CN113972752B - 用于无线电能传输的耦合补偿结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线充电技术领域，具体涉及一种耦合补偿结构。一种用于无线电能传输的耦合补偿结构，包括：一发射电路；一接收电路；还包括：一补偿结构，位于发射电路或接收电路中的至少一处；补偿结构包括：一第一线圈，非同名端分别与第一补偿元件的一端连接、第二补偿元件的一端连接；一第二线圈，同名端与第一线圈的同名端连接，非同名端与第二补偿元件的另一端连接；一第一连接端，与第二线圈和第一线圈的公共连接端连接；一第二连接端，与第一补偿元件的另一端连接。本发明通过增设补偿结构，在没有接收线圈的情况下，发射线圈的电流维持不变，输出电压基本恒定，且无需设置补偿电感，整体结构体积较小。

Description

用于无线电能传输的耦合补偿结构
技术领域
本发明属于无线充电技术领域，具体涉及一种耦合补偿结构。
背景技术
无线充电技术源于无线电能传输技术可分为小功率无线充电和大功率无线充电两种方式。小功率无线充电常采用电磁感应式，大功率无线充电常采用谐振式，大部分电动汽车充电采用谐振式方式，通常由供电设备将能量传送至用电装置。由于供电设备与用电装置之间以磁场传送能量，两者之间不用电线连接，因此供电设备及用电装置都可以做到无导电接点外露。
无线充电技术包括多种方式，其中电磁感应式包括发射线圈和接收线圈，发射线圈具有一定频率的交流电，通过电磁感应在接收线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。目前最为常见的充电解决方案就采用了电磁感应式。现有的电磁感应式无线充电系统中，通常采用SS补偿方式，在接收线圈或负载未靠近之前，发射线圈电流非常大，容易使得整个系统损坏。若采用LCC补偿方式，可以做到在没有接收线圈时，发射线圈电流维持不变，但是其需要补偿电感，补偿电感通常体积较大，效率低，不适合用于电磁感应式无线充电系统中。
发明内容
本发明针对电磁感应式的无线充电电路中，在负载未靠近或发生变化时，电路输出电压不稳定的技术问题，目的在于提供一种用于无线电能传输的耦合补偿结构。
一种用于无线电能传输的耦合补偿结构，包括：一发射电路；一接收电路；
还包括：
一补偿结构，位于所述发射电路或所述接收电路中的至少一处；
所述补偿结构包括：
一第一线圈，非同名端分别与第一补偿元件的一端连接、第二补偿元件的一端连接；
一第二线圈，同名端与所述第一线圈的同名端连接，非同名端与所述第二补偿元件的另一端连接；
一第一连接端，与所述第二线圈和所述第一线圈的公共连接端连接；
一第二连接端，与所述第一补偿元件的另一端连接。
所述第一线圈和所述第二线圈之间存在互感。
所述第一线圈与所述第二线圈处于同一层结构时，所述第一线圈位于所述第二线圈的内侧或外侧。
所述第一线圈与所述第二线圈处于两层结构，所述第一线圈位于所述第二线圈的上方或下方。
所述第一补偿元件、所述第二补偿元件均为电容。
所述第一线圈与所述第一补偿元件在工作频率谐振，即：
Figure BDA0003363531220000021
其中，ω为工作角频率，ω＝2πf，f为工作频率，L1为所述第一线圈的自感，C1为所述第一补偿元件的电容值。
所述第一线圈的同名端与所述第二线圈的同名端串联后与所述第二补偿元件在工作频率谐振，即：
Figure BDA0003363531220000022
其中，ω为工作角频率，ω＝2πf，f为工作频率，L1为所述第一线圈的自感，L2为所述第二线圈的自感，M12为所述第一线圈和所述第二线圈的互感值，C2为所述第二补偿元件的电容值。
所述补偿结构为一组且位于所述发射电路上时，所述第一连接端和所述第二连接端连接电源输入端的两端；
所述第一线圈和所述第二线圈分别与所述接收电路中的接收线圈存在磁场耦合。
所述补偿结构为一组且位于所述接收电路上时，所述第一连接端和所述第二连接端连接负载的两端；
所述第一线圈和所述第二线圈分别与所述发射电路中的发射线圈存在磁场耦合。
