CN114079326B - 无线充电设备的工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了无线充电设备的工作方法，包括步骤1发射装置控制主发射线圈与接收线圈匹配，并测量主发射线圈与接收线圈之间的互感值M0，并比较互感值M0与第一对准互感最小值M0min，当M0≥M0min时进入步骤2；步骤2发射装置控制多个子线圈依次与接收线圈匹配，并测量每个子线圈与接收线圈之间的互感值Mn，并将每个互感值Mn与第二对准互感最小值Mnmin比较，当Mn≥Mnmin时，对应的子线圈为工作子线圈；步骤3开始无线充电，控制主发射线圈和工作子线圈同时与接收线圈工作。本发明无线充电设备的工作方法，高效的筛选出配合主发射线圈工作的子线圈，在无线充电时，可以辅助主发射线圈进行无线传输，从而降低对齐精度的要求。

Description

无线充电设备的工作方法
技术领域
本发明涉及无线充电领域，尤其涉及无线充电设备的工作方法。
背景技术
无线充电是一种在不需要经过物理接触的情况下即可以直接传输电能的方法，无线充电技术因其安全性和便捷性而具有非常广泛的应用前景。但无线充电发射线圈和接收线圈之间一般会存在着一定的位置偏移，特别是对于电动汽车无线充电，需要配置停车引导和对准检测系统，如CN202010266296.7等专利都提供了类似的方法，这些方法能够提供对准的方案，但在实际应用过程中，缺乏灵活性。例如对汽车的操纵无法做到非常精准地控制，驾驶员或自动泊车系统不能将汽车停泊到理想的位置。而当发射线圈与接收线圈存在着较大的偏移时，无线充电系统的传输功率和效率等都将有明显下降；特别是当偏移超过一定的范围时，甚至会出现不能充电的情况，这将会对无线充电技术的体验和技术的推广造成影响，因此提高无线充电时的偏移容忍限度是无线充电技术需要解决的关键问题之一。
发明内容
本发明提供一种无线充电设备的工作方法，能够提高对齐精度的要求，同时能够保证无线充电的安全工作。
无线充电设备的工作方法，步骤1：发射装置控制主发射线圈L0与接收线圈C匹配，并测量主发射线圈L0与接收线圈C之间的互感值M0，并比较互感值M0与第一对准互感最小值M0min，当M0≥M0min时进入步骤2；步骤2：发射装置控制多个子线圈依次与接收线圈匹配，并测量每个子线圈与接收线圈C之间的互感值Mn，并将每个互感值Mn与第二对准互感最小值Mnmin比较，当Mn≥Mnmin时，对应的子线圈为工作子线圈；步骤3：开始无线充电，控制主发射线圈L0和工作子线圈同时与接收线圈C工作。
优选的，在步骤2中，选取互感值Mn中的最大值Mnmax，比较最大值Mnmax与第二对准互感最小值Mnmin，当Mnmax≥Mnmin时，对应的子线圈为工作子线圈。
优选的，为全部所述子线圈依次编号，其中单数号的子线圈组成第一辅线圈组BL1；双数号的子线圈组成第二辅线圈组BL2；在步骤2中，在第一辅线圈组BL1中，选取互感值Mn中的最大值M单max，在第二辅线圈组BL2中，选取互感值Mn中的最大值M双max；比较M单max与第三对准互感最小值M单min，当M单max≥M单min时，对应的子线圈为工作子线圈；比较M双max与第四对准互感最小值M双min，当M双max≥M双min时，对应的子线圈为工作子线圈。
优选的，在无线充电时，所述主发射线圈L0的输出电压与工作子线圈的输出电压之间，存在相位差。
优选的，在无线充电时，所述主发射线圈L0的工作电流大于工作子线圈的工作电流。
优选的，当负载变化导致输出电压UL变化时，或系统对输出电压UL的需求发生改变时，控制器对相位差Φ进行调节。
