CN114389382A - 一种无线充电系统的拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线充电技术领域，提供了一种无线充电系统的拓扑结构，包括：原边模组，所述原边模组中设置有逆变器；副边模组；磁耦合线圈，其包括与所述逆变器输出端连接的发射端线圈，以及与副边模组输入端连接的接收线圈；发射端线圈设置有两个串联连接的线圈，所述接收端线圈为一个线圈；与所述逆变器电连接的控制器通过识别接收端线圈与两个发射端线圈的距离，控制逆变器的通断使得与接收端线圈距离最小的发射端线圈进行电能传输。本发明的优点在于通过控制器识别接收端线圈位置而形成多种不同的工作模式，使得电子产品端的线圈与充电座端的线圈位置偏移放大，方便用户进行有效的充电。

Description

一种无线充电系统的拓扑结构
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种无线充电系统的拓扑结构。
背景技术
无线电能传输又称为无线电力传输、非接触电能传输，是指通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量(如电磁场能、激光、微波及机械波等)，隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能，实现无线电能传输的传输方式。
近年来,一些便携式电器如笔记本电脑、手机、音乐播放器等移动设备都需要电池和充电。电源电线频繁地拔插，既不安全，也不美观可靠，且容易磨损。一些充电器、电线、插座标准也并不完全统一,这样既造成了浪费,也形成了对环境的污染，因此产生了无线充电的电子产品。
但是，在实际充电过程中，电子产品端的线圈与充电座端的线圈位置准确才能够进行有效的充电，这会使得用户的电子产品放置的位置过于局限而影响用户的充电体验。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线充电系统的拓扑结构，用以解决电子产品端的线圈与充电座端的线圈位置偏移过小的问题；
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种无线充电系统的拓扑结构，包括：
原边模组，所述原边模组中设置有逆变器；
副边模组；
磁耦合线圈，其包括与所述逆变器输出端连接的发射端线圈，以及与副边模组输入端连接的接收线圈；
所述发射端线圈设置有两个串联连接的线圈，所述接收端线圈为一个线圈；与所述逆变器电连接的控制器通过识别接收端线圈与两个发射端线圈的距离，控制逆变器的通断使得与接收端线圈距离最小的发射端线圈进行电能传输。
进一步的，所述逆变器包括三个桥臂，每个桥臂均设置有两个开关管；第一发射线圈的一端经第一补偿电容后与第二桥臂的两个开关管之间的节点连接，第二发射线圈的一端经第二补偿电容后与第一桥臂的两个开关管之间的节点连接，第一发射线圈与第二发射线圈的连接点和第三桥臂的两个开关管之间的节点连接。
进一步的，当控制器识别到接收端线圈距离第一发射线圈最近时，控制器开通第二桥臂和第三桥臂的开关管，关断第一桥臂的开关管，通过第一发射线圈和接收端线圈耦合进行电能传输；
当控制器识别到接收端线圈距离第二发射线圈最近时，控制器开通第一桥臂和第三桥臂的开关管，关断第二桥臂的开关管，通过第二发射线圈和接收端线圈耦合进行电能传输；
当控制器识别到接收端线圈与两个发射线圈的距离差值在预设数值内时，打开三个桥臂的开关管，第一发射线圈与第二发射线圈串联后与接收端线圈耦合进行电能传输。
进一步的，开关管的开关频率均相同，第一发射线圈与第一补偿电容在满足
Figure BDA0003398443090000021
时发生谐振，其中L1为第一发射线圈的自感，C1为第一补偿电容的电容值，f为开关管的开关频率；
第二发射线圈与第二补偿电容在满足
Figure BDA0003398443090000031
时发生谐振，其中L2为第二发射线圈的自感，C2为第二补偿电容的电容值，f为开关管的开关频率；
第一发射线圈与第二发射线圈串联后与第一补偿电容、第二补偿电容在满足
Figure BDA0003398443090000032
发生谐振，其中M为两发射线圈的互感。
进一步的，开关管的开关频率可通过所述控制器进行实时调节，使无线充电系统的输入阻抗角始终为零。
进一步的，第一发射线圈与第二发射线圈的连接点和第三桥臂的两个开关管之间的节点之间设置有共同补偿元件。