所述补偿结构为两组且分别位于所述发射电路和所述接收电路上时，一组所述补偿结构的所述第一连接端和所述第二连接端连接电源输入端的两端，另一组所述补偿结构的所述第一连接端和所述第二连接端连接负载的两端；
两组所述补偿结构中的所述第一线圈和所述第二线圈均存在磁场耦合。
本发明的积极进步效果在于：本发明采用用于无线电能传输的耦合补偿结构，通过增设补偿结构，在没有接收线圈的情况下，发射线圈的电流维持不变，输出电压基本恒定，且无需设置补偿电感，整体结构体积较小。
附图说明
图1为本发明的一种电路结构示意图；
图2为本发明发射电路设置补偿结构的一种电路结构示意图；
图3为本发明的一种线圈结构。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。
参照图1至图3，一种用于无线电能传输的耦合补偿结构，包括发射电路和接收电路，发射电路与电源输入端连接，电源输入端为发射电路供电，电源输入端输入的电源优选为高频电源。接收电路与用电装置，即负载连接。
参照图1，还包括补偿结构100，补偿结构100位于发射电路或接收电路中的至少一处。补偿结构100包括第一线圈W1和第二线圈W2。第一线圈W1的自感为L1，第二线圈W2的自感为L2。第一线圈W1和第二线圈W2之间存在互感，两者的互感值为M12。第一线圈W1与第二线圈W2处于同一层结构时，第一线圈W1位于第二线圈W2的内侧或外侧。第一线圈W1与第二线圈W2处于两层结构，第一线圈W1位于第二线圈W2的上方或下方。如图3中所示，第一线圈W1与第二线圈W2处于同一层结构，第一线圈W1位于第二线圈W2的外侧。
参照图1和图2，第一线圈W1的非同名端分别与第一补偿元件的一端连接、第二补偿元件的一端连接。第一补偿元件、第二补偿元件均为电容。第一补偿元件的电容值为C1，第二补偿元件的电容值为C2。第二线圈W2的同名端与第一线圈W1的同名端连接，第二线圈W2的非同名端与第二补偿元件的另一端连接，第二线圈W2和第一线圈W1的公共连接端连接第一连接端a1，第一补偿元件的另一端连接第二连接端a2。
第一线圈W1和第二线圈W2还与发射电路或接收电路上的其他任意线圈之间存在互感。
参照图2，当补偿结构100为一组且位于发射电路上时，第一连接端a1和第二连接端a2连接电源输入端的两端。第一线圈W1和第二线圈W2分别与接收电路中的接收线圈存在磁场耦合，其中，接收线圈的自感为L3，第一线圈W1和接收线圈之间的互感值为M13，第二线圈W2和接收线圈之间的互感值为M23。
当补偿结构100为一组且位于接收电路上时，第一连接端a1和第二连接端a2连接负载的两端。第一线圈W1和第二线圈W2分别与发射电路中的发射线圈存在磁场耦合。
补偿结构100为两组且分别位于发射电路和接收电路上时，一组补偿结构100的第一连接端a1和第二连接端a2连接电源输入端的两端，另一组补偿结构100的第一连接端a1和第二连接端a2连接负载的两端。两组补偿结构100中的第一线圈W1和第二线圈W2均存在磁场耦合。
第一线圈W1与第一补偿元件在工作频率谐振，即：
Figure BDA0003363531220000041
其中，ω为工作角频率，ω＝2πf，f为工作频率，L1为第一线圈W1的自感，C1为第一补偿元件的电容值。
第一线圈W1的同名端与第二线圈W2的同名端串联后与第二补偿元件在工作频率谐振，即：
Figure BDA0003363531220000042
其中，ω为工作角频率，ω＝2πf，f为工作频率，L1为第一线圈W1的自感，L2为第二线圈W2的自感，M12为第一线圈W1和第二线圈W2的互感值，C2为第二补偿元件的电容值。
实施方式一：
参照图2，左侧为发射电路，右侧为接收电路，在发射电路上设置有补偿结构100，补偿结构100的第一连接端a1和第二连接端a2连接到电源输入端的两端。接收电路上设置有接收线圈，接收线圈W3的自感为L3，接收电路经其他补偿电路如与接收线圈串联的补偿电容(电容值为C3)与用电装置连接。
则，基波方程组为：
Figure BDA0003363531220000043
