CN117375265B - 自谐振中继线圈、无线电能传输系统和无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自谐振中继线圈、无线电能传输系统和无线充电系统，该自谐振中继线圈包括顶层线圈、底层线圈和中间基板，其中所述顶层线圈和所述底层线圈通过所述中间基板隔开，所述顶层线圈和所述底层线圈串联构成自谐振中继线圈的电感，所述顶层线圈和所述底层线圈之间通过所述基板形成寄生电容，所述寄生电容和所述电感构成自谐振回路。该自谐振中继线圈避免了传统谐振线圈中的分离补偿电容的使用，能够提高多中继无线电能传输系统在高电压、强电场环境中应用的可靠性和安全性。其结构简单，参数稳定，可重复性好，不易受干扰，具有良好的可靠性。

Description

自谐振中继线圈、无线电能传输系统和无线充电系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术，特别是涉及自谐振中继线圈、无线电能传输系统和无线充电系统。

背景技术

无线电能传输系统（WPT）的磁耦合结构是无线电能传输系统中起着至关重要作用的桥梁，它的结构由原边发射线圈和副边的接收线圈组成。磁耦合结构在无线电能传输系统中的作用异常大，通过它才能实现电能的无线传输。无线电能传输系统的磁耦合结构与常规变压器在原理上很相似，它们都是利用了电磁感应原理实现电能从耦合结构的的原边传输到副边。但是由于常规变压器的原边和变压器的副边之间距离相当近，因此变压器的原副边之间磁路中气隙很小，这导致了磁动势主要是分布在带有铁芯的磁路上。由于这些铁芯都是高磁导率的材质，所以常规的变压器磁阻比较小,需要的励磁和电流也比较小。但是在无线电能传输的系统中，耦合磁路结构的原边和副边之间有相当长的一段距离，存在较大的空气气隙，所以磁耦合结构的原边和副边的线圈之间是处于松耦合的状态，磁路中有较大的空气气隙，磁动势中相当一部分的能量消耗在较大的空气磁路部分，使得无线电能传输效率和传输容量有较大的影响。因此，优化无线电能传输系统电磁结构成为了研究的重点。

发射端与接收端线圈的耦合强度会随传输距离的增加而迅速减弱，因此中远距离的无线电能传输系统通常采用增加中继线圈的方式来增强耦合、拓展无线电能传输系统的传输距离。目前对多中继线圈系统的理论探讨不够丰富，因此研究多中继线圈的相应理论，可以更方便地在进行系统设计制作时候选取恰当的参数，一方面可以节约成本，另一方面还可以提高系统的各项指标，如额定功率，效率，体积等。此外中继线圈等距和不等距的情况也存在较大差异，需要进行理论研究和实验证明。

在多中继无线电能传输系统中，中继谐振环节起到至关重要的作用。由于系统中存在多个中继谐振环节，这些中继谐振频率的微小偏差均会导致传输功率的减小和传输效率的降低。在已有的多中继系统中，往往采用利兹线绕制谐振电感，采用分立电容作为谐振电容。但是两者均存在一定的偏差，导致谐振频率发生偏移。另一方面，分立的补偿电容在高压场合条件下易产生尖端放电等问题，影响多中继无线电能传输系统特性环境中应用的适应性和可靠性。

已经公开的自谐振线圈包括CN102883525A公开的用于无线能量传输的双层蜗状PCB线圈，其公开的线圈结构参数中，线圈的导线宽度8mm，基板厚度4mm。对于自谐振线圈的性能改善来说，设计结构参数是非常重要的。自谐振线圈的结构参数包括线径、线圈间距、线圈形状、线圈材料等，这些参数都会对自谐振线圈的性能产生影响。在现有的技术中，设计自谐振线圈的结构参数面临着不小的挑战。首先，由于自谐振线圈的工作频率通常很高，因此要求线圈的尺寸非常小，这增加了设计的难度。其次，自谐振线圈的结构参数之间存在相互影响，需要进行综合考虑和优化。此外，由于线圈的电阻、电感和电容等参数之间也存在相互影响，因此需要进行多参数协同设计和优化。当前，优化设计自谐振线圈的结构参数是一项复杂而具有挑战性的工作。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种自谐振中继线圈、无线电能传输系统和无线充电系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种自谐振中继线圈，包括顶层线圈、底层线圈和中间基板，其中所述顶层线圈和所述底层线圈通过所述中间基板隔开，所述顶层线圈和所述底层线圈串联构成自谐振中继线圈的电感，所述顶层线圈和所述底层线圈之间通过所述基板形成寄生电容，所述寄生电容和所述电感构成自谐振回路，其中，所述顶层线圈和所述底层线圈的线宽或线径为1.5mm。