优选的，所述主发射线圈L0的输出电压为Uscos(ωt)，其中Us为设备的直流输入电压；当有一个工作子线圈工作时，该工作子线圈的输出电压为Uscos(ωt+Φ)；当有两个工作子线圈工作时，这两个工作子线圈的输出电压分别为Uscos(ωt+Φ)和Uscos(ωt+2Φ)。
优选的，主发射线圈L0与接收线圈C之间的互感值M0的计算方法为：
Figure 26547DEST_PATH_IMAGE001
j表示计算项为虚部；Lf是接收装置匹配电路31的补偿电感的电感值；CR是接收装置匹配电路31的补偿电容的电容值；Cf是接收装置匹配电路31的另一个补偿电容的电容值；LR是接收装置的接收线圈C的电感值；ω是无线充电系统谐振频率；I0是主发射线圈L0的输入电流；IR是接收装置匹配电路31的输出电流。
本发明无线充电设备的工作方法，高效的筛选出配合主发射线圈工作的子线圈，在无线充电时，可以辅助主发射线圈进行无线传输，从而降低对齐精度的要求。子线圈环绕主发射线圈工作，子线圈能够对主发射线圈进行补充，扩大工作范围，并且通过控制相位差，保证线圈的最大磁场不会叠加，保证充电安全。
附图说明
图1为本发明涉及的无线充电发射装置的示意图；
图2A-图2C是本发明涉及的无线充电发射装置和接收线圈匹配工作的三种状态示意图；
图3为本发明涉及的无线充电发射装置和接收装置的耦合的示意图；
图4为本发明无线充电设备的工作方法的流程框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明公开一种无线充电设备的工作方法，为了方便理解，先对所需的无线充电设备进行说明。该无线充电设备分为发射装置和接收装置，也称为发射侧（端）和接收侧（端）。
无线充电设备中，发射装置包括供电电源0、主工作系统1、辅工作系统2和控制器3。主工作系统1中具有主发射线圈L0，辅工作系统2包括辅线圈组。
接收装置具有接收线圈C，接收端匹配电路31、接收端整流电路32和接收端滤波电路等。在进行无线充电时，主发射线圈L0和接收线圈C匹配，在其他工况中，根据对齐状态，辅线圈组中的部分或全部子线圈也会和接收线圈C匹配。
主工作系统1包括依次联通的主逆变电路11、主匹配电路12（或者叫阻抗匹配电路）和主发射线圈L0；辅工作系统2包括依次联通的辅逆变电路21、辅匹配电路22（或者叫辅助阻抗匹配电路）和辅线圈组；辅线圈组包括多个子线圈，所述子线圈环绕所述主发射线圈L0设置。
上述主逆变电路11和辅逆变电路21的结构、原理可以是相同的，他们可以被统称为逆变电路。同理，主匹配电路12和辅匹配电路22的结构、原理可以是相同的，他们可以被统称为匹配电路或者阻抗匹配电路。主发射线圈L0和子线圈统称为发射线圈。
控制器3分别连接主逆变电路11和辅逆变电路21，且使主逆变电路11输出的电压和辅逆变电路21输出的电压之间具有相位差，相位差的具体差值下文会说明。
在优选的实施方式中，辅助工作系统2具有两组，分别为第一辅助工作系统2A和第二辅助工作系统2B。这两个工作系统结构和原理可以是相同的。他们都包括了各自的辅逆变电路21、辅匹配电路22和辅线圈组，当然也有各自的子线圈。对于上文提到的相位差，同样满足，而且主逆变电路11输出的电压、所述第一辅助工作系统2A的辅逆变电路21输出的电压、第二辅助工作系统2B的辅逆变电路21输出的电压均存在相位差。也就是说，无论是哪个工作系统内的逆变电路，他们输出的电压均有相位差。
