CN115065173A - 一种多方向无线电能传输系统 - Google Patents

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金莉
马凯
谭令其
马燕君
李盈
李歆蔚
王晓毛
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Abstract

本发明公开一种多方向无线电能传输系统，其特征在于，包括逆变电路、第一原边谐振电路、第一原边发射线圈、第一副边拾取线圈、第一副边谐振电路、第一整流滤波电路、第二原边谐振电路、第二原边发射线圈、第二副边拾取线圈、第二副边谐振电路和第二整流滤波电路。采用本发明，在不使用其他方法或设备、元件的基础上减少了交叉耦合对系统的影响，降低了系统设计复杂度，有利于工程应用，并且合理地减小了开关器件的电压电流应力，较单发射‑单拾取结构相比，其他条件一定下，满足了空间上多方向负载的无线供电需求。

Description

一种多方向无线电能传输系统
技术领域
本发明涉及无线供电领域，尤其涉及一种多方向无线电能传输系统。
背景技术
无线电能传输技术是一种借助于空间无形软介质(如磁场、电场、激光、微波等)，实现完全电气隔离条件下电能由源设备传递至受电设备的全新电能接入模式。
但是现有的无线电能传输系统的磁耦合机构以单发射-单接收形式居多，但是通常因为该模式下所造成的系统结构只能满足固定位置固定方向的无线电能传输，而且系统不易于进行扩展、原边发射线圈和副边拾取线圈易受到损坏，只适用于单方向上的电能传输应用场景。
发明内容
本发明实施例提供一种多方向无线电能传输系统，实现多方向的多发射多拾无线电能传输，且系统各器件得到充分利用。
为实现上述目的，本申请实施例的第一方面提供了一种多方向无线电能传输系统，包括逆变电路、第一原边谐振电路、第一原边发射线圈、第一副边拾取线圈、第一副边谐振电路、第一整流滤波电路、第二原边谐振电路、第二原边发射线圈、第二副边拾取线圈、第二副边谐振电路和第二整流滤波电路；
所述逆变电路的输入端与外部直流电压源相连，所述逆变电路的第一输出端、第二输出端分别与所述第一原边谐振电路的输入端、所述第二原边谐振电路的输入端相连；所述第一原边谐振电路的输出端与所述第一原边发射线圈相连；所述第一副边拾取线圈与所述第一副边谐振电路的输入端相连；所述第一副边谐振电路的输入端与所述第一整流滤波电路的输入端相连；所述第二原边谐振电路的输出端与所述第二原边发射线圈相连；所述第二副边拾取线圈与所述第二副边谐振电路的输入端相连；所述第二副边谐振电路的输入端与所述第二整流滤波电路的输入端相连；
所述第一原边发射线圈与所述第一副边拾取线圈是相互平行的线圈；所述第二原边发射线圈与所述第二副边拾取线圈是相互平行线圈；所述第一原边发射线圈与所述第二原边发射线圈相互正交；
所述第一原边发射线圈用于利用接收的高频交流电产生第一高频磁场；所述第一副边拾取线圈用于感应所述第一高频磁场后产生负载用电能；所述第二原边发射线圈用于利用接收的高频交流电产生第一高频磁场；所述第二副边拾取线圈用于感应所述第一高频磁场后产生负载用电能。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述逆变电路包括四个全控型开关单元；每个全控型开关单元包括一个全控型开关和一个反关联二极管。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一副边拾取线圈和所述第二副边拾取线圈的结构参数由多方向无线电能传输系统的功率要求、所述第一原边发射线圈与所述第一副边拾取线圈之间的互感系数、所述第二原边发射线圈与所述第二副边拾取线圈之间的互感系数共同决定。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一原边发射线圈、所述第一副边拾取线圈、所述第二原边发射线圈和所述第二副边拾取线圈均包括两个结构相同方型DD线圈；在所述第一原边发射线圈中，或第一副边拾取线圈中，或第二原边发射线圈中，或第二副边拾取线圈中，两个方型DD线圈无缝地叠放于平板式磁芯层。