进一步地：

所述顶层线圈和所述底层线圈的绕向相同。

所述顶层线圈的内端和所述底层线圈的外端相连，所述顶层线圈的外端和所述底层线圈的内端开路，或者，所述顶层线圈的外端和所述底层线圈的内端相连，所述顶层线圈的内端和所述底层线圈的外端开路。

所述顶层线圈和底层线圈采用利兹线绕制。

所述中间基板为陶瓷基板或高分子聚合物基板。

所述顶层线圈和所述底层线圈的间距为8mm。

一种无线电能传输系统，包括所述的自谐振中继线圈。

一种无线充电系统，包括所述的自谐振中继线圈。

本发明具有如下有益效果：

本发明提出了一种无线电能传输系统中的自谐振中继线圈，是具有电感、电容一体化设计的自补偿谐振线圈，其避免传统谐振线圈中的分离补偿电容的使用，能够提高多中继无线电能传输系统在高电压、强电场环境中应用的可靠性和安全性。

本发明的自谐振线圈的线宽为1.5mm，具有最佳的综合性能。具体来说具有以下优点：线宽为1.5mm时自感值适中，这样的自感值可以保证自谐振线圈在所需的频率范围内稳定工作，并且不会因为线径的进一步增大而出现过大的自感增量；而且，1.5mm线宽既可以确保自谐振线圈在所需的频率范围内具有较高的品质因数，从而具有较好的传输性能，又可以取得品质因数和电压之间的平衡，从而在保证传输性能的同时，避免因电压过高而导致的故障。本发明的自谐振线圈的线宽设计为1.5mm可以综合考虑到自感、寄生电阻、谐振频率和品质因数等多方面的因素，从而在保证传输性能的同时，实现更为稳定的自谐振线圈设计和应用，具有最佳的综合性能。

本发明对自谐振线圈进行优化设计，其结构简单，参数稳定，可重复性好，不易受干扰，具有良好的可靠性，综合性能佳。本发明的自谐振中继线圈只需要将基板与线圈进行组合即可制作完成，而不需要单独设计线圈参数和设置分立电容。其可重复性好，制造方便，能够对所产生的寄生电容进行较为准确的设计，避免了单设分立电容的误差值对线圈参数的影响，且设计值与真实值可以认为一致。本发明的自谐振线圈可以制作成PCB线圈，通过印刷电路板的方式可以减少外界接触对自谐振线圈产生的影响，大大提升自谐振线圈本身的稳定性和可靠性。因此，本发明提出的自谐振中继线圈相比传统的中继线圈具有显著的优势。

本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。

附图说明

图1为双线圈与多中继线圈传能方案的示意图。

图2为传统的带有分立谐振电容的中继线圈的示意图。

图3为本发明实施例的无线电能传输自谐振线圈的示意图。

图4为本发明实施例的无线电能传输自谐振线圈的电感与电阻随线宽的变化。

图5为本发明实施例的无线电能传输自谐振线圈的谐振频率与品质因素随线宽的变化。

图6为本发明实施例的无线电能传输自谐振线圈的电气参数随间距的变化。

图7为本发明实施例的无线电能传输自谐振线圈的电路参数随间距的变化。

实施方式

以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参阅图3，本发明实施例提供一种自谐振中继线圈，包括顶层线圈1、底层线圈2和中间基板3，其中所述顶层线圈1和所述底层线圈2通过所述中间基板3隔开，所述顶层线圈1和所述底层线圈2串联构成自谐振中继线圈的电感，所述顶层线圈1和所述底层线圈2之间通过所述基板形成寄生电容，所述寄生电容和所述电感构成自谐振回路。在该自谐振中继线圈中，一方面，所述顶层线圈和所述底层线圈之间通过所述基板形成寄生电容，两层线圈之间通过所夹的基板形成线圈之间的寄生电容，该寄生电容与两线圈之间形成一个回路，构成了自谐振线圈；该寄生电容的存在有助于调节线圈的自谐振频率和品质因数，从而提高系统的传输效率和稳定性。另一方面，通过两层线圈的串联不仅可以增加总的电感量，且线圈的串联方式可以优化寄生电容的大小，从而提高电路的性能和稳定性。