第一辅助工作系统2A和第二辅助工作系统2B中的全部子线圈依次编号，其中单数号的子线圈组成第一辅线圈组BL1；双数号的子线圈组成第二辅线圈组BL2；第一辅线圈组BL1属于第一辅助工作系统2A；第二辅线圈组BL2属于第二辅助工作系统2B。也就是说，第一辅助工作系统2A中具有第一辅线圈组BL1，第一辅线圈组BL1中具有编号为单数的子线圈；第二辅助工作系统2B中具有第二辅线圈组BL2，第二辅线圈组BL2中具有编号为双数的子线圈。
例如图1、图2A-图2C所示，第一辅线圈组BL1具有四个子线圈，分别为第一子线圈L1、第三子线圈L3、第五子线圈L5、第七子线圈L7；第二辅线圈组BL2具有四个子线圈，分别为第二子线圈L2、第四子线圈L4、第六子线圈L6、第八子线圈L8；每个子线圈上连接有控制开关，对应每个子线圈，分为第一控制开关S1、第二控制开关S2、第三控制开关S3、第四控制开关S4、第五控制开关S5、第六控制开关S6、第七控制开关S7、第八控制开关S8。当然，主发射线圈L0也可以包括主控制开关S0。
当然，根据不同的设置需要，辅工作系统2还可以包括更多组，也会有更多的辅线圈组和子线圈。本申请为了方便说明，以第一辅助工作系统2A和第二辅助工作系统2B两组为例说明。
上述的子线圈围绕在主发射线圈L0四周。这些子线圈按照编号相邻布置，相邻的子线圈之间可以有部分重叠。按照编号相邻布置，也就是说第一辅线圈组BL1内的全部子线圈之间，均由第二辅线圈组BL2内的子线圈间隔。
主发射线圈L0和所有子线圈的线圈结构可以为螺旋盘绕，其外形一般为规则形状，如圆形、正方形、矩形、六角形等形状中的一种或多种的组合，本实施例以盘绕成圆方形来说明，即线圈是四角呈圆弧形的矩形线圈。
本申请中主工作系统1和辅工作系统2是独立的供电回路，第一辅助工作系统2A和第二辅助工作系统2B也是独立的供电回路，这就避免主发射线圈L0、第一辅线圈组BL1、第二辅线圈组BL2之间互相干扰。供电电源0分别由三路电路连接到三个逆变电路（主逆变电路11、第一辅助工作系统2A的辅逆变电路21、第二辅助工作系统2B的辅逆变电路21），所输入的直流电经主逆变电路11和辅逆变电路21转换为三路高频交流电后输出到三个匹配电路（主匹配电路12、第一辅助工作系统2A的辅匹配电路22、第二辅助工作系统2B的辅匹配电路22）的输入端，高频交流电经三个匹配电路后分别输入到对应控制开关，以根据需求给对应的主发射线圈L0或子线圈供电。
主匹配电路12、接收端匹配电路31、第一辅助工作系统2A的辅匹配电路22、第二辅助工作系统2B的辅匹配电路22都可采用多种网络拓扑结构。主发射线圈L0或接收线圈C与一个补偿电容之间有串联谐振和并联谐振两种基本的拓扑结构，除此之外，还有由多个补偿元件构成的拓扑结构形式，如LCC（电感L-电容C-电容C）、LCL、π型等复合拓扑结构，匹配电路和发射线圈或接收线圈C连接后构成谐振网络。
供电电源0也可以是交流电源，当使用交流电源作为输入时，在三个逆变电路前端都要各自增加一级整流变换电路，交流电源的输出经整流变换后转换成直流，再输入到逆变电路的输入端。
一个完整的无线充电系统，除了无线充电发射装置，还对应的具有无线充电接收装置，无线充电接收装置一般具有接收线圈C、接收端匹配电路31、接收端整流电路32和接收端滤波电路等，对于本领域技术人员来说这些是可以知晓的，不做赘述。附图中为了方便理解，以C示出了接收线圈。
所述控制开关S1-S8，分别控制八个子线圈的通断状态，主控制开关S0控制主发射线圈L0的通断状态。控制开关连接在对应的匹配电路后。以图1中为例，主匹配电路12后连接有主控制开关S0；第一辅助工作系统2A的辅匹配电路22后并联有第一控制开关S1、第三控制开关S3、第五控制开关S5、第七控制开关S7；第二辅助工作系统2B的辅匹配电路22后并联第二控制开关S2、第四控制开关S4、第六控制开关S6、第八控制开关S8。