进一步的，开关管的开关频率均相同；
第一发射线圈、第一补偿电容和共同补偿元件在满足
Figure BDA0003398443090000033
时发生谐振，其中L1为第一发射线圈的自感，C1为第一补偿电容的电容值，X12为共同补偿元件的电抗，f为开关管的开关频率；
第二发射线圈、第二补偿电容和共同补偿元件在满足
Figure BDA0003398443090000034
时发生谐振，其中L2为第一发射线圈的自感，C2为第一补偿电容的电容值，X12为共同补偿元件的电抗，f为开关管的开关频率。
进一步的，所述逆变器包括两个桥臂，每个桥臂均设置有两个开关管；所述逆变器中还设置有一个与所述两个桥臂并联的电容桥臂，所述电容桥臂中包括两个通过串联连接的电容；
第一发射线圈的一端经第一补偿电容后与第二桥臂的两个开关管之间的节点连接，第二发射线圈的一端经第二补偿电容后与第一桥臂的两个开关管之间的节点连接，第一发射线圈与第二发射线圈的连接点和电容桥臂的两个电容之间的节点连接。
进一步的，逆变器中三桥臂的结构可用于无线充电系统的副边逆变器或者原副双边的逆变器。
本发明与现有技术相比，至少包含以下有益效果：
(1)通过控制器识别接收端线圈位置而形成多种不同的工作模式，使得电子产品端的线圈与充电座端的线圈位置偏移放大，方便用户进行有效的充电；
(2)通过桥臂与桥臂之间的移相、同一桥臂中开关管与开关管交替开通的占空比，调节发射端线圈两端的电压值，控制第一发射线圈或第二发射线圈或两个发射线圈串联进行电能的传输；
(3)在第一发射线圈与第二发射线圈的连接点和第三桥臂的两个开关管之间的节点之间设置的共同补偿元件，通过共同补偿元件构成自谐振环路，调节发射端线圈的传输效能；
(4)将第三桥臂替换为一个电容桥臂，可针对小功率电器设备进行无线电能的传输；
(5)三桥臂或者两桥臂加电容桥臂的这两种拓扑结构不仅能够用在原边逆变器中，也能够将其用在无线充电系统的副边逆变器中，还可以再原边和副边中都采用该拓扑结构。
附图说明
图1是本发明实施例一中无线充电系统的拓扑结构示意图；
图2是本发明实施例一中发射端线圈与接收端线圈的结构示意图；
图3是本发明实施例一中三桥臂移相和开关管占空比控制的时序图；
图4是本发明实施例二中无线充电系统的拓扑结构示意图；
图5是本发明实施例三中无线充电系统的拓扑结构示意图；
具体实施方式
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
如图1所示，本发明一种无线充电系统的拓扑结构，包括原边模组、副边模组和磁耦合线圈。
在原边模组中设置有逆变器，逆变器输入端连接输入直流电源，其输出端与磁耦合线圈中的发射端线圈连接。副边模组包括副边补偿电路和副边变换器，副边补偿电路的输入端连接磁耦合线圈中的接收端线圈，其输出端通过副边变换器输出直流电压。发射端线圈设置有两个串联连接的线圈，接收端线圈为一个线圈。
逆变器包括三个桥臂，每个桥臂均设置有两个开关管。第一发射线圈的一端经第一补偿电容后与第二桥臂的两个开关管之间的节点连接，第二发射线圈的一端经第二补偿电容后与第一桥臂的两个开关管之间的节点连接，第一发射线圈与第二发射线圈的连接点和第三桥臂的两个开关管之间的节点连接。
与逆变器电连接的控制器(图中未示出)通过识别接收端线圈与两个发射端线圈的距离，控制逆变器的通断使得与接收端线圈距离最小的发射端线圈进行电能传输。控制器对于线圈之间的距离识别可通过两线圈之间的互感数值大小确定。
具体的，如图2所示，W1和W2为发射端线圈，W3为接收端线圈。当控制器识别到接收端线圈距离第一发射线圈最近时，控制器开通第二桥臂和第三桥臂的开关管，关断第一桥臂的开关管，通过第一发射线圈和接收端线圈耦合进行电能传输。
当控制器识别到接收端线圈距离第二发射线圈最近时，控制器开通第一桥臂和第三桥臂的开关管，关断第二桥臂的开关管，通过第二发射线圈和接收端线圈耦合进行电能传输。
当控制器识别到接收端线圈与两个发射线圈的距离差值在预设数值内时，打开三个桥臂的开关管，第一发射线圈与第二发射线圈串联后与接收端线圈耦合进行电能传输。
通过控制器识别接收端线圈位置而形成多种不同的工作模式，使得电子产品端的线圈与充电座端的线圈位置偏移放大，方便用户进行有效的充电。
三个桥臂上开关管的开关频率均相同，第一发射线圈与第一补偿电容在满足
Figure BDA0003398443090000071
时发生谐振，其中L1为第一发射线圈的自感，C1为第一补偿电容的电容值，f为开关管的开关频率。
