CN116345710A - 一种基于容感集成式自共振线圈的无线供电系统 - Google Patents

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CN116345710A CN202310242303.3A CN202310242303A CN116345710A CN 116345710 A CN116345710 A CN 116345710A CN 202310242303 A CN202310242303 A CN 202310242303A CN 116345710 A CN116345710 A CN 116345710A
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代中余
许飞
王奉献
李小宁
何炅东
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王斌凯
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Abstract

本发明提供了一种基于容感集成式自共振线圈的无线供电系统，包括源端变换电路，将市电或直流电接入供电系统，并变换为高频交流电；电磁耦合机构，包括发射端和接收端，使用电磁变换的方式，将发射端接收到的高频交流电，非接触式的传递至接收端；负载端变换电路，将接收端接收到的高频交流电变换为适合用电目标使用的电能；源端变换电路输出高频交流电的频率可调节，调节范围包含容感集成式自共振线圈的自共振频率；通过源端变换电路输出电压和电流，调节电场能和磁场能的占比。本发明有益效果：容感集成式自共振线圈同时构建磁场能量传输通道和电场能量传输通道，实现双通道无线电能传输，提升单位能量密度。

Description

一种基于容感集成式自共振线圈的无线供电系统
技术领域
本发明属于无线电能传输领域，尤其是涉及一种基于容感集成式自共振线圈的无线供电系统。
背景技术
无线电能传输有多种形式，其中应用和研究最广泛的是电感式无线电能传输和电容式无线电能传输。为了达到最优的传输性能，电感式无线电能传输和电容式无线电能传输都会采用合适的谐振拓扑，利用谐振电容或谐振电感作为补偿，以达到理想谐振状态。
LC谐振为最基本的谐振电路，也是无线电能传输各种高阶谐振拓扑的基础。在LC谐振拓扑中，电感式无线电能传输采用谐振电容作为补偿元件，电容式无线电能传输采用谐振电感作为补偿元件。在谐振补偿结构上，电感式无线电能传输和电容式无线电能传输呈对偶结构。
电感式无线电能传输和电容式无线电能传输通常只考虑电场耦合或磁场耦合，也就是只利用空间电场能或磁场能，但无线电能传输中电场和磁场相伴相生，只利用其中的电场能或磁场能，必然存在部分能量的损失，空间电磁能量利用率低。另外空间电场能和磁场能具有不同的衰减特性，电场能和磁场能的综合利用，针对不同的传输距离，调节电场能和磁场能的比例，到达最佳系统传输性能，尚未有相关研究。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于容感集成式自共振线圈的无线供电系统，以期解决上述部分问题其中至少之一。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于容感集成式自共振线圈的无线供电系统，包括：
源端变换电路，将市电或直流电接入供电系统，并变换为高频交流电；
电磁耦合机构，包括发射端和接收端，使用电磁变换的方式，将发射端接收到的高频交流电，非接触式的传递至接收端；
负载端变换电路，将接收端接收到的高频交流电变换为适合用电目标使用的电能；
所述源端变换电路输出高频交流电的频率可调节，调节范围包含容感集成式自共振线圈的自共振频率；
通过源端变换电路输出电压和电流，调节电场能和磁场能的占比。
进一步的，所述电磁耦合机构，由发射端的容感集成式自共振线圈和接收端的容感集成式自共振线圈构成；
所述电磁耦合机构呈对称结构，发射端的容感集成式自共振线圈与接收端的容感集成式自共振线圈的尺寸与结构相互对应。