一个匹配电路同一时间最多只接通一个开关，这主要是说明第一辅助工作系统2A的辅匹配电路22中最多有一个控制开关接入，第二辅助工作系统2B的辅匹配电路22中最多有一个控制开关接入。即第一辅线圈组BL1中的子线圈只能单独联通一个，不能同时联通，同理即第二辅线圈组BL2中的子线圈只能单独联通一个，不能同时联通。例如将一个子线圈或主发射线圈与匹配电路连接构成谐振网络。以第一辅线圈组BL1组为例，四个控制开关S1、S3、S5和S7中的一个控制开关接通时，其中对应的一个子线圈与匹配电路相连，其余三个控制开关断开。
下面说明无线充电设备的工作方法。当准备进行无线充电工作时，需要对发射线圈和接收线圈C进行配对识别，具体的方法是通过分析发射线圈组中的各线圈和接收线圈C之间的耦合状态来确定。
该方法包括三个步骤，前两个步骤属于对齐判断，最后一个步骤是充电。
参见图4，该方法包括步骤1：发射装置控制主发射线圈L0与接收线圈C匹配，并测量主发射线圈L0与接收线圈C之间的互感值M0，并比较互感值M0与第一对准互感最小值M0min，当M0≥M0min时进入步骤2。
步骤2：发射装置控制多个子线圈依次与接收线圈匹配，并测量每个子线圈与接收线圈C之间的互感值Mn，并将每个互感值Mn与第二对准互感最小值Mnmin比较，当Mn≥Mnmin时，对应的子线圈为工作子线圈。
步骤3：开始无线充电，控制主发射线圈L0和工作子线圈同时与接收线圈C工作。
步骤1和步骤2不会同时进行，在这两个步骤中，同时只有一个线圈与接收线圈C匹配。步骤2中可能没有工作子线圈，但是否具有工作子线圈，不影响步骤3的工作。
在步骤1中，如果M0＜M0min说明主发射线圈L0与接收线圈C无法实现无线充电工作，需要再重新定位，因此不能进行步骤2和步骤3的操作。
简单理解，步骤1和步骤2是在确认主发射线圈L0能否和接收线圈C匹配工作，以及确认哪些子线圈能够和接收线圈C匹配工作，将能够和接收线圈C匹配工作的线圈，在无线充电时启动，完成无线能量的发射。该方式在无线充电过程中，可以将全部能够和接收线圈C实现匹配工作的子线圈启用。
而在一些实施例中，在步骤2中，选取互感值Mn中的最大值Mnmax，比较最大值Mnmax与第二对准互感最小值Mnmin，当Mnmax≥Mnmin时，对应的子线圈为工作子线圈。在该实施例中，只选取与接收线圈C匹配最好的子线圈工作。当然在多个子线圈都具有最大值Mnmax时，可以都作为工作子线圈，参与无线充电工作，也可以选择其中一个作为工作子线圈。
基于子线圈环绕主发射线圈L0的设置方式，可以对子线圈分组，以更高效的进行筛选。如上述，将子线圈编号并按照单号和双号分为两组，分别组成第一辅助线圈组BL1和第二辅助线圈组BL2。在步骤2中，在第一辅线圈组BL1中，选取互感值Mn中的最大值M单max，在第二辅线圈组BL2中，选取互感值Mn中的最大值M双max；比较M单max与第三对准互感最小值M单min，当M单max≥M单min时，对应的子线圈为工作子线圈；比较M双max与第四对准互感最小值M双min，当M双max≥M双min时，对应的子线圈为工作子线圈。这里提到的第三对准互感最小值M单min和第四对准互感最小值M双min是同上述第二对准互感最小值Mnmin概念相同的，当所有子线圈均相同时，M单min和M双min以及Mnmin这三者的概念可以是相同的。
下面针对上述步骤，展开说明实现的方法，以及配合完成方法的零部件。
步骤1中，首先使控制开关S1~S8均处于断开状态，接通主控制开关S0，将主发射线圈L0与后端的主匹配电路12连接，测量主发射线圈L0与接收线圈C之间的互感值M0，当M0≥M0min，可判断为接收线圈C处于主发射线圈L0的工作范围内，与主发射线圈L0已经对准，其中M0min为对准互感最小值。如M0＜M0min，则可判断接收线圈C和主发射线圈L0尚未对准，需要移动接收装置，继续完成对准的过程。
