CN216751279U - 无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了无线充电系统，包括发射端和接收端，接收端包括：供电电源，以及分别与供电电源连接的主工作系统、辅工作系统和控制器；主工作系统包括依次联通的主逆变电路、主匹配电路和主发射线圈；辅工作系统包括依次联通的辅逆变电路、辅匹配电路和辅线圈组；辅线圈组至少包括四个并联的子线圈，子线圈环绕主发射线圈设置，每个子线圈都连接有独立的控制开关；控制器分别连接主逆变电路和辅逆变电路，使主逆变电路输出的电压和辅逆变电路输出的电压之间具有相位差。本申请发射端子线圈环绕主发射线圈工作，子线圈能够对主发射线圈进行补充，扩大工作范围，并且通过控制相位差，保证线圈的最大磁场不会叠加，保证充电安全。

Description

无线充电系统

技术领域

本实用新型涉及无线充电领域，尤其涉及无线充电系统。

背景技术

无线充电是一种在不需要经过物理接触的情况下即可以直接传输电能的方法，无线充电技术因其安全性和便捷性而具有非常广泛的应用前景。但无线充电发射线圈和接收线圈之间一般会存在着一定的位置偏移，特别是对于电动汽车无线充电，需要配置停车引导和对准检测系统，如CN202110427831.7等专利都提供了类似的方法，这些方法能够提供对准的方案，但在实际应用过程中，缺乏灵活性。例如对汽车的操纵无法做到非常精准地控制，驾驶员或自动泊车系统不能将汽车停泊到理想的位置。而当发射线圈与接收线圈存在着较大的偏移时，无线充电系统的传输功率和效率等都将有明显下降；特别是当偏移超过一定的范围时，甚至会出现不能充电的情况，这将会对无线充电技术的体验和技术的推广造成影响，因此提高无线充电时的偏移容忍限度是无线充电技术需要解决的关键问题之一。

实用新型内容

本实用新型提供一种无线充电系统，扩大了发射线圈的可传输区域，降低了对齐的要求，同时能够保证无线充电的安全工作。

无线充电系统，包括发射端和接收端，所述接收端包括：供电电源，以及分别与所述供电电源连接的主工作系统、辅工作系统和控制器；所述主工作系统包括依次联通的主逆变电路、主匹配电路和主发射线圈；所述辅工作系统包括依次联通的辅逆变电路、辅匹配电路和辅线圈组；所述辅线圈组至少包括四个并联的子线圈，所述子线圈环绕所述主发射线圈设置，每个所述子线圈都连接有独立的控制开关；所述控制器分别连接所述主逆变电路和辅逆变电路，且使所述主逆变电路输出的电压和辅逆变电路输出的电压之间具有相位差；所述接收端包括：接收线圈、接收端匹配电路、接收端整流电路、接收端滤波电路和负载；在无线充电前的对准阶段，所述主发射线圈和所述子线圈同时最多有一个联通工作；在无线充电时，所述主发射线圈联通工作，所述子线圈同时最多有两个联通工作。

优选的，所述辅线圈组具有八个子线圈，分别为第一子线圈、第二子线圈、第三子线圈、第四子线圈、第五子线圈、第六子线圈、第七子线圈和第八子线圈；每个所述子线圈上连接有控制开关；每个所述子线圈依次环绕所述主发射线圈设置。

优选的，所述控制器中包括匹配识别电路，所述匹配识别电路至少包括电流传感器。

优选的，在工作时，所述主发射线圈的输入电流大于所述子线圈的输入电流。

优选的，在工作时，接收端的负载变化，或对输出电压的需求发生改变时，所述控制器调节所述主逆变电路输出的电压和辅逆变电路输出的电压的相位差。

本实用新型无线充电系统，发射端子线圈环绕主发射线圈工作，子线圈能够对主发射线圈进行补充，扩大工作范围，并且通过控制相位差，保证线圈的最大磁场不会叠加，保证充电安全。

