CN213817361U - 可调无线充电系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了可调无线充电系统，分为发射端和接收端，发射端谐振网络至少包含发射线圈以及第一电容，接收端谐振网络至少包括接收线圈以及第二电容，还包括修正电容、修正电感；发射端修正电容与第一电容并联；接收端修正电容与第二电容并联；发射端修正电感与发射线圈串联；接收端修正电感与接收线圈串联，并向接收端提供可变的电感值；发射端谐振网络的输入源的驱动频率、发射端谐振网络的谐振频率、接收端谐振网络的谐振频率，均在79kHz‑90kHz。本实用新型的可调无线充电系统，通过修正器件，调整发射端谐振网络和接收端谐振网络的总电容值或总电感值，从而保证谐振的稳定，减少环境电磁场的干扰，获得最大的效率传输和最低的干扰噪声。

Description

可调无线充电系统
技术领域
本实用新型涉及无线充电领域，尤其涉及可调无线充电系统。
背景技术
无线充电是一种非接触式的能量传输方式，可实现能源的安全、高效利用，特别是自动驾驶、自动泊车的电动汽车采用无线充电可有效支撑车辆的全程无人化操作，是新能源汽车发展的重要方向。电能的无线传输通过激励交变的电磁场方式实现，为获得较大的功率传输势必需要提高电磁场的强度；而另一方面由于是在开放空间中激励电磁场能量，无线充电又不可避免的会涉及到电磁兼容(EMC)问题。
专利CN110126648A《电动汽车无线充电最大电流跟踪的自寻优调谐控制方法》提出了一种通过变频控制调整逆变器的工作频率以获得最大输出电流的方法，由于变频调整会使电压、电流均含有丰富的高次谐波，并且由于工作频率的频繁调整造成谐波的组成非常复杂，这些谐波的电磁噪声能量会通过电路连接或电磁波空间耦合形成电磁干扰，对系统自身和周围环境产生较大的电磁兼容问题。
实用新型内容
本实用新型提供一种可调无线充电系统，能够减少环境电磁场的干扰，获得更高的效率传输和低干扰噪声。
本实用新型的可调无线充电系统，分为发射端和接收端，在所述发射端具有发射端谐振网络，所述发射端谐振网络至少包含发射线圈以及第一电容，在所述接收端具有接收端谐振网络，所述接收端谐振网络至少包括接收线圈以及第二电容，还包括多个修正器件，分别为发射端修正电容、接收端修正电容、发射端修正电感和接收端修正电感；所述发射端修正电容与所述第一电容并联，并向所述发射端提供可变的电容值；所述接收端修正电容与所述第二电容并联，并向所述接收端提供可变的电容值；所述发射端修正电感与所述发射线圈串联，并向所述发射端提供可变的电感值；所述接收端修正电感与所述接收线圈串联，并向所述接收端提供可变的电感值；所述发射端谐振网络的输入源的驱动频率、所述发射端谐振网络的谐振频率、所述接收端谐振网络的谐振频率，均在79kHz-90kHz。
优选的，所述接收端修正电容提供电容变化值△C；在所述发射端还具有逆变器；在所述接收端还具有整流器；所述逆变器输出的电流I1为：
Figure DEST_PATH_GDA0003051942590000021
其中，UAB是所述逆变器的输出电压；Uab是所述整流器的输入电压；ω0是系统的谐振角频率；M是互感系数。
优选的，电容变化值△C小于0时，逆变器输出的电流产生相位。
优选的，所述逆变器的金属-氧化物半导体场效应晶体开关管为：零电压开关和/或零电流开关。
优选的，工作频率处于环境中电磁场的下边带和上边带之间的间隙。
优选的，所述发射端修正电感和所述接收端修正电感分别具有控制输入端口，用于控制电感值的变化；所述发射端修正电容和所述接收端修正电容各自的极板之间充满磁流变液的电解质，且极板外缠绕有线圈。
本实用新型的可调无线充电系统，通过修正器件，调整发射端谐振网络和接收端谐振网络的总电容值或总电感值，从而保证谐振的稳定，减少环境电磁场的干扰，获得最大的效率传输和最低的干扰噪声。
附图说明
图1为本实用新型可调无线充电系统的整体拓扑图。
图2为本实用新型可调无线充电系统的局部拓扑图。
图3为本实用新型可调无线充电系统中发射线圈和接收线圈的结构示意图。
图4为本实用新型可调无线充电系统中工作频率范围与广播频段的示意图。
图5a-5d为本实用新型可调无线充电系统中发射端谐振网络和接收端谐振网络的四种结构示意图。
附图标记：
