CN113972756A - 适用于大偏移的无线充电线圈的补偿电路结构 - Google Patents

适用于大偏移的无线充电线圈的补偿电路结构 Download PDF

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Abstract

本发明属于无线充电技术领域，具体涉及一种无线充电线圈的补偿电路结构。一种适用于大偏移的无线充电线圈的补偿电路结构，包括：一电源输入端；一原边电路，具有原边线圈；一副边电路，具有副边线圈；原边电路包括至少两组原边线圈组，每组原边线圈组均包括：原边线圈，与补偿元件串联形成谐振电路；一辅助线圈，与辅助补偿元件并联形成辅助谐振电路；谐振电路与辅助谐振电路串联后连接到电源输入端，原边线圈和辅助线圈均与副边线圈存在磁场耦合。本发明可通过拓展多组原边线圈组实现大范围无线充电场景，在进行无线充电过程中，副边线圈在大偏移情况下，可实现相邻原边线圈组的自动切换，大大提高了大偏移范围下的功率传输效率。

Description

适用于大偏移的无线充电线圈的补偿电路结构
技术领域
本发明属于无线充电技术领域，具体涉及一种无线充电线圈的补偿电路结构。
背景技术
无线充电技术源于无线电能传输技术可分为小功率无线充电和大功率无线充电两种方式。小功率无线充电常采用电磁感应式，大功率无线充电常采用谐振式，大部分电动汽车充电采用谐振式方式，通常由供电设备将能量传送至用电装置。由于供电设备与用电装置之间以磁场传送能量，两者之间不用电线连接，因此供电设备及用电装置都可以做到无导电接点外露。
无线充电技术包括多种方式，其中电磁感应式包括原边线圈和副边线圈，原边线圈具有一定频率的交流电，通过电磁感应在副边线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。目前最为常见的充电解决方案就采用了电磁感应式。现有的无线充电电路，为了扩大无线充电范围，会在原边电路部分设置两个或两个以上的原边线圈，当副边线圈在从一个原边线圈移动至另一原边线圈过程中，这种大偏移场景下，功率传输效率特别低。且在偏移过程中，原工作的原边线圈电流非常大，容易使整个无线充电电路损坏。
发明内容
本发明针对电磁感应式的无线充电电路中，副边线圈从一个原边线圈移动至另一个原边线圈时存在的功率传输效率低且容易损坏电路的技术问题，目的在于提供一种适用于大偏移的无线充电线圈的补偿电路结构。
一种适用于大偏移的无线充电线圈的补偿电路结构，包括：一电源输入端；一原边电路，具有原边线圈；一副边电路，具有副边线圈；
所述原边电路包括至少两组原边线圈组，每组所述原边线圈组均包括：
所述原边线圈，与补偿元件串联形成谐振电路；
一辅助线圈，与辅助补偿元件并联形成辅助谐振电路；
所述谐振电路与所述辅助谐振电路串联后连接到所述电源输入端，所述原边线圈和所述辅助线圈均与所述副边线圈存在磁场耦合。
所述补偿元件为补偿电容，所述辅助补偿元件为辅助补偿电容。
所述辅助线圈与所述辅助补偿元件在开关频率谐振，即：
Figure BDA0003363448120000021
其中，ω为工作角频率，ω＝2πf，f为工作频率，La1为所述辅助线圈的自感，Ca1为所述辅助补偿元件的电容值。
所述原边线圈与所述补偿元件、所述辅助补偿元件在开关频率谐振，即：
Figure BDA0003363448120000022
其中，ω为工作角频率，ω＝2πf，f为工作频率，L1为所述原边线圈的自感，C1为所述补偿元件的电容值，Ca1为所述辅助补偿元件的电容值。
相邻两组所述原边线圈组中的所述原边线圈和所述辅助线圈之间均存在磁场耦合。