附图说明

图1为本实用新型无线充电系统的示意图；

图2A-图2C是本实用新型无线充电系统和接收线圈匹配工作的三种状态示意图；

图3为本实用新型无线充电系统和接收侧的耦合的示意图。

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。

一种无线充电系统，具有发射端和接收端，发射端包括供电电源0、主工作系统1、辅工作系统2和控制器3。

主工作系统1包括依次联通的主逆变电路11、主匹配电路12(或者叫阻抗匹配电路)和主发射线圈L0；辅工作系统2包括依次联通的辅逆变电路21、辅匹配电路22(或者叫辅助阻抗匹配电路)和辅线圈组；辅线圈组包括至少四个子线圈，所述子线圈环绕所述主发射线圈L0设置。

上述主逆变电路11和辅逆变电路21的结构、原理可以是相同的，他们可以被统称为逆变电路。同理，主匹配电路12和辅匹配电路22的结构、原理可以是相同的，他们可以被统称为匹配电路或者阻抗匹配电路。主发射线圈L0和子线圈统称为发射线圈。

控制器3分别连接主逆变电路11和辅逆变电路21，且使主逆变电路11输出的电压和辅逆变电路21输出的电压之间具有相位差，相位差的具体差值下文会说明。

接收端包括：接收线圈C、接收端匹配电路31、接收端整流电路32、接收端滤波电路和负载。

上述子线圈至少四个，在主发射线圈L0的四个方向环绕，在一些实施中，为了更好的实现匹配，可以设置更多的子线圈，例如下文使用八个子线圈为例进行说明。

例如图1、图2A-图2C所示，八个子线圈分别为第一子线圈L1、分别为第二子线圈L2、第三子线圈L3、第四子线圈L4、第五子线圈L5、第六子线圈L6、第七子线圈L7、第八子线圈L8；每个子线圈上连接有控制开关，对应每个子线圈，分为第一控制开关S1、第二控制开关S2、第三控制开关S3、第四控制开关S4、第五控制开关S5、第六控制开关S6、第七控制开关S7、第八控制开关S8。当然，主发射线圈L0也可以包括主控制开关S0。为了方便控制，也可以将这些线圈分为两组，单数一组，双数一组。

上述的子线圈围绕在主发射线圈L0四周。这些子线圈按照编号相邻布置，相邻的子线圈之间可以有部分重叠。按照编号相邻布置。

主发射线圈L0和所有子线圈的线圈结构可以为螺旋盘绕，其外形一般为规则形状，如圆形、正方形、矩形、六角形等形状中的一种或多种的组合，本实施例以盘绕成圆方形来说明，即线圈是四角呈圆弧形的矩形线圈。

本申请中主工作系统1和辅工作系统2是独立的供电回路，避免之间互相干扰。供电电源0所输入的直流电经主逆变电路11和辅逆变电路21转换为高频交流电后，分别输出到主匹配电路12和辅匹配电路22的输入端，高频交流电经匹配电路后分别输入到对应控制开关，以根据需求给对应的主发射线圈L0或子线圈供电。

主匹配电路12、辅匹配电路22都可采用多种网络拓扑结构。主发射线圈L0或接收线圈C与一个补偿电容之间有串联谐振和并联谐振两种基本的拓扑结构，除此之外，还有由多个补偿元件构成的拓扑结构形式，如LCC(电感L-电容C-电容C)、LCL、π型等复合拓扑结构，匹配电路和发射线圈或接收线圈C连接后构成谐振网络。

供电电源0也可以是交流电源，当使用交流电源作为输入时，在逆变电路前端都要各自增加一级整流变换电路，交流电源的输出经整流变换后转换成直流，再输入到逆变电路的输入端。

接收端一般具有接收线圈C、接收端匹配电路31、接收端整流电路32和接收端滤波电路等，这些对于本领域技术人员来说这些是可以知晓的，不做赘述。附图中为了方便理解，以C示出了接收线圈。

所述控制开关S1-S8，分别控制八个子线圈的通断状态，主控制开关S0控制主发射线圈L0的通断状态。控制开关连接在对应的匹配电路后。以图1中为例，主匹配电路12后连接有主控制开关S0；辅匹配电路22后并联有八个控制开关S1-S8。

一个匹配电路同一时间最多只接通二个开关，这主要是说明子线圈中最多有两个在无线充电时处于工作状态。而在无线充电开始前，同时只有一个进行对位检测。也就是在无线充电开始前的对位检测工作中，所有子线圈和主发射线圈L0中，同时只能连接一个工作，这也能避免多个线圈同时工作带来的干扰。在对位完成，进行无线充电时，最多两个子线圈和主发射线圈L0同时工作，此时主发射线圈L0是必然工作的，子线圈可以不工作，也可以是其中一个或两个工作。

