CN209545177U - 一种双边lcc无线补偿充电优化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双边LCC无线补偿充电优化装置，该装置包括由发射端磁屏蔽层、发射端传能线圈层和发射端补偿线圈层组成的发射端和由接收端补偿线圈层、接收端传能线圈层和接收端磁屏蔽层组成的接收端；耦合发射端传能线圈层的传能线圈与接收端传能线圈层的传能线圈进行能量无线传输；增大发射端补偿线圈层和接收端补偿线圈层的线圈面积使发射端补偿线圈层的补偿线圈与接收端补偿线圈层的补偿线圈耦合时形成无线能量传输通道以进行能量无线传输，增大无线传输效率，进而提高电动汽车的传输效率。

Description

一种双边LCC无线补偿充电优化装置

技术领域

本实用新型涉及无线充电技术领域，特别涉及一种双边LCC无线补偿充电优化装置。

背景技术

电动汽车采用原边(发射端)副边(接收端)完全分离的非接触变压器实现无线供电，具体是通过高频磁场的耦合传输电能，使得在能量传递过程中发射端(供电侧)和接收端(用电侧)无物理连接。与传统的接触式供电相比，非接触供电使用方便安全、不易漏电，无火花及触电危险，无积尘和接触损耗，无机械磨损和相应的维护问题，可适应多种恶劣天气和环境，便于实现自动供电，具有良好的应用前景，目前已被广泛应用于电动汽车充电技术中。

目前，一般在电动汽车上均安装有接收端线圈，无线充电系统的停车位上安装有发射端线圈。当电动汽车停靠在停车位上的预设充电位置时，发射端线圈和接收端线圈组成松耦合变压器，发射端线圈发射的高频磁场能够通过电磁感应或者电磁振动的方式被接收端线圈接收，进而被接收端线圈转换为电能，从而实现电能的无线传输，达到为电动汽车进行无线充电的目的

传统双边LCC无线补偿充电系统，发射端线圈和接收端线圈均采用并排 DD型结构，主要解决了在Y方向因位置偏差导致充电效率过低问题，同时增加了LCC补偿网络，该LCC补偿网络采用磁集成式一体化结构设计，补偿线圈和传能线圈之间设置为90°夹角，使得补偿线圈和传能线圈的有效重叠面积减小，进而实现补偿线圈和传能线圈解耦，从而降低了系统的无功功率。与此同时，补偿线圈的主要功能是无功补偿，因此补偿线圈的尺寸也很小，在额定垂直间距下不会形成额外的无线能量传输通道。

实用新型内容

本实用新型提供了一种双边LCC无线补偿充电优化装置，其目的在于增大发射端和接收端的补偿线圈面积，使得补偿线圈除了进行无功补偿外，在垂直位置上还形成了额外的无线能量传输通道，增大无线传输效率，进而提高电动汽车的传输效率。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种双边LCC无线补偿充电优化装置，所述双边LCC无线补偿充电优化装置包括发射端、接收端；

所述发射端包括依次设置的发射端磁屏蔽层、发射端磁介质层、发射端支撑层、发射端传能线圈层和发射端补偿线圈层；

所述接收端包括依次设置的接收端补偿线圈层、接收端传能线圈层、接收端支撑层、接收端磁介质层以及接收端磁屏蔽层；

耦合所述发射端传能线圈层的传能线圈与所述接收端传能线圈层的传能线圈进行能量无线传输；

增大所述发射端补偿线圈层和所述接收端补偿线圈层的线圈面积使所述发射端补偿线圈层的补偿线圈与所述接收端补偿线圈层的补偿线圈耦合时形成无线能量传输通道，以进行能量无线传输。

可选的，所述发射端中的线圈结构与所述接收端中的线圈结构均为并排 DD型结构。

可选的，所述发射端和所述接收端在结构上关于对称面对称，所述对称面是与所述发射端补偿线圈层、所述接收端补偿线圈层距离相等的面。

可选的，所述发射端包括的发射端磁屏蔽层、发射端磁介质层、发射端支撑层、发射端传能线圈层、发射端补偿线圈层的形状均为矩形；所述接收端包括的接收端补偿线圈层、接收端传能线圈层、接收端支撑层、接收端磁介质层、接收端磁屏蔽层的形状均为矩形。

