CN115863033B - 正交型磁耦合机构及可调电感实现可调节输出及良好抗偏移性能的可重构无线充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出正交型磁耦合机构及可调电感实现可调节输出及良好抗偏移性能的可重构无线充电系统。所述正交型磁耦合机构原边包括由两个改良型DD线圈组合而成的正交型线圈及平板型磁芯，副边为方形线圈；副边尺寸比原边尺寸小。根据该机构特性设计出可重构电路补偿拓扑，并引入可调电感实现无线充电系统CC/CV输出功能及辅助提高系统抗偏移性能。

Description

正交型磁耦合机构及可调电感实现可调节输出及良好抗偏移 性能的可重构无线充电系统
技术领域
本发明属于无线充电系统技术领域，用于多旋翼无人机充电，特别是涉及正交型磁耦合机构及可调电感实现可调节输出及良好抗偏移性能的可重构无线充电系统。
背景技术
无线电能传输技术具有安全、便捷等特点。无线充电系统可在没有直接电气连接将能量从原边传输到副边，但是在无线充电系统实际应用中常受到磁耦合机构原副边的位置对正问题困扰。在磁耦合机构原副边发生偏移的情况下，无线充电系统的传输功率将会受到极大地影响。因此，在设计无线充电系统时的首要目标是保证系统具有良好的抗偏移性能。提升系统抗偏移性能的方法主要从磁芯结构、拓扑结构、线圈结构等入手。磁芯结构的优化虽然可以约束磁场线以提升抗偏移性能，但磁芯材料铁氧体结构脆且质量重，这给加工带来不小的难度。拓扑结构的改良会给系统引入更多的元件，增加系统成本。当前的线圈结构如DD、DDQ等线圈基本只能在单轴方向上具有优良的抗偏移性能，对此本发明提出一种在多方向上均具有良好抗偏移性能的磁耦合机构。
无线充电系统应用于实际中需要解决的另一个问题是实现恒流/恒压(CC/CV)输出功能。因为当前电池的充电特性要求系统进行充电时先保持恒定电流输出充电，当电池内部电压达到一定电压后系统需要切换到恒定电压充电。实现CC/CV输出功能主要是选择具有输出与负载无关特性的补偿拓扑或采用闭环控制。单纯选取具有特定输出特性的补偿拓扑只能实现恒流或恒压输出中的一种，若想满足同时实现两种输出则需两种不同输出特性的补偿拓扑复合，在特定情形下进行切换，这将增加电路的复杂程度，且由于电路中内阻的影响，补偿拓扑并不能实现理想的CC/CV输出。DC/DC变换器常被用于闭环控制以实现CC/CV输出，但引入DC/DC变换器将引入产生额外的损耗和增加控制复杂度。因此本发明在原边端采用可调电感闭环控制实现CC/CV输出同时增强系统抗偏移性能。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了正交型磁耦合机构及可调电感实现可调节输出及良好抗偏移性能的可重构无线充电系统。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种在多方向均具有良好抗偏移性能的正交型磁耦合机构，所述正交型磁耦合机构原边包括由两个改良型DD线圈组合而成的正交型线圈及平板型磁芯，副边为方形线圈；副边尺寸比原边尺寸小。
本发明还提出一种基于所述的正交型磁耦合机构的可调电感实现可调节输出及良好抗偏移性能的可重构无线充电系统，所述可重构无线充电系统原边包括直流电压源Ubus，稳压电容Cbus及两个通道A、B；A通道包括改良型半桥结构a与补偿电容Cpa、电容内阻Rca、发射线圈Lpa、发射线圈内阻Rpa及两个通道共用的可调电感MFCI；B通道包括改良型半桥结构b与补偿电容Cpb、电容内阻Rcb、发射线圈Lpb、发射线圈内阻Rpb及两个通道共用的可调电感MFCI；副边包括接收线圈Ls、线圈内阻Rs、副边补偿电容Cs、电容内阻Rcs、全桥整流器、滤波电容Co、开关S2、开关S1、定值负载电阻Rd和负载电阻Ro。
进一步地，所述可重构无线充电系统工作过程具体为：可重构无线充电系统首先进入构造模式选择状态，系统传输功率到定值负载Rd，测量并调节两个通道的发射电流ipa和ipb-、计算并比较两个通道电流的有效值Ipa和Ipb，如果Ipa小于等于Ipb，系统选择通道A传输能量，否则系统选择通道B；进而系统进入闭环传能模式，系统通过通道A传输能量至电池；系统测量并调节输出电流Io和输出电压Uo并通过无线传输模块将数据传输到原边，而后通过可调电感和双闭环PI控制实现CC/CV输出功能。
进一步地，由于可重构无线充电系统在工作中只有一个通道传输能量，因此只需将其简化分析为SS补偿拓扑即可；副边反映阻抗公式如(1)所示：
Figure BDA0004034614880000021
则原边阻抗可得如(2)所示：
Figure BDA0004034614880000022
Re、Ro、Ie、Io、Ubus和Up的关系式如(3)所示；其中Re为整流桥及负载等效电阻、Ie为流过等效电阻Re的电流ie的有效值，Up为逆变器输出电压up的有效值；