下面说具体工作方式。当准备进行无线充电工作时，需要对发射线圈和接收线圈C进行配对识别，具体的方法是通过分析发射线圈组中的各线圈和接收线圈C之间的耦合状态来确定。

首先使控制开关S1～S8均处于断开状态，接通主控制开关S0，将主发射线圈L0与后端的主匹配电路12连接，测量主发射线圈L0与接收线圈C之间的互感值M₀，当M₀≥M_0min，可判断为接收线圈C处于主发射线圈L0的工作范围内，与主发射线圈L0已经对准，其中M_0min为对准互感最小值。如M₀＜M_0min，则可判断接收线圈C和主发射线圈L0尚未对准，需要移动接收装置，继续完成对准的过程。

主发射线圈L0和接收线圈C之间会随着两者中心点的相对偏移量的增加，其互感值会相对变小。互感最小值M_0min是根据主发射线圈L0和接收线圈C处于最低耦合状态而确定，在此状态下被接收线圈C所接收到的电磁能量仍能满足对主发射线圈L0包括功率、电压、电流等输出参数的要求，且能具备在如工作温度等所有允许的工作条件变化下的调节范围。以接收端的主匹配电路12、辅匹配电路22和接收装置的匹配电路31均采用LCC补偿网络为例，在接收装置上的输出功率、电压、电流等参数均可以表达为与供电电源的电压和互感值M₀的一个函数，当供电电压不变时，接收装置的输出参数与互感值M₀具有确定的关系式，据此关系式满足输出参数的要求的最小互感值即为M_0min。

当主发射线圈L0与接收线圈C满足对准条件后，再轮流接通控制开关S1～S8，使子线圈L1～L8依次与后面的匹配电路22连接。当一个子线圈与一个匹配电路22连接时，依次测量每个子线圈与接收线圈C之间的互感值M₁、M₂、M₃、M₄、M₅、M₆、M₇、M₈。在M₁、M₃、M₅、M₇中选取最大互感值M_单max；在M₂、M₄、M₆、M₈中选取最大互感值M_双max；当M_单max≥M_单min时，将M_单max对应的一个控制开关在无线充电时处于接通状态，单数的子线圈对应的其它开关处于断开状态；当M_双max≥M_双min时，M_双max对应的一个控制开关在无线充电时处于接通状态，双数的子线圈对应的其它开关处于断开状态。

当所有子线圈都采用相同的结构、材料时，M_单min和M_双min相等。即M_单min和M_双min的值是根据子线圈和接收线圈C处于最低耦合状态而确定，在此状态下接收线圈C接收到的电磁能量仍能满足对子线圈包括功率、电压、电流等输出参数的要求，且能具备在所有允许的工作条件变化下的调节范围，M_单min和M_双min的确定方法与M_0min相同。

如图2A所示，接收线圈C处于主发射线圈L0工作区域，与子线圈没有耦合或耦合很小，此时有M₀≥M_0min，且M_单max和M_双max均小于M_单min和M_双min，或等于0(即子线圈和接收线圈C无法耦合进行无线充电工作)。当无线充电工作时，使主控制开关S0接通，控制开关S1～S8均处于断开状态。如图2B所示，接收线圈C部分偏离主发射线圈L0的所在区域，与第五子线圈L5处于耦合的状态，与第六子线圈L6也有部分耦合，但耦合区域很小，此时有M₀≥M_0min，且M_单max≥M_单min(因为此时第五子线圈L5与接收线圈C之间的耦合，他们的互感系数相比其它更大，此时M₅即为M_单max)，M_双max＜M_双min。当无线充电工作时，使主控制开关S0和第五控制开关S5接通，其它开关均处于断开状态。如图2C所示，接收线圈C偏离主发射线圈L0所在的区域，与子线圈L1和L8处于部分耦合的状态，此时有M₀≥M_0min，且M_1max≥M_1min，M_8max≥M_8min，当无线充电工作时，使主控制开关S0、第一控制开关S1和第八控制开关S8接通，其它控制开关均处于断开状态。从这里也可以知晓，最多有两个子线圈在无线充电时启动，是因为接收线圈最多与2个子线圈处于耦合状态。当然，这也和子线圈设置的数量和设置的方式有关系，因此，这里提到最多2个，是针对图2C所示的设置方式。

