈L1或/和原边第二线圈L2中的至少一部分是由绕制在发射线圈L3解耦位置上的原边屏蔽线圈构成；对应在接收线圈L4的解耦位置上绕制有副边屏蔽线圈并作为副边第二线圈L6或/和副边第一线圈L5中的至少一部分。只绕制一部分的情形，是因为在电感量不足的情况下，为了匹配参数的要求，需要增设补偿电感。发射线圈L3、原边屏蔽线圈、副边屏蔽线圈、接收线圈L4为平面线圈且从下到上依次摆放。原边屏蔽线圈和副边屏蔽线圈的位置在俯视视角上保持交错排列，使两者相互解耦。在与发射线圈L3或接收线圈L4的电流同向时则反向绕制对应的屏蔽线圈，在与发射线圈L3或所述接收线圈L4的电流反向时则正向绕制对应的屏蔽线圈。
作为诸多实施方式中的一种优选实施方式，图1、2、3针对的是原边第一线圈L1和原边第二线圈L2中的一部分是由绕制在发射线圈L3解耦位置上的原边屏蔽线圈(原边第一屏蔽线圈L11和原边第二屏蔽线圈L21)构成，副边第一线圈L5和副边第二线圈L6中的一部分是由绕制在接收线圈L4解耦位置上的副边屏蔽线圈(副边第一屏蔽线圈L51和副边第二屏蔽线圈L61)构成的情形。如图1所示，原边第一线圈L1包括串联连接的原边第一屏蔽线圈L11和原边第一补偿线圈L12，原边第二线圈L2包括串联连接的原边第二屏蔽线圈L21和原边第二补偿线圈L22，副边第一线圈L5包括串联连接的副边第一屏蔽线圈L51和副边第一补偿线圈L52，副边第二线圈L6包括串联连接的副边第二屏蔽线圈L61和副边第二补偿线圈L62。发射线圈L3和接收线圈L4存在耦合关系，而拓扑中的其它线圈之间则处于解耦状态。则原边第一屏蔽线圈L11的电流方向与流经发射线圈L3的电流反向(原边第一屏蔽线圈L11绕制方向与发射线圈L3相同)，副边第二屏蔽线圈L61与流经接收线圈L4的电流反向(副边第二屏蔽线圈L61绕制方向与接收线圈L4相同)，原边第二屏蔽线圈L21的电流方向与流经接收线圈L4的电流同向(原边第二屏蔽线圈L21绕制方向与接收线圈L4相反)，副边第一屏蔽线圈L51的电流方向与流经发射线圈L3的电流同向(副边第一屏蔽线圈L51绕制方向与发射线圈L3相反)，即是在电流同向时通过反向绕制对应的屏蔽线圈，在电流反向时则正向绕制对应的屏蔽线圈，即可保证所有屏蔽线圈都能产生抵消磁场，从而达到削弱磁场泄漏的目的。
在结构上，如图2所示，发射线圈L3、原边屏蔽线圈、副边屏蔽线圈、接收线圈L4这四个平面线圈从下到上依次摆放，且原边第一屏蔽线圈L11和原边第二屏蔽线圈L21位于同一平面，且分别与发射线圈L3解耦的位置，该位置与接收线圈L4解耦或者互感忽略不计；副边第一屏蔽线圈L51和副边第二屏蔽线圈L61在同一平面，且分别位于与接收线圈L4解耦的位置，该位置与发射线圈L3解耦或者互感忽略不计。图2中，原边第一屏蔽线圈L11绕制成2个串联的原边屏蔽子线圈，原边第二屏蔽线圈L21绕制成2个串联的原边屏蔽子线圈，副边第一屏蔽线圈L51绕制成2个串联的副边屏蔽子线圈，副边第二屏蔽线圈L61绕制成2个串联的副边屏蔽子线圈；原边屏蔽线圈(L11和L21)的屏蔽子线圈和副边屏蔽线圈(L51和L61)的屏蔽子线圈从俯视图看位置原副边交错排列，两两之间的互感可以忽略不计(即原边屏蔽子线圈与副边屏蔽子线圈之间相互解耦，原边屏蔽子线圈之间相互解耦，副边屏蔽子线圈之间相互解耦)，如图3所示。在满足上述解耦的条件下，屏蔽线圈的形状、子线圈的个数等由实际的磁场屏蔽需求决定，并不限于图2和图3所示。
因为式(4)关系，所以可以通过合理设计原边第一补偿电容C1的参数值C1与原边第二补偿电容C2的参数值C2的比值K1与副边第二补偿电容C4的参数值C4与副边第一补偿电容C3的参数值C3的比值K2，可使得屏蔽效果达到最佳，其中：
Figure BDA0003316110690000111
本例还提供一种如图1、2所示的可屏蔽外周磁场的感应式WPT双边LCLC拓扑的参数设计方法，包括步骤：
S1、根据负载功率PL、无线传输距离、工作频率f的要求，确定发射线圈L3)、接收线圈L4的形状、尺寸和参数值，以及两者的互感参数M34；