进一步的，所述容感集成式自共振线圈包括通电线圈、前向极板、背向极板；
所述前向极板与背向极板构成极板组，通电线圈的等效电感与极板组间等效电容构成谐振；
所述发射端的容感集成式自共振线圈中的通电线圈，与接收端的容感集成式自共振线圈中的通电线圈，构成磁场能量传输通道；
所述发射端的容感集成式自共振线圈中的前向极板，与接收端的容感集成式自共振线圈中的前向极板，构成电场能量传输通道。
进一步的，所述极板组间的等效电容与通电线圈中的等效电感组成谐振电路，谐振电路的谐振频率即容感集成式自共振线圈(6)的自共振频率；
所述通电线圈两端均有一条引出线，所述前向极板与背向极板分别有一条引出线；
所述通电线圈与前向极板和背向极板串联或并联：
通电线圈与前向极板和背向极板串联时，所述通电线圈一端的引出线与前向极板或背向极板的引出线连接，另一端与未连接通电线圈的前向极板或背向极板的引出线构成引出线组；
通电线圈与前向极板和背向极板并联时，所述通电线圈一端的引出线与背向极板的引出线连接，另一端的引出线与前向极板的引出线连接，构成引出线组；
所述发射端的容感集成式自共振线圈中引出线组作为电能输入引线，在接收端的容感集成式自共振线圈中引出线组作为电能输出引线。
进一步的，所述前向极板为平面中空式结构，中空部分的尺寸大于对应通电线圈外形尺寸；
所述后向极板为平面非中空式结构，后向极板外形形状与前向极板外形形状相同，后向极板外形尺寸不小于前向极板外形尺寸。
进一步的，所述容感集成式自共振线圈还包括绝缘介质、高磁导率板；
所述高磁导率板外形形状与通电线圈外形形状和前向极板中空部分形状相对应，高磁导率板外形尺寸大于通电线圈外形尺寸，小于前向极板中空部分尺寸；
所述绝缘介质结构包括平面中空式结构与平面非中空式结构；
当绝缘介质为平面中空式结构，高磁导率板位于线圈和背向极板之间；
当绝缘介质为平面非中空式结构时，高磁导率板位于线圈和绝缘介质之间。
进一步的，所述容感集成式自共振线圈中，通电线圈、前向极板、背向极板、绝缘介质、高磁导率板之间相互绝缘，其中通电线圈位于最上层，前向极板位于通电线圈之下，绝缘介质位于前向极板之下，背向极板位于最下层；
所述电磁耦合机构中，通电线圈位于最内侧，背向极板位于最外侧。
进一步的，当绝缘介质为平面中空式结构时，绝缘介质中空部分形状与通电线圈外形形状和前向极板中空部分形状相对应，绝缘介质中空部分尺寸大于通电线圈外形形状，小于前向极板中空部分尺寸；
当绝缘介质为平面中空式结构时，高磁导率板外形形状与绝缘介质中空部分形状对应，高磁导率板外形尺寸小于绝缘介质中空部分尺寸。
进一步的，当需要提升传输距离和效率时，在发射端的容感集成式自共振线圈和接收端的容感集成式自共振线圈之间添加中继容感集成式自共振线圈；
所述中继容感集成式自共振线圈，包括通电线圈、前向极板、背向极板、绝缘介质；
所述前向极板、背向极板、绝缘介质均为平面中空式结构，背向极板中空部分的形状与中继容感集成式自共振线圈中通电线圈外形形状、绝缘介质中空部分形状和前向极板中空部分形状相对应；
所述中继容感集成式自共振线圈中前向极板和后向极板中空部分形状、尺寸完全一致，中空部分的尺寸大于对应通电线圈外形尺寸；
所述绝缘介质中空部分形状尺寸大于对应通电线圈外形尺寸。
进一步的，所述中继容感集成式自共振线圈中，前向极板位于最上层，绝缘介质位于前向极板之下，背向极板位于最下层，通电线圈根据具体需要放置于前向极板、绝缘介质、背向极板三者之一的中空部分内。
相对于现有技术，本发明所述的一种基于容感集成式自共振线圈的无线供电系统具有以下有益效果：
(1)容感集成式自共振线圈同时构建磁场能量传输通道和电场能量传输通道，实现双通道无线电能传输，提升单位能量密度。
(2)基于磁场式无线电能传输和电场式无线电能传输补偿拓扑的对偶性，利用极板组的等效电容和线圈等效电感相互补偿，消除了补偿电感和补偿电容，减小的磁耦合机构的体积和重量，节省成本。
(3)通过电压和电流的调节，实现电场能和磁场能占比的多模式调节，综合利用电场能和磁场能在空间衰减特性，应对不同传输距离，实现最佳传输性能。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的整体功能结构示意图；
