CN114243943B - 一种抑制功率波动的分段式双通道动态无线充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线充电技术领域，具体公开了一种抑制功率波动的分段式双通道动态无线充电系统，包括分段式发射导轨和接收机构，分段式发射导轨包括多个分段式排布的发射机构，发射机构包括串联连接的第一发射线圈Lp1与第二发射线圈Lp2，接收机构包括第一接收线圈Ls1与第二接收线圈Ls2；当前发射机构的第二发射线圈Lp2跨设在当前发射机构的第一发射线圈Lp1与下一发射机构的第一发射线圈Lp1之间；第一发射线圈Lp1与第一接收线圈Ls1之间构成第一传输通道，第二发射线圈Lp2与第二接收线圈Ls2之间构成第二传输通道。本发明设置的第一和第二传输通道，交叉耦合系数较小，不占用多余空间，可提升耦合机构在切换域的拾取功率，同时增强拾取机构偏移时的功率拾取能力。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种抑制功率波动的分段式双通道动态无线充电系统。
背景技术
对于单通道动态无线电能传输(Dynamic Wireless Power Transfer,DWPT)系统来说，如果系统不加控制电路，当拾取端位于分段式导轨切换域的时候，由于互感的跌落，耦合机构拾取功率会大幅下降，而加控制电路会增加系统的复杂度，同时，大功率系统控制电路更加复杂，很容易受到干扰，导致系统工作不稳定；同时拾取机构偏移会造成系统拾取功率大幅下降，而采用增大发射线圈来增强耦合机构抗偏移性会增大系统损耗，增大耦合机构的占地面积。
发明内容
本发明提供一种抑制功率波动的分段式双通道动态无线充电系统，解决的技术问题在于：如何在不增加控制电路及不增大发射线圈的前提下，使在耦合机构的切换域及拾取端水平偏移时，系统的输出功率保持稳定。
为解决以上技术问题，本发明提供一种抑制功率波动的分段式双通道动态无线充电系统，包括分段式发射导轨和接收机构，所述分段式发射导轨包括多个分段式排布的发射机构，所述发射机构包括串联连接的第一发射线圈(Lp1)与第二发射线圈(Lp2)，所述接收机构包括上下叠置的第一接收线圈(Ls1)与第二接收线圈(Ls2)；相邻两个发射机构的第一发射线圈(Lp1)之间分段式排布，相邻两个发射机构的第二发射线圈(Lp2)之间分段式排布，当前发射机构的第二发射线圈(Lp2)跨设在当前发射机构的第一发射线圈(Lp1)与下一发射机构的第一发射线圈(Lp1)之间；系统工作时，相对的所述第一发射线圈(Lp1)与所述第一接收线圈(Ls1)之间构成第一传输通道，相对的所述第二发射线圈(Lp2)与所述第二接收线圈(Ls2)之间构成第二传输通道。
优选的，所述第二发射线圈(Lp2)等长度跨设在相邻两个第一发射线圈(Lp1)上。
优选的，所述第一发射线圈(Lp1)采用第一DD型线圈，以轨道方向为横向，所述第一DD型线圈包括两个纵向排布且串联连接的第一矩形线圈；所述第二发射线圈(Lp2)采用第二矩形线圈。
优选的，所述第一接收线圈(Ls1)采用第二DD型线圈，以轨道方向为横向，所述第二DD型线圈包括两个纵向排布且串联连接的第三矩形线圈；所述第二接收线圈(Ls2)采用第四矩形线圈。
优选的，一种抑制功率波动的分段式双通道动态无线充电系统还包括与多个所述发射机构一一对应连接的多个原边LCC补偿电路，以及连接所述第一接收线圈(Ls1)的第一副边LCC补偿电路和连接所述第二接收线圈(Ls2)的第二副边LCC补偿电路。
优选的，所述发射端LCC补偿电路包括顺序串联在逆变电源两端之间的原边补偿电感(Lf1)和第一原边补偿电容(Cp1)，还包括第二原边补偿电容(Cp2)；所述第二原边补偿电容(Cp2)与所述发射机构串联在所述第一原边补偿电容(Cp1)的两端。
优选的，所述第一副边LCC补偿电路包括串联在所述第一接收线圈(Ls1)两端的第一副边补偿电容(Cs1)和第二副边补偿电容(Cs2)，还包括第一副边补偿电感(Lf2)；所述第一副边补偿电感(Lf2)与第一等效负载(Req1)串联在所述第二副边补偿电容(Cs2)的两端；所述第二副边LCC补偿电路与所述第一副边LCC补偿电路具有相同的电路结构。
