CN113972754A - 串并联补偿的无线电能传输线圈结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线充电技术领域，具体涉及一种无线电能传输线圈结构。一种串并联补偿的无线电能传输线圈结构，包括：一原边电路；一副边电路；还包括一补偿结构，补偿结构位于原边电路或副边电路中的至少一处，补偿结构包括：一第一线圈，与第一补偿电容串联后与辅助补偿电容并联形成第一谐振电路；一第二线圈，与第二补偿电容串联形成第二谐振电路；第一谐振电路与第二谐振电路串联后连接到外部电路。本发明在原边电路或副边电路中的至少一处设置补偿结构后，原边和副边两侧的在互感范围内可始终保持稳定，进而在线圈偏移下保证了电流输出的稳定性。

Description

串并联补偿的无线电能传输线圈结构

技术领域

本发明属于无线充电技术领域，具体涉及一种无线电能传输线圈结构。

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原边线圈和副边线圈，原边线圈具有一定频率的交流电，通过电磁感应在副边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。现有的无线充电电路，为了扩大无线充电范围，会在原边电路部分设置两个原边线圈，或者在副边电路部分设置两个副边线圈，当原边线圈或副边线圈存在偏移时，由于线圈互感的问题，会存在输入阻抗不稳定从而引起副边电路输出不稳定的问题。

发明内容

本发明针对电磁感应式的无线充电电路中，当线圈存在偏移时，电路输出不稳定的技术问题，目的在于提供一种串并联补偿的无线电能传输线圈结构。

一种串并联补偿的无线电能传输线圈结构，包括：一原边电路；一副边电路；

还包括一补偿结构，所述补偿结构位于所述原边电路或所述副边电路中的至少一处，所述补偿结构包括：

一第一线圈，与第一补偿电容串联后与辅助补偿电容并联形成第一谐振电路；

一第二线圈，与第二补偿电容串联形成第二谐振电路；

所述第一谐振电路与所述第二谐振电路串联后连接到外部电路。

当所述原边电路设有所述补偿结构时，所述第一线圈、所述第二线圈分别与所述副边电路中的副边线圈存在磁场耦合；

当所述副边电路设有所述补偿结构时，所述第一线圈、所述第二线圈分别与所述原边电路中的原边线圈存在磁场耦合；

当所述原边电路和所述副边电路均设有所述补偿结构时，所述原边电路中的所述第一线圈、所述第二线圈分别与所述副边电路中的第一线圈和所述第二线圈均存在磁场耦合。

所述第一线圈与所述第二线圈之间存在磁场耦合。

所述第一线圈与所述第二线圈处于同一层结构，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。

所述第一线圈与所述第二线圈之间存在解耦。

所述第一线圈与所述第二线圈通过部分线圈交叠实现解耦。

所述第一线圈与所述第一补偿电容、所述辅助补偿电容在工作频率谐振，即：

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为所述第一补偿电容的电容值，C_f为所述辅助补偿电容的电容值。

当：

时，所述补偿结构中的所述第一补偿电容为容抗为零的无穷大电容，所述第一线圈直接与所述辅助补偿电容并联形成所述第一谐振电路。

所述第二线圈与所述第二补偿电容、所述辅助补偿电容在工作频率谐振，即：

其中，ω为工作角频率，ω＝2πf，f为工作频率，L₂为所述第二线圈的自感，C₂为所述第二补偿电容的电容值，C_f为所述辅助补偿电容的电容值。

当：

时，所述补偿结构中的所述第二补偿电容为容抗为零的无穷大电容，所述第二线圈直接形成所述第二谐振电路。

当：

且，

时，所述补偿结构中的所述辅助补偿电容为容抗为零的无穷大电容，所述第一线圈直接与所述第一补偿电容串联并被短接后形成所述第一谐振电路。

当：

且，

时，所述补偿结构中的所述第一补偿电容为容抗为零的无穷大电容，所述第一线圈直接与所述辅助补偿电容并联形成所述第一谐振电路，所述补偿结构中的所述第二补偿电容为容抗为零的无穷大电容，所述第二线圈直接形成所述第二谐振电路。

