CN109741925B - 应用于移动设备动态无线供电***的带oqo线圈组的接收端 - Google Patents

Abstract

本发明提出了应用于移动设备动态无线供电***的带OQO线圈组的接收端，属于移动设备无线供电技术领域。所述接收端包括n个接收单元，其中，n为正整数；n个接收单元之间通过串联、并联或组合的方式实现输出作为接收端的输出；每个所述接收单元包括一个DD线圈组、一个OQO线圈组和条型磁芯组；所述OQO线圈组设置于所述DD线圈组上方或下方形成堆叠线圈结构；所述条型磁芯组设置在所述堆叠线圈结构上；其中，所述DD线圈组包括两个D线圈；所述OQO线圈组包括两个O线圈和一个Q线圈；所述条型磁芯组包括多根条型磁芯。所述接收端可以消除输出零点，减小输出波动，增大耦合系数。

Description

应用于移动设备动态无线供电***的带OQO线圈组的接收端

技术领域

本发明涉及应用于移动设备动态无线供电***的带OQO线圈组的接收端，属于移动设备无线供电技术领域。

背景技术

随着环境污染与石油危机的爆发，低碳环保、绿色节能意识的增强，采用电能作为移动设备的动力来源的优势越来越突出，如电动汽车。常见的供电方式有滑动接触式、电缆拖链式和电池供电式三种。其中接触式供电受到接口限制，供电轨道及移动设备之间存在接触损耗，需频繁维护。电池则受到电池体积、重量、成本的制约，影响移动设备的行驶里程。同时地面上需要建设足够的基础充电设施。供电不便、运行效率低、续航能力差、维护成本高及安全等问题制约了移动设备的发展。而采用无线电能传输技术进行无线供电能很好地解决这些问题。

移动设备的无线供电技术可以保证移动设备在移动过程中实时供电或为其携带电池充电。这样可以有效提升移动设备的续航里程，减少设备上携带的电池数量，地面上不需要充电站、换电站，供电设施均在地面以下。同时也克服了接触式供电接触头存在的弊端。在移动设备的无线供电中，无线供电***的结构对***传输性能起到了至关重要的影响，包括传输效率、传输功率、传输距离、侧移能力、电磁辐射强度等多方面。对无线供电***发射端与接收端的结构设计可以很好地改善其性能。其中，磁极交错式供电导轨结构由于具有宽度窄、电磁辐射小、偏移容忍度大、耦合性能强等优点，适用于移动设备的动态无线供电[1]。但接收端随着位置不同，存在接收功率零点，由此造成接收功率波动较大。为了减小在运行过程中的输出波动，带有正交线圈的接收端、自去耦双相接收装置、BPP等多种结构被提出。但存在各自的缺点。其中，双相DD线圈结构为了解耦会限制尺寸，尺寸较大且耦合系数降低；DDQ线圈中Q线圈和BPP线圈耦合系数均较小。

发明内容

本发明为了解决发射端采用磁极交错型供电轨道的无线供电***中，接收端随着位置不同，存在接收功率零点，接收功率波动较大的问题，提出了一种应用于移动设备动态无线供电***的带OQO线圈组的接收端，所采取的技术方案如下：

应用于移动设备动态无线供电***的带OQO线圈组的接收端，所述接收端包括n个接收单元，其中，n为正整数；n个接收单元之间通过串联、并联或组合的方式实现输出作为接收端的输出；每个所述接收单元包括一个DD线圈组1、一个OQO线圈组2和条型磁芯组3；所述OQO线圈组2设置于所述DD线圈组上方或下方形成堆叠线圈结构；所述条型磁芯组3设置在所述堆叠线圈结构上；其中，所述DD线圈组1包括两个D线圈11；所述OQO线圈组2包括两个O线圈21和一个Q线圈22；所述条型磁芯组3包括多根条型磁芯。

进一步地，所述DD线圈组1包括两个D线圈11；所述两个D线圈11并排设置于同一水平面上，并且两个D线圈11之间设有中心距；一个D线圈11中的末端与另一个D线圈11的首端呈数字8字形串接绕制，并且两个D线圈11的匝数相同。