对于互感值M的测量，以下是一个实施例，以无线充电的发射侧和接收侧双侧匹配电路(包括主匹配电路12和辅匹配电路22)均采用LCC补偿网络为例，如图3所示，匹配电路由一个补偿电感和二个补偿电容组成。图3中的发射侧，是主工作系统1或辅工作系统2的结构图，因为具有相似的原理和结构，因此统一以图3的方式示出。

其中L_m是发射侧匹配电路的补偿电感(主匹配电路12和辅匹配电路22均包括该补偿电感)；C_1m是发射装置匹配电路的补偿电容(主匹配电路12和辅匹配电路22均包括该补偿电容)；C_2m是发射装置匹配电路的另一个补偿电容(主匹配电路12和辅匹配电路22均包括该补偿电容)，上述元件下标m可取0、1，m为0对应主匹配电路12的参数，m为1对应辅匹配电路22。Sn表示主控制开关和控制开关接通的一个开关，即为上述的S0-S8，L_n代表接入的一个子线圈或主线圈，即上述的L0-L8。

控制器3中包括匹配识别电路，该电路至少包括电流传感器。在进行测量互感值M时，匹配识别电路可以将图3中的a、b两点连接，并测量发射装置中匹配电路的输入电流I_m(I₀即为主匹配电路12的输入电流、I₁为辅匹配电路22的输入电流)和接收装置匹配电路31的输出电流I_R，此时对于发射线圈L_n和接收线圈C的电感L_R之间的互感值M_n的计算公式如下：

上述计算式中m＝0～1，n＝0～8，m选0时，n为0；m为1时，n为1-8中的一个。即让对应的子线圈和对应的匹配电路对应。

j表示计算项为虚部；L_f是接收装置匹配电路31的补偿电感的电感值；C_R是接收装置匹配电路31的补偿电容的电容值；C_f是接收装置匹配电路31的另一个补偿电容的电容值；L_R是接收装置的接收线圈C的电感值。ω是无线充电系统谐振频率，其值是由谐振网络的接收线圈C的电感值L_R和电容值C_R确定的，即有

上述参数对于一个已经确定的接收装置来说，是已知的固定值，根据上述计算公式和电流测量值I_m、I_R可以获得互感测量值M_n。

当开始无线充电时，根据需要工作的发射线圈(主发射线圈L0以及部分子线圈，或者只有主发射线圈L0)，对应的逆变电路将输入的直流电转换为高频的交流电，加载在需要工作的发射线圈上，使所述线圈上产生交变的电磁场，接收线圈C耦合电磁场后在接收装置上产生交流电，经过接收端整流电路32和接收端滤波电路后传输给如电池等负载使用。当发射装置仅主发射线圈L0与主匹配电路12连通工作时，其无线充电的控制过程可以是现有无线充电技术中所使用的控制方式。当发射装置除主发射线圈L0工作外，有子线圈处于工作状态，此时在接收装置侧相当于主发射线圈L0和子线圈所发射的电磁场的叠加，在接收装置的输出侧受到多个参数的影响。

为了更好的实现控制，对主工作系统1和辅工作系统2进行对应控制，这就需要使用控制器3来实现。

控制器3包括驱动电路，其发出的PWM驱动信号分别加载在逆变电路(主逆变电路11和辅逆变电路21)上，控制器3通过调节PWM驱动信号的占空比和移相角以控制逆变电路的各个功率开关管的导通时序，使逆变电路的输出电压之间存在着相位差Φ，即如逆变电路的直流输入电压均为Us，则两组逆变电路的输出电压分别为：U₀＝U_scos(ωt),U₁＝U_scos(ωt+Φ)。

U₀为主逆变电路11输出的电压，U₁为辅逆变电路21输出的电压。将接收端的电池等负载等效为一个负载电阻R_L，而因为发射线圈之间(主发射线圈L0和子线圈)的互感很小，忽略发射线圈之间的互感，并假设输入电压Us不变，根据基尔霍夫(KVL)电压定律，在负载上的输出电压U_L可以获得表示为以下形式的函数：