图2为本发明实施例所述的电磁耦合机构结构示意图；
图3为本发明实施例所述的容感集成式自共振线圈结构示意图；
图4为本发明实施例所述的通电线圈示意图；
图5为本发明实施例所述的前向极板结构示意图；
图6为本发明实施例所述的后向极板结构示意图；
图7为本发明实施例所述的绝缘介质结构示意图；
图8为本发明实施例所述的高磁导率板结构示意图；
图9为本发明实施例所述的中继容感集成式自共振线圈结构示意图。
附图标记说明：
1、市电或直流电；2、源端变换电路；3、电磁耦合机构；4、负载端变换电路；5、用电目标；6、容感集成式自共振线圈。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种基于容感集成式自共振线圈6的无线供电系统，包括：
源端变换电路2，将市电或直流电1接入供电系统，并变换为高频交流电；
电磁耦合机构3，包括发射端和接收端，使用电磁变换的方式，将发射端接收到的高频交流电，非接触式的传递至接收端；
负载端变换电路4，将接收端接收到的高频交流电变换为适合用电目标5使用的电能。
源端变换电路2输出高频交流电的频率可调节，调节范围包含容感集成式自共振线圈6的自共振频率；供电系统通过源端变换电路2输出电压和电流的调节，实现电场能和磁场能占比的多模式调节，综合利用电场能和磁场能的空间衰减特性，应对不同传输距离，实现最佳传输性能。
电磁耦合机构3，由发射端的容感集成式自共振线圈6和接收端的容感集成式自共振线圈6构成；电磁耦合机构3呈对称结构，发射端的容感集成式自共振线圈6与接收端的容感集成式自共振线圈6的尺寸与结构相互对应。
容感集成式自共振线圈6包括通电线圈、前向极板、背向极板；前向极板与背向极板构成极板组，通电线圈的等效电感与极板组间等效电容构成谐振；
发射端的容感集成式自共振线圈6中的通电线圈，与接收端的容感集成式自共振线圈6中的通电线圈，构成磁场能量传输通道；发射端的容感集成式自共振线圈6中的前向极板，与接收端的容感集成式自共振线圈6中的前向极板，构成电场能量传输通道。
电磁耦合机构3同时拥有电场能量传输通道和磁场能量传输通道，无需补偿电容和电感。
通电线圈外形形状包括但不限于圆形、方形、DD型。
极板组间的等效电容与通电线圈中的等效电感组成谐振电路，谐振电路的谐振频率即容感集成式自共振线圈6的自共振频率；
通电线圈两端均有一条引出线，前向极板与背向极板分别有一条引出线；
通电线圈与前向极板和背向极板串联或并联：
通电线圈与前向极板和背向极板串联时，通电线圈一端的引出线与前向极板或背向极板的引出线连接，另一端与未连接通电线圈的前向极板或背向极板的引出线构成引出线组；
通电线圈与前向极板和背向极板并联时，通电线圈一端的引出线与背向极板的引出线连接，另一端的引出线与前向极板的引出线连接，构成引出线组；
发射端的容感集成式自共振线圈6中引出线组作为电能输入引线，在接收端的容感集成式自共振线圈6中引出线组作为电能输出引线。
前向极板为平面中空式结构，中空部分的尺寸大于对应通电线圈外形尺寸；后向极板为平面非中空式结构，后向极板外形形状与前向极板外形形状相同，后向极板外形尺寸不小于前向极板外形尺寸。
容感集成式自共振线圈6还包括绝缘介质、高磁导率板；
高磁导率板外形形状与通电线圈外形形状和前向极板中空部分形状相对应，高磁导率板外形尺寸大于通电线圈外形尺寸，小于前向极板中空部分尺寸；
绝缘介质结构包括平面中空式结构与平面非中空式结构；
当绝缘介质为平面中空式结构，高磁导率板位于线圈和背向极板之间；
当绝缘介质为平面非中空式结构时，高磁导率板位于线圈和绝缘介质之间。
绝缘介质与高磁导率板为非必要结构。
容感集成式自共振线圈6中，通电线圈、前向极板、背向极板、绝缘介质、高磁导率板之间相互绝缘，其中通电线圈位于最上层，前向极板位于通电线圈之下，绝缘介质位于前向极板之下，背向极板位于最下层；
电磁耦合机构3中，通电线圈位于最内侧，背向极板位于最外侧。
当绝缘介质为平面中空式结构时，绝缘介质中空部分形状与通电线圈外形形状和前向极板中空部分形状相对应，绝缘介质中空部分尺寸大于通电线圈外形形状，小于前向极板中空部分尺寸；