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一原边发射线圈、所述第一副边拾取线圈、所述第二原边发射线圈和所述第二副边拾取线圈均通过利兹线绕制而成。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一原边谐振电路用于将高频交流电加载到所述第一原边发射线圈。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一整流滤波电路用于将负载用电能输出至串接的负载。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第二原边谐振电路用于将高频交流电加载到所述第二原边发射线圈。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第二整流滤波电路用于将负载用电能输出至串接的负载。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述逆变电路的第一输出端、第二输出端分别通过第一开关、第二开关与所述第一原边谐振电路的输入端、所述第二原边谐振电路的输入端相连；所述第一开关、第二开关与控制器相连；所述控制器实时检测所述第一整流滤波电路输出端、所述第二整流滤波电路输出端的供电状况。
相比于现有技术，本发明实施例提供的一种多方向无线电能传输系统，处于不同面的第一原边发射线圈、第二原边发射线圈共用逆变电路中同的逆变器，第一原边发射线圈、第二原边发射线圈是相交的，使得无线电能传输系统最大程度地避免减少了交叉耦合的影响，能稳定地实现多方向的多发射多拾无线电能传输；而且由于第一原边发射线圈、第二原边发射线圈共用逆变电路中同的逆变器，大大提高了逆变器利用率。进一步地，第一原边发射线圈、第二原边发射线圈可设置于正反两面，压缩系统所占空间体积。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的一种多方向无线电能传输系统的结构示意图；
图2是本发明一实施例考虑中含第一原边发射线圈的磁耦合机构结构示意图；
图3是本发明一实施例考虑中含第二原边发射线圈的磁耦合机构结构示意图；
图4是本发明一实施例考虑中一种多方向无线电能传输系统负载端的传输功率曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，本发明一实施例提供一种多方向无线电能传输系统，包括逆变电路、第一原边谐振电路、第一原边发射线圈Q11、第一副边拾取线圈Q12、第一副边谐振电路、第一整流滤波电路、第二原边谐振电路、第二原边发射线圈Q21、第二副边拾取线圈Q22、第二副边谐振电路和第二整流滤波电路。
所述逆变电路的输入端与外部直流电压源相连，所述逆变电路的第一输出端、第二输出端分别与所述第一原边谐振电路的输入端、所述第二原边谐振电路的输入端相连；所述第一原边谐振电路的输出端与所述第一原边发射线圈Q11相连；所述第一副边拾取线圈Q12与所述第一副边谐振电路的输入端相连；所述第一副边谐振电路的输入端与所述第一整流滤波电路的输入端相连；所述第二原边谐振电路的输出端与所述第二原边发射线圈Q21相连；所述第二副边拾取线圈Q22与所述第二副边谐振电路的输入端相连；所述第二副边谐振电路的输入端与所述第二整流滤波电路的输入端相连。
所述第一原边发射线圈Q11与所述第一副边拾取线圈Q12是相互平行的线圈；所述第二原边发射线圈Q21与所述第二副边拾取线圈Q22是相互平行线圈；所述第一原边发射线圈Q11与所述第二原边发射线圈Q21相互正交。
所述第一原边发射线圈Q11用于利用接收的高频交流电产生第一高频磁场；所述第一副边拾取线圈Q12用于感应所述第一高频磁场后产生负载用电能；所述第二原边发射线圈Q21用于利用接收的高频交流电产生第一高频磁场；所述第二副边拾取线圈Q22用于感应所述第一高频磁场后产生负载用电能。
在本实施例中，系统先通过直流电源输出直流电压，将所述直流电压输入逆变电路；逆变电路将接收的所述直流电压逆变成为高频交流电。
逆变电路的输出端通过第一原边谐振电路将所述高频交流电加载到第一原边发射线圈Q11，通过所述第一原边发射线圈Q11产生高频磁场；通过第一副边拾取线圈Q12感应所述高频磁场后产生电能，所述第一副边拾取线圈Q12将所述电能依次通过第一副边谐振电路和第一整流滤波电路转换为负载用电能，并将负载用电能输出至串接的负载。