进一步地，所述两个D线圈11的尺寸相同；所述两个D线圈11的宽度尺寸根据接收端偏移范围的要求确定，移动设备动态无线供电***设计要求的接收端偏移范围越大，则D线圈11的宽度尺寸越大，即要求接收端允许偏移量增大，则D线圈11增加宽度；所述接收端允许偏移量与D线圈11增加的宽度之间满足如下关系：

w_Dcoil＞2l_lat+w_p

其中，w_Dcoil是D线圈宽度，l_lat是要求允许偏移量，w_p是发射端线圈宽度；

设所述两个D线圈11的长度尺寸与所述移动设备动态无线供电***的发射端相邻两个磁极中心距的比值为k_D1，所述两个D线圈11的中心距与所述移动设备动态无线供电***的发射端相邻两个磁极中心距的比值为k_D2；所述根据工程经验，为使耦合系数最大，通常可以取值为0.95≤k_D1，k_D2≤1

进一步地，所述OQO线圈组2包括两个O线圈21和一个Q线圈22；所述两个O线圈21和一个Q线圈22并排排列在同一平面上，并且按照O-Q-O顺序进行线圈排列；所述两个O线圈21与Q线圈22之间均设有间距，所述两个O线圈21到Q线圈22的中心距相同；第一个O线圈211的末端与Q线圈22的首端呈数字8字形串接绕制；Q线圈22的末端与第二个O线圈21的首端呈数字8字形串接绕制，并且两个O线圈21匝数相同；O线圈与Q线圈的连接方式与DD线圈中两个D线圈连接方式相同，保证两个O线圈内电流方向相同，与Q线圈内电流方向相反；为使耦合系数最大，Q线圈长度与所述移动设备动态无线供电***的发射端相邻两个磁极中心距的比值k_Q取值范围通常为0.95≤k_Q≤1。

进一步地，所述OQO线圈组2组设置在DD线圈组1上方或下方；所述Q线圈22位于DD线圈组1的中心位置，所述Q线圈22中心线对应所述DD线圈组1中两个D线圈的中心距的中心线；所述两个O线圈21的线圈区域分别与所述两个D线圈的线圈区域部分重合。

进一步地，所述OQO线圈与发射端的耦合系数最大时，O线圈21和Q线圈22的匝数比与耦

合系数之间满足的关系为：

M＝N₁M₁+N₂M₂+N₃M₃

N₁和N₂的比值决定了耦合系数，设N₁＝aN₂

耦合系数最大时，

此时匝数比使耦合系数最大。

其中，L_p是发射端自感，N₁、N₂、N₃分别为Q线圈、O线圈、O线圈的匝数，M₁、M₂、M₃分别为Q线圈、O线圈、O线圈和发射端之间的互感，L₁、L₂、L₃分别是Q线圈、O线圈、O线圈的自感，M₁₂、M₁₃、M₂₃分别是Q线圈和O线圈，Q线圈和O线圈，O线圈和O线圈之间的互感，M是OQO线圈整体与发射端之间的互感，L为OQO线圈整体自感。其中，两个O线圈自感、互感、匝数参数完全相同，因此可以简化。

进一步地，所述条型磁芯组3包括多根条型磁芯；所述多根条型磁芯4沿宽度方向均匀分散排布在堆叠线圈结构上。所述条型磁芯组3采用铁氧体材料。

进一步地，当实现输出波动最小时，相邻两组接收单元的中心距为d/2n+j·d其中，j为任意正整数，d为所述移动设备动态无线供电***的发射端相邻两个磁极中心距；n为接收单元个数，n为正整数

进一步地，所述DD线圈1中D线圈11和OQO线圈中的O线圈21和Q线圈22均采用LITZ线或者多股绝缘漆包线绕制。

进一步地，每个所述接收单元中的DD线圈组1和OQO线圈组2各自匹配谐振补偿电路，并分别连接一个整流桥；两个整流桥的输出通过串联或并联连接后的输出作为所述接收单元的输出。