电源1；直流变换器2；逆变器3；发射端谐振网络4；发射端控制器 5；发射端通信模块6；接收端谐振网络7；整流器8；滤波器9；负载10；接收端控制器11；接收端通信模块12；上壳体13；线圈托架14；线圈15；铁氧体16；屏蔽板17；下壳体18；发射端Tx；接收端Rx；发射线圈L1；接收线圈L2；滤波电感L0；发射端修正电感Lm1；接收端修正电感Lm2；第一电感C1；第二电感C2；发射端修正电容Cm1；接收端修正电容Cm2；滤波电容C0；控制输入端口IP；Mosfet开关管S1、S2、S3、S4；整流二极管D1、D2、D3、D4。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。
参见图1和图2，本实用新型的可调无线充电系统具有发射端Tx和接收端Rx。发射端Tx将电源1提供的工频交流电经过直流变换器2进行整流和功率因数调整后，变换为直流电。然后利用逆变器3将直流电转换为高频交流电。高频交流电经发射端谐振网络4，驱动发射线圈L1工作。发射端谐振网络4具有第一电容C1(补偿电容，本申请中没有独立的描述补偿网络，该第一电容C1起到了补偿网络的功能)，其与发射线圈L1构成发射端谐振回路，从而产生相应频率的交变磁场，以耦合到接收端Rx的接收线圈L2，接收线圈L2可以感应出交变电流。接收端谐振网络7中的第二电容C2(补偿电容，与上述U仙童，第二电容C2起到了补偿网络的功能)和接收线圈L2形成谐振回路。
接收端Rx接收的电流经过整流器8转换成直流，再经滤波器9滤波后为负载10供电，通常是给电池充电。
发射端Tx具有发射端控制器5，接收端Rx具有接收端控制器11，无线充电工作时，发射端控制器5和接收端控制器11采集各部分的电流、电压等参数，控制各部件的工作，并通过发射端通信模块6和接收端通信模块12交互，实现双侧控制器的指令和信息传输共享。
工作过程中，为了减小可调无线充电系统对电网的冲击，以及谐波干扰问题，在发射端Tx设置的直流变换器2中，具有整流桥和功率因数校正电路。发射端控制器5控制补偿的电流和电压的相位差，使输入电流正弦化，降低输入电流的总谐波因数，提高功率因数。
发射线圈L1和接收线圈L2的整体结构相似，参见图3，依次为包括：上壳体13、线圈托架14、线圈15、铁氧体16、屏蔽板17和下壳体18。上壳体13和下壳体18两部分位于整体结构的最顶层和最底层，主要用于封装线圈。线圈15敷设在铁氧体16上，铁氧体16一般是高磁导率的铁氧材料。铁氧体16和下壳体18之间，设置的屏蔽层17优选的是铝合金材质的金属薄板，通常采用铁磁材料和铝合金，用来降低无线充电线圈电磁辐射干扰。
通过上述设置可以降低无线充电工作时向外发出的噪声强度，有效克服或改善电磁兼容的问题。为进一步提高设备电磁兼容的能力，解决可调无线充电系统主要面临的谐波电磁场的同频干扰、邻频干扰等问题，无线充电时的工作频率f0在充电时是固定的，并且通过选择工作频率f0，使此工作频率f0及在此频率工作时产生的谐波能避开环境中电磁场的频率。工作频率f0优选的为79-90kHz。
以汽车无线充电为例，环境中电磁场可能包括铁路通信系统 (10kHz-250kHz)，水上无线电(90kHz-110kHz)，业余无线电 (135.7-137.8kHz)和中波广播(526.5kHz-1606.5kHz)等。
可调无线充电系统(以电动汽车充电为例)一般与铁路通信系统和水上无线电系统有一定的间隔距离，而当可调无线充电系统设置在间隔距离在5米以上的位置就不会存在干扰的风险。无线充电的频段与业余无线电和中波广播不重叠，但无线充电设备很可能与中波广播接收机(例如车载的广播设备)的间隔距离非常小，无线充电工作时产生的谐波可能会干扰中波广播，需要考虑采取电磁兼容的措施来保护中波广播。
根据国家强制标准GB2017-80《中波广播网覆盖技术》的规定，我国用于中波音频业务广播的频率范围为526.5-1606.5kHz，中波广播的频道间隔为9kHz，发射的信号带宽小于10kHz，音频带宽小于4.5kHz。载波的频道中心，即频道的下边带LSB(lower-sideband)和上边带USB (upper-sideband)之间存在着没有载波的间隙，这个间隙宽度为300Hz。
在无线充电的工作频率范围内选取一个作为工作频率，计算n次谐波频率，判断n次谐波落在广播频段内的位置。参见图4，示出的是工作频率范围与广播频段的示意图。优选的可调无线充电系统的工作频率及其各次谐波应落入到载波频道的频率范围之外，或频道中心的间隙(如图4实线方框所示)，这样不会对中波音频接收产生任何干扰。其次是落入载波频道相邻通道之间的间隙，即音频载波USB或LSB的边缘(如图4虚线方框所示)，其产生干扰的可能性比落入频道之外和中心间隙要大。
