CN113964958B - 一种多负载低泄露磁场的无线充电系统及其参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线充电技术领域，具体公开了一种多负载低泄露磁场的无线充电系统及其参数设计方法，该系统设有发射机构，该发射机构采用特定的排列方式，在应用时每相邻两个发射线圈之间可放入一个接收线圈，接收线圈之间相互解耦，可实现同时为多个负载供电，并且通过合理设计发射线圈的个数和匝数，可在输出功率不变的情况下，在不增加新的抑制材料的情况下，使对外泄露磁场保持在一个较低的水平。该参数设计方法以无线充电系统的工作特性和实际工作状态作为约束条件，以实现对外泄漏磁场水平最低为目标，采用有限元仿真、控制变量法等方法，结合实际的应用场景和发射机构的重量和成本等实际需求，得出最优发射线圈的个数和匝数。

Description

一种多负载低泄露磁场的无线充电系统及其参数设计方法

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种多负载低泄露磁场的发射机构、耦合机构、无线充电系统，及该无线充电系统的参数设计方法。

背景技术

近年来，无线电能传输系统因其便利性、固有的防触电安全性和清洁性而被广泛应用于移动设备、家用电器、医疗设备、工厂自动化系统、工业传感器和电动汽车充电设备。

为满足用户摆脱电池充电麻烦的诉求，近年来，全球市场上发布了多类别便携式电子设备，例如智能手机和可穿戴设备，均带有无线充电功能。然而，商业化的无线传能系统的充电位置比较固定，缺乏灵活性，且大多数单个无线传能系统只能为单个电子设备服务，无法同时为多个电子设备充电，在具有大量无线充电功能的电子设备的当下，该类无线传能系统略显乏力。

无线供电系统为多个负载供电时，系统的输入功率会上升，在输入电压不变的情况下，发射侧线圈电流会随之上升，因此若不对电路拓扑和线圈结构进行处理，该线圈会向外辐射较大的磁场，该泄漏磁场，会对附近的电子设备产生不利影响，并刺激或加热人体，带来严重的安全威胁。因此，在这项技术的可行性测试期间，系统辐射以及人和动物的安全一直是一个重要的问题。

为了抑制无线供电系统的泄漏磁场，根据是否使用额外电源，屏蔽方式通常分为有源屏蔽和无源屏蔽；有源屏蔽依靠外部电源产生具有抵消作用的磁场，达到抑制漏磁场的目的，但额外电源占用空间，且对原系统产生较大影响；而无源屏蔽则通常添加高磁导率、高电导率的材料，或采用LC线圈来抑制泄漏磁场，但是增加了系统的成本和重量，在系统性能方面，由于材料会存在涡流损耗，磁滞损耗，欧姆损耗等损耗，因此增加材料的方式会使系统传输效率下降。因此需要一种能同时带多个负载，且在不增加多余材料的情况下，对外泄漏磁场水平低的无线传能系统。

发明内容

本发明提供一种多负载低泄露磁场的无线充电系统及其参数设计方法，解决的技术问题在于：如何在多负载的无线充电中，实现在不增加多余抑制材料的情况下对外泄漏磁场水平低。

为解决以上技术问题，本发明首先提供一种多负载低泄露磁场的发射机构，由多个完全相同、等高竖直放置的平面型发射线圈依次串联连接构成，所有平面型发射线圈的几何中心均匀分布于闭合环状曲线上，所有平面型发射线圈则形成以所述闭合环状曲线为牵引线的闭合串式结构。

优选的，所有平面型发射线圈朝向所述闭合环状曲线上的几何中心。

该发射机构采用特定的排列方式，在应用时每相邻两个平面型发射线圈之间可放入一个平面型接收线圈，平面型接收线圈之间相互解耦，可实现同时为多个负载(一个负载对应一个平面型接收线圈)供电，并且通过合理设计平面型发射线圈的个数和匝数，可在输出功率不变的情况下，在不增加新的抑制材料的情况下，使对外泄露磁场保持在一个较低的水平。并且，应用该发射机构，平面型发射线圈的形状可根据实际需求任意设置，而平面型接收线圈与其形状相适配能够较高程度地拾取到电能即可。