本发明有益效果：

本发明提出的应用于移动设备动态无线供电***的带OQO线圈组的接收端通过接收端线圈形式和结构设置在消除功率零点，降低输出波动的同时，提升耦合系数，接收端空间利用率以及不同线圈的耦合系数一致性。

所述带OQO线圈组的接收端通过OQO线圈的峰值填补DD线圈的谷值，可以消除输出零点，减小输出波动。当具有多组接收单元时，叠加后输出波动进一步减小。OQO线圈具有最大的耦合系数，最大值与DD线圈接近，这说明其还具有良好的耦合系数一致性，这可以保证在实现相同传输能力的时候，与DD线圈电气参数相似；并且，DD线圈与OQO线圈之间相互解耦，提升传输效率。同时，本发明所述带OQO线圈组的接收端的OQO线圈长度尺寸与DD线圈尺寸相近，因此均不存在空间无线圈部分，进而使接收端空间利用率更高。

附图说明

图1为本发明所述带OQO线圈组的接收端结构示意图；

图2为本发明所述带OQO线圈组的接收端整体结构示意图；

图3为本发明所述带OQO线圈组的接收端的俯视图；

图4为本发明所述带OQO线圈组的接收端的铁氧体磁芯条结构；

图5为动态无线供电***整体结构示意图；

图6为一组接收单元时，OQO线圈和DD线圈分别经过整流后并联输出***示意图；

图7为一组接收单元时，OQO线圈和DD线圈分别经过整流后串联输出***示意图；

图8为多组接收单元时的波形图；

图9为有限元仿真波形图；

图10为匝数比与耦合系数关系波形图；

(1，DD线圈组；2，OQO线圈组；3，条型磁芯组；4，条型磁芯；11，D线圈；21，O线圈；22，Q线圈)

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

实施例1

一种应用于移动设备动态无线供电***的带OQO线圈组的接收端，所述接收端包括n个接收单元，其中，n为正整数；n个接收单元之间通过串联、并联或组合的方式实现输出作为接收端的输出，串联输出感应电压更大，并联输出效率更高；不同接收单元之间的间距可以不同，并且，随着接收单元数量的增加输出波动会减小。当实现输出波动最小时，相邻两组接收单元的中心距为d/2n+j·d；其中，j为任意正整数，d为所述移动设备动态无线供电***的发射端相邻两个磁极中心距；n为接收单元个数，n为正整数。

每个所述接收单元包括一个DD线圈组1、一个OQO线圈组2和条型磁芯组3；所述OQO线圈组2设置于所述DD线圈组上方或下方形成堆叠线圈结构；所述条型磁芯组3设置在所述堆叠线圈结构上；其中，所述DD线圈组1包括两个D线圈11；所述OQO线圈组2包括两个O线圈21和一个Q线圈22；所述条型磁芯组3包括多根条型磁芯，具体结构如图1-图4所示，并且，所述DD线圈中D线圈11和OQO线圈中的O线圈21和Q线圈22均采用LITZ线或者多股绝缘漆包线绕制。

其中，所述DD线圈组1包括两个D线圈11；所述两个D线圈11并排设置于同一水平面上，并且两个D线圈11之间设有中心距；一个D线圈11中的末端与另一个D线圈11的首端呈数字8字形串接绕制，并且两个D线圈11的匝数相同。所述两个D线圈11的尺寸相同；所述两个D线圈11的宽度尺寸根据接收端偏移范围的要求确定。，***设计要求的接收端偏移范围越大，则D线圈11的宽度尺寸越大，即要求允许偏移量增大，则增加宽度。给出一个参考公式：