本发明的积极进步效果在于：本发明采用串并联补偿的无线电能传输线圈结构，在原边电路或副边电路中的至少一处设置补偿结构后，原边和副边两侧的在互感范围内可始终保持稳定，进而在线圈偏移下保证了电流输出的稳定性。

附图说明

图1为本发明补偿结构的一种电路结构示意图；

图2至图5为本发明补偿结构的另四种电路结构示意图；

图6为本发明原边电路设置补偿结构的一种电路结构示意图；

图7为图6的补偿结构对应的一种线圈结构；

图8为本发明原边电路设置补偿结构的另一种电路结构示意图；

图9为图8的补偿结构对应的一种线圈结构；

图10为图8的补偿结构对应的另一种线圈结构；

图11为本发明原边电路和副边电路均设置补偿结构的一种电路结构示意图；

图12为图11的补偿结构对应的一种线圈结构；

图13为本发明原边电路和副边电路均设置补偿结构的另一种电路结构示意图；

图14为图13的补偿结构对应的一种线圈结构；

图15为图13的补偿结构对应的另一种线圈结构。

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15，一种串并联补偿的无线电能传输线圈结构，包括原边电路和副边电路，原边电路与电源输入端连接，电源输入端为原边电路供电，电源输入端输入的电源优选为高频电源。副边电路与用电装置连接。

还包括补偿结构100，补偿结构100位于原边电路或副边电路中的至少一处，如图1中所示，当左侧认为是原边电路时，原边电路中设置补偿结构100，电源输入端作为外部电路，补偿结构100接入到电源输入端，此时副边电路可以通过其他补偿电路与用电装置连接。当左侧认为是副边电路时，副边电路中设置补偿结构100，用电装置作为外部电路，补偿结构100接入到用电装置，此时原边电路可以通过其他补偿电路与电源输入端连接。也可以如图11或图13所示，在原边电路和副边电路中均设置一个本发明的补偿结构100，此时原边电路上的补偿结构接入到电源输入端，副边电路上的补偿结构接入到用电装置。

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均与其他线圈存在磁场耦合。即：当原边电路设有补偿结构100时，第一线圈W1、第二线圈W2分别与副边电路中的副边线圈存在磁场耦合；当副边电路设有补偿结构100时，第一线圈W1、第二线圈W2分别与原边电路中的原边线圈存在磁场耦合；当原边电路和副边电路均设有补偿结构100时，原边电路中的第一线圈W1、第二线圈W2分别与副边电路中的第一线圈W1、第二线圈W2均存在磁场耦合。

第一线圈W1和第二线圈W2之间可以存在磁场耦合，即第一线圈W1与第二线圈W2的互感不为零。当第一线圈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。如图9中所示，第一线圈W1位于第二线圈W2的内侧。当第一线圈W1与第二线圈W2处于两层结构时，第一线圈W1位于第二线圈W2的上方或下方。如图10中所示，第一线圈W1位于第二线圈W2的下方。

第一线圈W1与第二线圈W2之间也可以存在解耦，即第一线圈W1与第二线圈W2之间不存在磁场耦合，即第一线圈W1与第二线圈W2的互感为零。如图7或图12中所示，第一线圈W1与第二线圈W2通过部分线圈交叠实现解耦。

第一线圈W1与第一补偿电容串联后与辅助补偿电容并联形成第一谐振电路。其中，第一线圈W1的自感为L₁，第一补偿电容的电容值为C₁，辅助补偿电容的电容值为C_f。第二线圈W2与第二补偿电容串联形成第二谐振电路，其中，第二线圈W2的自感为L₂，第二补偿电容的电容值为C₂。第一谐振电路与第二谐振电路串联后形成本发明的补偿结构，该补偿机构连接到外部电路。