本发明还提供一种多负载低泄露磁场的耦合机构，包括上述发射机构，还包括接收机构；所述接收机构包括2个以上独立分布的平面型接收线圈，一个所述平面型接收线圈竖直放置于相邻的两个所述平面型发射线圈之间。

优选的，所述平面型接收线圈的几何中心与其相邻的两个所述平面型发射线圈的几何中心均匀分布于所述闭合环状曲线上，且所述平面型接收线圈朝向所述闭合环状曲线的几何中心。

优选的，所述平面型发射线圈由至少一匝利兹线绕制，所述平面型接收线圈由至少一匝利兹线绕制。

优选的，所述闭合环状曲线为圆形。

该耦合机构采用上述特定结构的发射机构和多个负载的多个平面型接收线圈构成的接收机构，并进一步限定了发射机构和接收机构各线圈之间的位置关系，在该位置关系下，能实现较高的能量传输效率。

本发明还提供一种多负载低泄露磁场的无线充电系统，包括发射端和接收端；所述发射端包括顺序连接的直流电源、逆变器、原边补偿网络、原边发射线圈，所述接收端包括多个接收电路，每个接收电路包括顺序连接的副边接收线圈、副边补偿网络、整流器和负载；

所述原边发射线圈采用上述发射机构，所述副边接收线圈采用所述平面型接收线圈，其中每一对相邻的所述平面型发射线圈与两者之间的所述平面型接收线圈构成一耦合子机构。

优选的，所述原边补偿网络包括顺序串联连接在所述逆变器的一端与所述原边发射线圈的一端之间的发射侧补偿电感(L_p0)、发射侧第二补偿电容(C_p2)，以及连接在所述逆变器的另一端与所述发射侧补偿电感(L_p0)、所述发射侧第二补偿电容(C_p2)的公共端之间的发射侧第一补偿电容(C_p1)；

所述副边补偿网络包括顺序串联在所述整流器两端的接收侧补偿电容与接收侧补偿电感，所述接收侧补偿电感还并联连接所述副边接收线圈。

该无线充电系统基于上述耦合机构，在发射端为发射机构设计特定的原边补偿网络，在接收端，基于每个负载相互独立，为每个平面型接收线圈设计特定的副边补偿网络，可实现对每个负载的高效率无线充电。

本发明还提供一种参数设计方法，包括步骤：

S1、根据实际效果需求确定无线充电系统的输出功率得到所述能量耦合子机构的互感取值范围；

S2、通过有限元仿真得到所述平面型发射线圈在不同个数和匝数下的互感值，确定满足互感值在所述互感取值范围内和实际应用需求的个数可选范围和匝数可选范围；

S3、采用控制变量法，在保证输出功率不变的情况下，在个数可选范围和匝数可选范围内的不同互感值下，计算对应的发射侧线圈电流和接收侧线圈电流，作为激励加入到有限元模型的对应线圈中，并记录在电流激励下在不同个数匝数取值组合下各预设磁场测量点的磁场强度；

S4、根据各预设磁场测量点的磁场强度，确定整体磁场水平最小的个数匝数取值组合为最佳的个数取值和匝数取值。

进一步地，在所述步骤S3中，所述预设磁场测量点的确定步骤包括：

将所述发射机构的外切环状曲线向外依次拓展d₁、d₂、d₃…d_s的距离，形成s条相似、但大小不同的环状拓展曲线l₁、l₂、l₃…l_s；

以所述闭合环状曲线的几何中心作为射线原点画出r条射线t₁、t₂、t₃…t_r，射线两两之间的夹角相同，射线t₁、t₂、t₃…t_r与环状拓展曲线l₁、l₂、l₃…l_s的r*s个交点作为预设磁场测量点。