上述函数式中k₀、k₁分别为主发射线圈L0和子线圈与接收线圈C之间的耦合系数，此时我们认为全部子线圈是相同的，它们和接收线圈C之间的耦合系数统一用k₁表示。

并有

其中n1＝1、2、3、4、5、6、7、8中的一个。

一旦发射线圈组与接收线圈C之间相对位置确定，那么两者之间的互感值也就确定了，相对的k₀、k₁也是确定值。因此，在输入电压Us不变的情况下，输出电压U_L只与相位差Φ和负载电阻R_L存在明确对应的关系，即：

由此可以得知，在引入了逆变器输出电压相位差Φ之后，当无线电能传输系统的负载电阻R_L变化而导致U_L变化时，或系统对输出电压U_L的需求发生改变时，系统通过控制器对相位差Φ进行调节，从而可以控制输出电压U_L，使得输出电压U_L满足需求值。

接收端的直流输入的输入电流设置为可以独立调节，其中主发射线圈L0作为无线充电主要的能量的发射，在无线充电时主发射线圈L0的输入电流I₀具有最大值，提供无线充电所需的主要电磁能量来源，剩余子线圈的输入电流小于I₀，提供无线充电所需电磁能量的补充。而主发射线圈L0和子线圈通入电流后，发射线圈产生的电磁场相互叠加，由于主发射线圈L0是主要的电磁能量来源，电磁场强度最大值出现主发射线圈L0中部位置，并向外部呈现逐步减小的趋势，形成了一个凸形(锥形)磁场。另一方面，主发射线圈L0和子线圈所发射的电磁场存在着相位差，其最大磁场强度并不在同一时刻出现，并不会出现两个最大磁场强度叠加的情况。子线圈设置在主发射线圈L0的边缘，此处由主发射线圈L0产生的磁场强度也较中心区域低，与子线圈产生的磁场叠加后扩展了主发射线圈L0的传输区域，但边缘处的磁场强度也仍会在较低水平下平稳波动。在对于电动汽车无线充电等应用，磁场强度集中在位于汽车底部的中间区域，可以减少对外部的电磁能量的泄漏，从而可以提高无线充电系统的充电安全。

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 (5)

1.一种无线充电系统，包括发射端和接收端，其特征在于，

所述接收端包括：供电电源(0)，以及分别与所述供电电源(0)连接的主工作系统(1)、辅工作系统(2)和控制器(3)；

所述主工作系统(1)包括依次联通的主逆变电路(11)、主匹配电路(12)和主发射线圈(L0)；

所述辅工作系统(2)包括依次联通的辅逆变电路(21)、辅匹配电路(22)和辅线圈组；所述辅线圈组至少包括四个并联的子线圈，所述子线圈环绕所述主发射线圈(L0)设置，每个所述子线圈都连接有独立的控制开关；

所述控制器(3)分别连接所述主逆变电路(11)和辅逆变电路(21)，且使所述主逆变电路(11)输出的电压和辅逆变电路(21)输出的电压之间具有相位差；

所述接收端包括：接收线圈(C)、接收端匹配电路(31)、接收端整流电路(32)、接收端滤波电路和负载；

在无线充电前的对准阶段，所述主发射线圈(L0)和所述子线圈同时最多有一个联通工作；

在无线充电时，所述主发射线圈(L0)联通工作，所述子线圈同时最多有两个联通工作。

2.根据权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，

所述辅线圈组具有八个子线圈，分别为第一子线圈(L1)、第二子线圈(L2)、第三子线圈(L3)、第四子线圈(L4)、第五子线圈(L5)、第六子线圈(L6)、第七子线圈(L7)和第八子线圈(L8)；

每个所述子线圈上连接有控制开关；

每个所述子线圈依次环绕所述主发射线圈(L0)设置。

3.根据权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，

所述控制器(3)中包括匹配识别电路，所述匹配识别电路至少包括电流传感器。

4.根据权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，

在工作时，所述主发射线圈(L0)的输入电流大于所述子线圈的输入电流。

5.根据权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，

在工作时，接收端的负载变化，或对输出电压的需求发生改变时，所述控制器(3)调节所述主逆变电路(11)输出的电压和辅逆变电路(21)输出的电压的相位差。

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