可选的，所述发射端补偿线圈层的补偿线圈垂直于所述发射端传能线圈层的传能线圈。

可选的，所述接收端补偿线圈层的补偿线圈垂直于所述接收端传能线圈层的传能线圈。

可选的，所述发射端磁介质层紧固粘贴在所述发射端磁屏蔽层上，所述接收端磁介质层紧固粘贴在所述接收端磁屏蔽层上。

可选的，所述发射端支撑层与所述接收端支撑层均采用亚克力板材料，所述发射端磁屏蔽层与所述接收端磁屏蔽层均由铝板组成。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

本实用新型提供了一种双边LCC无线补偿充电优化装置，该装置包括发射端、接收端；发射端主要包括发射端磁屏蔽层、发射端传能线圈层和发射端补偿线圈层；接收端主要包括接收端补偿线圈层、接收端传能线圈层和接收端磁屏蔽层；耦合发射端传能线圈层的传能线圈与接收端传能线圈层的传能线圈进行能量无线传输；增大发射端补偿线圈层和接收端补偿线圈层的线圈面积使发射端补偿线圈层的补偿线圈与接收端补偿线圈层的补偿线圈耦合时形成无线能量传输通道以进行能量无线传输。

因此，本实用新型通过增大发射端和接收端的补偿线圈面积，使得补偿线圈除了进行无功补偿外，在垂直位置上还形成了额外的无线能量传输通道，增大无线传输效率，进而提高电动汽车的传输效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为双边LCC补偿的无线充电谐振变换拓扑图；

图2为传统双边LCC无线补偿充电系统的结构示意图；图2(A)为传统双边LCC无线补偿充电系统的俯视图；图2(B)为传统双边LCC无线补偿充电系统的正视图，图2(C)为传能线圈示意图；图2(D)为补偿线圈示意图；

图3为本实用新型实施例双边LCC无线补偿充电优化装置的俯视图；

图4为本实用新型实施例双边LCC无线补偿充电优化装置的正视图；

图5为本实用新型实施例传能线圈示意图；

图6为本实用新型实施例补偿线圈示意图；

图7为增大补偿电感后的接收端和发射端耦合电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供了一种双边LCC无线补偿充电优化装置，其目的在于增大补偿线圈的线圈面积，使得补偿线圈除了进行无功补偿外，在垂直位置上还形成了额外的无线能量传输通道，增大无线传输效率，进而提高电动汽车的传输效率。

与此同时，结合并排DD型线圈的传输特性，传能线圈在Y位置上具有很好的抗偏移能力，而补偿线圈与传能线圈位置垂直，在补偿线圈具有传能效果的同时，实现了在X位置上电动汽车的抗偏移能力，进一步提高电动汽车的传输效率。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

适用于电动汽车无线充电系统的集中磁耦合机构的线圈结构主要有环形、双矩形(并排DD型)、DDQ型以及交叠DD型，表1对线圈结构的特性进行了对比。

表1电磁耦合线圈结构的对比表

综合考虑传能效率、设计方法以及成本问题，当前使用比较广泛的是双矩形(并排DD型)传能方式，其原因为：1)双矩形线圈具有最佳的单方向抗偏移能力；2)相对于其他线圈结构，双矩形线圈所需铁氧体少，成本与体积均是最优。

在车载充电应用中，驾驶者对前后方向的调整和控制并不难。这种情况下，汽车行驶入库后，虽然左右方向不易调整，但只要将双矩形线圈具有强抗偏移能力的方向与之对应即可。

为了实现高效率的无线电能传输，需要对发射端和接收端进行无功补偿，并形成高频谐振，以降低线圈内的无功功率和前级驱动电源的视在功率等级。

常见的无线充电系统无功补偿网络按照谐振网络的个数分为单级谐振和多级谐振，其中单级谐振根据补偿电容的位置又可分为SS，SP，PS，PP四种补偿模式，多级谐振根据补偿网络的形状分为T(LCC)型和π(CLC)型等。由于车载充电系统大功率输出时需要实现恒流输出，所以只在易于实现恒流输出的无功补偿电路中进行选型。表2对几种无功补偿电路的优缺点进行了比较。