主发射线圈L0和接收线圈C之间会随着两者中心点的相对偏移量的增加，其互感值会相对变小。互感最小值M0min是根据主发射线圈L0和接收线圈C处于最低耦合状态而确定，在此状态下被接收线圈C所接收到的电磁能量仍能满足对主发射线圈L0包括功率、电压、电流等输出参数的要求，且能具备在如工作温度等所有允许的工作条件变化下的调节范围。以无线充电发射装置的主匹配电路12、辅匹配电路22和接收装置的匹配电路31均采用LCC补偿网络为例，在接收装置上的输出功率、电压、电流等参数均可以表达为与供电电源的电压和互感值M0的一个函数，当供电电压不变时，接收装置的输出参数与互感值M0具有确定的关系式，据此关系式满足输出参数的要求的最小互感值即为M0min。
当主发射线圈L0与接收线圈C满足对准条件后，进入步骤2（下面分单双组对实施例进行介绍），该步骤中轮流接通控制开关S1~S8，使子线圈L1~L8依次与后面的匹配电路22连接。当一个子线圈与一个匹配电路22连接时，依次测量每个子线圈与接收线圈C之间的互感值M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8。在M1、M3、M5、M7中选取最大互感值M单max；再在M2、M4、M6、M8中选取最大互感值M双max；当M单max≥M单min时，将M单max对应的子线圈作为工作子线圈，在进入步骤3后，该工作子线圈的控制开关在无线充电时处于接通状态，BL1组中的其他子线圈对应的开关处于断开状态；当M双max≥M双min时，M双max对应的一个子线圈作为工作子线圈，在步骤3中对应控制开关在无线充电时处于接通状态，BL2组中的其他子线圈对应的开关处于断开状态。
当BL1和BL2组的子线圈是相同的时，M单min和M双min相等。即M单min和M双min的值是根据子线圈和接收线圈C处于最低耦合状态而确定，在此状态下接收线圈C接收到的电磁能量仍能满足对子线圈包括功率、电压、电流等输出参数的要求，且能具备在所有允许的工作条件变化下的调节范围，M单min和M双min的确定方法与M0min相同。在不对子线圈分组的实施例中，只要在M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8中选出最大的Mnmax并当其≥Mnmin时将对应的子线圈作为工作子线圈即可。当然也可以不选出最大值，将这8个数据中≥Mnmin对应的全部子线圈都作为工作子线圈即可。一般的，Mnmin和M单min和M双min是相同的。
步骤2可以没有子线圈作为工作子线圈。如图2A所示，接收线圈C处于主发射线圈L0工作区域，与子线圈没有耦合或耦合很小，此时有M0≥M0min，且M单max和M双max均小于M单min和M双min，或等于0（即子线圈和接收线圈C无法耦合进行无线充电工作）。当无线充电工作时，使主控制开关S0接通，控制开关S1~S8均处于断开状态（也就是没有工作子线圈进去无线充电过程）。
如图2B所示，筛选了一个工作子线圈。接收线圈C部分偏离主发射线圈L0的所在区域，与第五子线圈L5处于耦合的状态，与第六子线圈L6也有部分耦合，但耦合区域很小，此时有M0≥M0min，且M单max≥M单min（因为此时第五子线圈L5与接收线圈C之间的耦合，他们的互感系数相比其它更大，此时M5即为M单max），M双max＜M双min。当无线充电工作时，使主控制开关S0和第五控制开关S5接通，其它开关均处于断开状态。
