CN107346918A - 一种无线电能传输装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线电能传输装置。通过将原边补偿电容(或副边补偿电容)设置为包含N个子补偿电容，所述N个子补偿电容均分连接在电能发射线圈(或电能接收线圈)中，以将电能发射线圈(或电能接收线圈)相应地均分为N等份。通过上述的分布式电容的连接结构，可以使得每段电能发射线圈(或电能接收线圈)的电压能够降低，从而减小发射线圈对地的共模电流或是接收线圈对金属的环流，但原边或副边总的补偿电容和线圈的谐振频率与***工作频率一致，可以保证能量传输效率最高。

Description

一种无线电能传输装置
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，更具体地说，涉及一种无线电能传输装置。
背景技术
磁共振式的无线充电***包括有电能发射端和电能接收端，如图1所示，电能发射端接收外部电能产生空间磁场将能量以无线方式传输给电能接收端。
为了能使电能接收端在更大范围内感生空间磁场以产生电压给电子设备,一种方式是采用增加电能发射端中发射线圈的尺寸和感值，但是增加发射线圈的尺寸和感值，往往需要增加发射线圈的匝数和面积，而根据电容的计算公式，C＝εS/D，增大线圈面积会增加发射线圈对地之间的寄生电容，根据共模电流ICM和寄生电容之间的关系，ICM＝CdV/dt。如图2所示，线圈上高频交流电压通过这个寄生电容更容易形成对大地共模电流，增加了EMC传导干扰。并且，当发射线圈的尺寸增加后，则线圈的周长相应会增加，如果线圈中流过高频交变的电流，那么高频电流更容易形成电磁波辐射出，增加EMC辐射干扰。
另一种方式是通过增加发射线圈中的交变电流，来增加发射线圈的磁场，这种方式会增加发射线圈两端的电压(V＝jωLs·Is)，需要更大耐压值的谐振电容Cs与发射线圈Ls在***工作频率点上谐振，并且发射线圈的电压增加后，根据上述共模电流的计算公式，也会增加对地的共模电流。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种无线电能传输装置。通过多个子补偿电容对电能发射线圈(或电能接收线圈)进行分段补偿，以使得每段电能发射线圈(或电能接收线圈)的电压能够降低，从而减小发射线圈(或接收线圈)对地的共模电流。
第一方面，依据本发明的一种无线电能传输装置，包括电能发射部分和电能接收部分，所述电能发射部分包括逆变电路、电能发射线圈和原边补偿电容，
所述逆变电路接收直流电压信号以输出交流电压信号；
所述电能发射线圈用于接收所述交流电压信号，以向所述电能接收部分传输能量；
所述原边补偿电容用以补偿所述电能发射线圈的电感，以使得所述电能发射线圈和所述原边补偿电容的谐振频率与***工作频率一致；
所述原边补偿电容包括N个子补偿电容，所述N个子补偿电容分布式连接在所述电能发射线圈中的不同位置；
所述电能接收部分接收从电能发射部分传输的能量，以产生预定的输出电压供给负载。
优选地，所述电能发射线圈的电感包括所述电能发射线圈结构的漏感和激磁电感。
优选地，所述N个子补偿电容连接在所述电能发射线圈的不同位置，以将所述电能发射线圈分为N段线圈。
优选地，所述N个子补偿电容均分地连接在所述电能发射线圈的不同位置，以将所述电能发射线圈均分为N等份。
优选地，所述N个子补偿电容的容值为相等。
优选地，所述N个子补偿电容的中一个电容和所述电能发射线圈中的相应地一段线圈谐振，并且，两者谐振频率与***工作频率一致。
第二方面，依据本发明的一种无线电能传输装置，包括电能发射部分和电能接收部分，所述电能接收部分包括电能接收线圈和副边补偿电容，
所述副边补偿电容用以补偿所述电能接收线圈的电感，以使得所述电能接收线圈和所述副边补偿电容的谐振频率与***工作频率一致；
所述副边补偿电容包括N个子补偿电容，所述N个子补偿电容分布式连接在所述电能接收线圈中的不同位置。
优选地，所述电能接收线圈的电感包括所述电能接收线圈的漏感和激磁电感。
优选地，所述副边补偿电容的N个子补偿电容均分地连接在所述电能接收线圈的不同位置，以将所述电能接收线圈均分为N等份。
