CN110696642A - 基于电感集成式lcc补偿拓扑的无线充电耦合机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电感集成式LCC补偿拓扑的无线充电耦合机构，包括发射端和接收端两个部分，所述发射端包括DD型发射线圈层、发射端铁氧体层、发射端补偿线圈、发射端屏蔽层，以及发射端隔直电容、发射端谐振电容；所述接收端包括DD型接收线圈层、接收端铁氧体层、接收端补偿线圈、接收端屏蔽层，以及接收端隔直电容、接收端谐振电容，所述发射端补偿线圈缠绕在发射端铁氧体上；所述接收端补偿线圈缠绕在接收端铁氧体上。本发明将传统LCC补偿电路的附加谐振电感用补偿线圈替换且与主线圈集成，节省了收发端用于放置附加谐振电感的空间，同时保持了传统LCC拓扑的电路特征以及输出功率不变。

Description

基于电感集成式LCC补偿拓扑的无线充电耦合机构

技术领域

本发明涉及无线充电技术，特别涉及一种基于电感集成式LCC补偿拓扑的无线充电耦合机构。

背景技术

在电动汽车无线充电方面，由于磁耦合谐振技术具有较高的能量传输功率和效率、较远的传输距离，以及传输方向要求不严格等优势，已成为主要的充电方式。电动汽车磁耦合谐振式无线充电***耦合机构中，能量通过收发线圈之间的互感传递，但由于线圈之间的间隙较大，耦合系数通常在0.1至0.3的范围内，这使得***存在相当大的漏电感。为了解决这个问题，现有技术将线圈设计为双极型DD结构，增加了收发线圈之间的耦合，在类似尺寸下，获得了比圆盘式线圈更好的水平抗偏移性能；同时采用LCC补偿电路，极大地简化了***控制的复杂性，使得无论负载变化如何，负载电池的充电电流仅取决于***的输入电压。然而，LCC补偿网络一般设置在由DD型线圈组成的耦合机构外部，而且LCC补偿网络需要额外配置电感，这使得整个***变得复杂且占用较大空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电感集成式LCC补偿拓扑的无线充电耦合机构，改善了***复杂且占用空间大的情况。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于电感集成式LCC补偿拓扑的无线充电耦合机构，包括发射端和接收端两个部分，所述发射端包括DD型发射线圈层、发射端铁氧体层、发射端补偿线圈、发射端屏蔽层，以及发射端隔直电容、发射端谐振电容；所述接收端包括DD型接收线圈层、接收端铁氧体层、接收端补偿线圈、接收端屏蔽层，以及接收端隔直电容、接收端谐振电容，所述发射端补偿线圈缠绕在发射端铁氧体上；所述接收端补偿线圈缠绕在接收端铁氧体上。

所述发射端屏蔽层和接收端屏蔽层均采用厚度为2mm-3mm的铝板。

所述发射端铁氧体层包括5根铁氧体条，沿发射线圈长边横向均匀间隙排布。

所述发射端补偿线圈缠绕在发射端一根或者多根铁氧体条上。

发射端的铁氧体条的长度小于发射线圈长边。

所述接收端铁氧体层包括3根铁氧体条，沿接收线圈长边横向均匀间隙排布。

所述接收端补偿线圈缠绕在接收端一根或者多根铁氧体条上。

接收端氧体条的长度小于接收线圈长边。

所述发射端补偿线圈自感L_1a、接收端补偿线圈自感L_2a按照下式设计：

式中，L₁、L_T分别为传统LCC补偿网络的发射端附加谐振电感、发射线圈自感；L₂、L_R分别为传统LCC补偿网络的接收端附加谐振电感、接收线圈自感；k₁、k₂分别为发射端补偿线圈与发射线圈以及接收端补偿线圈与接收线圈。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：通过在主线圈铁氧体条上缠绕补偿线圈的方式，将传统LCC补偿电路的附加谐振电感用补偿线圈替换且与主线圈集成，节省了收发端用于放置附加谐振电感的空间，同时保持了传统LCC拓扑的电路特征以及输出功率不变。

附图说明

图1是本发明基于电感集成式LCC补偿拓扑的无线充电耦合机构的示意图。

图2是基于传统LCC补偿拓扑的无线充电耦合机构的电路图。

图3是基于电感集成式LCC补偿拓扑的无线充电耦合机构的的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。