S2、基于原边第二补偿电容C2与发射线圈L3的谐振关系，副边第一补偿电容C3与接收线圈L4的谐振关系，确定原边第二补偿电容C2和副边第一补偿电容C3的参数值；
S3、根据发射线圈L3的形状、尺寸、参数值和磁场屏蔽性能需求，确定原边屏蔽线圈的形状、尺寸和参数值，并以不影响主磁场传能特性为前提，确定原边屏蔽线圈的放置位置：原边屏蔽线圈位于发射线圈L3的上方，且两者间的水平偏移距离要保证两者处于解耦点；
S4、根据接收线圈L4的形状、尺寸、参数值和磁场屏蔽性能需求，设计确定副边屏蔽线圈的形状、尺寸和参数值，并以不影响主磁场传能特性为前提，确定副边屏蔽线圈的放置位置：副边屏蔽线圈位于接收线圈L4的下方，且两者间的水平偏移距离要保证两者处于解耦点；
S5、原边屏蔽线圈和副边屏蔽线圈的位置在俯视视角上保持交错排列，使两者都处于解耦点；
S6、在负载RL和负载功率PL确定的情况下，算出副边第二线圈L6的电流I6的大小；
S7、根据电流I6，通过选择不同的K1和K2值，分别计算原边第一线圈L1的电流I1、发射线圈L3的电流I3、接收线圈L4的电流I4的大小，并通过电磁分析模型获得对应的屏蔽效果；
S8、选择屏蔽效果最佳的K1值和K2值，从而确定原边第一补偿电容C1和副边第二补偿电容C4的参数值；
S9、根据谐振关系，结合原边第一补偿电容C1和原边第二补偿电容C2的参数值确定原边第一线圈L1和原边第二线圈L2的参数值；结合副边第一补偿电容C3、副边第二补偿电容C4的参数值确定副边第一线圈L5和副边第二线圈L6的参数值；
S10、根据原边第一线圈L1和原边第二线圈L2的参数值以及原边屏蔽线圈的参数值和连接位置确定对应的原边补偿电感的参数值；根据副边第一线圈L5和副边第二线圈L6的参数值以及副边屏蔽线圈的参数值和连接位置确定对应的副边补偿电感的参数值。
在步骤S3中，当原边屏蔽线圈包括原边第一屏蔽线圈L11与原边第二屏蔽线圈L21时，原边第一屏蔽线圈L11与原边第二屏蔽线圈L21在同一平面，且两者之间的互感忽略不计；
在步骤S4中，当副边屏蔽线圈包括副边第一屏蔽线圈L51与副边第二屏蔽线圈L61时，副边第一屏蔽线圈L51与副边第二屏蔽线圈L61在同一平面，且两者之间的互感忽略不计；
此时，在步骤S5中，原边第一屏蔽线圈L11、原边第二屏蔽线圈L21、副边第一屏蔽线圈L51与副边第二屏蔽线圈L61的位置在俯视视角上保持原副边交错排列，使两两之间相互解耦；
若原边第一屏蔽线圈L11、原边第二屏蔽线圈L21、副边第一屏蔽线圈L51与副边第二屏蔽线圈L61均被绕制成2个以上屏蔽子线圈时，则各个屏蔽子线圈的位置在俯视视角上保持原副边交错排列，使两两之间都处于解耦点。
具体的，在步骤S6中，通过下式计算出I6：
Figure BDA0003316110690000131
具体的，在步骤S7中，由式(5)得：
Figure BDA0003316110690000132
由式(3)得：
Figure BDA0003316110690000133
联立上式(8)和式(7)可得：
Figure BDA0003316110690000141
因此，电流I1、I2、I3、I4、I5的大小均可由仅含有K1、K2两个未知量的表达式表示。
综上，本发明实施例提供的一种屏蔽外周磁场的感应式WPT双边LCLC拓扑及其参数设计方法，相比现有技术，具有以下优势：
1、构造出(两组交错排布的且)与发射线圈和接收线圈相互解耦的原副边屏蔽线圈(原副边第一、第二屏蔽线圈)，并通过提出的双边LCLC拓扑结构，在电流同向时则反向绕制对应的屏蔽线圈，电流反向时则正向绕制对应的屏蔽线圈，使原副边屏蔽线圈的电流方向分别与流经发射线圈和接收线圈的电流反向(原边第一屏蔽线圈和副边第二屏蔽线圈的电流方向分别与流经发射线圈和接收线圈的电流反向，原边第二屏蔽线圈和副边第一屏蔽线圈的电流方向分别与流经发射线圈和接收线圈的电流同向)；