表2适于恒流输出控制的无功补偿电路比较表

比较常用的补偿方式为LCC无功补偿，原因如下：1)谐振状态下，接收端线圈电流超前发射端线圈电流90度，线圈内无功功率小，逆变器功率因数高，符合实现高效率无线传输所需满足的三个基本特征；2)发射端、接收端磁耦合机构分离时，发射端自动处于高阻状态，无需控制；3)功率传输能力与辅助电感值相关，与发射端、接收端的线圈值关系不大，易于设计；4)负载动态范围较大，谐振条件下负载变化对软开关影响不大；5)输出电流与输入电压、耦合系数成正比，与输出电压无关，易于实现在不同电压下的恒流充电控制。其中，采用电压型全桥逆变器驱动的双边LCC无功补偿电路拓扑结构如图1所示：

当前的双边LCC无线补偿充电系统设计采用磁集成式一体化设计，特点如下：1)补偿电感主要起无功补偿的作用，意味着补偿线圈的尺寸远小于主线圈的尺寸，在额定垂直间距下不会形成额外的无线能量传输通道；2)平板式补偿电感的散热情况较好，利于实现自然散热；3)磁耦合器的高度仅需增加导线厚度大小，就可以实现LCC网络和主线圈的一体化集成式设计，系统紧凑性高。其中，磁集成式LCC补偿电感与功率传输DD线圈一体化设计结构如图2 所示。

传统双边LCC无线补偿充电系统其结构如图2所示，其中，图2(A)为传统双边LCC无线补偿充电系统俯视图，其中11为传能线圈，22为补偿线圈。图 2(B)为传统双边LCC无线补偿充电系统正视图，包括发射端磁屏蔽层1、发射端传能线圈层2、发射端补偿线圈层3、接收端补偿线圈层4、接收端传能线圈层5以及接收端磁屏蔽层6。前面已经介绍了，传统双边LCC无线补偿充电系统的补偿线圈只具有无功补偿功能，因此将线圈面积设计的很小，将图2(A) 拆分为如图2(C)传能线圈和图2(D)补偿线圈，可以发现补偿线圈面积远小于传能线圈面积，因此补偿线圈的耦合系数很小被忽略掉了，对系统的能量传输无影响，进而也无法在X方向提升电动汽车充电的抗偏移能力。

本实用新型在传统双边LCC无线补偿充电系统做了进一步优化，增大补偿线圈的线圈面积，构建了补偿线圈间的无线能量传输通道。

在此基础上，本实用新型提供的一种双边LCC无线补偿充电优化装置，包括发射端、接收端。

所述发射端包括依次设置的发射端磁屏蔽层1、发射端磁介质层、发射端支撑层、发射端传能线圈层2和发射端补偿线圈层3；所述接收端包括依次设置的接收端补偿线圈层4、接收端传能线圈层5、接收端支撑层、接收端磁介质层以及接收端磁屏蔽层6。

耦合所述发射端传能线圈层2的传能线圈与所述接收端传能线圈层5的传能线圈进行能量无线传输。

增大所述发射端补偿线圈层3和所述接收端补偿线圈层4的线圈面积使所述发射端补偿线圈层3的补偿线圈与所述接收端补偿线圈层7的补偿线圈耦合时形成无线能量传输通道，以进行能量无线传输。

所述发射端中的线圈结构与所述接收端中的线圈结构均为并排DD型结构。所述发射端和所述接收端在结构上关于对称面对称，所述对称面是与所述发射端补偿线圈层3、所述接收端补偿线圈层4距离相等的面。