逆变电路的输出端通过第二原边谐振电路将所述高频交流电加载到第二原边发射线圈Q21，通过所述第二原边发射线圈Q21产生高频磁场；通过第二副边拾取线圈Q22感应所述高频磁场后产生电能，所述第二副边拾取线圈Q22将所述电能依次通过第二副边谐振电路和第二整流滤波电路转换为负载用电能，并将负载述用电能输出至串接的负载。
相比于现有技术，本发明实施例提供的一种多方向无线电能传输系统，处于不同面的第一原边发射线圈、第二原边发射线圈共用逆变电路中同的逆变器，第一原边发射线圈、第二原边发射线圈是相交的，使得无线电能传输系统最大程度地避免减少了交叉耦合的影响，能稳定地实现多方向的多发射多拾无线电能传输；而且由于第一原边发射线圈、第二原边发射线圈共用逆变电路中同的逆变器，大大提高了逆变器利用率。进一步地，第一原边发射线圈、第二原边发射线圈可设置于正反两面，压缩系统所占空间体积。
示例性地，所述逆变电路包括四个全控型开关单元；每个全控型开关单元包括一个全控型开关和一个反关联二极管。
示例性地，所述第一副边拾取线圈Q12和所述第二副边拾取线圈Q22的结构参数由多方向无线电能传输系统的功率要求、所述第一原边发射线圈Q11与所述第一副边拾取线圈Q12之间的互感系数、所述第一原边发射线圈Q21与所述第二副边拾取线圈Q22之间的互感系数共同决定。
在实际应用中，上述线圈的结构由以下步骤确认：
步骤一：确定系统的输出功率等级、发射线圈和拾取线圈的线径、尺寸设计范围和气隙高度；
步骤二：设计并确定系统电路结构；
步骤三：由于采用了正交双DD线圈，所以交叉耦合可以忽略的条件下，基于系统的功率表达式Pout，并确定两线圈之间的期望互感MP1S1和MP2S2；
步骤四：设计多发射多拾取无线电能传输系统的磁耦合机构。
步骤五：仿真得出副边线圈在一定偏移范围内得到的电压和功率曲线，判断整个系统是否满足需求；
如果整个无线电能传输系统满足需求，则结束设计流程，否则转入步骤四，从线圈尺寸、匝数等方面调整原边副边线圈的机构，让整个无线充电系统达到目标需求。
示例性地，所述第一原边发射线圈Q11、所述第一副边拾取线圈Q12、所述第二原边发射线圈Q21和所述第二副边拾取线圈Q22均包括两个结构相同方型DD线圈；在所述第一原边发射线圈Q11中，或第一副边拾取线圈Q12中，或第二原边发射线圈Q21中，或第二副边拾取线圈Q22中，两个方型DD线圈无缝地叠放于平板式磁芯层。
请参见图2和图3，本实施例中系统采用的磁耦合结构(所述第一原边发射线圈Q11、所述第一副边拾取线圈Q12、所述第二原边发射线圈Q21和所述第二副边拾取线圈Q22)是一种优选结构，所述第一原边发射线圈Q11、所述第一副边拾取线圈Q12、所述第二原边发射线圈Q21、所述第二副边拾取线圈Q22的所述方形DD线圈的线径、尺寸设计范围和气隙高度等设计参数相等。
图4为无线电能传输系统负载端的传输功率P的曲面图。图中表示了第一原边发射线圈Q11通电，第二原边发射线圈Q21通电在不同的偏移情况下的传输功率P的变化，可以发现曲线图呈中间高两边低的峰状；由图4中可以计算出功率的波动范围小于15％，满足了预期的设计需求，达到了一定的抗偏移效果。
示例性地，所述第一原边发射线圈Q11、所述第一副边拾取线圈Q12、所述第二原边发射线圈Q21和所述第二副边拾取线圈Q22均通过利兹线绕制而成。
示例性地，所述第一原边谐振电路用于将高频交流电加载到所述第一原边发射线圈Q11。
示例性地，所述第一整流滤波电路用于将负载用电能输出至串接的负载。
示例性地，所述第二原边谐振电路用于将高频交流电加载到所述第二原边发射线圈Q21。
示例性地，所述第二整流滤波电路用于将负载用电能输出至串接的负载。
示例性地，所述逆变电路的第一输出端、第二输出端分别通过第一开关K1、第二开关K2与所述第一原边谐振电路的输入端、所述第二原边谐振电路的输入端相连；所述第一开关K1、第二开关K2与控制器相连；所述控制器实时检测所述第一整流滤波电路输出端、所述第二整流滤波电路输出端的供电状况。