2、屏蔽线圈产生的屏蔽磁场能够在不影响主磁场传能特性的前提下实现对发射线圈与接收线圈之间的外周磁场的屏蔽，且由于LCLC的拓扑特性，能够通过参数设计改变屏蔽线圈内的电流和收发线圈内的电流比值，从而达到最佳的屏蔽效果；
3、基于本发明实施例提出的双边LCLC拓扑及其参数优化设计，还可以进行扩展：在实际工作中，根据负载阻值、负载功率、工作频率等系统要求的变化，采集空间中的磁场强度，动态改变LCLC拓扑的电路参数，可实现不同功率等级、频率等级等条件下的磁场屏蔽自适应调节。
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 (10)

1.屏蔽外周磁场的感应式WPT双边LCLC拓扑，包括连接在发射端的全桥逆变器(I1)与发射线圈(L3)之间的原边LCLC拓扑，和连接在接收端的接收线圈(L4)与全桥整流器(H1)之间的副边LCLC拓扑；所述原边LCLC拓扑包括串联在所述全桥逆变器(I1)两端的原边第一线圈(L1)和原边第一补偿电容(C1)，串联在所述原边第一补偿电容(C1)两端的原边第二线圈(L2)与原边第二补偿电容(C2)，所述原边第二补偿电容(C2)的两端连接所述发射线圈(L3)的两端；所述副边LCLC拓扑包括串联在所述全桥整流器(H1)两端的副边第二补偿电容(C4)与副边第二线圈(L6)，串联在所述副边第二补偿电容(C4)两端的副边第一线圈(L5)与副边第一补偿电容(C3)，所述副边第一补偿电容(C3)的两端连接所述接收线圈(L4)的两端；其特征在于：
所述原边第一线圈(L1)或/和所述原边第二线圈(L2)中的至少一部分是由绕制在所述发射线圈(L3)解耦位置上的原边屏蔽线圈构成；对应在所述接收线圈(L4)的解耦位置上绕制有副边屏蔽线圈并作为所述副边第二线圈(L6)或/和所述副边第一线圈(L5)中的至少一部分；所述原边第一线圈(L1)与所述发射线圈(L3)中的电流流向相反，所述原边第二线圈(L2)与所述接收线圈(L4)中的电流流向相同，所述副边第一线圈(L5)与所述发射线圈(L3)中的电流流向相同，所述副边第二线圈(L6)与所述接收线圈(L4)中的电流流向相反，在与所述发射线圈(L3)或所述接收线圈(L4)的电流同向时则反向绕制对应的屏蔽线圈，在与所述发射线圈(L3)或所述接收线圈(L4)的电流反向时则正向绕制对应的屏蔽线圈。
2.根据权利要求1所述的屏蔽外周磁场的感应式WPT双边LCLC拓扑，其特征在于：所述发射线圈(L3)、所述原边屏蔽线圈、所述副边屏蔽线圈、所述接收线圈(L4)为平面线圈且从下到上依次摆放；所述原边屏蔽线圈和所述副边屏蔽线圈的位置在俯视视角上保持交错排列，使两者相互解耦。
3.根据权利要求2所述的屏蔽外周磁场的感应式WPT双边LCLC拓扑，其特征在于：所述原边屏蔽线圈绕制成2个以上均匀分布的原边屏蔽子线圈，所述副边屏蔽线圈也绕制成2个以上均匀分布的副边屏蔽子线圈，所述原边屏蔽子线圈和所述副边屏蔽子线圈的位置在俯视视角上保持原副边交错排列，使两两之间都处于解耦点，即是使所述原边屏蔽子线圈与所述副边屏蔽子线圈之间相互解耦，所述原边屏蔽子线圈之间相互解耦，所述副边屏蔽子线圈之间相互解耦。
4.根据权利要求1所述的屏蔽外周磁场的感应式WPT双边LCLC拓扑，其特征在于：令K1表示所述原边第一补偿电容(C1)的参数值C1与所述原边第二补偿电容(C2)的参数值C2之间的比值即
Figure FDA0004051298780000021
K2表示所述副边第二补偿电容(C4)的参数值C4与所述副边第一补偿电容(C3)的参数值C3之间的比值即
Figure FDA0004051298780000022
则通过设计K1与K2，使得所述原边屏蔽线圈、所述副边屏蔽线圈的屏蔽效果达到最佳。
5.根据权利要求4所述的屏蔽外周磁场的感应式WPT双边LCLC拓扑，其特征在于：所述原边第一线圈(L1)与所述原边第一补偿电容(C1)谐振；所述原边第二线圈(L2)、所述原边第一补偿电容(C1)和所述原边第二补偿电容(C2)构成的回路串联谐振；所述原边第二补偿电容(C2)与所述发射线圈(L3)并联谐振；所述副边第二线圈(L6)与所述副边第二补偿电容(C4)谐振；所述副边第一线圈(L5)、所述副边第一补偿电容(C3)和所述副边第二补偿电容(C4)构成的回路串联谐振；所述副边第一补偿电容(C3)与所述接收线圈(L4)并联谐振。