所述发射端包括的发射端磁屏蔽层1、发射端磁介质层、发射端支撑层、发射端传能线圈层2、发射端补偿线圈层3的形状均为矩形；所述接收端包括的接收端补偿线圈层4、接收端传能线圈层5、接收端支撑层、接收端磁介质层、接收端磁屏蔽层6的形状均为矩形。

所述发射端补偿线圈层3的补偿线圈垂直于所述发射端传能线圈层2的传能线圈。所述接收端补偿线圈层4的补偿线圈垂直于所述接收端传能线圈层5 的传能线圈。

所述发射端磁介质层紧固粘贴在所述发射端磁屏蔽层1上，所述接收端磁介质层紧固粘贴在所述接收端磁屏蔽层6上。优选的，所述发射端支撑层与所述接收端支撑层均采用亚克力板材料，所述发射端磁屏蔽层1与所述接收端磁屏蔽层6均由铝板组成。

其中，图3为双边LCC无线补偿充电优化装置的俯视图；图4为双边LCC 无线补偿充电优化装置的正视图，包括发射端磁屏蔽层1、发射端传能线圈层 2、发射端补偿线圈层3、接收端补偿线圈层4、接收端传能线圈层5以及接收端磁屏蔽层6。将图3拆分为如图5为传能线圈示意图和图6为补偿线圈示意图。

从图3-图6可以发现本实用新型中补偿线圈的线圈面积明显增大。这是由于无线充电系统的传能效率主要和耦合系数有关，而偶尔系数的决定因素在于线圈面积。有别于传统双边LCC无线补偿充电系统补偿线圈面积很小，不足以构建补偿线圈的传能通道，本实用新型增大了补偿线圈的线圈面积，并当补偿线圈的线圈面积增大到一定程度后，发射端补偿线圈层3、接收端补偿线圈层4 间形成传能通道，此后随着补偿线圈的线圈面积逐渐增大，传能效率逐渐升高。

结合传统双边LCC无线补偿充电系统的性能优势，补偿线圈和传能线圈夹角为90°，实现补偿线圈与传能线圈的解耦。本实用新型在这基础上增大了补偿线圈面积，补偿线圈在与传能线圈解耦的同时，又在补偿线圈之间构建传能通道，且补偿线圈与传能线圈之间无耦合关系，如图7所示。

由于补偿线圈电感值及线圈面积较小，传统双边LCC无线补偿充电系统的耦合系数只有K1_2，而耦合系数与效率有如下关系：

K——耦合系数；

Q1——发射端品质因数；

Q2——接收端品质因数；

从耦合系数与效率关系式可知，只有提高耦合系数或者提高品质因数才可以提高无线充电系统的传输效率，如果不考虑品质因数的影响，可知耦合系数越大，效率越高。

本实用新型通过增大补偿线圈的线圈面积，使补偿线圈产生耦合，如图7所示，除了传统双边LCC无线补偿充电系统的耦合系数只有K1_2，由于补偿电感的增大，充电系统中同时存在了耦合系数Kf1_f2，因此整个系统的耦合系数因此而增大，根据耦合系数与效率关系式可知无线充电系统的传输效率因此较传统双边LCC无线补偿充电系统会有一定提高。

根据前面的论述，传统双边LCC无线补偿充电系统由于其结构特点在Y方向上具有很强的抗偏移能力，但由于其补偿电感线圈面积较小无法进行能量传输，虽然补偿线圈同样采用了并排DD型结构，但是在X方向上不具有抗偏移能力。本实用新型由于增大了补偿线圈的线圈面积，补偿线圈同样具有传能效果。因此，并排DD型线圈的抗偏移能力也在补偿线圈上得到体现，本实用新型在X方向上也具有一定抗偏移能力。

同时，由于补偿线圈和传能线圈之间夹角位置垂直实现解耦，在线圈设计过程中，可以忽略补偿线圈和传能线圈之间相互影响，对补偿线圈和传能线圈的各自的耦合关系独立设计，不需要考虑补偿线圈和传能线圈的耦合关系，降低了整个系统的设计难度。

