一种使用三线圈结构提高抗偏移能力的无线电能传输装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种使用三线圈结构提高抗偏移能力的无线电能传输装置。该装置将能量从功率发生器无线传输至功率接收器，其中功率接收器设有一个接收线圈，功率发射器设有两个同轴的线圈，其中一个当作发射线圈使用，另外一个当作中继线圈使用。三个线圈分别串联一个电容进行补偿，高频逆变器对发射线圈提供交流电流，高频整流器将接收线圈接收到的交流电流转换为直流电流并对负载提供能量。本发明专利技术通过利用三线圈结构的配置可以实现无线电能传输系统在一定范围内的抗偏移能力，对提高无线电能传输系统的抗偏移能力、降低控制难度、实现软开关以及提高系统效率具有重要意义。开关以及提高系统效率具有重要意义。开关以及提高系统效率具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种使用三线圈结构提高抗偏移能力的无线电能传输装置


[0001]本专利技术涉及无线电能传输技术，尤其涉及一种使用三线圈结构提高无线电能传输系统抗偏移能力的装置。

技术介绍

[0002]无线电能传输技术可以免去充电线的烦恼，具有安全、便捷等特点，因而被广泛应用于例如医疗设备、移动终端以及电动汽车等各种用电设备。在这些无线电能传输的应用中，不可避免的会存在功率发射器和功率接收器偏移导致的线圈耦合变化的问题。在传统的无线电能传输装置中，线圈耦合的变化会导致输出功率剧烈变化或者控制复杂、不能实现软开关等问题，而对于正在研究的动态无线电能传输的应用，例如电动汽车动态无线充电等，抗偏移能力差的装置会导致输出功率的脉动。人们希望无线电能传输装置拥有较高的容错性并且能够传输充足稳定的能量，因此，本专利技术提出一种使用三线圈结构的无线电能传输装置，该装置可以实现较大范围内的抗偏移能力，并提供了装置中三个线圈之间互感的设计方法以及每个线圈串联的补偿电容容值的确定方法。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提出一种使用三线圈结构实现在较大范围内实现抗偏移能力的无线电能传输的装置。
[0004]本专利技术所述装置由功率发射器和功率接收器组成，前者将电能无线传输至后者。所述的功率发射器中设有两个同轴排布的线圈，其中一个作为发射线圈使用，另一个作为中继线圈使用，功率发射器还包含有分别补偿两个线圈的补偿电容和逆变器。所述的功率接收器中设有接收线圈，此外还包含有接收线圈的补偿电容以及整流器。/>[0005]本专利技术提供了其中发射线圈、中继线圈以及接收线圈之间互感的设计方法，以及三个线圈串联的补偿电容容值的确定方法。本装置对应有两种典型负载，即电阻负载和电池负载，对于这两种负载，本专利技术给出的线圈互感的设计方法以及补偿电容的设计方法都适用。
[0006]其中，三个线圈之间的互感按照如下方法设计：
[0007]计算常数
[0008]设计发射线圈与接收线圈之间的互感
[0009]设计中继线圈与接收线圈之间的互感M
23
与发射线圈与中继线圈之间的互感M
12
的比值其中，p为所设计系统最大输出功率对于正对位置处输出功率P
a
的倍数，
f为系统工作频率，U
i
为发射线圈输入交流电压的有效值，U
idc
为输入直流电压，R
L
为负载的等效交流电阻，U
o
为接收线圈输出交流电压的有效值，U
odc
为输出直流电压；
[0010]通过仿真或实验设计三个线圈的形状、大小、匝数以及位置关系使其互感匹配上述条件，并仿真计算或测量得到发射线圈、中继线圈、接收线圈的电感值L1、L2、L3；
[0011]三个线圈对应的补偿电容的容值才用如下方法确定：
[0012]发射线圈补偿电容的容值
[0013]中继线圈补偿电容的容值
[0014]接收线圈补偿电容的容值
[0015]其中，ω为系统工作频率f对应的角频率，ω＝2πf。
[0016]本专利技术的有益效果是：
[0017]采用本专利技术的三线圈结构的设计，通过三个线圈的互相耦合，可大大提高无线电能传输装置在较大范围内的抗偏移特性，简化了偏移时的控制方法，在偏移时也能实现软开关，提高了无线电能传输系统的效率。并且，本专利技术给出了三个线圈的互感的设计方法以及三个补偿电容容值的计算方法，可以根据需要快速的计算出系统的各个元件的参数。本专利技术装置的交流等效电路的输入电流和电压同相，可以最大限度地挖掘出装置传输能量的潜力。