6.根据权利要求1～5任一项所述的屏蔽外周磁场的感应式WPT双边LCLC拓扑，其特征在于：
当所述原边第一线圈(L1)的一部分被绕制成原边第一屏蔽线圈(L11)时，剩余部分采用与所述原边第一屏蔽线圈(L11)串联的原边第一补偿电感(L12)，且所述原边第一屏蔽线圈(L11)绕制方向与所述发射线圈(L3)相同；
当所述原边第二线圈(L2)的一部分被绕制成原边第二屏蔽线圈(L21)时，剩余部分采用与所述原边第二屏蔽线圈(L21)串联的原边第二补偿电感(L22)，且所述原边第二屏蔽线圈(L21)绕制方向与所述接收线圈(L4)相反；
当所述副边第一线圈(L5)的一部分被绕制成副边第一屏蔽线圈(L51)时，剩余部分采用与所述副边第一屏蔽线圈(L51)串联的副边第一补偿电感(L52)，且所述副边第一屏蔽线圈(L51)绕制方向与所述发射线圈(L3)相反；
当所述副边第二线圈(L6)的一部分被绕制成副边第二屏蔽线圈(L61)时，剩余部分采用与所述副边第二屏蔽线圈(L61)串联的副边第二补偿电感(L62)，且所述副边第二屏蔽线圈(L61)绕制方向与所述接收线圈(L4)相同。
7.一种权利要求1-6任意一项所述的屏蔽外周磁场的感应式WPT双边LCLC拓扑的参数设计方法，其特征在于，包括步骤：
S1、根据负载功率PL、无线传输距离、工作频率f的要求，确定所述发射线圈(L3)、所述接收线圈(L4)的形状、尺寸和参数值，以及两者的互感参数M34；
S2、基于所述原边第二补偿电容(C2)与所述发射线圈(L3)的谐振关系，所述副边第一补偿电容(C3)与所述接收线圈(L4)的谐振关系，确定所述原边第二补偿电容(C2)和所述副边第一补偿电容(C3)的参数值；
S3、根据所述发射线圈(L3)的形状、尺寸、参数值和磁场屏蔽性能需求，确定所述原边屏蔽线圈的形状、尺寸和参数值，并以不影响主磁场传能特性为前提，确定所述原边屏蔽线圈的放置位置：所述原边屏蔽线圈位于所述发射线圈(L3)的上方，且两者间的水平偏移距离要保证两者处于解耦点；
S4、根据所述接收线圈(L4)的形状、尺寸、参数值和磁场屏蔽性能需求，设计确定所述副边屏蔽线圈的形状、尺寸和参数值，并以不影响主磁场传能特性为前提，确定所述副边屏蔽线圈的放置位置：所述副边屏蔽线圈位于所述接收线圈(L4)的下方，且两者间的水平偏移距离要保证两者处于解耦点；
S5、所述原边屏蔽线圈和所述副边屏蔽线圈的位置在俯视视角上保持交错排列，使两者都处于解耦点；
S6、在负载(RL)和负载功率PL确定的情况下，算出所述副边第二线圈(L6)的电流I6的大小；
S7、根据电流I6，通过选择不同的K1和K2值，分别计算所述原边第一线圈(L1)的电流I1、所述原边第二线圈(L2)的电流I2、所述发射线圈(L3)的电流I3、所述接收线圈(L4)的电流I4、所述副边第一线圈(L5)的电流I5，并通过电磁分析模型获得对应的屏蔽效果；
S8、选择屏蔽效果最佳的K1值和K2值，从而确定所述原边第一补偿电容(C1)和所述副边第二补偿电容(C4)的参数值；
S9、根据谐振关系，结合所述原边第一补偿电容(C1)和所述原边第二补偿电容(C2)的参数值确定所述原边第一线圈(L1)和所述原边第二线圈(L2)的参数值；结合所述副边第一补偿电容(C3)、所述副边第二补偿电容(C4)的参数值确定所述副边第一线圈(L5)和所述副边第二线圈(L6)的参数值；
S10、根据所述原边第一线圈(L1)和所述原边第二线圈(L2)的参数值以及所述原边屏蔽线圈的参数值和连接位置确定对应的原边补偿电感的参数值；根据所述副边第一线圈(L5)和所述副边第二线圈(L6)的参数值以及所述副边屏蔽线圈的参数值和连接位置确定对应的副边补偿电感的参数值。
8.根据权利要求7所述的参数设计方法，其特征在于：