该参数设计方法以无线充电系统的工作特性和实际工作状态作为约束条件，以实现对外泄漏磁场水平最低为目标，采用有限元仿真、控制变量法等方法，结合实际的应用场景和发射机构的重量和成本等实际需求，得出最优平面型发射线圈的个数和匝数，也即在该设计个数和匝数下，不仅传输效率和输出功率满足要求，还能使对外泄露磁场保持在一个最低的水平。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种多负载低泄露磁场的发射机构的立体图；

图2是本发明实施例提供的发射机构与接收机构的位置关系立体图；

图3是本发明实施例提供的发射机构与接收机构的位置关系俯视图及预设磁场测量点的示意图；

图4是本发明实施例提供的一种多负载低泄露磁场的无线充电系统的电路拓扑图；

图5是本发明实施例提供的一种参数设计方法中步骤S3的示例图；

图6是本发明实施例提供的预设磁场测量点的磁场强度之和、N、n三者的关系图；

图7是本发明实施例提供的实验所测收发线圈的电流波形图。

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。

实施例1

本实施例提供的一种多负载低泄露磁场的发射机构，如图1所示，该发射机构由N(N≥2且为偶数)个完全相同、等高竖直放置的平面型发射线圈(可简称为发射线圈)依次串联连接构成，所有平面型发射线圈的几何中心均匀分布于闭合环状曲线上，所有平面型发射线圈则形成以闭合环状曲线为牵引线的闭合串式结构。

为了传输效率更高，所有平面型发射线圈朝向闭合环状曲线上的几何中心，其中闭合环状曲线优选为圆形，则所有平面型发射线圈朝向该圆心，而一般平面型发射线圈绕制为规则形状，本例则绕制为圆环形，如图1所示。在其他实施方式中，闭合环状曲线也可以是椭圆等规则型环状曲线。

本实施例中，一个平面型发射线圈由至少一匝利兹线绕制，具体绕制多少匝以及串联多少个平面型发射线圈需要结合其所应用的无线充电系统的设计及充电需求而定。本实施例选择由0.05mm*1000的利兹线绕制平面型发射线圈。

应用该发射机构，平面型发射线圈的形状可根据实际需求任意设置，而平面型接收线圈与其形状相适配能够较高程度地拾取到电能即可。

本实施例提供的一种多负载低泄露磁场的发射机构，设有多个平面型发射线圈并采用特定的排列方式，在应用时每相邻两个平面型发射线圈之间可放入一个平面型接收线圈，即N个平面型发射线圈之间可放入N/2个平面型接收线圈，平面型接收线圈之间相互解耦，可实现同时为多个负载(一个负载对应一个平面型接收线圈)供电，并且通过合理设计平面型发射线圈的个数和匝数，可在输出功率不变的情况下，在不增加新的抑制材料的情况下，使对外泄露磁场保持在一个较低的水平。

实施例2

本实施例提供一种多负载低泄露磁场的耦合机构，包括实施例1提供的发射机构，还包括接收机构。对应于图1的发射机构，接收机构包括M≥2个以上独立分布的平面型接收线圈(可简称为接收线圈，或称之为负载线圈)。在应用时一个平面型接收线圈竖直放置于相邻的两个平面型发射线圈之间，如图2、3所示。

本例平面型接收线圈的形状设计为圆环形，其他实施方式中可设为其他形状，比如矩形框。从图3还可以看到，该圆环形接收线圈的外径小于平面型发射线圈的外径，目的是较大程度地拾取到电能。在具体设计收发线圈的形状、尺寸时，需要考虑负载对接收线圈的尺寸要求，以更多地拾取到电能为目标，再进一步根据接收线圈的外观、尺寸设计发射线圈的尺寸。