以下是一个无线充电工作频率选择的实施例，以上海市辖区的中波广播为例，其中波广播的发射频率如下表1所示。
表1
Figure DEST_PATH_GDA0003051942590000061
先预设无线充电的工作频率为85.5kHz，并计算各次谐波分布如表2 所示。
表2
谐波次数 谐波频率 说明
2 171
3 256.5
4 342
5 427.5
6 513
7 598.5
8 684
9 769.5
10 855 与表1中第3组中心发射频率重合
11 940.5
12 1026
13 1111.5
14 1197 与表1中与第7组中心发射频率重合
15 1282.5
16 1368
17 1453.5
当本申请的可调无线充电系统以85.5kHz作为工作频率时，除10、14 次谐波外，各次谐波都落入到中波频道的频率范围之外，其10次谐波落入 855kHz频道的中心，其14次谐波落入频道1197kHz的中心。而采用其它频率作为工作频率时，有谐波落入到LSB和USB的区域的情况，因此选择以85.5kHz作为工作频率时电磁兼容性能更优。
下面对可调无线充电系统中发射端谐振网络4和接收端谐振网络7进行说明。为了方便描述，可以将这二者统称为谐振网络。参见图5a、图5b、图5c和图5d，示出了谐振网络的四种结构，分别是“串联-串联谐振”、“串联-并联谐振”、“并联-串联谐振”和“并联-并联谐振”。当然，除此以外，还有LCC型，π型等复合型补偿结构。
图5a到图5d中，R1为发射端谐振回路的总电阻，RL是负载10的电阻，R2为接收端谐振回路的总电阻。需要注意的是，图5a到图5d中是为了示意出两侧谐振网络可以使用的结构，仅作为示意使用，并不与图2的结构矛盾。
谐振频率与电感、电容之间的关系是：
Figure DEST_PATH_GDA0003051942590000071
上述公式中L是总电感值，C是电容值。在发射端Tx，总电感值是包括发射线圈L1在内的整体电感值；在接收端Rx，总电感值是包括接收线圈L2在内的整体电感值。对于由理想元件组成的上述谐振网络中，L可以表示线圈电感，C表示匹配选择的工作频率而选择的补偿电容。
上述谐振网络中发射线圈L1、第一电容C1组成的发射端谐振回路的谐振频率为f1，由接收线圈L2、第二电容C2组成的接收端谐振回路的谐振频率为f2。如发射端谐振网络的AC交变输入源的驱动频率为fk，当fk 等于前述选择的工作频率f0，并也与发射端谐振回路的谐振频率为f1、接收端谐振回路的谐振频率为f2相等，即f0＝fk＝f1＝f2时，可调无线充电系统在工作频率f0时达到谐振状态，可实现最高效率的能量传输。
然而由于在生产制造过程中不可能做到完全精确，补偿电容的容值一般会有±0.5％到±20％的偏差，线圈的绕制工艺更加复杂，如汽车金属机身等环境变化、安装条件的限制，以及电路杂散电感和电容等因素导致线圈参数的偏差更大，补偿电容和线圈电感的偏差会使谐振频率偏离选择的工作频率。
为克服上述不足，在发射端Tx或接收端Rx的至少一侧的谐振网络中增加修正器件——修正电感和修正电容中的至少一种。为了方便说明，将在发射端Tx的修正电感和修正电容，称为发射端修正电感Lm1和发射端修正电容Cm1；在接收端Rx的修正电感和修正电容，称为接收端修正电感Lm2 和接收端修正电容Cm2。也可以说修正电感安装在发射端Tx时称为发射端修正电感Lm1，安装在接收端Rx时称为接收端修正电感Lm2。修正电容同理。
发射端Tx和接收端Rx中的任意一侧设置修正器件，或者双侧都设置修正器件，都可以用于本申请。同时，修正器件可以选用一个修正电感或者一个修正电容，也可以同时使用修正电感和修正电容。
如图2所示，双侧都设置有修正器件，发射端Tx设置了发射端修正电感Lm1和发射端修正电容Cm1，在接收端Rx还具有接收端修正电感Lm2和接收端修正电容Cm2。
发射端修正电感Lm1和接收端修正电感Lm2的结构和形式可以相同，为了方便说明会统称为修正电感。同样的，发射端修正电容Cm1和接收端修正电容Cm2会统称为修正电容。
修正电感优选的采用饱和电感绕组，具有控制输入端口IP，通过流入的直流电流大小控制其提供电感变化值的大小——当流过修正电感的饱和电感绕组电流较小时，电感不饱和，此时电感变化值较大；流过电流较大时，电感饱和，电感变化值较小。