第一线圈W1与第一补偿电容、辅助补偿电容在工作频率谐振，即：

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为第一补偿电容的电容值，C_f为辅助补偿电容的电容值。

第二线圈W2与第二补偿电容、辅助补偿电容在工作频率谐振，即：

其中，ω为工作角频率，ω＝2πf，f为工作频率，L₂为第二线圈W2的自感，C₂为第二补偿电容的电容值，C_f为辅助补偿电容的电容值。

参照图2，当：

时，补偿结构100中的第一补偿电容为容抗为零的无穷大电容，第一线圈W1直接与辅助补偿电容并联形成第一谐振电路。

参照图3，当：

时，补偿结构100中的第二补偿电容为容抗为零的无穷大电容，第二线圈W2直接形成第二谐振电路。

参照图4，当：

且，

时，补偿结构100中的辅助补偿电容为容抗为零的无穷大电容，第一线圈W1直接与第一补偿电容串联并被短接后形成第一谐振电路。

参照图5，当：

且，

时，补偿结构100中的第一补偿电容为容抗为零的无穷大电容，第一线圈W1直接与辅助补偿电容并联形成第一谐振电路，补偿结构100中的第二补偿电容为容抗为零的无穷大电容，第二线圈W2直接形成第二谐振电路。

实施例一：

参照图6和图7，左侧为原边电路，右侧为副边电路，原边电路上设置有补偿结构100，补偿结构100接到的外部电路为电源输入端，副边电路经其他补偿电路与用电装置连接。

补偿结构100中，第一线圈W1、第二线圈W2分别与副边电路上的副边线圈W3存在磁场耦合，M₁₃和M₂₃均为互感值。如图7中所示，第一线圈W1和第二线圈W2之间通过部分线圈交叠实现解耦。

副边线圈W3反射到第一线圈W1的阻抗为：

副边线圈W3反射到第二线圈W2的阻抗为：

从原边输入端看进去的输入阻抗是：

其中，

由于反射阻抗Z_R1和Z_R2的幅值皆随互感减小而减小，从输入阻抗表达式可看出，随互感减小，

幅值增加，而Z_R2减小，从而使输入阻抗在一定互感范围内保持稳定，提高无线电能传输系统在偏移下的输出稳定性。

实施例二：

参照图8至图10，左侧为原边电路，右侧为副边电路，原边电路上设置有补偿结构100，补偿结构100接到的外部电路为电源输入端，副边电路经其他补偿电路与用电装置连接。

补偿结构100中，第一线圈W1、第二线圈W2分别与副边电路上的副边线圈W3存在磁场耦合，M₁₃和M₂₃均为互感值。第一线圈W1和第二线圈W2之间存在磁场耦合，M₁₂为互感值。存在磁场耦合的方式有两种，如图9所示，第一线圈W1位于第二线圈W2的内侧。如图10中所示，第一线圈W1位于第二线圈W2的下方。

本实施例的工作原理与实施方式一相似，不再详述。

实施例三：

参照图11和图12，左侧为原边电路，右侧为副边电路，原边电路和副边电路上均设置有补偿结构100，左侧的补偿结构100接到的外部电路为电源输入端，右侧的补偿结构100接到的外部电路为用电装置。

为了进行区分，将左侧的补偿结构100中：辅助补偿电容的电容值为C_f1。右侧的补偿结构100中：第一线圈定义为第四线圈W4，第四线圈W4的自感为L₄，第一补偿电容的电容值为C₄，辅助补偿电容的电容值为C_f2。第二线圈定义为第三线圈W3，第三线圈W3的自感为L₃，第二补偿电容的电容值为C₃。

第一线圈W1、第二线圈W2分别与副边电路中的第三线圈W3、第四线圈W4存在磁场耦合，M₁₄和M₂₃均为互感值，且M₁₃和M₂₄未标注。第一线圈W1和第二线圈W2之间通过部分线圈交叠实现解耦。第三线圈W3和第四线圈W4之间通过部分线圈交叠实现解耦。