w_Dcoil＞2l_lat+w_p

其中w_Dcoil是D线圈宽度，l_lat是要求允许偏移量，w_p是发射端线圈宽度。

所述OQO线圈组2包括两个O线圈21和一个Q线圈22；所述两个O线圈21和一个Q线圈22并排排列在同一平面上，并且Q线圈22设置在中间，所述两个O线圈21分别分列在Q线圈22的两侧，即按照O-Q-O顺序进行线圈排列；所述两个O线圈21与Q线圈22之间均设有间距，所述两个O线圈21到Q线圈22的中心距相同；第一个O线圈211的末端与Q线圈22的首端呈数字8字形串接绕制；Q线圈22的末端与第二个O线圈21的首端呈数字8字形串接绕制，并且两个O线圈21匝数相同。O线圈21与Q线圈22的连接方式与DD线圈中两个D线圈连接方式相同，保证两个O线圈21内电流方向相同，与Q线圈22内电流方向相反。两个O线圈21和Q线圈22的长度尺寸及中心距根据实际情况设计确定。两个O线圈21匝数相同，与Q线圈22匝数不同。根据实际结构参数计算电感后，确定O线圈21与Q线圈22匝数比。通过调整合适的O线圈21与Q线圈22匝数比，用以提升耦合系数。

所述OQO线圈组2组设置在DD线圈组1上方或下方；所述Q线圈22对应DD线圈组1中心位置，所述Q线圈22中心线对应所述DD线圈组1中两个D线圈的中心距；所述两个O线圈21的线圈区域分别与所述两个D线圈的线圈区域部分重合。

为实现接收端与发射端的最大耦合性能，DD线圈和OQO线圈均与发射端相邻两个磁极间长度匹配，其匹配条件为：设所述两个D线圈11的长度尺寸与所述移动设备动态无线供电***的发射端相邻两个磁极中心距的比值为k_D1；所述两个D线圈11的中心距与所述移动设备动态无线供电***的发射端相邻两个磁极中心距的比值为k_D2；Q线圈22长度与发射端相邻两个磁极中心距为k_Q；根据工程经验，为使耦合系数最大，通常可以取值为0.95≤k_Q，k_D1，k_D2≤1。并且，线圈尺寸优化时需要将O线圈21的长度与O线圈21和Q线圈匝数比同时进行优化。同时，实现所述OQO线圈与发射端耦合系数最大的O线圈21和Q线圈22的匝数比根据各线圈互感值计算。

所述条型磁芯组3包括多根条型磁芯；所述多根条型磁芯4沿宽度方向均匀分散排布在堆叠线圈结构上，所述条型磁芯采用铁氧体磁芯条。磁芯数目最大可完全覆盖接收端。采用条型磁芯，保证耦合性能的同时减少成本。

每个所述接收单元中的DD线圈组1和OQO线圈组2各自匹配谐振补偿电路，并分别连接一个整流桥；两个整流桥的输出通过串联或并联连接后的输出作为所述接收单元的输出，其并联和串联输出***结构如图6和图7所示。

本实施例应用于移动设备动态无线供电***的带OQO线圈组的接收端的效果验证过程为：

首先，以一个接收单元为例(一个DD线圈+一个OQO线圈)，说明减小输出波动的作用：OQO线圈和DD线圈的输出均为近似正弦波动，因此存在输出零点。通过OQO线圈的峰值填补DD线圈的谷值，可以消除输出零点，减小输出波动。当具有多组接收单元时，如图8所示，叠加后输出波动进一步减小。

其次，说明OQO线圈提升耦合系数以及参数一致性的优点，在相同接收端总长度时，通过有限元仿真软件与现有技术中的DD-DD、DD-Q、BPP等三种结构对比如图9所示。

其中“-”前面的指代接收端种类，后面的指代具体的不同组线圈，如“DDOQO-D”和“DDOQO-Q”分别指本发明提出的接收端中的DD线圈和OQO线圈与发射端的耦合系数。可以明显看到，OQO线圈(图中黑色的线)具有最大的耦合系数，最大值与DD线圈接近，说明还具有良好的耦合系数一致性。这可以保证在实现相同传输能力的时候，与DD线圈电气参数相似。