修正电容优选的采用磁流变液电容，这种电容中以磁流变液作为电解质充满在电容中，电容外部缠绕线圈，当线圈通入电流时内部产生磁场。磁流变液由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成，在外加磁场的作用下，其介电常数发生改变。当输入电流增加时，线圈内的磁场强度加大，修正电容的电容变化值增加，当输入电流减小时，线圈内的磁场强度下降，电容变化值减小。
当可调无线充电系统处于谐振状态时，发射端谐振网络4中，总电感值是发射线圈L1的电感值和修正电感的电感变化值的总值，第一电容C1 的电容值和修正电容的电容变化值的总值，是总电容值。接收端谐振网络 7同理。
当可调无线充电系统生产或安装完成后，分别检测发射端Tx和接收端 Rx双侧的数据，如有偏差超出允许范围，可调整修正器件(修正电感或修正电容)，使总电感值和总电容值处于合理范围，从而使无线充电工作时仍能达到谐振状态，并能保证系统固定于所选择的工作频率工作。
下面参见图2，发射端Tx没有示出直流变换器，其最左侧为逆变器3， S1、S2、S3和S4为逆变器的Mosfet(金属-氧化物半导体场效应晶体， Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor)开关管。D1、D2、 D3和D4为整流器8的整流二极管。滤波器9包括的滤波电容C0和滤波电感L0。
由于可调无线充电系统的工作在较高的频率，直流变换器2、逆变器3 等的开关器件在开关过程中电压、电流的变换率很快，这会导致产生附加的损耗和影响电磁兼容性能的噪声。为了减小开关器件的损耗，要使开关管在关断和开通过程电流或电压为零，从而使用零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)，能够让开关器件导通时处于零电压的状态下，关断时处于零电流的状态下，而因为开关器件在电流过零点进行切换，理论上其开关损耗和电磁干扰为零。
对于开关管的关断过程，在关断之前，开关管两端的等效结电容就已经完成充电，在电流正好下降为0时关断开关管。对于导通过程，利用开关管两端的等效结电容放电，使得结电容的电压降至0，电流缓慢增加到输出稳态值，此时开关管开通。
修正器件能够提供修正值，即上述的电感变化值和电容变化值，这使得原本谐振网络中的电感值或电容值能够进行调整，以满足软开关的工作条件。
电动汽车无线充电中，逆变器3的设计中常用的是Mosfet开关管(下面简称开关管)，其采用零电压开关开通是比较有利的。如图2所示，将接收端修正电容Cm2的容值调整，提供一个电容变化值ΔC，对应的可以得出，逆变器的输出电压UAB与输出电流I1有以下关系式：
Figure DEST_PATH_GDA0003051942590000101
其中M为发射线圈L1和接收线圈L2之间的互感系数，ω0是系统的谐振角频率。
从上式可以看出，输入虚部有一个ΔC的增加项，如设置调整值ΔC<0，即减小接收端修正电容Cm2的电容值，将使逆变器3的输出阻抗呈现弱感性，这样会使电流相位从原来谐振状态的与电压相位同步变化为略微滞后一定角度。在开关管开通前逆变器3的输出电流为负，在一个死区时间内可以使开关管两端结电容完成充放电，并实现同一桥臂的另一个开关管的反并联二极管导通，从而实现了零电压开关功能。虽然将发射端谐振网络 4设置为弱感性，会使系统增加一部分无功功率，但是无功功率相对传输功率而言很小，仍然可以近似认为处于谐振状态。
电动汽车无线充电时，当发射线圈L1与接收线圈L2完全对准时可获得最大的传输效率，而由于电动汽车停车时发射线圈与接收线圈水平方向往往会有一定的偏移，同时车内载重变化也会使发射线圈L1和接收线圈 L2垂直方向的气隙间距发生变化，上述偏移和气隙变化会使发射线圈L1 和接收线圈L2的自感和互感发生变化。
无线充电工作时电路中高频电流会使电路中寄生电感和电容变大，谐振网络中的器件也会因为温升而使参数发生变化；另外，充电过程中负载阻抗也在不断变化中，接收端Rx反射到发射端Tx的阻抗就会发生改变，这些情况均会使谐振频率偏离择的工作频率，从而不能保证最大传输效率和系统稳定的工作。
对于上述问题，同样可以通过修正器件解决。通过修正电感、修正电容，实现对谐振回路中的总电容之和总电感值的调节，以使无线充电在以所选择的固定工作频率工作时能达到谐振状态。
无线充电工作时，可以结合系统的控制策略动态调整修正电感或修正电容的变化，使谐振网络保持在所选择的固定工作频率，并使发射端Tx和接收端Rx两侧处于谐振状态及弱感性的工作状态。