优选的，当所述第一传输通道和所述第二传输通道共同工作时，系统的输出功率表示为：
其中，Uin表示所述逆变电源的输出电压，M1表示所述第一发射线圈(Lp1)与第一接收线圈(Ls1)之间的互感，M2表示所述第二发射线圈(Lp2)与所述第二接收线圈(Ls2)之间的互感，Lf1、Lf2分别表示所述原边补偿电感(Lf1)、所述第一副边补偿电感(Lf2)的电感值，Req表示所述第一等效负载(Req)的电阻值，ω表示系统的工作频率。
本发明提供的一种抑制功率波动的分段式双通道动态无线充电系统，通过设置第一发射线圈(Lp1)与第一接收线圈(Ls1)构成第一传输通道，以及设置第二发射线圈(Lp2)与第二接收线圈(Ls2)构成第二传输通道，还特别设计四个线圈的结构、位置和连接方式，两个传输通道的交叉耦合系数较小，不占用多余空间，经验证该系统可提升耦合机构在切换域的拾取功率，同时增强拾取机构偏移时的功率拾取能力。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种抑制功率波动的分段式双通道动态无线充电系统的耦合机构仿真模型图；
图2是本发明实施例提供的一种抑制功率波动的分段式双通道动态无线充电系统的电路拓扑图；
图3是本发明实施例提供的耦合机构互感与偏移变化图；
图4是本发明实施例提供的不同工况下的实验波形截图。
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。
为了在不增加控制电路及不增大发射线圈的前提下，使在耦合机构的切换域及拾取端水平偏移时，系统的输出功率保持稳定，本发明实施例提供一种抑制功率波动的分段式双通道动态无线充电系统，包括分段式发射导轨和接收机构(即拾取端)，分段式发射导轨包括多个分段式排布的发射机构，如图1所示，发射机构包括串联连接的第一发射线圈Lp1与第二发射线圈Lp2，接收机构包括上下叠置的第一接收线圈Ls1与第二接收线圈Ls2；相邻两个发射机构的第一发射线圈Lp1之间分段式排布，相邻两个发射机构的第二发射线圈Lp2之间分段式排布，当前发射机构的第二发射线圈Lp2跨设在当前发射机构的第一发射线圈Lp1与下一发射机构的第一发射线圈Lp1之间；系统工作时，正对的第一发射线圈Lp1与第一接收线圈Ls1之间构成第一传输通道(简称为通道1)，正对的第二发射线圈Lp2与第二接收线圈Ls2之间构成第二传输通道(简称为通道2)。图1中的第二发射线圈Lp2与右侧发射机构的第一发射线圈Lp1串联。在本例中，发射线圈也可称为原边线圈，接收线圈也可称为副边线圈，1个发射机构与接收机构构成一双通道传输能量的耦合机构。
本例设计第二发射线圈Lp2等长度跨设在相邻两个第一发射线圈Lp1的长度上，有利用尽可能减小切换域带来的功率剧烈波动问题。
如图1所示，第一发射线圈Lp1采用第一DD型线圈，第一接收线圈Ls1采用第二DD型线圈，以轨道方向为横向(x轴方向)，第一DD型线圈包括两个纵向排布且串联连接的第一矩形线圈；第二发射线圈Lp2采用第二矩形线圈。第一接收线圈Ls1采用第二DD型线圈，同样以轨道方向为横向，第二DD型线圈包括两个纵向排布且串联连接的第三矩形线圈；第二接收线圈Ls2采用第四矩形线圈。如此设计可使耦合机构的交叉耦合系数较小，有助于增大系统传输效率及拾取功率，提高系统的抗偏移特性。
