基于单极性线圈的多负载谐振自解耦式无线能量传输系统的制作方法

1.本发明属于无线能量传输领域，具体涉及基于单极性线圈的多负载谐振自解耦式无线能量传输系统。


背景技术：

2.无线电能传输(wireless power transfer，wpt)是一种利用电磁场或者电磁波将电能无线传输到接收设备的技术。这种技术不需要传统的有线连接，使得电能的传输更加灵活便捷。wpt可以应用于多种场景，例如为移动设备充电、为电动车充电、或者为远程区域提供电力。
3.如今，wpt技术已经趋于成熟化，能够完美地运用在很多关键的领域。基于wpt技术的工作原理，可将其分为微波辐射式(mr-wpt)、电磁感应式(icpt)以及磁耦合谐振式(mcr-wpt)。其中，mcr-wpt工作效率较高，适用于电动汽车、医疗设备领域，得到了广泛的关注。磁耦合谐振式首先将直流电源通过高频逆变器得到高频交流电源，经过阻抗匹配单元后，进入发射线圈；然后，由于两侧线圈之间的谐振频率是相同的，所以能量通过交变磁场实现了从一次侧传递至二次侧；最后，通过二次侧的负载驱动电路单元后，对系统负载进行能量存储。这一技术一个中继单元中两个单元的耦合抵消是一个难点，需要实现解耦，避免相互干扰。
4.目前，中继单元的杂散耦合抵消可采用双极性线圈和补偿电路的设计进行抵消。但这种方法绕制的双极性线圈较为复杂，不适合在工程实际中推广应用。且多负载供电的功率会交叉耦合，难以在实际中有效应用。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于单极性线圈的多负载谐振自解耦式无线能量传输系统。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
7.基于单极性线圈的多负载谐振自解耦式无线能量传输系统，包括一个逆变器、一个发射单元、一个接收单元，以及位于发射单元和接收单元之间的若干中继单元，中继单元中也设置有一个发射单元和一个接收单元，前一个发射单元的输出为后一个接收单元的输入；直流输入电压由逆变器逆变为高频交变电压源，并由发射单元利用磁场耦合传输能量至接收单元；
8.所述发射单元包括：发射补偿电容和发射线圈，所述接收单元包括：接收补偿电容、负载电阻和接收线圈，发射线圈和接收线圈均为单极性线圈；并且，在中继单元中，发射单元和接收单元之间设置有补偿电容c
fm
，发射线圈和接收线圈之间设置有铁氧体。
9.进一步地，中继单元中，发射线圈与发射补偿电容串联，接收线圈和接收补偿电容以及负载电阻串联；补偿电容c
fm
并联在发射线圈和接收线圈之间，构成t型补偿结构。
10.进一步地，所述发射线圈和接收线圈的绕制方式相同，且发射补偿电容与接收补
偿电容相等。
11.进一步地，所述中继单元中，补偿电容c
fm
可以表示为：
[0012][0013][0014][0015]
式中，l
m_r
为第m个接收线圈电感，k
m-1_t，m_r
为第m-1个发射单元和第m个接收单元之间的耦合系数，k
m_r，m_t
为第m个接收单元和第m个发射单元之间的杂散耦合系数，ω是谐振角频率。
[0016]
进一步地，所述耦合系数的表达式如下：
[0017][0018][0019]
式中，l
m_t
为第m个发射线圈电感，l
m_r
为第m个接收线圈电感，m
m-1_t，m_r
是l
m-1_t
和l
m_r
之间的互感，k
m-1_t，m_r
是l
m-1_t
和l
m_r
之间的耦合系数；m
m_r，m_t
是l
m_r
和l
m_t
之间的互感，k
m_r，m_t
是l
m_r
和l
m_t
之间的耦合系数。
[0020]
进一步地，中继单元中，接收补偿电容和和发射补偿电容可以表示为：
[0021]cm_r
＝c
m_t
(6)
[0022]
l
m_r
＝l
m_t
(7)
[0023][0024][0025]
式中，c
m_t
第m个发射补偿电容，c
m_r
第m个接收补偿电容，l
m_t
为第m个发射线圈电感，l
m_r
为第m个接收线圈电感。
[0026]
进一步地，中继单元单元的耦合系数相同，则有所有负载电流值相同：
[0027][0028]
[0029][0030]
式中，l
m_r,m_t