另外，电动汽车在实际的使用中会有多个充电地点，前述工作频率f0 的选择方法不可能使其各次谐波同时避开全国或全球范围所有地点的中波频道而不发生任何重叠。因此，工作频率可以根据不同的充电地点的中波广播频段而设置，在一个地点选择工作频率仍依照前述的方法，各个地点与中波频道不发生干扰的工作频率值确定后，预存在无线充电发射端或接收端，或者无线充电管理系统之内。
或者在系统开始工作前根据该地点的中波频段先确定工作频率，通过发射端通信模块6和接收端通信模块12交互该地点的工作频率选择值，并根据选择的工作频率调整修正器件相对应的数值，使系统按照设定的工作频率处于近似谐振及弱感性的工作状态，以获得最大的效率传输和最低的干扰噪声。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本实用新型的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，但本实用新型不以图面所示限定实施范围，凡是依照本实用新型的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种可调无线充电系统，分为发射端(Tx)和接收端(Rx)，在所述发射端(Tx)具有发射端谐振网络(4)，所述发射端谐振网络(4)至少包含发射线圈(L1)以及第一电容(C1)，在所述接收端(Rx)具有接收端谐振网络(7)，所述接收端谐振网络(7)至少包括接收线圈(L2)以及第二电容(C2)，其特征在于，
还包括多个修正器件，分别为发射端修正电容(Cm1)、接收端修正电容(Cm2)、发射端修正电感(Lm1)和接收端修正电感(Lm2)；
所述发射端修正电容(Cm1)与所述第一电容(C1)并联，并向所述发射端(Tx)提供可变的电容值；
所述接收端修正电容(Cm2)与所述第二电容(C2)并联，并向所述接收端(Rx)提供可变的电容值；
所述发射端修正电感(Lm1)与所述发射线圈(L1)串联，并向所述发射端(Tx)提供可变的电感值；
所述接收端修正电感(Lm2)与所述接收线圈(L2)串联，并向所述接收端(Rx)提供可变的电感值；
所述发射端谐振网络的输入源的驱动频率、所述发射端谐振网络(4)的谐振频率、所述接收端谐振网络(7)的谐振频率，均在79kHz-90kHz。
2.根据权利要求1所述的可调无线充电系统，其特征在于，
所述接收端修正电容(Cm2)提供电容变化值△C；
在所述发射端(Tx)还具有逆变器(3)；
在所述接收端(Rx)还具有整流器(9)；
所述逆变器(3)输出的电流I1为：
Figure DEST_PATH_FDA0003051942580000011
其中，
UAB是所述逆变器的输出电压；Uab是所述整流器的输入电压；
ω0是系统的谐振角频率；M是互感系数。
3.根据权利要求2所述的可调无线充电系统，其特征在于，
电容变化值△C小于0时，逆变器(3)输出的电流产生相位。
4.根据权利要求2所述的可调无线充电系统，其特征在于，
所述逆变器(3)的金属-氧化物半导体场效应晶体开关管为：零电压开关和/或零电流开关。
5.根据权利要求1所述的可调无线充电系统，其特征在于，
工作频率处于环境中电磁场的下边带(LSB)和上边带(USB)之间的间隙。
6.根据权利要求1所述的可调无线充电系统，其特征在于，
所述发射端修正电感(Lm1)和所述接收端修正电感(Lm2)分别具有控制输入端口(IP)，用于控制电感值的变化；
所述发射端修正电容(Cm1)和所述接收端修正电容(Cm2)各自的极板之间充满磁流变液的电解质，且极板外缠绕有线圈。
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CN202021934428.0U Active CN213817361U (zh) 2020-09-07 2020-09-07 可调无线充电系统

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11201606B2 (en) * 2017-12-08 2021-12-14 Institute Of Geology And Geophysics, The Chinese Academy Of Sciences CSAMT transmitter

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