当相邻两组所述原边线圈组处于同一层结构上时，所述辅助线圈均位于对应的所述原边线圈内侧，相邻两组中的所述原边线圈具有预设距离。
当相邻两组所述原边线圈组处于不同层结构上时，所述辅助线圈位于对应的所述原边线圈的上方或下方，一组所述原边线圈位于另一组所述原边线圈的上方或下方。
当同一组所述原边线圈组处于同一层结构上，相邻两组所述原边线圈组处于不同层结构上时，所述辅助线圈均位于对应的所述原边线圈内侧，一组所述原边线圈位于另一组所述原边线圈的上方或下方。
当同一组所述原边线圈组处于不同层结构上，相邻两组所述原边线圈组处于同一层结构上时，所述辅助线圈均位于对应的所述原边线圈的上方或下方，相邻两组中的所述原边线圈具有预设距离。
相邻两组所述原边线圈组中的所述原边线圈和所述辅助线圈之间存在解耦。
同一组中的所述原边线圈和所述辅助线圈通过部分线圈交叠实现解耦。
相邻两组中的所述原边线圈之间通过部分线圈交叠实现解耦。
相邻两组中的所述辅助线圈具有预设距离。
本发明的积极进步效果在于：本发明采用适用于大偏移的无线充电线圈的补偿电路结构，可通过拓展多组原边线圈组实现大范围无线充电场景，以覆盖更大的无线充电范围，在进行无线充电过程中，副边线圈在大偏移情况下，可实现相邻原边线圈组的自动切换，大大提高了大偏移范围下的功率传输效率。
附图说明
图1为本发明的一种电路结构示意图；
图2为本发明的一种线圈结构；
图3为本发明的另一种线圈结构。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。
参照图1，一种适用于大偏移的无线充电线圈的补偿电路结构，包括：电源输入端、原边电路100和副边电路200。
电源输入端(未示出)与原边电路100连接，为原边电路100供电，电源输入端输入的电源优选为高频电源。
副边电路200具有副边线圈W3，副边线圈W3的自感为L3，副边电路200可以通过补偿电路与用电装置连接(未示出)。
原边电路100包括至少两组原边线圈组，每组原边线圈组均包括原边线圈和辅助线圈，原边线圈和辅助线圈均与副边线圈存在磁场耦合。原边线圈与补偿元件串联形成谐振电路；辅助线圈与辅助补偿元件并联形成辅助谐振电路；谐振电路与辅助谐振电路串联后连接到电源输入端。其中，补偿元件为补偿电容，辅助补偿元件为辅助补偿电容。
参照图1，原边电路100包括相邻的两组原边线圈组，一组原边线圈组包括原边线圈W1、辅助线圈Wa1、补偿电容和辅助补偿电容，原边线圈W1的自感为L1，辅助线圈Wa1的自感为La1，补偿电容的电容值为C1，辅助补偿电容的电容值为Ca1。另一组原边线圈组包括原边线圈W2、辅助线圈Wa2、补偿电容和辅助补偿电容，原边线圈W2的自感为L2，辅助线圈Wa2的自感为La2，补偿电容的电容值为C2，辅助补偿电容的电容值为Ca2。则：
辅助线圈Wa1与辅助补偿元件在开关频率谐振，即：
Figure BDA0003363448120000031
其中，ω为工作角频率，ω＝2πf，f为工作频率，La1为辅助线圈Wa1的自感，Ca1为辅助补偿元件的电容值。
原边线圈W1与补偿元件、辅助补偿元件在开关频率谐振，即：
Figure BDA0003363448120000041
其中，ω为工作角频率，ω＝2πf，f为工作频率，L1为原边线圈W1的自感，C1为原边线圈W1对应的补偿元件的电容值，Ca1为辅助线圈Wa1对应的辅助补偿元件的电容值。
辅助线圈Wa2与辅助补偿元件在开关频率谐振，即：
Figure BDA0003363448120000042
其中，ω为工作角频率，ω＝2πf，f为工作频率，La2为辅助线圈Wa2的自感，Ca2为辅助补偿元件的电容值。