第二发射线圈与第二补偿电容在满足
Figure BDA0003398443090000072
时发生谐振，其中L2为第二发射线圈的自感，C2为第二补偿电容的电容值，f为开关管的开关频率。
第一发射线圈与第二发射线圈串联后与第一补偿电容、第二补偿电容在满足
Figure BDA0003398443090000073
发生谐振，其中M为两发射线圈的互感。
开关管的开关频率可通过所述控制器进行实时调节，使无线充电系统的输入阻抗角始终为零。
在发生谐振后，电能就能从发射端线圈传输至接收端线圈，即将电子产品端和充电座端连接，随后还需要对电能的传输功率和效率进行调节。
具体的，如图1和图3所示，由S1和S2开关管组成的桥臂相对由S5和S6开关管组成的桥臂进行移相，就控制两桥臂中点a和c的电压。由S3和S4开关管组成的桥臂相对由S5和S6开关管组成的桥臂进行移相，控制两桥臂中点b和c的电压，通过调节线圈两端的电压值，增强或者减弱电能的传输功率。
在通过桥臂移相调节的同时还能够对桥臂上开关管的开通占空比调节线圈两端的电压值，具体的，首先，开关管S5和S6交替开通，开通占空比皆为50％；开关管S1和S2交替开通，并通过控制其开通占空比，控制两桥臂中点a和c的电压，即第二发射线圈两端的电压；开关管S3和S4交替开通，并通过控制其开通占空比，控制两桥臂中点b和c的电压，即第一发射线圈两端的电压。
在发射端两线圈串联一同工作时，为达到更高的功率传输效率，可通过桥臂移相控制，使
Figure BDA0003398443090000081
其中vbc和vac分别是图3中vbc和vac的基波有效值；M13为第一发射线圈与接收端线圈之间的互感，M23皆为第二发射线圈与接收端线圈之间的互感，且两者均为正值。
本发明通过桥臂与桥臂之间的移相、同一桥臂中开关管与开关管交替开通的占空比，调节发射端线圈两端的电压值，控制第一发射线圈或第二发射线圈或两个发射线圈串联进行电能的高效率传输。
该拓扑结构不仅能够用在原边逆变器中，也能够将其用在无线充电系统的副边逆变器中，还可以再原边和副边中都采用上述拓扑结构。
实施例二
如图4所示，本发明一种无线充电系统的拓扑结构，包括原边模组、副边模组和磁耦合线圈。其中，本实施例与实施例一相比，还在第一发射线圈与第二发射线圈的连接点和第三桥臂的两个开关管之间的节点之间设置有共同补偿元件，通过共同补偿元件构成自谐振环路，增强发射端线圈的传输效能。该共同补偿元件可以是电容或者电感。
在增加共同补偿元件后，第一发射线圈、第一补偿电容和共同补偿元件在满足
Figure BDA0003398443090000091
时发生谐振，其中L1为第一发射线圈的自感，C1为第一补偿电容的电容值，X12为共同补偿元件的电抗，f为开关管的开关频率。
第二发射线圈、第二补偿电容和共同补偿元件在满足
Figure BDA0003398443090000092
时发生谐振，其中L2为第一发射线圈的自感，C2为第一补偿电容的电容值，X12为共同补偿元件的电抗，f为开关管的开关频率。
在第一发射线圈单独工作时，开关管S3、S4、S5、S6构成全桥逆变；S1开关信号与S5开关信号保持一致且占空比50％，S2开关信号与S6开关信号保持一致且占空比50％，第一发射线圈连接到输入电源，第二发射线圈、第二补偿电容与共同补偿元件构成自谐振环路，使得第一发射线圈的传输效能增强。
同理，在第二发射线圈单独工作时，开关管S1、S2、S5、S6构成全桥逆变，S3开关信号与S5开关信号保持一致且占空比50％，S4开关信号与S6开关信号保持一致且占空比50％，第二发射线圈连接到输入电源，第一发射线圈、第一补偿电容和共同补偿元件构成自谐振环路，增强第二发射线圈的传输效能。
实施例三
如图5所示，本发明一种无线充电系统的拓扑结构，包括原边模组、副边模组和磁耦合线圈。其中，本实施例与实施例一相比，原边模组中的逆变器包括两个桥臂，每个桥臂均设置有两个开关管，逆变器中还设置有一个与两个桥臂并联的电容桥臂，电容桥臂中包括两个通过串联连接的电容Cdc1和Cdc2。
第一发射线圈的一端经第一补偿电容后与第二桥臂的两个开关管之间的节点连接，第二发射线圈的一端经第二补偿电容后与第一桥臂的两个开关管之间的节点连接，第一发射线圈与第二发射线圈的连接点和电容桥臂的两个电容之间的节点连接。
在电能传输时，开关管S1和S2交替开通，并通过控制S1和S2的占空比调节桥臂中点a和c的电压，S3和S4交替开通，并通过控制S3和S4的占空比调节桥臂中点b和c的电压，通过调节线圈两端的电压值，增强或者减弱电能的传输功率。