在更进一步的电路设计上，一种抑制功率波动的分段式双通道动态无线充电系统还包括与多个发射机构一一对应连接的多个原边LCC补偿电路，以及连接第一接收线圈Ls1的第一副边LCC补偿电路和连接第二接收线圈Ls2的第二副边LCC补偿电路。图2为分段式双通道系统动态无线充电系统针对一个发射机构的电路拓扑图，发射端LCC补偿电路包括顺序串联在逆变电源两端之间的原边补偿电感Lf1和第一原边补偿电容Cp1，还包括第二原边补偿电容Cp2；第二原边补偿电容Cp2与发射机构串联在第一原边补偿电容Cp1的两端。第一副边LCC补偿电路包括串联在第一接收线圈Ls1两端的第一副边补偿电容Cs1和第二副边补偿电容Cs2，还包括第一副边补偿电感Lf2；第一副边补偿电感Lf2与第一等效负载Req1串联在第二副边补偿电容Cs2的两端。第二副边LCC补偿电路与第一副边LCC补偿电路具有相同的电路结构，包括第三副边补偿电容Cs3、第四副边补偿电容Cs4和第二副边补偿电感Lf3，第二副边补偿电感Lf3与第二等效负载Req2串联在第四副边补偿电容Cs4的两端。在本例中，各个元器件的标示同时表示该元器件的参数值，其中Req1＝Req2＝Req。Uin表示逆变电源的输出电压。
在图2中，原边线圈Lp1和Lp2的内阻分别标示为Rp1和Rp2，副边线圈Ls1和Ls2的内阻分别标示为Rs1和Rs2，这几个内阻对系统的损耗是最大的。M1表示Lp1与Ls1之间的互感，M2表示Lp2与Ls2之间的互感，电路中各处电流也标示在相应位置。
谐振网络输入电流以及原副边电流分别为：
其中，ω表示系统的工作频率。
则此时系统损耗为：
由于两拾取机构串联谐振电感相同，即Lf3＝Lf2相等，得：
此时得到系统输出功率及系统效率为：
通过COMSOL仿真可得拾取端沿x轴和y轴移动下的互感变化曲线分别如图3(a)和图3(b)所示。图3(a)可以看出，沿x轴移动时，Lp1与Ls2以及Lp2与Ls1不存在交叉耦合。图3(b)可以看出，沿y轴移动时，Lp2与Ls1之间存在交叉耦合，并且呈现出先增大后减小的趋势。
在动态充电过程中，存在通道1(Lp1与Ls1)和通道2(Lp2与Ls2)两个功率传输通道，通道1一直处于工作状态，原边发射端采用分段式导轨，给负载提供功率的原边发射导轨是不断切换的，而在切换过程中，由于第一发射线圈Lp1激发的磁场并不是均匀分布的，使通道1的第一接收线圈Ls1与第一发射线圈Lp1在切换过程中的互感减小，进而降低了副边感应电压，从而输出给负载的电压下降，也就是说通道1输出给负载的电压是变化的。此时需要通道2开始提供功率，以此补偿通道1由互感减小造成的功率跌落，解决通道1由于导轨切换带来的系统输出电压波动问题，保证总的功率叠加处于一定范围内的动态平衡之中，减小切换域带来的功率剧烈波动问题。
两通道共同工作时系统输出功率为两个拾取线圈输出功率之和，当不考虑线圈内阻，由公式(5)可得输出与两通道互感关系表达式如下：
由公式(6)可知，输出功率与两通道互感的平方之和成正比，保证两通道互感的平方之和稳定即能够稳定系统总的输出功率。
基于文中对系统性能与耦合机构的研究，最终搭建了实验平台对系统进行实验验证，实验平台对照图2搭建，相关实验参数如表1所示。
表1耦合机构参数表
| 参数 | 数值 |
| Lp1长度(mm)(x轴方向) | 480 |
| Lp1宽度(mm)(y轴方向) | 320 |
| Lp1匝数 | 6 |
| Lp2长度(mm)(x轴方向) | 250 |
| Lp2宽度(mm)(y轴方向) | 320 |
| Lp2匝数 | 5 |
| Ls2长度(mm)(x轴方向) | 220 |
| Ls2宽度(mm)(y轴方向) | 200 |
| Ls2匝数 | 8 |
| Ls1长度(mm)(x轴方向) | 320 |
| Ls1宽度(mm)(y轴方向) | 320 |
| Ls1匝数 | 6 |
可以看到，实验中，第一发射线圈Lp1、第二发射线圈Lp2、第一接收线圈Ls1具有相同的宽度，第一接收线圈Ls1采用方型线圈，第二接收线圈Ls2的长度和宽度均小于Ls1。
实验中，设置系统输入直流电压为220V，负载为10Ω，分别得到通道1(Lp1与Ls1)正对、通道2(Lp2与Ls2)正对以及拾取端沿y轴偏移下的实验波形图如图4(a)、图4(b)以及图4(c)所示。其中CH1、CH2和CH3分别为逆变器输出电流、逆变器输出电压和系统输出电流。
对比图4(a)、图4(b)以及图4(c)可知，当拾取端位于切换域时拾取功率基本稳定，未出现功率大幅跌落现象。而拾取端沿y轴移动(偏移)时，拾取功率出现了轻微的跌落，此时第一接收线圈Ls1与第二接收线圈Ls2共同为负载供电。