优选地，所述副边补偿电容的N个子补偿电容的容值为相等；
所述副边补偿电容的N个子补偿电容的中一个电容和所述电能接收线圈的中相应地一段线圈谐振，并且，其谐振频率与***工作频率一致。
进一步地，所述电能接收部分还包括屏蔽层，所述屏蔽层放置于所述电能接收线圈和电子设备之间。
优选地，所述屏蔽层包括磁屏蔽层，所述磁屏蔽层放置于所述电能接收线圈和电子设备之间。
优选地，所述电磁屏蔽层包括磁屏蔽层和铜屏蔽层，所述磁屏蔽层和铜屏蔽层依次放置于电能接收线圈和电子设备之间。
优选地，所述磁屏蔽层包括空心区域和实心区域。
优选地，所述N个子补偿电容连接在所述电能接收线圈的线圈管脚出口处。
优选地，所述N个子补偿电容分布连接在所述电能接收线圈的之中，并且所述N个子补偿电容放置于所述磁屏蔽层的空心区域。
优选地，所述电能接收部分还包括整流电路和直流-直流电压转换电路，
所述整流电路和直流-直流电压转换电路的电子设备器件放置于所述磁屏蔽层的空心区域；
所述N个子补偿电容连接在所述电能接收线圈的线圈管脚出口处，所述电能接收线圈的线圈管脚连接到所述电子设备器件。
综上所述，根据本发明的无线电能传输装置。通过将原边补偿电容设置为包含N个子补偿电容，所述N个子补偿电容均分连接在电能发射线圈中，以将电能发射线圈相应地均分为N等份。所述N个子补偿电容的中一个电容和所述电能发射线圈的中的相应地一段线圈谐振，并且，其谐振频率与所述***工作频率一致。通过上述的分布式电容连接结构，可以使得每段电能发射线圈的电压能够降低，从而减小发射线圈对地的共模电流。但总的原边补偿电容和电能发射线圈的谐振频率与***工作频率一致，可以保证能量传输效率最高。
另一方面，本发明的无线电能传输装置将副边补偿电容设置为包括N个子补偿电容，以将电能接收线圈分为N等份，同样可使得每段电能接收线圈的电压能够降低，从而减小接收线圈对电子设备的金属或者是铜屏蔽层的环流，提高能量传输效率。
附图说明
图1所示为现有技术的无线充电***的结构；
图2所示为发射线圈对地产生的共模电流的示意图；
图3所示为依据本发明的无线电能传输装置中的电能发射线圈部分的一种示意图；
图4所示为依据本发明的无线电能传输装置的第一实施例的电路图；
图5所示为依据本发明的无线电能传输装置的第二实施例的电路图；
图6所示为依据本发明的无线电能传输装置的第三实施例的电路图；
图7所示为依据本发明的无线电能传输装置的第四实施例的电路图；
图8所示为依据本发明的无线电能传输装置的第五实施例的电路图；
图9所示为依据本发明的无线电能传输装置的第六实施例的电路图；
图10所示为依据本发明的无线电能传输装置的第七实施例的电路图。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明的一些优选实施例，但本发明不限于此。
参考图3所示为依据本发明的无线电能传输装置中的电能发射线圈部分的一种示意图，所述电能发射线圈部分包括有逆变电路(图3中未示出)，逆变电路用于将外部直流电压信号转换为交流电压信号输出，所述交流电压信号传输给所述电能发射线圈。
所述电能发射线圈部分还包括电能发射线圈和原边补偿电容，所述原边补偿电容用以补偿所述电能发射线圈的电感，以使得所述电能发射线圈和所述原边补偿电容的谐振频率与***工作频率一致；这里，所述电能发射线圈的电感包括所述电能发射线圈结构中的漏感和激磁电感，所述电能发射线圈的电感为基本恒定的值，补偿电容的阻抗与励磁电感和漏感两部分的感抗谐振工作。所述***工作频率为无线电能传输装置的工作频率，记为ω0，所述无线电能传输装置的***工作频率是根据电路结构和效率要求预先设定的，例如优选频率设置为6.78MHz。
本实施方式中，所述原边补偿电容包括N个子补偿电容，所述N个子补偿电容分布式连接在所述电能发射线圈中的不同位置，其中，N为大于1的正整数。如图3所示，以N为3为例，所述原边补偿电容包括子补偿电容Cs1、子补偿电容Cs2、子补偿电容Cs3。
更进一步地，如图3所示，所述N个子补偿电容均分地连接在所述电能发射线圈的不同位置，以将所述电能发射线圈均分为N等份。图3中所示的3个子补偿电容将电能发射线圈均分为三等份，如线圈AB段、线圈CD段以及线圈DF段。为了更优化参数的设计，这里所述3个子补偿电容的容值为相等，并且，电容Cs1与相邻一段的发射线圈如AB段谐振，且谐振频率也为***工作频率6.78MHz。