为了传输效率更高，平面型接收线圈的几何中心与其相邻的两个平面型发射线圈的几何中心均匀分布于闭合环状曲线上，且平面型接收线圈朝向闭合环状曲线的几何中心。

本实施例选择0.05mm*1000的利兹线绕制平面型接收线圈。

本实施例提供的一种多负载低泄露磁场的耦合机构，采用实施例1所提供特定结构的发射机构和多个平面型接收线圈构成的接收机构，并进一步限定了发射机构和接收机构各线圈之间的位置关系，在该位置关系下，能实现较高的能量传输效率。

实施例3

本实施例提供一种多负载低泄露磁场的无线充电系统，包括发射端和接收端。如图4所示，发射端包括顺序连接的直流电源(E)、逆变器、原边补偿网络、原边发射线圈，原边发射线圈采用实施例1提供的发射机构(表示为L_p)，由2i个平面型发射线圈(L_p1～L_p(2i))串联而成。接收端包括多个接收电路，对应2i个平面型发射线圈，最多情况下可设置i个平面型接收线圈，则对应接收端包括i个接收电路，每个接收电路包括顺序连接的副边接收线圈(实施例2所提供的平面型接收线圈)、副边补偿网络、整流器和负载。则i个平面型接收线圈(L_s1～L_si)对应i个负载(R_L1～R_Li)。

其中，每一对相邻的平面型发射线圈与两者之间的平面型接收线圈构成一耦合子机构，比如L_p1、L_p2与L_s1就构成第一耦合子机构，其中的互感M包括L_p1与L_s1之间的互感M₁₁，以及L_p2与L_s1之间的互感M₁₂。

如图4，发射端的原边补偿网络包括顺序串联连接在逆变器的一端与原边发射线圈的一端之间的发射侧补偿电感L_p0、发射侧第二补偿电容C_p2，以及连接在逆变器的另一端与发射侧补偿电感L_p0、发射侧第二补偿电容C_p2的公共端之间的发射侧第一补偿电容C_p1，副边补偿网络包括顺序串联在整流器两端的接收侧补偿电容C_si(i＝1,2,…)与接收侧补偿电感L_i(i＝1,2,…)，接收侧补偿电感L_i(i＝1,2,…)还并联连接副边接收线圈。对应回路的电流也标识在图4中。

根据图4所示的电路模型和基尔霍夫电压定律，利用谐振关系可以写出式(1)：

其中，

U_p表示逆变器的输出电压有效值，f表示系统的工作频率，ω表示系统角频率，R_Li为第i(i＝1,2,…)个负载，R_eqi为第i个负载和整流器连接后的等效负载，R₀、R_p、R_i为各电路网孔的自阻。为简化结果，可忽略自阻，解得各电流为：

本发明实施例提供的一种多负载低泄露磁场的无线充电系统，基于实施例2所提供的耦合机构，在发射端为发射机构设计特定的原边补偿网络，在接收端，基于每个负载相互独立，为每个平面型接收线圈设计特定的副边补偿网络，可实现对每个负载的高效率无线充电。

实施例4

本实施例提供一种参数设计方法，应用于实施例3所示的多负载低泄露磁场的无线充电系统，具体包括步骤：

S1、根据实际效果需求确定无线充电系统的输出功率得到能量耦合子机构的互感取值范围；

S2、通过有限元仿真得到平面型发射线圈在不同个数和匝数下的互感值，确定满足互感值在互感取值范围内和实际应用需求的个数可选范围和匝数可选范围；

S3、采用控制变量法，在保证输出功率不变的情况下，在个数可选范围和匝数可选范围内的不同互感值下，计算对应的发射侧线圈电流和接收侧线圈电流，作为激励加入到有限元模型的对应线圈中，并记录在电流激励下在不同个数匝数取值组合下各预设磁场测量点的磁场强度；