本发明提供一种基于电感集成式LCC补偿拓扑的无线充电耦合机构，通过在主线圈(发射线圈和接收线圈)铁氧体条上缠绕补偿线圈的方式，将传统LCC补偿电路的附加谐振电感用补偿线圈替换且与主线圈(发射线圈和接收线圈)集成，节省了收发端用于放置附加谐振电感的空间，同时保持了传统LCC拓扑的电路特征以及输出功率不变。

如图1所示，基于电感集成式LCC补偿拓扑的无线充电耦合机构，包括发射端和接收端两个部分。其中发射端包括由上往下依次设置的DD型发射线圈层、发射端铁氧体层、缠绕在发射端铁氧体上的发射端补偿线圈、发射端屏蔽层，以及发射端隔直电容、发射端谐振电容；接收端包括由下往上依次设置的DD型接收线圈层、接收端铁氧体层、缠绕在接收端铁氧体上的接收端补偿线圈、接收端屏蔽层，以及接收端隔直电容、接收端谐振电容。所述发射线圈与发射端隔直电容、发射端谐振电容、发射端补偿线圈以及接收线圈与接收端隔直电容、接收端谐振电容、接收端补偿线圈之间的连接方式与传统LCC拓扑保持一致，且发射线圈和发射端补偿线圈电流流向一致(同为顺时针或逆时针)。具体为：所述发射线圈的两端分别连接发射端隔直电容的负极、发射端谐振电容的负极，所述发射端谐振电容的正极连接发射端谐振电容的正极，所述发射端隔直电容的两端并联发射端补偿线圈与输入电压源的串联支路；所述接收线圈的两端分别连接接收端隔直电容的负极、接收端谐振电容的负极，所述接收端谐振电容的正极连接接收端谐振电容的正极，所述接收端隔直电容的两端并联接收端补偿线圈与电池的串联支路。

一些实施例中，设置发射端铁氧体层包括5根铁氧体条，接收端铁氧体层包括3根铁氧体条，且都沿主线圈(发射线圈和接收线圈)长边横向均匀间隙排布，用于增强耦合，导引磁通。补偿线圈可以缠绕在一根铁氧体条上，也可以缠绕在多根铁氧体条上，用于替代传统LCC补偿网络的附加谐振电感。

还有一些实施例中，设置发射端、接收端的铁氧体条的长度小于对应线圈的长边。以在铁氧体条于壳体的间隙中布置电容，进一步提高机构的集成度。

一些实施例中，所述收发端的屏蔽层为铝板，其厚度为2mm-3mm。在保证磁屏蔽效果的同时，降低了生产成本，减轻了机构的质量。

所述发射端补偿线圈自感L_1a、接收端补偿线圈自感L_2a需要保证电感集成式LCC补偿拓扑的无线充电耦合机构与传统LCC补偿拓扑的电路特征以及输出功率保持一致。

图2为基于传统LCC补偿拓扑的无线充电耦合机构的等效电路图，根据电路图列写KVL方程为：

式中，U_i、U_o分别为输入电压和输出电压；I_i、I_T、I_R、I_o分别为输入电流、发射线圈通入电流、接收线圈通入电流、输出电流；L₁、C₁、C_T、L_T分别为发射端附加谐振电感、发射线圈谐振电容、发射线圈隔直电容、发射线圈自感；L₂、C₂、C_R、L_R分别为接收端附加谐振电感、接收线圈谐振电容、接收线圈隔直电容、接收线圈自感；M为收发线圈之间的互感。

LCC补偿拓扑的谐振条件为：

结合式(1)、(2)，可以解得回路电流的表达式：

通过上式可以看出，采用传统的LCC补偿拓扑结构，无论负载和耦合如何变化，发射线圈通入的电流I_T仅取决于***的输入电压U_i，这极大地简化了***控制的复杂性；同时，***的输出电流I_o也只与***的输入电压U_i以及收发线圈之间的互感M有关，可以很容易地实现恒流充电。

图3为基于电感集成式LCC补偿拓扑的无线充电耦合机构的的电路图的等效电路图。变化在于发射端及接收端的附加谐振电感分别由发射端补偿线圈和接收端补偿线圈替代，造成发射端补偿线圈与发射线圈以及接收端补偿线圈与接收线圈之间产生额外的互感。由于发射端补偿线圈和接收端补偿线圈相对较小且收发线圈之间的距离相对较远，因此它们之间的互感以及发射端补偿线圈与接收线圈、接收端补偿线圈与发射线圈之间的互感在电路分析时可以忽略。列写***的KVL方程如下：