传统上，采用利兹线绕制谐振电感和分立电容作为谐振电容，但它们在高电压环境下可靠性差，谐振频率易发生偏移，易产生尖端放电。为解决这些问题，本发明实施例的自谐振中继线圈将线圈和电容一体化，避免了分立补偿电容的使用，可提高多中继无线电能传输系统在高电压、强电场环境中应用的可靠性和安全性。由于避免了分立补偿电容的使用，减少了元件数量，降低了系统的复杂度，同时，自谐振线圈的结构简单，易于制造和维护，能够降低成本。

在优选的实施例中，所述顶层线圈1和所述底层线圈2的绕向相同。

在一些实施例中，所述顶层线圈的内端和所述底层线圈的外端相连，所述顶层线圈的外端和所述底层线圈的内端开路。在另一些实施例中，所述顶层线圈的外端和所述底层线圈的内端相连，所述顶层线圈的内端和所述底层线圈的外端开路。

在优选的实施例中，所述顶层线圈和底层线圈采用利兹线绕制。

在一些实施例中，所述中间基板可以采用玻璃纤维或高分子聚合物基板等介电常数较高的材料。适当增加寄生电容可以提高自谐振线圈的品质因数，从而提高无线电能传输的效率。

在优选的实施例中，所述顶层线圈和所述底层线圈的线宽或线径为1.5mm。

在优选的实施例中，所述顶层线圈和所述底层线圈的间距为8mm。

本发明实施例还提供一种无线电能传输系统，包括所述的自谐振中继线圈。

本发明实施例还提供一种无线充电系统，包括所述的自谐振中继线圈。

本发明提出的具有电感、电容一体化设计的自补偿谐振线圈，可用于无线电能传输系统中作为自谐振中继线圈，其可避免传统谐振线圈中的分离补偿电容的使用，能够提高多中继无线电能传输系统在高电压、强电场环境中应用的可靠性和安全性。本发明对自谐振线圈进行优化设计，其结构简单，参数稳定，可重复性好，不易受干扰，具有良好的可靠性。本发明的自谐振中继线圈只需要将基板与线圈进行组合即可制作完成，而不需要单独设计线圈参数和设置分立电容。其可重复性好，制造方便，能够对所产生的寄生电容进行较为准确的设计，避免了单设分立电容的误差值对线圈参数的影响，且设计值与真实值可以认为一致。本发明的自谐振线圈可以制作成PCB线圈，通过印刷电路板的方式可以减少外界接触对自谐振线圈产生的影响，大大提升自谐振线圈本身的稳定性和可靠性。因此，本发明提出的自谐振中继线圈相比传统的中继线圈具有显著的优势。

以下进一步描述本发明具体实施例。

如图3所示，在一个实施例中，一种带有自谐振功能的无线电能传输线圈具有三层结构，分别是顶层线圈和底层线圈以及其中间的基板。自谐振线圈的电感部分由两层线圈之间的串联构成。为使线圈的绕向相同，将顶层的内端和底层的外端相连，也可让顶层的外端和底层的内端相连，相对的，另外两端开路处理。自谐振线圈的谐振电容由两层线圈以及其间的寄生电容构成。两层线圈之间通过所夹的基板形成线圈之间的寄生电容，这个寄生电容与两线圈之间形成一个回路，构成了自谐振线圈。作为具有电感、电容一体化设计的自补偿谐振线圈，其可应用于中继无线电能传输系统。

该自谐振线圈的主要设计点为线圈和基板。线圈的自感值随着线圈增大而有明显的变化，但由于线圈的整体大小不宜过大，所以在实际应用中，线圈的外径不宜进行优化设计。构成自谐振线圈的两层线圈均由利兹线绕制，而利兹线的粗细影响着线圈的自感值以及所构成的寄生电容的容抗值，从而间接影响了线圈的自谐振频率以及品质因数，所以自谐振线圈的设计应从线径出发，选择合适的利兹线径。自谐振线圈形成的寄生电容C由下式所决定。