综上，本发明实施例针对动态无线充电系统的偏移以及功率跌落问题，提出了一种抑制功率波动的分段式双通道动态无线充电系统，通过设置第一发射线圈Lp1、第一接收线圈Ls1构成第一传输通道，以及设置第二发射线圈Lp2与第二接收线圈Ls2构成第二传输通道，还特别设计四个线圈的结构、位置和连接方式，两个传输通道的交叉耦合系数较小，不占用多余空间，并推导出系统输出以及系统损耗与耦合参数的关系，实验以及仿真说明本实施例提出的分段式双通道动态无线充电系统可以有效提升系统在切换域的拾取功率，能改善系统的抗偏移特性。
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 (4)
1.一种抑制功率波动的分段式双通道动态无线充电系统，包括分段式发射导轨和接收机构，其特征在于，所述分段式发射导轨包括多个分段式排布的发射机构，所述发射机构包括串联连接的第一发射线圈(Lp1)与第二发射线圈(Lp2)，所述接收机构包括上下叠置的第一接收线圈(Ls1)与第二接收线圈(Ls2)；相邻两个发射机构的第一发射线圈(Lp1)之间分段式排布，相邻两个发射机构的第二发射线圈(Lp2)之间分段式排布，当前发射机构的第二发射线圈(Lp2)跨设在当前发射机构的第一发射线圈(Lp1)与下一发射机构的第一发射线圈(Lp1)之间；系统工作时，相对的所述第一发射线圈(Lp1)与所述第一接收线圈(Ls1)之间构成第一传输通道，相对的所述第二发射线圈(Lp2)与所述第二接收线圈(Ls2)之间构成第二传输通道；
所述第二发射线圈(Lp2)等长度跨设在相邻两个第一发射线圈(Lp1)上；
所述第一发射线圈(Lp1)采用第一DD型线圈，以轨道方向为横向，所述第一DD型线圈包括两个纵向排布且串联连接的第一矩形线圈；所述第二发射线圈(Lp2)采用第二矩形线圈；
所述第一接收线圈(Ls1)采用第二DD型线圈，以轨道方向为横向，所述第二DD型线圈包括两个纵向排布且串联连接的第三矩形线圈；所述第二接收线圈(Ls2)采用第四矩形线圈；
该系统还包括与多个所述发射机构一一对应连接的多个原边LCC补偿电路，以及连接所述第一接收线圈(Ls1)的第一副边LCC补偿电路；所述原边LCC补偿电路包括顺序串联在逆变电源两端之间的原边补偿电感(Lf1)和第一原边补偿电容(Cp1)；所述第一副边LCC补偿电路包括串联在所述第一接收线圈(Ls1)两端的第一副边补偿电容(Cs1)和第二副边补偿电容(Cs2)，还包括第一副边补偿电感(Lf2)；所述第一副边补偿电感(Lf2)与第一等效负载(Req)串联在所述第二副边补偿电容(Cs2)的两端；
当所述第一传输通道和所述第二传输通道共同工作时，系统的输出功率表示为：
其中，Uin表示所述逆变电源的输出电压，M1表示所述第一发射线圈(Lp1)与第一接收线圈(Ls1)之间的互感，M2表示所述第二发射线圈(Lp2)与所述第二接收线圈(Ls2)之间的互感，Lf1、Lf2分别表示所述原边补偿电感(Lf1)、所述第一副边补偿电感(Lf2)的电感值，Req表示所述第一等效负载(Req)的电阻值，ω表示系统的工作频率。
2.根据权利要求1所述的一种抑制功率波动的分段式双通道动态无线充电系统，其特征在于：该系统还包括连接所述第二接收线圈(Ls2)的第二副边LCC补偿电路。
3.根据权利要求2所述的一种抑制功率波动的分段式双通道动态无线充电系统，其特征在于：所述原边LCC补偿电路还包括第二原边补偿电容(Cp2)；所述第二原边补偿电容(Cp2)与所述发射机构串联在所述第一原边补偿电容(Cp1)的两端。
4.根据权利要求3所述的一种抑制功率波动的分段式双通道动态无线充电系统，其特征在于：所述第二副边LCC补偿电路与所述第一副边LCC补偿电路具有相同的电路结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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