之后，说明O线圈与Q线圈匝数比对耦合系数的提升效果。以一组O线圈与Q线圈的仿真电感参数为例。设OQO三线圈编号分别为213，单匝自感、相互互感、与发射端互感分别为L₁，L₂，L₃，M₁₂，M₁₃，M₂₃，M₁，M₂，M₃。匝数分别为N₁，N₂，N₃。OQO线圈与发射端之间的耦合系数可以通过下式计算：

M＝N₁M₁+N₂M₂+N₃M₃

举例说明参数如表1所示/μH：

表1

L<sub>1</sub>	L<sub>2</sub>	L<sub>3</sub>	M<sub>12</sub>	M<sub>13</sub>	M<sub>23</sub>	M<sub>1</sub>	M<sub>2</sub>	M<sub>3</sub>
									1.668	1.494	1.494	0.2754	0.2754	-0.097	0.3507	0.189	0.189

两个O线圈匝数相等，N₂＝N₃，因此

M＝4(N₁M₁+2N₂M₂)＝4(0.3507N₁+0.378N₂)

N₁和N₂的比值决定了耦合系数

设N₁＝aN₂，

从图10中可以看出，随着匝数比的增加，耦合系数先增大后减小。因此合理的设计匝数比可以实现最大的耦合系数。

最后，DD-DD、BPP、DD-Q等结构，由于上下层线圈尺寸不同，均存在空间中无线圈部分，而本发明中OQO线圈长度尺寸与DD线圈尺寸相近，接收端空间利用率更高。

所提出OQO与DD线圈结构还具有和DD-Q相似的解耦特点。由于空间位置关系，OQO线圈中心位于DD线圈中心，因此相互解耦。而DD-DD，BPP结构中不同组线圈之间存在相互耦合，会降低接收端输出。

本发明提出的应用于移动设备动态无线供电***的带OQO线圈组的接收端通过接收端线圈形式和结构设置在消除功率零点，降低输出波动的同时，提升耦合系数，接收端空间利用率以及不同线圈的耦合系数一致性。

所述带OQO线圈组的接收端通过OQO线圈的峰值填补DD线圈的谷值，可以消除输出零点，减小输出波动。当具有多组接收单元时，叠加后输出波动进一步减小。OQO线圈具有最大的耦合系数，最大值与DD线圈接近，这说明其还具有良好的耦合系数一致性，这可以保证在实现相同传输能力的时候，与DD线圈电气参数相似；并且，DD线圈与OQO线圈之间相互解耦，提升传输效率。同时，本发明所述带OQO线圈组的接收端的OQO线圈长度尺寸与DD线圈尺寸相近，因此均不存在空间无线圈部分，进而使接收端空间利用率更高。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (8)

1.应用于移动设备动态无线供电***的带OQO线圈组的接收端，其特征在于，所述接收端包括n个接收单元，其中，n为正整数；n个接收单元之间通过串联、并联或组合的方式实现输出作为接收端的输出；每个所述接收单元包括一个DD线圈组(1)、一个OQO线圈组(2)和条型磁芯组(3)；所述OQO线圈组(2)设置于所述DD线圈组(1)上方或下方形成堆叠线圈结构；所述条型磁芯组(3)设置在所述堆叠线圈结构上；其中，所述DD线圈组(1)包括两个D线圈(11)；所述OQO线圈组(2)包括两个O线圈(21)和一个Q线圈(22)；所述条型磁芯组(3)包括多根条型磁芯；

第一个O线圈(21)的末端与Q线圈(22)的首端呈数字8字形串接绕制；Q线圈(22)的末端与第二个O线圈(21)的首端呈数字8字形串接绕制，并且两个O线圈(21)匝数相同；O线圈(21)与Q线圈(22)的连接方式与DD线圈组(1)中两个D线圈连接方式相同，保证两个O线圈(21)内电流方向相同，与Q线圈(22)内电流方向相反；