在本实施例中，无线电能传输系统有两种工作模式，分别为单工作模式和双工作模式，当检测到第一面副边有负载在进行充电时，而第二面副边无负载时，控制器将保持第一面原边发射线圈的能量注入并断开第二面原边发射线圈的电能回路，此时系统处于单工作模式，其状态与典型单面传输系统类似；同理，当第一面副边和第二面副边都有负载在进行充电时，控制器控制第一开关K1、第二开关K2将保持两面的回路均处于闭合状态，原边电能变换装置同时为两个原边发射线圈提供能量，此时系统处于双工作模式。
本实施例在不使用其他方法或设备、元件的基础上减少了交叉耦合对系统的影响，降低了系统设计复杂度，有利于工程应用，并且合理地减小了开关器件的电压电流应力，较单发射-单拾取结构相比，其他条件一定下，满足了空间上多方向负载的无线供电需求。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多方向无线电能传输系统，其特征在于，包括逆变电路、第一原边谐振电路、第一原边发射线圈、第一副边拾取线圈、第一副边谐振电路、第一整流滤波电路、第二原边谐振电路、第二原边发射线圈、第二副边拾取线圈、第二副边谐振电路和第二整流滤波电路；
所述逆变电路的输入端与外部直流电压源相连，所述逆变电路的第一输出端、第二输出端分别与所述第一原边谐振电路的输入端、所述第二原边谐振电路的输入端相连；所述第一原边谐振电路的输出端与所述第一原边发射线圈相连；所述第一副边拾取线圈与所述第一副边谐振电路的输入端相连；所述第一副边谐振电路的输入端与所述第一整流滤波电路的输入端相连；所述第二原边谐振电路的输出端与所述第二原边发射线圈相连；所述第二副边拾取线圈与所述第二副边谐振电路的输入端相连；所述第二副边谐振电路的输入端与所述第二整流滤波电路的输入端相连；
所述第一原边发射线圈与所述第一副边拾取线圈是相互平行的线圈；所述第二原边发射线圈与所述第二副边拾取线圈是相互平行线圈；所述第一原边发射线圈与所述第二原边发射线圈相互正交；
所述第一原边发射线圈用于利用接收的高频交流电产生第一高频磁场；所述第一副边拾取线圈用于感应所述第一高频磁场后产生负载用电能；所述第二原边发射线圈用于利用接收的高频交流电产生第一高频磁场；所述第二副边拾取线圈用于感应所述第一高频磁场后产生负载用电能。
2.如权利要求1所述多方向无线电能传输系统，其特征在于，所述逆变电路包括四个全控型开关单元；每个全控型开关单元包括一个全控型开关和一个反关联二极管。
3.如权利要求1所述多方向无线电能传输系统，其特征在于，所述第一副边拾取线圈和所述第二副边拾取线圈的结构参数由多方向无线电能传输系统的功率要求、所述第一原边发射线圈与所述第一副边拾取线圈之间的互感系数、所述第二原边发射线圈与所述第二副边拾取线圈之间的互感系数共同决定。
4.如权利要求1所述多方向无线电能传输系统，其特征在于，所述第一原边发射线圈、所述第一副边拾取线圈、所述第二原边发射线圈和所述第二副边拾取线圈均包括两个结构相同方型DD线圈；在所述第一原边发射线圈中，或第一副边拾取线圈中，或第二原边发射线圈中，或第二副边拾取线圈中，两个方型DD线圈无缝地叠放于平板式磁芯层。
5.如权利要求1所述多方向无线电能传输系统，其特征在于，所述第一原边发射线圈、所述第一副边拾取线圈、所述第二原边发射线圈和所述第二副边拾取线圈均通过利兹线绕制而成。
6.如权利要求1所述多方向无线电能传输系统，其特征在于，所述第一原边谐振电路用于将高频交流电加载到所述第一原边发射线圈。
7.如权利要求1所述多方向无线电能传输系统，其特征在于，所述第一整流滤波电路用于将负载用电能输出至串接的负载。
8.如权利要求1所述多方向无线电能传输系统，其特征在于，所述第二原边谐振电路用于将高频交流电加载到所述第二原边发射线圈。
9.如权利要求1所述多方向无线电能传输系统，其特征在于，所述第二整流滤波电路用于将负载用电能输出至串接的负载。
10.如权利要求1所述多方向无线电能传输系统，其特征在于，所述逆变电路的第一输出端、第二输出端分别通过第一开关、第二开关与所述第一原边谐振电路的输入端、所述第二原边谐振电路的输入端相连；所述第一开关、第二开关与控制器相连；所述控制器实时检测所述第一整流滤波电路输出端、所述第二整流滤波电路输出端的供电状况。
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