为接收-发射线圈间耦合系数的等效电感，c
m_rt
为与消除耦合关系的等效电容，im为回路中的电流。
[0031]
一种充电设备，包括上述无线能量传输系统。
[0032]
本发明的有益效果：
[0033]
1、不需要复杂的控制和通信电路即可同时给多负载供电，单极性线圈绕制方式简单，成本低。
[0034]
2、通过单极性耦合线圈和全容性补偿回路设计，实现了磁场解耦和负载功率的独立控制，输出电流与负载无关。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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。
[0036]
图1是本发明无线能量传输系统的结构示意图；
[0037]
图2是本发明无线能量传输系统的耦合器结构示意图；
[0038]
图3是本发明的无线能量传输系统的不同线圈耦合系数随铁氧体厚度变化的折线图；
[0039]
图4是本发明无线能量传输系统的流控电压源模型；
[0040]
图5是本发明无线能量传输系统的补偿电路演化过程；
[0041]
图6是本发明无线能量传输系统的仿真波形图；
[0042]
图7是本发明无线能量传输系统的另一个仿真波形图。
具体实施方式
[0043]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
如图1所示，基于单极性线圈的多负载谐振自解耦式无线能量传输系统，包括一个逆变器、一个发射单元、一个接收单元，以及位于发射单元和接收单元之间的m个中继单元，其中，m＝1,2,
…
,n；每个中继单元中也设置有一个发射单元和一个接收单元，并且前一个发射单元的输出为后一个接收单元的输入；
[0045]
逆变器的输入直流电压是v
dc
，工作角频率为ω，逆变器以互补方式工作，输出基波电压v
in1
的幅值可以表示为直流输入电压v
dc
由逆变器逆变为高频交变电压源，并由发射单元利用磁场耦合传输能量至接收单元，接收单元可以为串接的负载电阻供电，以此类推，可以为所有接收单元中的负载电阻供电，以实现多负载的恒流独立供电。
[0046]
接收单元包括：中继单元#m中的发射线圈l
m_t
和接收线圈l
m_r
通过三个补偿电容(c
m_r
，c
m_t
，c
fm
)相连，其中c
m_r
与l
m_r
串联，c
m_t
与l
m_t
串联，c
fm
并联在两个线圈之间，构成t型补偿结构。在发射单元#0中，只有一个发射补偿电容c
0_t
与发射线圈l
0_t
串联；类似地，在接收单元#n中，只有一个接收补偿电容c
0_r
与发射线圈l
0_r
串联；负载rm与l
m_r
串联。
[0047]
需要注意的是，接受线圈和发射线圈均为单极性线圈；因单极性线圈在线圈结构上未实现磁场解耦，同一中继单元中的接收线圈和发射线圈仍存在磁场上的耦合；为此，如图2所示，在同一中继单元中的接收线圈和发射线圈之间设置铁氧体，两线圈间的铁氧体可以增强相邻中继单元的磁耦合系数，降低被隔开线圈的系数，所以利用铁氧体可以在物理上降低单极性线圈的磁场耦合；相同中继单元内两个单极性线圈的杂散耦合可以通过提出的全容性补偿网络(c
n_r
,c
n_t
,c
fm
)消除，以实现多负载的恒流输出，实现了负载功率的独立控制中继单元中；
[0048]
通过设置全容性补偿电路，消除了同一个中继单元内接收、发射线圈的杂散；通过设置每个接收、发射线圈的参数(即发射线圈和接收线圈的绕制方式相同，且发射补偿电容与接收补偿电容相等)值相等，因磁场耦合带来的接收、发射线圈的杂散电感可以等效表现在并联支路中，电路中串联谐振可以等效为短路，因此设置补偿电容c
fm
来消除杂散电感带来的影响，实现中继单元内部解耦。其中，第m个中继单元中补偿电容c
fm
可以表示为：
[0049][0050][0051][0052]
式中，l
m_r
为第m个接收线圈电感，k
m-1_t，m_r
为第m-1个发射单元和第m个接收单元之间的耦合系数，k
m_r，m_t
为第m个接收单元和第m个发射单元之间的杂散耦合系数；耦合系数表示元件间耦合的松紧程度，定义为两电感元件间实际的互感(绝对值)与其最大极限值之比，表达式如下：