如图4所示为图3中的分布式电能发射线圈应用在无线电能传输装置中的应用电路图，图4中无线电能传输装置还包括电能接收部分(包括电能接收线圈Ld和副边补偿电容Cd)。如图4所示，三个子补偿电容分别记为Cs1、Cs2、Cs3，三段发射线圈分别记为Ls1、Ls2、Ls3，设总的发射线圈的电感为Ls，总的补偿电容的Cs，则根据图4所示的分布式结构，则各个子补偿电容的容值设置为Cs1＝Cs2＝Cs3＝3Cs，各分段线圈的感值为Ls1＝Ls2＝Ls3＝Ls/3，这样，各分段线圈两端的电压为VLs/3。
这样，线圈Ls1两端的电压变为VLs1＝VLs/3；由于子补偿电容Cs1和线圈Ls1在工作频率点上谐振，那么补偿电容Cs1和线圈Ls1两端的等效阻抗为0，
即1/jωCs1+jωLs1＝0，
补偿电容Cs1和线圈Ls1两端的电压之和为0(即VLs1+VCs1＝0)，线圈上能量能得到最大程度的传输，传输效率高。
同理，所以线圈Ls2段两端的电压VLs2＝VLs/3，同理，子补偿电容Cs2和线圈Ls2在工作频率点上谐振，补偿电容Cs2和线圈Ls2两端的电压之和为0，线圈Ls3两端的电压VLs3＝VLs/3，同理，子补偿电容Cs3和线圈Ls3在工作频率点上谐振，补偿电容Cs3和线圈Ls3两端的电压之和为0。
从上可以看出，相比于对整个线圈进行补偿而言，采用分布式补偿方式，每段线圈两端的电压从原来VLs减小到分布式的VLs/N，那么根据背景技术中的共模电流的计算公式，发射线圈对地的共模电流也降低到原来的1/N。本发明实施例非常适用于发射线圈尺寸较大的场合，由于尺寸大则对地的共模电容大，通过分段串联电容的方式来降低线圈中的跳变电压，可以很好地减小共模电流，降低EMC的传导干扰。
通过上述的发射线圈的结构可以看出，发射线圈两端的补偿电容耐压值也从VLs也变化到VLs/3，因此可以选取耐压值更小的阻抗匹配电容，降低了成本。并且分段线圈两端的电压降低后，更增加了***的可靠性。
需要说明的是，即使该分布式电能发射线圈的参数设计没有上述的最优化的均等份设计，例如，所述N个子补偿电容连接在所述电能发射线圈的不同位置，以将所述电能发射线圈分为N段线圈。但是只要整体满足N段分布式电感串联Ls1+Ls2+…Lsn＝Ls和N个分布式电容串联Cs1＝Cs2＝Csn＝NCs，则***的能量传输效率均不会下降，且分布式分段线圈上的电压都会有所下降，降低EMC传导干扰。
图5所示为依据本发明的无线电能传输装置的第二实施例的电路图；在本实施例中，所述发射线圈部分包括N个子补偿电容(Cs1….Csn),相应地，所述电能发射线圈被等分为N等份(Ls1….Lsn)，这里，所述N个子补偿电容的容值可以相等或不相等，所述N段发射线圈的阻抗也可以为相等或不相等，但所述发射线圈的总阻抗和所述N个子补偿电容的总阻抗的谐振频率与***工作频率一致，以保证传输效率的最大化，这样通过对发射线圈的分段补偿，可以是的发射线圈的压降大幅减小，从而减小共模电流。N为大于1的正整数，子补偿电容的个数是根据用户对共模电流的要求和成本共同决定的，例如对共模电流要求高的可以提高子补偿电容的个数，对成本有限制的则减少子补偿电容的个数。
图6所示为依据本发明的无线电能传输装置的第三实施例的电路图。在本实施例中，电能发射线圈与图5中均一致，在此不再赘述。本实施例中，所述副边补偿电容用以补偿所述电能接收线圈的电感，以使得所述电能接收线圈和所述副边补偿电容的谐振频率与***工作频率一致；所述电能接收线圈的电感包括所述电能接收线圈结构中的漏感和激磁电感。
本实施例中，所述副边补偿电容包括N个子补偿电容(Cd1….Cdn)，所述N个子补偿电容分布式连接在所述电能发射线圈中的不同位置；更进一步地，所述N个子补偿电容的容值为相等；所述副边补偿电容的N个子补偿电容均分地连接在所述电能接收线圈的不同位置，以将所述电能接收线圈均分为N等份(如Ld1….Ldn)，并且所述N个子补偿电容的中一个电容和所述电能接收线圈中的相应地一段线圈谐振，(如Cd1和Ld1谐振)，并且，其谐振频率与***工作频率(6.78MHz)一致。