当绝缘介质为平面中空式结构时，高磁导率板外形形状与绝缘介质中空部分形状对应，高磁导率板外形尺寸小于绝缘介质中空部分尺寸。
在上述的基于容感集成式自共振线圈6的无线供电系统，所述容感集成式自共振线圈6中通电线圈、前向极板、背向极板、绝缘介质、高磁导率板之间相互绝缘，可存在空气间隙；
依据容感集成式自共振线圈6结构示意图，线圈位于最上层，前向极板位于线圈之下，绝缘介质位于前向极板之下，背向极板位于最下层；
在电磁耦合机构3中，线圈位于最内侧，背向极板位于最外侧。当绝缘介质为平面非中空式结构，高磁导率板位于线圈和绝缘介质之间；
线圈、高磁导率板和绝缘介质之间可存在空气间隙，也可紧密接触；当绝缘介质为平面中空式结构，高磁导率板位于线圈和背向极板之间。线圈、高磁导率板和背向极板之间可存在空气间隙，也可紧密接触。绝缘介质和高磁导率板为可选择结构。
当需要提升传输距离和效率时，在发射端的容感集成式自共振线圈6和接收端的容感集成式自共振线圈6之间添加中继容感集成式自共振线圈；
中继容感集成式自共振线圈，包括通电线圈、前向极板、背向极板、绝缘介质；前向极板、背向极板、绝缘介质均为平面中空式结构，背向极板中空部分的形状与中继容感集成式自共振线圈中通电线圈外形形状、绝缘介质中空部分形状和前向极板中空部分形状相对应，绝缘介质为可选择结构；
中继容感集成式自共振线圈中前向极板和后向极板中空部分形状、尺寸完全一致，中空部分的尺寸大于对应通电线圈外形尺寸；
所述绝缘介质中空部分形状尺寸大于对应通电线圈外形尺寸。中继容感集成式自共振线圈中，前向极板位于最上层，绝缘介质位于前向极板之下，背向极板位于最下层，通电线圈根据具体需要放置于前向极板、绝缘介质、背向极板三者之一的中空部分内。
中继式磁耦合机构包括，端部容感集成自共振线圈、中继容感集成式自共振线圈，端部容感集成自共振线圈包括发射端的容感集成式自共振线圈6和接收端的容感集成式自共振线圈6，中继容感集成式自共振线圈的数量至少设有1个；
中继容感集成式自共振线圈位于发射端的容感集成式自共振线圈6和接收端的容感集成式自共振线圈6之间，接收电场能和磁场能，转换为电能，同时将电能转换为电场能和磁场能，承担中继电场能和磁场能传递的作用。
前向极板和背向极板构成一对极板组，通电线圈的等效电感与极板组间等效电容构成谐振，无需额外补偿电容或补偿电感，中继容感集成式自共振线圈中通电线圈为磁场能中继部件，极板组为电场能中继部件，极板组的等效电容与通电线圈的等效电感组成并联结构。
在上述的基于容感集成式自共振线圈6的无线供电系统中，高磁导率板是否存在、高磁导率板的位置和厚度等参数是对容感集成式自共振线圈6中线圈等效电感的调节，也对极板组间等效电容有一定影响；绝缘介质是否存在、绝缘介质的厚度等参数是对容感集成式自共振线圈6中极板组间等效电容的调节，也对线圈等效电感有一定影响，具体参数需要根据具体需要调整。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。上述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于容感集成式自共振线圈的无线供电系统，其特征在于：
包括：
源端变换电路(2)，将市电或直流电(1)接入供电系统，并变换为高频交流电；
电磁耦合机构(3)，包括发射端和接收端，使用电磁变换的方式，将发射端接收到的高频交流电，非接触式的传递至接收端；
负载端变换电路(4)，将接收端接收到的高频交流电变换为适合用电目标(5)使用的电能；
所述源端变换电路(2)输出高频交流电的频率可调节，调节范围包含容感集成式自共振线圈(6)的自共振频率；
通过源端变换电路(2)输出电压和电流，调节电场能和磁场能的占比。
2.根据权利要求1所述的一种基于容感集成式自共振线圈的无线供电系统，其特征在于：
所述电磁耦合机构(3)，由发射端的容感集成式自共振线圈(6)和接收端的容感集成式自共振线圈(6)构成；
所述电磁耦合机构(3)呈对称结构，发射端的容感集成式自共振线圈(6)与接收端的容感集成式自共振线圈(6)的尺寸与结构相互对应。