原边线圈W2与补偿元件、辅助补偿元件在开关频率谐振，即：
Figure BDA0003363448120000043
其中，ω为工作角频率，ω＝2πf，f为工作频率，L2为原边线圈W2的自感，C2为原边线圈W2对应的补偿元件的电容值，Ca2为辅助线圈Wa2对应的辅助补偿元件的电容值。
相邻两组原边线圈组中的原边线圈W1、辅助线圈Wa1、原边线圈W2和辅助线圈Wa2之间均可以存在磁场耦合。即原边线圈W1、辅助线圈Wa1、原边线圈W2和辅助线圈Wa2之间的互感均不为零，他们的线圈均不存在交叠情况。
当相邻两组原边线圈组处于同一层结构上时，辅助线圈Wa1位于原边线圈W1内侧，辅助线圈Wa2位于原边线圈W2内侧，原边线圈W1和原边线圈W2之间具有预设距离，即原边线圈W1和原边线圈W2的线圈不存在交叠情况。
当相邻两组原边线圈组处于不同层结构上时，辅助线圈Wa1位于原边线圈W1的上方或下方，辅助线圈Wa2位于原边线圈W2的上方或下方，原边线圈W1位于原边线圈W2的上方或下方。
当同一组原边线圈组处于同一层结构上，相邻两组原边线圈组处于不同层结构上时，辅助线圈Wa1位于原边线圈W1内侧，辅助线圈Wa2位于原边线圈W2内侧，原边线圈W1位于原边线圈W2的上方或下方。如图2中所示的线圈结构即采用了上述结构。
当同一组原边线圈组处于不同层结构上，相邻两组原边线圈组处于同一层结构上时，辅助线圈Wa1位于原边线圈W1的上方或下方，辅助线圈Wa2位于原边线圈W2的上方或下方，原边线圈W1和原边线圈W2之间具有预设距离，即原边线圈W1和原边线圈W2的线圈不存在交叠情况。
相邻两组原边线圈组中的原边线圈和辅助线圈之间也可以存在解耦，两个原边线圈和两个辅助线圈之间不存在磁场耦合，即原边线圈W1、辅助线圈Wa1、原边线圈W2和辅助线圈Wa2之间的互感均为零。
参照图3，同一组中的原边线圈和辅助线圈通过部分线圈交叠实现解耦。相邻两组中的原边线圈之间通过部分线圈交叠实现解耦。相邻两组中的辅助线圈具有预设距离，以实现两者之间的互感可忽略不计。
实施例一：
参照图1和图3，在原边电路100相邻的两组原边线圈组中，将相邻的两组原边线圈组中的原边线圈W1和原边线圈W2设计为主要的功率发射线圈，而辅助线圈Wa1和辅助线圈Wa2的作用是在副边线圈W3相对原边线圈W1或原边线圈W2的偏移变大的时候，在原边线圈W1或原边线圈W2中产生逐渐增加的阻抗，从而减小原边线圈W1或原边线圈W2作为主发射线圈时的电流和损耗。原边线圈W1、辅助线圈Wa1、原边线圈W2、辅助线圈Wa2分别与副边线圈W3存在磁场耦合，M13、Ma1、M23和Ma2均为互感值。原边线圈W1与辅助线圈Wa1互相解耦，原边线圈W2与辅助线圈Wa2互相解耦，原边线圈W1与原边线圈W2互相解耦。由于辅助线圈Wa1与辅助线圈Wa2间隔较远，面积较小，两者之间的耦合在分析中也忽略不计。
以原边线圈W1和辅助线圈Wa1为例进行说明：
副边线圈W3反射到原边线圈W1的阻抗为：
Figure BDA0003363448120000051
副边线圈W3反射到辅助线圈Wa1的阻抗为：
Figure BDA0003363448120000052
从原边输入端看进去的总阻抗是：
Figure BDA0003363448120000053
当副边线圈W3从原边线圈W1一端移到原边线圈W2一端时，M13趋近零，ZRa1的幅值趋近无穷小，因此Zin的第一项趋近无穷大，而第二项趋近零，原边线圈W1作为主发射线圈时其上的电流也趋近零，实现了主发射线圈的自动切换，从而可以提高大偏移范围下的功率传输效率。