同理，对于副边而言，通过上述分段式接收线圈的方式，可以使得每一段接收线圈上的压降减小，从而对地的共模电流得以减小，降低***的EMC干扰。
图7所示为依据本发明的无线电能传输装置的第四实施例的电路图。在本实施例中，所述电能接收部分还包括屏蔽层，所述屏蔽层放置于所述电能接收线圈和电子设备之间。
在实际应用中，所述电磁屏蔽层包括磁屏蔽层和铜屏蔽层，所述磁屏蔽层和铜屏蔽层依次放置于电能接收线圈和电子设备之间。如图7所示，所述磁屏蔽层包括空心区域和实心区域，空心区域如图7中的镂空部分。子补偿电容CS1和CS2连接在接收线圈的中间，以将接收线圈均分为三等份。
容易理解，在要求不高的场合，所述屏蔽层可以只包括磁屏蔽层，所述磁屏蔽层放置于所述电能接收线圈和电子设备之间。
由于接收线圈和铜皮(或电子设备的金属)之间是磁屏蔽层，磁片的介电常数比空气高很多(ε＞10ε0)，同时接收线圈和铜皮的间距也较小，因此形成的寄生电容也会很大，根据背景技术中的计算公式，接收线圈和铜片(或金属)时间的环流会很大。在本实施例中，通过将接收线圈分成多段分线圈结构，根据上述发射线圈的计算过程可以推知，接收线圈的每段分线圈的电压将会大大减小，从而降低接收线圈对铜片或金属的环流，可以有效提高能量传输的效率。
图8所示为依据本发明的无线电能传输装置的第五实施例的电路图。本实施例是在图7实施例上的进一步改进，所述磁片的空心区域包括镂空1和镂空2，其中所述子补偿电容Cs1和Cs2分布连接在所述电能接收线圈的之中，并且所述子补偿电容放置于所述磁屏蔽层的空心区域，如图8中镂空2的位置。这样，补偿电容可以很好的均分接收线圈，并且，没有增加整体的厚度。
图9所示为依据本发明的无线电能传输装置的第六实施例的电路图。在本实施例中，所述N个子补偿电容连接在所述电能接收线圈的线圈管脚出口处。例如，图9中的子补偿电容CS1和CS2连接在线圈管脚出口处，这样有利于接收线圈的工艺操作以及线圈和磁片的集成。
图10为依据本发明的无线电能传输装置的第七实施例的电路图。在本实施例中，所述电能接收部分还包括整流电路和直流-直流电压转换电路，所述整流电路和直流-直流电压转换电路的电子设备器件放置于所述磁屏蔽层的空心区域，如图10中的器件，子补偿电容如CS1和CS2连接在所述电能接收线圈的线圈管脚出口处，所述电能接收线圈的线圈管脚连接到所述电子设备器件。这样，可以使得子补偿电容如CS1和CS2、以及实现电能转换功能的电子元器件或部分电子元器件置于磁片的镂空区域内的电路板上，可以节省空间，更有利于集成到电子设备内部。
需要说明的是，上述实施例可以结合或分开使用，例如电能发射线圈为分布式电容结构，或者是电能接收线圈为分布式电容结构，或者是电能发射线圈和电能接收线圈同时为分布式电容结构，用户可以根据需求来进行选择。
以上对依据本发明的优选实施例的无线电能传输装置进行了详尽描述，但关于该专利的电路和有益效果不应该被认为仅仅局限于上述所述的，公开的实施例和附图可以更好的理解本发明，因此，上述公开的实施例及说明书附图内容是为了更好的理解本发明，本发明保护并不限于限定本公开的范围，本领域普通技术人员对本发明实施例的替换、修改均在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种无线电能传输装置，包括电能发射部分和电能接收部分，其特征在于，所述电能发射部分包括逆变电路、电能发射线圈和原边补偿电容，
所述逆变电路接收直流电压信号以输出交流电压信号；
所述电能发射线圈用于接收所述交流电压信号，以向所述电能接收部分传输能量；
所述原边补偿电容用以补偿所述电能发射线圈的电感，以使得所述电能发射线圈和所述原边补偿电容的谐振频率与***工作频率一致；
所述原边补偿电容包括N个子补偿电容，所述N个子补偿电容分布式连接在所述电能发射线圈中的不同位置；
所述电能接收部分接收从电能发射部分传输的能量，以产生预定的输出电压供给负载。
2.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述电能发射线圈的电感包括所述电能发射线圈结构的漏感和激磁电感。