S4、根据各预设磁场测量点的磁场强度，确定整体磁场水平最小的个数匝数取值组合为最佳的个数取值和匝数取值。

其中，在步骤S3中，如图3所示，预设磁场测量点的确定步骤包括：

将发射机构的外切环状曲线向外依次拓展d₁、d₂、d₃…d_s的距离，形成s条相似、但大小不同的环状拓展曲线l₁、l₂、l₃…l_s；

以闭合环状曲线的几何中心作为射线原点画出r条射线t₁、t₂、t₃…t_r，射线两两之间的夹角相同，射线t₁、t₂、t₃…t_r与环状拓展曲线l₁、l₂、l₃…l_s的r*s个交点作为预设磁场测量点。

由于平面型发射线圈的个数和匝数对每个耦合子机构之间的互感起着至关重要的作用，而该互感直接影响到系统的传输效率、输出功率等，故本例以无线充电系统的工作特性和实际工作状态(传输效率、输出功率)作为约束条件，以实现对外泄漏磁场水平最低为目标，采用有限元仿真、控制变量法等方法，结合实际的应用场景和发射机构的重量和成本等实际需求，得出最优平面型发射线圈的个数和匝数，也即在该设计个数和匝数下，不仅传输效率和输出功率满足要求，还能使对外泄露磁场保持在一个最低的水平。

以实施例3所示无线充电系统为参照，举例如下：

步骤S1。限制发射机构的外围半径(即外切圆的半径)为200mm，平面型发射线圈采用圆环结构，其外径为50mm，平面型接收线圈也采用圆环结构，其外径为32mm、内径为20mm，要求该无线充电系统在负载为6Ω的情况下，输出功率大于40W，传输效率大于85％。则带入系统输出功率的公式，可得到任一耦合子机构之间互感的取值范围。在考虑实验中各线圈内阻，逆变器和整流器各损耗的情况下，利用带内阻的功率输出功率公式的情况下，可得互感值应该大于2.48μH。

步骤S2。利用Maxwell有限元仿真软件，对耦合机构进行参数扫描(平面型发射线圈的个数、匝数)，筛选符合互感取值的结构参数。通过参数扫描，得出匝数不大于9匝，个数不小于14个，同时考虑实际的应用场景和该装置的重量和成本(实际应用需求)，限制该线圈的个数最多为20个，匝数至少为5匝。即得到个数可选范围是14～20个，匝数可选范围是5～9匝。

步骤S3。采用控制变量法，在保证输出功率不变的情况下，计算14～20个之间和5～9匝之间的各种组合下的发射侧和接收侧电流，作为激励加入到有限元模型的对应线圈中，然后测量各激励电流下的各预设磁场测量点的磁场强度。以第一耦合子机构为例，该步骤控制变量的计算过程参考图5。其中N代表平面型接收线圈的个数，n代表匝数。

步骤S4。将步骤S3测量的所有预设磁场测量点的磁场强度之和、N、n三者的关系绘制成关系图则如图6所示。从图6可直观地看到，在N＝18个和n＝8时，空间磁场处于所有组合的较低水平。

在考虑成本和实际应用的情况下，选择N＝18个和n＝8的参数结构进行实验，由于多个负载结构参数相同，故只需观察测某单负载的输出特性，本例观测负载R_L1的输出特性。如图7所示，接收线圈L_s1的电流滞后发射线圈电流90度，通过发射侧补偿电感(L_p0)的电流相位超前通过发射侧第二补偿电容C_p2的电流90度，通过负载R_L1的电流超前通过接收线圈L_s1的电流90度。

本发明实施例提供的一种参数设计方法，以无线充电系统的工作特性和实际工作状态作为约束条件，以实现对外泄漏磁场水平最低为目标，采用有限元仿真、控制变量法等方法，结合实际的应用场景和发射机构的重量和成本等实际需求，得出最优平面型发射线圈的个数和匝数，也即在该设计个数和匝数下，不仅传输效率和输出功率满足要求，还能使对外泄露磁场保持在一个最低的水平。

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 (8)