在小功率的电子产品中，可通过一个电容桥臂替换原有的桥臂，降低电能的传输功率，以适应小功率电子产品的需要，也同时降低了无线充电系统所需要的成本。
该拓扑结构不仅能够用在原边逆变器中，也能够将其用在无线充电系统的副边逆变器中，还可以再原边和副边中都采用上述拓扑结构。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种无线充电系统的拓扑结构，其特征在于，包括：
原边模组，所述原边模组中设置有逆变器；
副边模组；
磁耦合线圈，其包括与所述逆变器输出端连接的发射端线圈，以及与副边模组输入端连接的接收线圈；
所述发射端线圈设置有两个串联连接的线圈，所述接收端线圈为一个线圈；与所述逆变器电连接的控制器通过识别接收端线圈与两个发射端线圈的距离，控制逆变器的通断使得与接收端线圈距离最小的发射端线圈进行电能传输。
2.根据权利要求1所述的无线充电系统的拓扑结构，其特征在于，所述逆变器包括三个桥臂，每个桥臂均设置有两个开关管；第一发射线圈的一端经第一补偿电容后与第二桥臂的两个开关管之间的节点连接，第二发射线圈的一端经第二补偿电容后与第一桥臂的两个开关管之间的节点连接，第一发射线圈与第二发射线圈的连接点和第三桥臂的两个开关管之间的节点连接。
3.根据权利要求2所述的无线充电系统的拓扑结构，其特征在于，当控制器识别到接收端线圈距离第一发射线圈最近时，控制器开通第二桥臂和第三桥臂的开关管，关断第一桥臂的开关管，通过第一发射线圈和接收端线圈耦合进行电能传输；
当控制器识别到接收端线圈距离第二发射线圈最近时，控制器开通第一桥臂和第三桥臂的开关管，关断第二桥臂的开关管，通过第二发射线圈和接收端线圈耦合进行电能传输；
当控制器识别到接收端线圈与两个发射线圈的距离差值在预设数值内时，打开三个桥臂的开关管，第一发射线圈与第二发射线圈串联后与接收端线圈耦合进行电能传输。
4.根据权利要求3所述的无线充电系统的拓扑结构，其特征在于，开关管的开关频率均相同，第一发射线圈与第一补偿电容在满足
Figure FDA0003398443080000021
时发生谐振，其中L1为第一发射线圈的自感，C1为第一补偿电容的电容值，f为开关管的开关频率；
第二发射线圈与第二补偿电容在满足
Figure FDA0003398443080000022
时发生谐振，其中L2为第二发射线圈的自感，C2为第二补偿电容的电容值，f为开关管的开关频率；
第一发射线圈与第二发射线圈串联后一同工作时与第一补偿电容、第二补偿电容在满足
Figure FDA0003398443080000023
发生谐振，其中M为两发射线圈的互感。
5.根据权利要求4所述的无线充电系统的拓扑结构，其特征在于，所述开关管的开关频率可通过所述控制器进行实时调节，使无线充电系统的输入阻抗角始终为零。
6.根据权利要求3所述的无线充电系统的拓扑结构，其特征在于，第一发射线圈与第二发射线圈的连接点和第三桥臂的两个开关管之间的节点之间设置有共同补偿元件。
7.根据权利要求6所述的无线充电系统的拓扑结构，其特征在于，开关管的开关频率均相同；
第一发射线圈、第一补偿电容和共同补偿元件在满足
Figure FDA0003398443080000031
时发生谐振，其中L1为第一发射线圈的自感，C1为第一补偿电容的电容值，X12为共同补偿元件的电抗，f为开关管的开关频率；
第二发射线圈、第二补偿电容和共同补偿元件在满足
Figure FDA0003398443080000032
时发生谐振，其中L2为第一发射线圈的自感，C2为第一补偿电容的电容值，X12为共同补偿元件的电抗，f为开关管的开关频率。
8.根据权利要求1所述的无线充电系统的拓扑结构，其特征在于，所述逆变器包括两个桥臂，每个桥臂均设置有两个开关管；所述逆变器中还设置有一个与所述两个桥臂并联的电容桥臂，所述电容桥臂中包括两个通过串联连接的电容；
第一发射线圈的一端经第一补偿电容后与第二桥臂的两个开关管之间的节点连接，第二发射线圈的一端经第二补偿电容后与第一桥臂的两个开关管之间的节点连接，第一发射线圈与第二发射线圈的连接点和电容桥臂的两个电容之间的节点连接。
9.根据权利要求2或8所述的无线充电系统的拓扑结构，其特征在于，所述逆变器中三桥臂的结构可用于无线充电系统的副边逆变器或者原副双边的逆变器。
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