[0053][0054][0055]
式中，l
m_t
为第m个发射线圈电感，l
m_r
为第m个接收线圈电感，m
m-1_t，m_r
是l
m-1_t
和l
m_r
之间的互感。
[0056]
通过设置电容参数在接收回路恒流输出，实现对不同负载的独立控制；第m个中继单元中的两个线圈平行放置以形成中继单元m，以此类推；中继单元m中的接收补偿电容和和发射补偿电容可以表示为：
[0057]cm_r
＝c
m_t
(6)
[0058]
l
m_r
＝l
m_t
(7)
[0059][0060][0061]
式中，c
m_t
第m个发射补偿电容，c
m_r
第m个接收补偿电容，l
m_t
为第m个发射线圈电感，l
m_r
为第m个接收线圈电感；
[0062]
假定式成立，设所有中继单元单元的耦合系数相同，则有所有负载电流值相同，见式：
[0063][0064][0065][0066]
式中，l
m_r，m_t
为接收-发射线圈间耦合系数的等效电感，c
m_rt
为与消除耦合关系的等效电容，im为回路中的电流。
[0067]
指的一提的是，在本发明中，负载电流恒定且不受其他负载影响，可独立运行，简化了系统设计和功率控制。
[0068]
综上，在给定单极性线圈电感参数l
0_t
后，可以根据谐振条件求出c
0_t
，由下式计算得到：
[0069][0070]
令l
1_r
＝l
0_r
，可以得到中继单元1的l
1_r
，c
1_r
、c
1_t
、c
f1
由下式计算得到：
[0071][0072][0073][0074][0075][0076]
以此类推，可以得到基于单极性线圈的多负载谐振自解耦式无线能量传输系统的
全容性补偿各参数和各负载电流值。
[0077]
如图3(a)所示，随铁氧体厚度增大，上一级发射线圈和下一级接收线圈的耦合系数增大，上一级发射线圈和下一级发射线圈的耦合系数稍有减小，上一级发射线圈和下两级接收线圈的耦合系数几乎不变。如图3(b)所示，随铁氧体增大，同一个中继单元内的接收-发射线圈间的耦合系数大大降低。可以看出，设置铁氧体能够降低同一单元内的耦合，同时增大上一级发射-下一级接收线圈之间的耦合系数，起到物理上消除耦合的作用。
[0078]
如图4和图5所示，本发明的电路可以等效为流控电压源模型，从原理上说明了每个负载所在的回路电流恒定的原因。每个中继单元的补偿电路可以进一步化简，得到图五中的容性补偿简化电路。
[0079]
下面以具体的实施例来验证本发明所提出的方案；
[0080]
工作频率为100khz，直流母线电压为24v；
[0081]
图6中，六个负载分别为r
l1
＝r
l2
＝r
l3
＝r
l4
＝r
l5
＝r
l6
＝12ω，l
0_t
＝100μh，c
0_t
＝25.330nf，l
1_r
＝l
1_t
＝l
2_r
＝l
2_t
＝
…
＝l
m_r
＝l
m_t
＝100μh，c
1_r
＝c
1_t
＝c
2_r
＝c
2_t
＝
…
＝c
m_r
＝c
m_t
＝33.744nf，c
f1
＝c
f2
＝
…
＝c
fm
＝101.32nf，k
0_t,1_r
＝k
1_t,2_r
＝
…
＝k
m-1_t,m_r
＝0.05，k
1_r,1_t
＝k
2_r,2_t
＝
…
＝k
m_r,m_t
＝0.20，此时负载电流峰值分别为i
l1
＝i
l2
＝i
l3
＝i
l4
＝i
l5
＝i
l6
＝2.42a。
[0082]
图7中，负载r
l
1＝10ω,r
l2
＝11ω,r
l3
＝12ω,r
l4
＝13ω,r
l5
＝15ω，r
l6
＝16ω，其他电感、电容参数同图6参数。仿真说明，六个负载电流峰值仍与图6中结果相同。
[0083]
根据理论分析，各负载电流值应为：
[0084][0085]
由此可见，本专利设计的基于单极性耦合线圈的多负载谐振式无线能量传输系统实现了与负载无关的恒流输出，避免了多负载之间的功率串扰。
[0086]
从以上实施例可看出，采用本发明提出的基于单极性线圈的多负载谐振自解耦式无线能量传输系统能够同时实现多负载的恒流输出和负载功率解耦控制。