1.一种多负载低泄露磁场的耦合机构，其特征在于：包括发射机构，还包括接收机构；所述发射机构由多个完全相同、等高竖直放置的平面型发射线圈依次串联连接构成，所有平面型发射线圈的几何中心均匀分布于闭合环状曲线上，所有平面型发射线圈则形成以所述闭合环状曲线为牵引线的闭合串式结构；所有平面型发射线圈朝向所述闭合环状曲线上的几何中心；

所述接收机构包括2个以上独立分布的平面型接收线圈，一个所述平面型接收线圈竖直放置于相邻的两个所述平面型发射线圈之间。

2.根据权利要求1所述的一种多负载低泄露磁场的耦合机构，其特征在于：所述平面型接收线圈的几何中心与其相邻的两个所述平面型发射线圈的几何中心均匀分布于所述闭合环状曲线上，且所述平面型接收线圈朝向所述闭合环状曲线的几何中心。

3.根据权利要求2所述的一种多负载低泄露磁场的耦合机构，其特征在于：所述平面型发射线圈由至少一匝利兹线绕制，所述平面型接收线圈由至少一匝利兹线绕制。

4.根据权利要求3所述的一种多负载低泄露磁场的耦合机构，其特征在于：所述闭合环状曲线为圆形。

5.一种多负载低泄露磁场的无线充电系统，其特征在于：包括发射端和接收端；所述发射端包括顺序连接的直流电源、逆变器、原边补偿网络、原边发射线圈，所述接收端包括多个接收电路，每个接收电路包括顺序连接的副边接收线圈、副边补偿网络、整流器和负载；

所述原边发射线圈采用权利要求1～4任一项所述的发射机构，所述副边接收线圈采用权利要求1～4任一项所述的平面型接收线圈，其中每一对相邻的所述平面型发射线圈与两者之间的所述平面型接收线圈构成一耦合子机构。

6.根据权利要求5所述的一种多负载低泄露磁场的无线充电系统，其特征在于：所述原边补偿网络包括顺序串联连接在所述逆变器的一端与所述原边发射线圈的一端之间的发射侧补偿电感(L_p0)、发射侧第二补偿电容(C_p2)，以及连接在所述逆变器的另一端与所述发射侧补偿电感(L_p0)、所述发射侧第二补偿电容(C_p2)的公共端之间的发射侧第一补偿电容(C_p1)；

所述副边补偿网络包括顺序串联在所述整流器两端的接收侧补偿电容与接收侧补偿电感，所述接收侧补偿电感还并联连接所述副边接收线圈。

7.一种参数设计方法，应用于权利要求5或6所述的多负载低泄露磁场的无线充电系统，其特征在于，包括步骤：

S1、根据实际效果需求确定无线充电系统的输出功率得到所述能量耦合子机构的互感取值范围；

S2、通过有限元仿真得到所述平面型发射线圈在不同个数和匝数下的互感值，确定满足互感值在所述互感取值范围内和实际应用需求的个数可选范围和匝数可选范围；

S3、采用控制变量法，在保证输出功率不变的情况下，在个数可选范围和匝数可选范围内的不同互感值下，计算对应的发射侧线圈电流和接收侧线圈电流，作为激励加入到有限元模型的对应线圈中，并记录在电流激励下在不同个数匝数取值组合下各预设磁场测量点的磁场强度；

S4、根据各预设磁场测量点的磁场强度，确定整体磁场水平最小的个数匝数取值组合为最佳的个数取值和匝数取值。

8.根据权利要求7所述的一种参数设计方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述预设磁场测量点的确定步骤包括：

将所述发射机构的外切环状曲线向外依次拓展d₁、d₂、d₃…d_s的距离，形成s条相似、但大小不同的环状拓展曲线l₁、l₂、l₃…l_s；

以所述闭合环状曲线的几何中心作为射线原点画出r条射线t₁、t₂、t₃…t_r，射线两两之间的夹角相同，射线t₁、t₂、t₃…t_r与环状拓展曲线l₁、l₂、l₃…l_s的r*s个交点作为预设磁场测量点。

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