3.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述N个子补偿电容连接在所述电能发射线圈的不同位置，以将所述电能发射线圈分为N段线圈。
4.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述N个子补偿电容均分地连接在所述电能发射线圈的不同位置，以将所述电能发射线圈均分为N等份。
5.根据权利要求4所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述N个子补偿电容的容值为相等。
6.根据权利要求5所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述N个子补偿电容的中一个电容和所述电能发射线圈中的相应地一段线圈谐振，并且，两者谐振频率与***工作频率一致。
7.一种无线电能传输装置，包括电能发射部分和电能接收部分，其特征在于，所述电能接收部分包括电能接收线圈和副边补偿电容，
所述副边补偿电容用以补偿所述电能接收线圈的电感，以使得所述电能接收线圈和所述副边补偿电容的谐振频率与***工作频率一致；
所述副边补偿电容包括N个子补偿电容，所述N个子补偿电容分布式连接在所述电能接收线圈中的不同位置。
8.根据权利要求7所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述电能接收线圈的电感包括所述电能接收线圈的漏感和激磁电感。
9.根据权利要求7所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述副边补偿电容的N个子补偿电容均分地连接在所述电能接收线圈的不同位置，以将所述电能接收线圈均分为N等份。
10.根据权利要求9所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述副边补偿电容的N个子补偿电容的容值为相等；
所述副边补偿电容的N个子补偿电容的中一个电容和所述电能接收线圈的中相应地一段线圈谐振，并且，其谐振频率与***工作频率一致。
11.根据权利要求7所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述电能接收部分还包括屏蔽层，所述屏蔽层放置于所述电能接收线圈和电子设备之间。
12.根据权利要求7所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述屏蔽层包括磁屏蔽层，所述磁屏蔽层放置于所述电能接收线圈和电子设备之间。
13.根据权利要求7所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述电磁屏蔽层包括磁屏蔽层和铜屏蔽层，所述磁屏蔽层和铜屏蔽层依次放置于电能接收线圈和电子设备之间。
14.根据权利要求12或13所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述磁屏蔽层包括空心区域和实心区域。
15.根据权利要求7所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述N个子补偿电容连接在所述电能接收线圈的线圈管脚出口处。
16.根据权利要求14所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述N个子补偿电容分布连接在所述电能接收线圈的之中，并且所述N个子补偿电容放置于所述磁屏蔽层的空心区域。
17.根据权利要求14所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述电能接收部分还包括整流电路和直流-直流电压转换电路，
所述整流电路和直流-直流电压转换电路的电子设备器件放置于所述磁屏蔽层的空心区域；
所述N个子补偿电容连接在所述电能接收线圈的线圈管脚出口处，所述电能接收线圈的线圈管脚连接到所述电子设备器件。
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