如图2C所示，筛选了两个工作子线圈。接收线圈C偏离主发射线圈L0所在的区域，与子线圈L1和L8处于部分耦合的状态，此时有M0≥M0min，且M1max≥M1min，M8max≥M8min，当无线充电工作时，使主控制开关S0、第一控制开关S1和第八控制开关S8接通，其它控制开关均处于断开状态。
因为本申请中有子线圈的辅助，主发射线圈L0与接收线圈C之间的互感值M0，相较于传统的对齐方式，可以有更大的接受范围，也就是对准互感最小值M0min可以比传统中的数据更小，从而，即使在主发射线圈L0对齐精度不够高时，同样能够在子线圈的辅助下实现无线充电，和现有技术相比，对齐的精度要求降低了。
对于互感值M的测量，以下是一个实施例，以无线充电的发射装置和接收装置双侧匹配电路（包括主匹配电路12和辅匹配电路22）均采用LCC补偿网络为例，如图3所示，匹配电路由一个补偿电感和二个补偿电容组成。图3中的发射装置，是主工作系统1或辅工作系统2的结构图，因为具有相似的原理和结构，因此统一以图3的方式示出。本发明的无线充电发射装置，即为发射侧，而接收装置则为接收侧。
其中Lm是发射装置匹配电路的补偿电感（主匹配电路12和辅匹配电路22均包括该补偿电感）；C1m是发射装置匹配电路的补偿电容（主匹配电路12和辅匹配电路22均包括该补偿电容）；C2m是发射装置匹配电路的另一个补偿电容（主匹配电路12和辅匹配电路22均包括该补偿电容），上述元件下标m可取0、1、2，m为0对应主匹配电路12的参数，m为1对应第一辅助工作系统2A的辅匹配电路22，m为2对应第二辅助工作系统2B的辅匹配电路22。Sn表示主控制开关和控制开关接通的一个开关，即为上述的S0-S8，Ln代表接入的一个子线圈或主线圈，即上述的L0-L8。
控制器3中包括匹配识别电路，该电路至少包括电流传感器。在进行测量互感值M时，匹配识别电路可以将图3中的a、b两点连接，并测量发射装置中匹配电路的输入电流Im（I0即为主匹配电路12的输入电流，也是主发射线圈L0的输入电流、I1为第一辅助工作系统2A的辅匹配电路22的输入电流，I2为第一辅助工作系统2B的辅匹配电路22的输入电流）和接收装置匹配电路31的输出电流IR，此时对于发射线圈Ln和接收线圈C的电感LR之间的互感值Mn的计算公式如下：
Figure 943687DEST_PATH_IMAGE002
上述计算式中m=0~2，n=0~8，m为0时，n为0；也就是计算主发射线圈L0与接收线圈C之间的互感值M0；m为1时，n为1/3/5/7中的一个；m为2时，n为2/4/6/8中的一个。即让对应的子线圈和对应的匹配电路对应。
j表示计算项为虚部；Lf是接收装置匹配电路31的补偿电感的电感值；CR是接收装 置匹配电路31的补偿电容的电容值；Cf是接收装置匹配电路31的另一个补偿电容的电容 值；LR是接收装置的接收线圈C的电感值。ω是无线充电系统谐振频率，其值是由谐振网络 的接收线圈C的电感值LR和电容值CR确定的，即有
Figure 723424DEST_PATH_IMAGE003
，上述参数对于一个已经确 定的接收装置来说，是已知的固定值，根据上述计算公式和电流测量值Im、IR可以获得互感 测量值Mn。
当开始无线充电时，根据需要工作的发射线圈（主发射线圈L0以及部分子线圈，或者只有主发射线圈L0），对应的逆变电路将输入的直流电转换为高频的交流电，加载在需要工作的发射线圈上，使所述线圈上产生交变的电磁场，接收线圈C耦合电磁场后在接收装置上产生交流电，经过接收端整流电路32和接收端滤波电路后传输给如电池等负载使用。当发射装置仅主发射线圈L0与主匹配电路12连通工作时，其无线充电的控制过程可以是现有无线充电技术中所使用的控制方式。当发射装置除主发射线圈L0工作外，BL1和/或BL2组有子线圈处于工作状态，此时在接收装置侧相当于主发射线圈L0和子线圈所发射的电磁场的叠加，在接收装置的输出侧受到多个参数的影响。