Figure BDA0004034614880000023
由公式(1)～(3)，发射线圈电流Ip及输出电流Io可推导得：
Figure BDA0004034614880000024
Figure BDA0004034614880000025
本发明有益效果：
本发明提出的正交型磁耦合机构及可调电感实现可调节输出及良好抗偏移性能的可重构无线充电系统，在原边端采用可调电感闭环控制实现CC/CV输出同时增强了系统抗偏移性能。
附图说明
图1是正交型磁耦合机构示意图。
图2是正交型线圈及正交型磁耦合机构抗偏移范围示意图。
图3是可重构无线充电系统结构图。
图4是可重构无线充电系统工作流程图。
图5是可重构无线充电系统恒流/恒压工作状态示意图。
图6是可重构无线充电系统闭环结果示意图。
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。
本发明提出一种在多方向均具有良好抗偏移性能的正交型磁耦合机构，根据该机构特性设计出可重构电路补偿拓扑，并引入可调电感实现无线充电系统CC/CV输出功能及辅助提高系统抗偏移性能。
结合图1，本发明提出一种在多方向均具有良好抗偏移性能的正交型磁耦合机构，所述正交型磁耦合机构原边包括由两个改良型DD线圈组合而成的正交型线圈及平板型磁芯，副边为方形线圈；副边尺寸比原边尺寸小。将副边尺寸设计小点及不添加磁芯是为了减少副边重量，适配多旋翼无人机的需求。正交型线圈及正交型磁耦合机构抗偏移性能如图2。所示针对正交型磁耦合机构互感分布特性及解决正交型线圈互耦问题，设计可重构电路补偿拓扑，提出可重构无线充电系统如图3所示。
结合图3，本发明还提出一种基于所述的正交型磁耦合机构的可调电感实现可调节输出及良好抗偏移性能的可重构无线充电系统，所述可重构无线充电系统原边包括直流电压源Ubus，稳压电容Cbus及两个通道A、B；A通道包括改良型半桥结构a与补偿电容Cpa、电容内阻Rca、发射线圈Lpa、发射线圈内阻Rpa及两个通道共用的可调电感MFCI；B通道包括改良型半桥结构b与补偿电容Cpb、电容内阻Rcb、发射线圈Lpb、发射线圈内阻Rpb及两个通道共用的可调电感MFCI；副边包括接收线圈Ls、线圈内阻Rs、副边补偿电容Cs、电容内阻Rcs、全桥整流器(其中D1～D4为二极管)、滤波电容Co、开关S2、开关S1、定值负载电阻Rd和负载电阻Ro。可重构无线充电系统参数如表1所示。
表1可重构无线充电系统主要参数
Figure BDA0004034614880000041
结合图4，所述可重构无线充电系统工作过程具体为：可重构无线充电系统首先进入构造模式选择状态，系统传输功率到定值负载Rd，测量并调节两个通道的发射电流ipa和ipb-、计算并比较两个通道电流的有效值Ipa和Ipb，如果Ipa小于等于Ipb，系统选择通道A传输能量，否则系统选择通道B；进而系统进入闭环传能模式，系统通过通道A传输能量至电池；系统测量并调节输出电流Io和输出电压Uo并通过无线传输模块将数据传输到原边，而后通过可调电感和双闭环PI控制实现CC/CV输出功能。
由于可重构无线充电系统在工作中只有一个通道传输能量，因此只需将其简化分析为SS补偿拓扑即可；副边反映阻抗公式如(1)所示：
Figure BDA0004034614880000042
则原边阻抗可得如(2)所示：
Figure BDA0004034614880000043
Re、Ro、Ie、Io、Ubus和Up的关系式如(3)所示；其中Re为整流桥及负载等效电阻、Ie为流过等效电阻Re的电流ie的有效值，Up为逆变器输出电压up的有效值；
Figure BDA0004034614880000051
由公式(1)～(3)，发射线圈电流Ip及输出电流Io可推导得：
Figure BDA0004034614880000052
Figure BDA0004034614880000053
可重构无线充电系统恒流工作状态和恒压工作状态如图所示，可重构无线充电系统效率随互感及负载电阻变化趋势如图6(a)所示，系统可供无人机充电区域如图6(b)所示。当最大充电功率为126W时，当系统效率较最大值降低5％时，x、y方向的最大不对中率为41％。此外，本发明所提出的可重构无线充电系统适用于需要轻量级接收器、抗偏移性能和无二次侧控制的设备，如无人机和便携式设备。
以上对本发明所提出的正交型磁耦合机构及可调电感实现可调节输出及良好抗偏移性能的可重构无线充电系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种基于在多方向均具有良好抗偏移性能的正交型磁耦合机构的可调电感实现可调节输出及良好抗偏移性能的可重构无线充电系统，其特征在于：所述正交型磁耦合机构原边包括由两个改良型DD线圈组合而成的正交型线圈及平板型磁芯，副边为方形线圈；副边尺寸比原边尺寸小；