当副边线圈W3从原边线圈W2一端重新移动到原边线圈W1一端时，以上述相同的原理，得到原边线圈W2上的电流趋近零，实现自动切换，最终实现了相邻两个原边线圈组之间的自动切换功能。
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。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种适用于大偏移的无线充电线圈的补偿电路结构，包括：一电源输入端；一原边电路，具有原边线圈；一副边电路，具有副边线圈；
其特征在于，所述原边电路包括至少两组原边线圈组，每组所述原边线圈组均包括：
所述原边线圈，与补偿元件串联形成谐振电路；
一辅助线圈，与辅助补偿元件并联形成辅助谐振电路；
所述谐振电路与所述辅助谐振电路串联后连接到所述电源输入端，所述原边线圈和所述辅助线圈均与所述副边线圈存在磁场耦合。
2.如权利要求1所述的适用于大偏移的无线充电线圈的补偿电路结构，其特征在于，所述补偿元件为补偿电容，所述辅助补偿元件为辅助补偿电容。
3.如权利要求2所述的适用于大偏移的无线充电线圈的补偿电路结构，其特征在于，所述辅助线圈与所述辅助补偿元件在开关频率谐振，即：
Figure FDA0003363448110000011
其中，π为工作角频率，π＝2πf，f为工作频率，La1为所述辅助线圈的自感，Ca1为所述辅助补偿元件的电容值。
4.如权利要求1所述的适用于大偏移的无线充电线圈的补偿电路结构，其特征在于，所述原边线圈与所述补偿元件、所述辅助补偿元件在开关频率谐振，即：
Figure FDA0003363448110000012
其中，ω为工作角频率，ω＝2πf，f为工作频率，L1为所述原边线圈的自感，C1为所述补偿元件的电容值，Ca1为所述辅助补偿元件的电容值。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的适用于大偏移的无线充电线圈的补偿电路结构，其特征在于，相邻两组所述原边线圈组中的所述原边线圈和所述辅助线圈之间均存在磁场耦合。
6.如权利要求5所述的适用于大偏移的无线充电线圈的补偿电路结构，其特征在于，当相邻两组所述原边线圈组处于同一层结构上时，所述辅助线圈均位于对应的所述原边线圈内侧，相邻两组中的所述原边线圈具有预设距离；
当相邻两组所述原边线圈组处于不同层结构上时，所述辅助线圈位于对应的所述原边线圈的上方或下方，一组所述原边线圈位于另一组所述原边线圈的上方或下方；
当同一组所述原边线圈组处于同一层结构上，相邻两组所述原边线圈组处于不同层结构上时，所述辅助线圈均位于对应的所述原边线圈内侧，一组所述原边线圈位于另一组所述原边线圈的上方或下方；
当同一组所述原边线圈组处于不同层结构上，相邻两组所述原边线圈组处于同一层结构上时，所述辅助线圈均位于对应的所述原边线圈的上方或下方，相邻两组中的所述原边线圈具有预设距离。
7.如权利要求1至4中任意一项所述的适用于大偏移的无线充电线圈的补偿电路结构，其特征在于，相邻两组所述原边线圈组中的所述原边线圈和所述辅助线圈之间存在解耦。
8.如权利要求7所述的适用于大偏移的无线充电线圈的补偿电路结构，其特征在于，同一组中的所述原边线圈和所述辅助线圈通过部分线圈交叠实现解耦。
9.如权利要求7所述的适用于大偏移的无线充电线圈的补偿电路结构，其特征在于，相邻两组中的所述原边线圈之间通过部分线圈交叠实现解耦。
10.如权利要求7所述的适用于大偏移的无线充电线圈的补偿电路结构，其特征在于，相邻两组中的所述辅助线圈具有预设距离。
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