为了更好的实现控制，对主工作系统1和辅工作系统2进行对应控制，这就需要使用控制器3来实现。
控制器3包括驱动电路，其发出的PWM驱动信号分别加载在三个逆变电路上，控制器3通过调节PWM驱动信号的占空比和移相角以控制逆变电路的各个功率开关管的导通时序，使三个逆变电路的输出电压之间存在着相位差Φ，这也就使主发射线圈L0输出的电压与工作子线圈的输出电压之间存在相位差。即如逆变电路的直流输入电压均为Us，则三组逆变电路的输出电压分别为：U0=Uscos(ωt),U1=Uscos(ωt+Φ), U2=Uscos(ωt+2Φ)。
U0为主逆变电路11输出的电压，U1为第一辅助工作系统2A的辅逆变电路21输出的电压，U2为第二辅助工作系统2B的辅逆变电路21输出的电压。
将接收端的电池等负载等效为一个负载电阻RL，而因为发射线圈之间（主发射线圈L0和子线圈）的互感很小，忽略发射线圈之间的互感，并假设输入电压Us不变，根据基尔霍夫（KVL）电压定律，在负载上的输出电压UL可以获得表示为以下形式的函数：
Figure 578289DEST_PATH_IMAGE004
上述函数式中k0、k1和k2分别为主发射线圈L0和BL1、BL2组中的子线圈与接收线圈C之间的耦合系数，此时我们认为第一辅线圈组BL1中的四个子线圈是相同的，它们和接收线圈C之间的耦合系数统一用k1表示。同理k2统一表示接收线圈C与BL2中的子线圈之间的耦合系数。
并有
Figure 392662DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 215124DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 482157DEST_PATH_IMAGE007
，其中n1=1、3、5、7，n2=2、4、6、8。
一旦发射线圈组与接收线圈C之间相对位置确定，那么两者之间的互感值也就确定了，相对的k0、k1和k2也是确定值。因此，在输入电压Us不变的情况下，输出电压UL只与相位差Φ和负载电阻RL存在明确对应的关系，即：
Figure 618741DEST_PATH_IMAGE008
由此可以得知，在引入了逆变器输出电压相位差Φ之后，当无线电能传输系统的负载变化而导致UL变化时，或系统对输出电压UL的需求发生改变时，系统通过控制器对相位差Φ进行调节，从而可以控制输出电压UL，使得输出电压UL满足需求值。
无线充电发射装置的三个直流输入的输入电流设置为可以独立调节，其中主发射线圈L0作为无线充电主要的能量的发射，在无线充电时主发射线圈L0的输入电流I0具有最大值（该最大值是指和其他子发射线圈的电流比），该输入电流I0也是主发射线圈L0的工作电流，提供无线充电所需的主要电磁能量来源，剩余子线圈的输入电流小于I0，提供无线充电所需电磁能量的补充。即所述主发射线圈L0的工作电流大于工作子线圈的工作电流。