在所述步骤S3中，当所述原边屏蔽线圈包括原边第一屏蔽线圈(L11)与原边第二屏蔽线圈(L21)时，所述原边第一屏蔽线圈(L11)与所述原边第二屏蔽线圈(L21)在同一平面，且两者之间的互感忽略不计；
在所述步骤S4中，当所述副边屏蔽线圈包括副边第一屏蔽线圈(L51)与副边第二屏蔽线圈(L61)时，所述副边第一屏蔽线圈(L51)与所述副边第二屏蔽线圈(L61)在同一平面，且两者之间的互感忽略不计；
此时，在所述步骤S5中，所述原边第一屏蔽线圈(L11)、原边第二屏蔽线圈(L21)、副边第一屏蔽线圈(L51)与副边第二屏蔽线圈(L61)的位置在俯视视角上保持原副边交错排列，使两两之间相互解耦；
若原边第一屏蔽线圈(L11)、原边第二屏蔽线圈(L21)、副边第一屏蔽线圈(L51)与副边第二屏蔽线圈(L61)均被绕制成2个以上屏蔽子线圈时，则各个屏蔽子线圈的位置在俯视视角上保持原副边交错排列，使两两之间都处于解耦点。
9.根据权利要求7所述的参数设计方法，其特征在于，在步骤S6中，通过下式计算出I6：
Figure FDA0004051298780000051
其中，Req表示所述全桥整流器(H1)及其后连接的直流滤波电容(Cd)、负载(RL)共同被等效为的电阻值，RL表示所述负载(RL)的电阻值。
10.根据权利要求8所述的参数设计方法，其特征在于，在步骤S7中，电流I1、I2、I3、I4、I5被表示为：
Figure FDA0004051298780000052
其中，ω＝2πf。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105099005A (zh) * 2015-08-16 2015-11-25 中国科学院电工研究所 一种无线能量传输系统的磁场屏蔽装置
CN108964296A (zh) * 2017-05-26 2018-12-07 乐金电子研发中心(上海)有限公司 无线电能传输的电磁屏蔽装置及方法、无线电能传输系统
CN109462292A (zh) * 2018-09-27 2019-03-12 深圳市华禹无线供电技术有限公司 一种平面无线电力传输系统的共振无功屏蔽方法及系统
WO2019076024A1 (zh) * 2017-10-19 2019-04-25 蔚来汽车有限公司 一种动态有源漏磁屏蔽装置及方法
CN113223830A (zh) * 2021-04-25 2021-08-06 华南理工大学 滑环无线输电系统的磁屏蔽线圈结构及其参数优化方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105050372B (zh) * 2015-09-09 2019-05-17 宁波微鹅电子科技有限公司 一种电磁屏蔽层及具有电磁屏蔽层的无线电能传输装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105099005A (zh) * 2015-08-16 2015-11-25 中国科学院电工研究所 一种无线能量传输系统的磁场屏蔽装置
CN108964296A (zh) * 2017-05-26 2018-12-07 乐金电子研发中心(上海)有限公司 无线电能传输的电磁屏蔽装置及方法、无线电能传输系统
WO2019076024A1 (zh) * 2017-10-19 2019-04-25 蔚来汽车有限公司 一种动态有源漏磁屏蔽装置及方法
CN109462292A (zh) * 2018-09-27 2019-03-12 深圳市华禹无线供电技术有限公司 一种平面无线电力传输系统的共振无功屏蔽方法及系统
CN113223830A (zh) * 2021-04-25 2021-08-06 华南理工大学 滑环无线输电系统的磁屏蔽线圈结构及其参数优化方法

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