所述可重构无线充电系统原边包括直流电压源Ubus，稳压电容Cbus及两个通道A、B；A通道包括改良型半桥结构a与补偿电容Cpa、电容内阻Rca、发射线圈Lpa、发射线圈内阻Rpa及两个通道共用的可调电感MFCI；B通道包括改良型半桥结构b与补偿电容Cpb、电容内阻Rcb、发射线圈Lpb、发射线圈内阻Rpb及两个通道共用的可调电感MFCI；副边包括接收线圈Ls、线圈内阻Rs、副边补偿电容Cs、电容内阻Rcs、全桥整流器、滤波电容Co、开关S2、开关S1、定值负载电阻Rd和负载电阻Ro；
所述可重构无线充电系统工作过程具体为：可重构无线充电系统首先进入构造模式选择状态，系统传输功率到定值负载Rd，测量并调节两个通道的发射电流ipa和ipb、计算并比较两个通道电流的有效值Ipa和Ipb，如果Ipa小于等于Ipb，系统选择通道A传输能量，否则系统选择通道B；进而系统进入闭环传能模式，系统通过通道A传输能量至电池；系统测量并调节输出电流Io和输出电压Uo并通过无线传输模块将数据传输到原边，而后通过可调电感和双闭环PI控制实现CC/CV输出功能。
2.根据权利要求1所述的可重构无线充电系统，其特征在于，由于可重构无线充电系统在工作中只有一个通道传输能量，因此只需将其简化分析为SS补偿拓扑即可；副边反映阻抗Zs公式如(1)所示：
Figure FDA0004242580610000011
则原边阻抗可得如(2)所示：
Figure FDA0004242580610000012
Re、Ro、Ie、Io、Ubus和Up的关系式如(3)所示；其中Re为整流桥及负载等效电阻、Ie为流过等效电阻Re的电流ie的有效值，Up为逆变器输出电压up的有效值；
Figure FDA0004242580610000013
由公式(1)～(3)，发射线圈电流Ip及输出电流Io可推导得：
Figure FDA0004242580610000021
Figure FDA0004242580610000022
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110289157A (zh) * 2019-05-30 2019-09-27 中国电力科学研究院有限公司 一种无线电能传输系统的多层磁路耦合机构
CN112467891A (zh) * 2020-09-30 2021-03-09 西南交通大学 一种基于全桥半桥切换的ipt系统及其效率优化方法
EP3799252A1 (en) * 2019-09-27 2021-03-31 Apple Inc. Magnetic alignment systems with nfc for electronic devices
CN115065173A (zh) * 2022-06-30 2022-09-16 广东电网有限责任公司 一种多方向无线电能传输系统

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110789369A (zh) * 2019-11-12 2020-02-14 国网湖北省电力有限公司咸宁供电公司 一种基于无线充电的无人机充电平台及充电方法
CN113733942B (zh) * 2021-08-12 2023-03-14 重庆理工大学 基于正交dd型线圈的无线供电耦合机构及其参数设计方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110289157A (zh) * 2019-05-30 2019-09-27 中国电力科学研究院有限公司 一种无线电能传输系统的多层磁路耦合机构
EP3799252A1 (en) * 2019-09-27 2021-03-31 Apple Inc. Magnetic alignment systems with nfc for electronic devices
CN112467891A (zh) * 2020-09-30 2021-03-09 西南交通大学 一种基于全桥半桥切换的ipt系统及其效率优化方法
CN115065173A (zh) * 2022-06-30 2022-09-16 广东电网有限责任公司 一种多方向无线电能传输系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于正交磁芯可调电抗的无线电能传输谐振补偿方式;余明杨;潘永兵;;电子技术应用(第10期);全文 *

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