而主发射线圈L0和子线圈通入电流后，发射线圈产生的电磁场相互叠加，由于主发射线圈L0是主要的电磁能量来源，电磁场强度最大值出现主发射线圈L0中部位置，并向外部呈现逐步减小的趋势，形成了一个凸形（锥形）磁场。另一方面，主发射线圈L0和子线圈所发射的电磁场存在着相位差，其最大磁场强度并不在同一时刻出现，并不会出现两个或三个最大磁场强度叠加的情况。子线圈设置在主发射线圈L0的边缘，此处由主发射线圈L0产生的磁场强度也较中心区域低，与子线圈产生的磁场叠加后扩展了主发射线圈L0的传输区域，但边缘处的磁场强度也仍会在较低水平下平稳波动。在对于电动汽车无线充电等应用，磁场强度集中在位于汽车底部的中间区域，可以减少对外部的电磁能量的泄漏，从而可以提高无线充电系统的充电安全。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种无线充电设备的工作方法，其特征在于，
步骤1：发射装置控制主发射线圈（L0）与接收线圈（C）匹配，并测量主发射线圈（L0）与接收线圈（C）之间的互感值M0，并比较互感值M0与第一对准互感最小值M0min，当M0≥M0min时进入步骤2；当M0＜M0min时，移动接收装置，重新定位；
步骤2：发射装置控制多个子线圈依次与接收线圈（C）匹配，并测量每个子线圈与接收线圈（C）之间的互感值Mn，并将每个互感值Mn与第二对准互感最小值Mnmin比较，当Mn≥Mnmin时，对应的子线圈为工作子线圈；
步骤3：开始无线充电，控制主发射线圈（L0）和工作子线圈同时与接收线圈（C）工作；且主发射线圈（L0）的工作电流大于工作子线圈的工作电流；
其中，所述子线圈围绕在所述主发射线圈（L0）四周。
2.根据权利要求1所述的无线充电设备的工作方法，其特征在于，
在步骤2中，选取互感值Mn中的最大值Mnmax，比较最大值Mnmax与第二对准互感最小值Mnmin，当Mnmax≥Mnmin时，对应的子线圈为工作子线圈。
3.根据权利要求1所述的无线充电设备的工作方法，其特征在于，
为全部所述子线圈依次编号，其中单数号的子线圈组成第一辅线圈组（BL1）；双数号的子线圈组成第二辅线圈组（BL2）；
在步骤2中，在第一辅线圈组（BL1）中，选取互感值Mn中的最大值M单max，在第二辅线圈组（BL2）中，选取互感值Mn中的最大值M双max；
比较M单max与第三对准互感最小值M单min，当M单max≥M单min时，对应的子线圈为工作子线圈；
比较M双max与第四对准互感最小值M双min，当M双max≥M双min时，对应的子线圈为工作子线圈。
4.根据权利要求1所述的无线充电设备的工作方法，其特征在于，
在无线充电时，所述主发射线圈（L0）的输出电压与工作子线圈的输出电压之间，存在相位差。
5.根据权利要求4所述的无线充电设备的工作方法，其特征在于，
当负载变化导致输出电压（UL）变化时，或系统对输出电压（UL）的需求发生改变时，控制器对相位差Φ进行调节。
6.根据权利要求4所述的无线充电设备的工作方法，其特征在于，
所述主发射线圈（L0）的输出电压为Uscos(ωt)，其中Us为设备的直流输入电压；
当有一个工作子线圈工作时，该工作子线圈的输出电压为Uscos(ωt+Φ)；
当有两个工作子线圈工作时，这两个工作子线圈的输出电压分别为Uscos(ωt+Φ)和Uscos(ωt+2Φ)。
7.根据权利要求1所述的无线充电设备的工作方法，其特征在于，
主发射线圈（L0）与接收线圈（C）之间的互感值M0的计算方法为：
Figure 743954DEST_PATH_IMAGE001
j表示计算项为虚部；Lf是接收装置匹配电路（31）的补偿电感的电感值；CR是接收装置匹配电路（31）的补偿电容的电容值；Cf是接收装置匹配电路（31）的另一个补偿电容的电容值；LR是接收装置的接收线圈（C）的电感值；ω是无线充电系统谐振频率；I0是主发射线圈（L0）的输入电流；IR是接收装置匹配电路（31）的输出电流。
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