式中，U_ia、U_oa分别为改进后的输入电压和输出电压；I_ia、I_Ta、I_Ra、I_oa分别为改进后的输入电流、发射线圈通入电流、接收线圈通入电流、输出电流；L_1a、C_1a、C_Ta分别为改进后的发射端补偿线圈自感、发射线圈谐振电容、发射线圈隔直电容；L_2a、C_2a、C_Ra分别为改进后的接收端补偿线圈自感、接收线圈谐振电容、接收线圈隔直电容；M_T1、M_R2分别为发射端补偿线圈与发射线圈以及接收端补偿线圈与接收线圈之间的互感。

改进后的LCC补偿拓扑的谐振条件为：

结合式(4)、(5)，可以解得改进后的回路电流表达式：

观察上式可以看出，采用电感集成式LCC补偿拓扑结构，***仍保持传统LCC补偿拓扑的电路特性。

根据互感定义公式，M_T1、M_R2的表达式：

式中，k₁、k₂分别为发射端补偿线圈与发射线圈以及接收端补偿线圈与接收线圈之间的耦合系数，代入式(6)，可得：

根据式(3)和式(8)，可得在保持输入电压不变以及负载不变的前提下，保持输出功率不变的限定条件为：

即发射端补偿线圈自感与接收端补偿线圈自感应满足关系：

因此基于式(10)，设计发射端补偿线圈和接收端补偿线圈，缠绕在一根或多根铁氧体条上，并保证发射线圈和发射端补偿线圈电流流向一致(同为顺时针或逆时针)。发射线圈与发射端的隔直电容、谐振电容、发射端补偿线圈以及接收线圈与接收端的隔直电容、谐振电容、接收端补偿线圈之间的连接方式与传统LCC拓扑保持一致。可以维持采用电感集成式LCC补偿拓扑结构的电动汽车无线充电***的输出功率与采用传统的LCC补偿拓扑结构的电动汽车无线充电***功率相同，实现附加谐振电感与主线圈的集成，节省用于放置附加谐振电感的空间，同时保持传统LCC结构的电路特征。

Claims (9)

1.一种基于电感集成式LCC补偿拓扑的无线充电耦合机构，包括发射端和接收端两个部分，所述发射端包括DD型发射线圈层、发射端铁氧体层、发射端补偿线圈、发射端屏蔽层，以及发射端隔直电容、发射端谐振电容；所述接收端包括DD型接收线圈层、接收端铁氧体层、接收端补偿线圈、接收端屏蔽层，以及接收端隔直电容、接收端谐振电容，其特征在于，所述发射端补偿线圈缠绕在发射端铁氧体上；所述接收端补偿线圈缠绕在接收端铁氧体上。

2.根据权利要求1所述的基于电感集成式LCC补偿拓扑的无线充电耦合机构，其特征在于，所述发射端屏蔽层和接收端屏蔽层均采用厚度为2mm-3mm的铝板。

3.根据权利要求1所述的基于电感集成式LCC补偿拓扑的无线充电耦合机构，其特征在于，所述发射端铁氧体层包括5根铁氧体条，沿发射线圈长边横向均匀间隙排布。

4.根据权利要求3所述的基于电感集成式LCC补偿拓扑的无线充电耦合机构，其特征在于，所述发射端补偿线圈缠绕在发射端一根或者多根铁氧体条上。

5.根据权利要求3所述的基于电感集成式LCC补偿拓扑的无线充电耦合机构，其特征在于，发射端的铁氧体条的长度小于发射线圈长边。

6.根据权利要求1所述的基于电感集成式LCC补偿拓扑的无线充电耦合机构，其特征在于，所述接收端铁氧体层包括3根铁氧体条，沿接收线圈长边横向均匀间隙排布。

7.根据权利要求6所述的基于电感集成式LCC补偿拓扑的无线充电耦合机构，其特征在于，所述接收端补偿线圈缠绕在接收端一根或者多根铁氧体条上。

8.根据权利要求6所述的基于电感集成式LCC补偿拓扑的无线充电耦合机构，其特征在于，接收端氧体条的长度小于接收线圈长边。

9.根据权利要求1所述的基于电感集成式LCC补偿拓扑的无线充电耦合机构，其特征在于，所述发射端补偿线圈自感L_1a、接收端补偿线圈自感L_2a按照下式设计：

式中，L₁、L_T分别为传统LCC补偿网络的发射端附加谐振电感、发射线圈自感；L₂、L_R分别为传统LCC补偿网络的接收端附加谐振电感、接收线圈自感；k₁、k₂分别为发射端补偿线圈与发射线圈以及接收端补偿线圈与接收线圈。

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