[0087]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0088]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

技术特征：
1.基于单极性线圈的多负载谐振自解耦式无线能量传输系统，其特征在于，包括一个逆变器、一个发射单元、一个接收单元，以及位于发射单元和接收单元之间的若干中继单元，中继单元中也设置有一个发射单元和一个接收单元，前一个发射单元的输出为后一个接收单元的输入；直流输入电压由逆变器逆变为高频交变电压源，并由发射单元利用磁场耦合传输能量至接收单元；所述发射单元包括：发射补偿电容和发射线圈，所述接收单元包括：接收补偿电容、负载电阻和接收线圈，发射线圈和接收线圈均为单极性线圈；并且，在中继单元中，发射单元和接收单元之间设置有补偿电容c
fm
，发射线圈和接收线圈之间设置有铁氧体。2.根据权利要求1所述的基于单极性线圈的多负载谐振自解耦式无线能量传输系统，其特征在于，中继单元中，发射线圈与发射补偿电容串联，接收线圈和接收补偿电容以及负载电阻串联；补偿电容c
fm
并联在发射线圈和接收线圈之间，构成t型补偿结构。3.根据权利要求1所述的基于单极性线圈的多负载谐振自解耦式无线能量传输系统，其特征在于，所述发射线圈和接收线圈的绕制方式相同，且发射补偿电容与接收补偿电容相等。4.根据权利要求3所述的基于单极性线圈的多负载谐振自解耦式无线能量传输系统，其特征在于，所述中继单元中，补偿电容c
fm
可以表示为：可以表示为：可以表示为：式中，l
m_r
为第m个接收线圈电感，k
m-1_t，m_r
为第m-1个发射单元和第m个接收单元之间的耦合系数，k
m_r，m_t
为第m个接收单元和第m个发射单元之间的杂散耦合系数，ω是谐振角频率。5.根据权利要求4所述的基于单极性线圈的多负载谐振自解耦式无线能量传输系统，其特征在于，所述耦合系数的表达式如下：所述耦合系数的表达式如下：式中，l
m_t
为第m个发射线圈电感，l
m_r
为第m个接收线圈电感，m
m-1_t,m_r
是l
m-1_t
和l
m_r
之间的互感，k
m-1_t,m_r
是l
m-1_t
和l
m_r
之间的耦合系数；m
m_r,m_t
是l
m_r
和l
m_t
之间的互感，k
m_r,m_t
是l
m_r
和l
m_t
之间的耦合系数。6.根据权利要求3所述的基于单极性线圈的多负载谐振自解耦式无线能量传输系统，其特征在于，中继单元中，接收补偿电容和和发射补偿电容可以表示为：c
m_r
＝c
m_t
(6)
l
m_r
＝l
m_t
(7)(7)式中，c
m_t
第m个发射补偿电容，c
m_r
第m个接收补偿电容，l
m_t
为第m个发射线圈电感，l
m_r
为第m个接收线圈电感。7.根据权利要求3所述的基于单极性线圈的多负载谐振自解耦式无线能量传输系统，其特征在于，中继单元单元的耦合系数相同，则有所有负载电流值相同：则有所有负载电流值相同：则有所有负载电流值相同：式中，l
m_r,m_t
为接收-发射线圈间耦合系数的等效电感，c
m_rt
为与消除耦合关系的等效电容，i
m
为回路中的电流。8.一种充电设备，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的无线能量传输系统。

技术总结
本发明公开基于单极性线圈的多负载谐振自解耦式无线能量传输系统，属于无线能量传输领域；无线能量传输系统包括：一个逆变器、一个发射单元、一个接收单元，以及位于发射单元和接收单元之间的若干中继单元，中继单元中也设置有一个发射单元和一个接收单元，前一个发射单元的输出为后一个接收单元的输入；直流输入电压由逆变器逆变为高频交变电压源，并由发射单元利用磁场耦合传输能量至接收单元；所述发射单元包括发射补偿电容和发射线圈，所述接收单元包括接收补偿电容、负载电阻和接收线圈，发射线圈和接收线圈均为单极性线圈；并且，在中继单元中，发射单元和接收单元之间设置有补偿电容，发射线圈和接收线圈之间设置有铁氧体。体。体。


技术研发人员：程晨闻 张冉 刘远 张升 花为
受保护的技术使用者：国网智能电网研究院有限公司
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/9/6