Figure BDA0003363531220000051
Figure BDA0003363531220000052
其中
Figure BDA0003363531220000053
是电源输入端输入的高频交流电压；RL是等效负载电阻。
使
Figure BDA0003363531220000054
和/>
Figure BDA0003363531220000055
可求解得到系统的输入阻抗为：
Figure BDA0003363531220000056
进一步可求解得，发射电路上的线圈在接收电路上的线圈产生的感应电压为：
Figure BDA0003363531220000057
因此系统输出特性为电压源，即不管负载如何变化，只要耦合确定，输出电压恒定。
另外，在接收线圈W3未靠近时(即M13＝0；M23＝0)，两线圈中电流的有限值为：
Figure BDA0003363531220000058
因此，此补偿结构100在没有接收线圈的情况下，有稳定的线圈电流。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种用于无线电能传输的耦合补偿结构，包括：一发射电路；一接收电路；
其特征在于，还包括：
一补偿结构，位于所述发射电路或所述接收电路中的至少一处；
所述补偿结构包括：
一第一线圈，非同名端分别与第一补偿元件的一端连接、第二补偿元件的一端连接；
一第二线圈，同名端与所述第一线圈的同名端连接，非同名端与所述第二补偿元件的另一端连接；
一第一连接端，与所述第二线圈和所述第一线圈的公共连接端连接；
一第二连接端，与所述第一补偿元件的另一端连接；
所述第一补偿元件、所述第二补偿元件均为电容，所述第一线圈的同名端与所述第二线圈的同名端串联后与所述第二补偿元件在工作频率谐振，即：
Figure FDA0004219085020000011
其中，ω为工作角频率，ω＝2πf，f为工作频率，L1为所述第一线圈的自感，L2为所述第二线圈的自感，M12为所述第一线圈和所述第二线圈的互感值，C2为所述第二补偿元件的电容值。
2.如权利要求1所述的用于无线电能传输的耦合补偿结构，其特征在于，所述第一线圈和所述第二线圈之间存在互感。
3.如权利要求2所述的用于无线电能传输的耦合补偿结构，其特征在于，所述第一线圈与所述第二线圈处于同一层结构时，所述第一线圈位于所述第二线圈的内侧或外侧。
4.如权利要求2所述的用于无线电能传输的耦合补偿结构，其特征在于，所述第一线圈与所述第二线圈处于两层结构，所述第一线圈位于所述第二线圈的上方或下方。
5.如权利要求1所述的用于无线电能传输的耦合补偿结构，其特征在于，所述第一线圈与所述第一补偿元件在工作频率谐振，即：
Figure FDA0004219085020000012
其中，ω为工作角频率，ω＝2πf，f为工作频率，L1为所述第一线圈的自感，C1为所述第一补偿元件的电容值。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的用于无线电能传输的耦合补偿结构，其特征在于，所述补偿结构为一组且位于所述发射电路上时，所述第一连接端和所述第二连接端连接电源输入端的两端；
所述第一线圈和所述第二线圈分别与所述接收电路中的接收线圈存在磁场耦合。
7.如权利要求1至5中任意一项所述的用于无线电能传输的耦合补偿结构，其特征在于，所述补偿结构为一组且位于所述接收电路上时，所述第一连接端和所述第二连接端连接负载的两端；
所述第一线圈和所述第二线圈分别与所述发射电路中的发射线圈存在磁场耦合。
8.如权利要求1至5中任意一项所述的用于无线电能传输的耦合补偿结构，其特征在于，所述补偿结构为两组且分别位于所述发射电路和所述接收电路上时，一组所述补偿结构的所述第一连接端和所述第二连接端连接电源输入端的两端，另一组所述补偿结构的所述第一连接端和所述第二连接端连接负载的两端；
两组所述补偿结构中的所述第一线圈和所述第二线圈均存在磁场耦合。
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