[0018]本说明书所描述的主题的实施方案的细节在随附图式和以下描述中予以阐述。其特征、方面和优点将从所述描述、所述图式和权利要求书变得显而易见。应注意，以下诸图的相对尺寸可未按比例绘制。
附图说明
[0019]图1为根据本专利技术中功率发射器与功率接收器中的三个线圈的分布示意图。
[0020]图2为根据本专利技术的示范性实施例的无线电能传输系统的功能结构框图。
[0021]图3为本专利技术中两种典型负载。
[0022]图4为本专利技术的交流等效电路原理图。
[0023]图5为本专利技术的一个具体仿真实例系统的示意图。
[0024]图6是SS拓扑的无线电能传输系统的交流等效电路图。
[0025]图7是双边LCC拓扑的无线电能传输系统的交流等效电路图。
[0026]图8为使用电阻负载的情况下不同系统输出功率随偏移距离的变化图。
[0027]图9为使用电池负载的情况下不同系统输出功率随偏移距离的变化图。
具体实施方式
[0028]下文结合附加图式而阐述的详细描述希望作为对本专利技术的示范性实施例的描述，且不希望表示可实践本专利技术的仅有实施例。贯穿此描述而使用的术语“示范性”意谓“充当实例、例子或说明”，且未必应被认作相对于其它示范性实施例优选或有利。详细描述包含特定细节以便提供对本专利技术的示范性实施例的透彻理解。在一些例子中，一些装置是以框图形式而展示。
[0029]图1为根据本专利技术中功率发射器与功率接收器中的三个线圈的分布示意图。功率发射器102中有两个同轴的线圈105和106，其中线圈105在内部，线圈106在外部，这两个线圈中任意一个都可以当作发射线圈使用，同时另外一个当作中继线圈使用。功率接收器101中的线圈104是接收线圈。功率接收器101与功率发射器102可以为线圈配置磁芯103和磁芯107，磁芯一般由高频磁性材料组成，例如铁氧体材料，磁芯可以提高线圈之间的互感值，使无线电能传输装置更好的将能量从功率发射器102传输至功率接收器101。
[0030]图2为根据本专利技术的示范性实施例的无线电能传输系统的功能结构框图。电源201为整个系统提供直流电。功率发射器212包含逆变器202、发射线圈203、发射线圈补偿电容204、中继线圈206以及中继线圈补偿电容205。逆变器202输出高频交流电，加在发射线圈203及其补偿电容204上产生高频交变磁场，其中补偿电容204可以抵消发射线圈203产生的无功。发射线圈203的能量一部分直接发射到功率接收器213上，另一部分需要通过中继线圈206进行中继。中继线圈206也需要串联一个补偿电容205进行无功的补偿。功率接收器213中的接收线圈207因为功率发射器212产生的高频交变磁场而产生高频的交变电流，经过整流器209后转换为直流电为负载210供电。接收线圈207也需要一个电容208进行无功的补偿。
[0031]图3为针对无线电能传输装置中的两种典型负载。其中301与303为二极管整流桥，将前端输出的交变电流整流为直流电流为负载供电。通常情况下，无线电能传输装置的负载可以分为两种类型，阻性负载302与电池负载304，阻性负载流过的电流与两端的电压成正比，而电池负载的特征是在一段时间内输出电压不会随着输出功率的改变而改变，因而在无线电能传输的系统中使用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种使用三线圈结构提高抗偏移能力的无线电能传输装置，其特征在于，所述装置包括功率发射器和功率接收器，前者将电能无线传输至后者；所述的功率发射器中设有两个同轴排布的线圈，其中一个作为发射线圈，另一个作为中继线圈，功率发射器还包含有分别补偿两个线圈的补偿电容和逆变器；所述的功率接收器中设有接收线圈，还包含有接收线圈的补偿电容以及整流器；其中，三个线圈之间的互感按照如下方法设计：计算常数设计发射线圈与接收线圈之间的互感设计中继线圈与接收线圈之间的互感M
23
与发射线圈与中继线圈之间的互感M
12
的比值其中，p为所设计系统最大输出功率对于正对位置处输出功率P
a
的倍数，f为系统工作频率，U
i
为发射线圈输入交流电压的有效值，U
idc
为输入直流电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟文兴，姚艺翔，徐德鸿，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：