与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果如下：

第一，补偿线圈除无功补偿外还具备传能效果，具体为补偿线圈之间形成传能通道，提高系统的传能效率。

第二，区别于传统双边LCC无线补偿充电系统，补偿线圈的线圈面积较小不构成发射端、接收端的传能通道，本实用新型通过增大了补偿线圈的线圈面积，从不具有传能效果开始，随着补偿线圈的线圈面积逐渐增大，当线圈面积增大到一定值，补偿线圈之间形成传能通道，并且该通道传能效率随着补偿线圈的线圈面积增大而提高，即补偿线圈的传能效果与线圈面积有关，在系统整体规划尺寸范围内，线圈面积越大，传能效果越好。

第三，补偿线圈与传能线圈夹角为90°，使得补偿线圈和传能线圈的有效重叠面积减小，进而实现补偿线圈和传能线圈解耦，因此补偿线圈和传能线圈的传能通道可以独立考虑，分别设计其线圈的尺寸和耦合系数的参数关系，降低了系统的设计难度。

第四，传统双边LCC无线补偿充电系统采用并排DD型结构，发射端线圈的并排DD型设计使其在Y方向具有很好的抗偏移能力。本实用新型中补偿线圈同样采用并排DD型设计方式，提高了电动汽车的在X方向上的抗偏移能力，当电动车在X和Y方向产生偏差时，仍能保持较高的传能效率。

本文中应用了具体个例对本实用新型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实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，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实用新型的限制。

Claims (8)

1.一种双边LCC无线补偿充电优化装置，其特征在于，所述双边LCC无线补偿充电优化装置包括发射端、接收端；

所述发射端包括依次设置的发射端磁屏蔽层、发射端磁介质层、发射端支撑层、发射端传能线圈层和发射端补偿线圈层；

所述接收端包括依次设置的接收端补偿线圈层、接收端传能线圈层、接收端支撑层、接收端磁介质层以及接收端磁屏蔽层；

耦合所述发射端传能线圈层的传能线圈与所述接收端传能线圈层的传能线圈进行能量无线传输；

增大所述发射端补偿线圈层和所述接收端补偿线圈层的线圈面积使所述发射端补偿线圈层的补偿线圈与所述接收端补偿线圈层的补偿线圈耦合时形成无线能量传输通道，以进行能量无线传输。

2.根据权利要求1所述的双边LCC无线补偿充电优化装置，其特征在于，所述发射端中的线圈结构与所述接收端中的线圈结构均为并排DD型结构。

3.根据权利要求2所述的双边LCC无线补偿充电优化装置，其特征在于，所述发射端和所述接收端在结构上关于对称面对称，所述对称面是与所述发射端补偿线圈层、所述接收端补偿线圈层距离相等的面。

4.根据权利要求2所述的双边LCC无线补偿充电优化装置，其特征在于，所述发射端包括的发射端磁屏蔽层、发射端磁介质层、发射端支撑层、发射端传能线圈层、发射端补偿线圈层的形状均为矩形；所述接收端包括的接收端补偿线圈层、接收端传能线圈层、接收端支撑层、接收端磁介质层、接收端磁屏蔽层的形状均为矩形。

5.根据权利要求4所述的双边LCC无线补偿充电优化装置，其特征在于，所述发射端补偿线圈层的补偿线圈垂直于所述发射端传能线圈层的传能线圈。

6.根据权利要求4所述的双边LCC无线补偿充电优化装置，其特征在于，所述接收端补偿线圈层的补偿线圈垂直于所述接收端传能线圈层的传能线圈。

7.根据权利要求1所述的双边LCC无线补偿充电优化装置，其特征在于，所述发射端磁介质层紧固粘贴在所述发射端磁屏蔽层上，所述接收端磁介质层紧固粘贴在所述接收端磁屏蔽层上。

8.根据权利要求1所述的双边LCC无线补偿充电优化装置，其特征在于，所述发射端支撑层与所述接收端支撑层均采用亚克力板材料，所述发射端磁屏蔽层与所述接收端磁屏蔽层均由铝板组成。