本实施例的工作原理与实施方式一相似，不再详述。

实施例四：

参照图13至图15，与实施例三不同的是，第一线圈W1和第二线圈W2之间也存在磁场耦合，M₁₂和M₃₄均为互感值(未标注)。如图14所示，当所有的线圈位于同一层结构上时，第一线圈W1位于第二线圈W2的内侧，第四线圈W4位于第三线圈W3的内侧。如图15所示，当线圈位于不同层结构上时，第一线圈W1位于第二线圈W2的下方，第四线圈W4位于第三线圈W3的下方。也可以第一线圈W1和第二线圈W2位于同一层结构上，而第三线圈W3和第四线圈W4位于两层结构上。只要能实现第一线圈W1位于第二线圈W2的磁场耦合，第三线圈W3和第四线圈W4的磁场耦合即可。

本实施例的工作原理与实施方式一相似，不再详述。

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 (10)

1.一种串并联补偿的无线电能传输线圈结构，包括：一原边电路；一副边电路；

其特征在于，还包括一补偿结构，所述补偿结构位于所述原边电路或所述副边电路中的至少一处，所述补偿结构包括：

一第一线圈，与第一补偿电容串联后与辅助补偿电容并联形成第一谐振电路；

一第二线圈，与第二补偿电容串联形成第二谐振电路；

所述第一谐振电路与所述第二谐振电路串联后连接到外部电路。

2.如权利要求1所述的串并联补偿的无线电能传输线圈结构，其特征在于，当所述原边电路设有所述补偿结构时，所述第一线圈、所述第二线圈分别与所述副边电路中的副边线圈存在磁场耦合；

当所述副边电路设有所述补偿结构时，所述第一线圈、所述第二线圈分别与所述原边电路中的原边线圈存在磁场耦合；

当所述原边电路和所述副边电路均设有所述补偿结构时，所述原边电路中的所述第一线圈、所述第二线圈分别与所述副边电路中的第一线圈和所述第二线圈均存在磁场耦合。

3.如权利要求1所述的串并联补偿的无线电能传输线圈结构，其特征在于，所述第一线圈与所述第二线圈之间存在磁场耦合。

4.如权利要求1所述的串并联补偿的无线电能传输线圈结构，其特征在于，所述第一线圈与所述第二线圈之间存在解耦。

5.如权利要求1至4中任意一项所述的串并联补偿的无线电能传输线圈结构，其特征在于，所述第一线圈与所述第一补偿电容、所述辅助补偿电容在工作频率谐振，即：

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为所述第一补偿电容的电容值，C_f为所述辅助补偿电容的电容值。

6.如权利要求5所述的串并联补偿的无线电能传输线圈结构，其特征在于，当：

时，所述补偿结构中的所述第一补偿电容为容抗为零的无穷大电容，所述第一线圈直接与所述辅助补偿电容并联形成所述第一谐振电路。

7.如权利要求5所述的串并联补偿的无线电能传输线圈结构，其特征在于，所述第二线圈与所述第二补偿电容、所述辅助补偿电容在工作频率谐振，即：

其中，L₂为所述第二线圈的自感，C₂为所述第二补偿电容的电容值。

8.如权利要求7所述的串并联补偿的无线电能传输线圈结构，其特征在于，当：

时，所述补偿结构中的所述第二补偿电容为容抗为零的无穷大电容，所述第二线圈直接形成所述第二谐振电路。

9.如权利要求7所述的串并联补偿的无线电能传输线圈结构，其特征在于，当：

且，

时，所述补偿结构中的所述辅助补偿电容为容抗为零的无穷大电容，所述第一线圈直接与所述第一补偿电容串联并被短接后形成所述第一谐振电路。

10.如权利要求7所述的串并联补偿的无线电能传输线圈结构，其特征在于，当：

且，

时，所述补偿结构中的所述第一补偿电容为容抗为零的无穷大电容，所述第一线圈直接与所述辅助补偿电容并联形成所述第一谐振电路，所述补偿结构中的所述第二补偿电容为容抗为零的无穷大电容，所述第二线圈直接形成所述第二谐振电路。

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