3.根据权利要求2所述的一种基于容感集成式自共振线圈的无线供电系统，其特征在于：
所述容感集成式自共振线圈(6)包括通电线圈、前向极板、背向极板；
所述前向极板与背向极板构成极板组，通电线圈的等效电感与极板组间等效电容构成谐振；
所述发射端的容感集成式自共振线圈(6)中的通电线圈，与接收端的容感集成式自共振线圈(6)中的通电线圈，构成磁场能量传输通道；
所述发射端的容感集成式自共振线圈(6)中的前向极板，与接收端的容感集成式自共振线圈(6)中的前向极板，构成电场能量传输通道。
4.根据权利要求3所述的一种基于容感集成式自共振线圈的无线供电系统，其特征在于：
所述极板组间的等效电容与通电线圈中的等效电感组成谐振电路，谐振电路的谐振频率即容感集成式自共振线圈(6)的自共振频率；
所述通电线圈两端均有一条引出线，所述前向极板与背向极板分别有一条引出线；
所述通电线圈与前向极板和背向极板串联或并联：
通电线圈与前向极板和背向极板串联时，所述通电线圈一端的引出线与前向极板或背向极板的引出线连接，另一端与未连接通电线圈的前向极板或背向极板的引出线构成引出线组；
通电线圈与前向极板和背向极板并联时，所述通电线圈一端的引出线与背向极板的引出线连接，另一端的引出线与前向极板的引出线连接，构成引出线组；
所述发射端的容感集成式自共振线圈(6)中引出线组作为电能输入引线，在接收端的容感集成式自共振线圈(6)中引出线组作为电能输出引线。
5.根据权利要求3所述的一种基于容感集成式自共振线圈的无线供电系统，其特征在于：
所述前向极板为平面中空式结构，中空部分的尺寸大于对应通电线圈外形尺寸；
所述后向极板为平面非中空式结构，后向极板外形形状与前向极板外形形状相同，后向极板外形尺寸不小于前向极板外形尺寸。
6.根据权利要求5所述的一种基于容感集成式自共振线圈的无线供电系统，其特征在于：
所述容感集成式自共振线圈(6)还包括绝缘介质、高磁导率板；
所述绝缘介质结构包括平面中空式结构与平面非中空式结构；
当绝缘介质为平面中空式结构，高磁导率板位于线圈和背向极板之间；
当绝缘介质为平面非中空式结构时，高磁导率板位于线圈和绝缘介质之间。
7.根据权利要求6所述的一种基于容感集成式自共振线圈的无线供电系统，其特征在于：
所述容感集成式自共振线圈(6)中，通电线圈、前向极板、背向极板、绝缘介质、高磁导率板之间相互绝缘，其中通电线圈位于最上层，前向极板位于通电线圈之下，绝缘介质位于前向极板之下，背向极板位于最下层；
所述电磁耦合机构(3)中，通电线圈位于最内侧，背向极板位于最外侧。
8.根据权利要求6所述的一种基于容感集成式自共振线圈的无线供电系统，其特征在于：
当绝缘介质为平面中空式结构时，绝缘介质中空部分形状与通电线圈外形形状和前向极板中空部分形状相对应，绝缘介质中空部分尺寸大于通电线圈外形形状，小于前向极板中空部分尺寸；
当绝缘介质为平面中空式结构时，高磁导率板外形形状与绝缘介质中空部分形状对应，高磁导率板外形尺寸小于绝缘介质中空部分尺寸。
9.根据权利要求2所述的一种基于容感集成式自共振线圈的无线供电系统，其特征在于：
当需要提升传输距离和效率时，在发射端的容感集成式自共振线圈(6)和接收端的容感集成式自共振线圈(6)之间添加中继容感集成式自共振线圈；
所述中继容感集成式自共振线圈，包括通电线圈、前向极板、背向极板、绝缘介质；
所述前向极板、背向极板、绝缘介质均为平面中空式结构，背向极板中空部分的形状与中继容感集成式自共振线圈中通电线圈外形形状、绝缘介质中空部分形状和前向极板中空部分形状相对应；
所述中继容感集成式自共振线圈中前向极板和后向极板中空部分形状、尺寸完全一致，中空部分的尺寸大于对应通电线圈外形尺寸；
所述绝缘介质中空部分形状尺寸大于对应通电线圈外形尺寸。
10.根据权利要求9所述的一种基于容感集成式自共振线圈的无线供电系统，其特征在于：
所述中继容感集成式自共振线圈中，前向极板位于最上层，绝缘介质位于前向极板之下，背向极板位于最下层，通电线圈根据具体需要放置于前向极板、绝缘介质、背向极板三者之一的中空部分内。
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