所述两个D线圈(11)的尺寸相同；所述两个D线圈(11)的宽度尺寸根据接收端偏移范围的要求确定，移动设备动态无线供电***设计要求的接收端偏移范围越大，则D线圈(11)的宽度尺寸越大，即要求接收端允许偏移量增大，则D线圈(11)增加宽度；所述接收端允许偏移量与D线圈(11)增加的宽度之间满足如下关系：

w_Dcoil＞2l_lat+w_p

其中，w_Dcoil是D线圈宽度，l_lat是要求允许偏移量，w_p是发射端线圈宽度；

设所述两个D线圈(11)的长度尺寸与所述移动设备动态无线供电***的发射端相邻两个磁极中心距的比值为k_D1，所述两个D线圈(11)的中心距与所述移动设备动态无线供电***的发射端相邻两个磁极中心距的比值为k_D2；所述k_D1与k_D2满足的取值条件为：0.95≤k_D1，k_D2≤1；

所述两个O线圈(21)的线圈区域分别与所述两个D线圈的线圈区域部分重合；

所述OQO线圈与发射端的耦合系数最大时，O线圈(21)和Q线圈(22)的匝数比与耦合系数之间满足的关系为：

M＝N₁M₁+N₂M₂+N₃M₃

N₁和N₂的比值决定了耦合系数，设N₁＝aN₂

耦合系数最大时，

此时匝数比使耦合系数最大；

其中，L_p是发射端自感，N₁、N₂、N₃分别为Q线圈、O线圈、O线圈的匝数，M₁、M₂、M₃分别为Q线圈、O线圈、O线圈和发射端之间的互感，L₁、L₂、L₃分别是Q线圈、O线圈、O线圈的自感，M₁₂、M₁₃、M₂₃分别是Q线圈和O线圈，Q线圈和O线圈，O线圈和O线圈之间的互感，M是OQO线圈整体与发射端之间的互感，L为OQO线圈整体自感；其中，两个O线圈自感、互感、匝数参数完全相同。

2.根据权利要求1所述接收端，其特征在于，所述DD线圈组(1)包括两个D线圈(11)；所述两个D线圈(11)并排设置于同一水平面上，并且两个D线圈(11)之间设有中心距；一个D线圈(11)中的末端与另一个D线圈(11)的首端呈数字8字形串接绕制，并且两个D线圈(11)的匝数相同。

3.根据权利要求1所述接收端，其特征在于，所述OQO线圈组(2)包括两个O线圈(21)和一个Q线圈(22)；所述两个O线圈(21)和一个Q线圈(22)并排排列在同一平面上，并且按照O-Q-O顺序进行线圈排列；所述两个O线圈(21)与Q线圈(22)之间均设有间距，所述两个O线圈(21)到Q线圈(22)的中心距相同；为使耦合系数最大，Q线圈长度与所述移动设备动态无线供电***的发射端相邻两个磁极中心距的比值k_Q取值范围通常为0.95≤k_Q≤1。

4.根据权利要求1所述接收端，其特征在于，所述OQO线圈组(2)设置在DD线圈组(1)上方或下方；所述Q线圈(22)位于DD线圈组(1)的中心位置，所述Q线圈(22)中心线与所述DD线圈组(1)中两个D线圈的中心距的中心线相对应。

5.根据权利要求1所述接收端，其特征在于，所述条型磁芯组(3)包括多根条型磁芯(4)；所述多根条型磁芯(4)沿宽度方向均匀分散排布在堆叠线圈结构上；所述条型磁芯组(3)采用铁氧体材料。

6.根据权利要求1所述接收端，其特征在于，当实现输出波动最小时，相邻两组接收单元的中心距为d/2n+j·d；其中，j为任意正整数，d为所述移动设备动态无线供电***的发射端相邻两个磁极中心距；n为接收单元个数，n为正整数。

7.根据权利要求1、2或4所述接收端，其特征在于，所述DD线圈组(1)中D线圈(11)和OQO线圈中的O线圈(21)和Q线圈(22)均采用LITZ线或者多股绝缘漆包线绕制。

8.根据权利要求1所述接收端，其特征在于，每个所述接收单元中的DD线圈组(1)和OQO线圈组(2)各自匹配谐振补偿电路，并分别连接一个整流桥；两个整流桥的输出通过串联或并联连接后的输出作为所述接收单元的输出。

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