式中，l为单层线圈的总长度，d为利兹线的直径，t为两层线圈之间的距离，ε为基板的介电常数。

首先研究自谐振线圈在线径发生变化时的自感以及寄生电阻的变化，结果如图4所示，随着线宽的增加，自谐振线圈的自感值逐渐增大，且增长速度较快。而线圈所产生的寄生电阻随着线径的增加则逐渐减小，在线宽大于1.5mm后电阻随线径减缓趋势也逐渐变小。

自谐振线圈在线径发生变化时的谐振频率以及品质因数的变化，结果如图5所示。线径的改变同时会导致线圈与基板形成的寄生电容的变化。通过寄生电容公式计算出产生的寄生电容的数值，则可以将两者结合求解出该参数下的自谐振线圈的谐振频率。此外，通过电阻与电感还可以计算出自谐振线圈的品质因数。线圈的品质因数越大则在理论上有着越好的传输性能，但也更容易导致线圈上的电压过大导致故障。综合线宽对于自谐振线圈参数的影响以及对谐振频率的选择和品质因数的范围，选择自谐振线圈的线宽为1.5mm。

发明人研究发现，通过将本发明的自谐振线圈的线宽设计为1.5mm，具有最佳的综合性能。具体来说，结合图4和图5的分析，本发明的自谐振线圈的线宽设置在1.5mm具有以下优点：线宽为1.5mm时，自感值适中，这样的自感值可以保证自谐振线圈在所需的频率范围内稳定工作，并且不会因为线径的进一步增大而出现过大的自感增量。而且，选择1.5mm线宽既可以确保自谐振线圈在所需的频率范围内具有较高的品质因数，从而具有较好的传输性能，又可以取得品质因数和电压之间的平衡，从而在保证传输性能的同时，避免因电压过高而导致的故障。本发明的自谐振线圈的线宽设计为1.5mm可以综合考虑到自感、寄生电阻、谐振频率和品质因数等多方面的因素，从而在保证传输性能的同时，实现更为稳定的自谐振线圈设计和应用，具有最佳的综合性能。

此外，两线圈之间的间距也会对自谐振线圈的参数产生影响。两线圈之间间距的主要影响因素是线圈间的基板厚度。对两线圈之间的基板厚度进行研究可以发现，当两个线圈之间的间距增大时，线圈电阻变化较小，因为已经达到其趋肤深度。而线圈自感则呈现一定的增长，其增速逐渐减小，如图6所示。

图7显示了谐振频率和品质因数随着线圈间距变化产生的变化。可以看出，随着线圈之间的间距发生改变，线圈的自谐振频率改变较小，而线圈的品质因数则在稳定的上升。所以基于基板物理角度的考虑，选择8mm间距作为线圈间距。

以上为基于线圈参数的自谐振线圈设计方法。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (6)

1.一种自谐振中继线圈，其特征在于，包括顶层线圈、底层线圈和中间基板，其中所述顶层线圈和所述底层线圈通过所述中间基板隔开，所述顶层线圈和所述底层线圈串联构成自谐振中继线圈的电感，所述顶层线圈和所述底层线圈之间通过所述基板形成寄生电容，所述寄生电容和所述电感构成自谐振回路，其中，所述顶层线圈和所述底层线圈的线宽或线径为1.5mm，所述顶层线圈和所述底层线圈的间距为8mm，其中，所述顶层线圈和所述底层线圈的绕向相同；所述顶层线圈的内端和所述底层线圈的外端相连，所述顶层线圈的外端和所述底层线圈的内端开路，或者，所述顶层线圈的外端和所述底层线圈的内端相连，所述顶层线圈的内端和所述底层线圈的外端开路。

2.如权利要求1所述的自谐振中继线圈，其特征在于，所述顶层线圈和底层线圈采用利兹线绕制。

3.如权利要求1所述的自谐振中继线圈，其特征在于，所述中间基板为玻璃纤维基板。

4.如权利要求1所述的自谐振中继线圈，其特征在于，所述中间基板为高分子聚合物基板。

5.一种无线电能传输系统，其特征在于，包括如权利要求1至4任一项所述的自谐振中继线圈。

6.一种无线充电系统，其特征在于，包括如权利要求1至4任一项所述的自谐振中继线圈。