本發(fā)明涉及了無線電能傳輸?shù)囊环N磁耦合結(jié)構(gòu)，特別是涉及了一種具有抗偏移特性的磁耦合結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法及其構(gòu)成的無線電能傳輸系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、無線電能傳輸(wireless?power?transfer,wpt)技術(shù)消除了傳統(tǒng)有線充電技術(shù)對于電纜的剛需，徹底革新了充電方式，僅僅依靠發(fā)射線圈和接收線圈之間的相互耦合就可以實(shí)現(xiàn)能量傳輸。這項(xiàng)技術(shù)不僅具有便利性，還避免了電線裸露與老化，進(jìn)一步提升了安全性。隨著wpt技術(shù)的潛力被不斷挖掘，已被廣泛應(yīng)用于電動汽車、消費(fèi)電子、智能家居和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。

2、在實(shí)際無線電能傳輸?shù)膽?yīng)用當(dāng)中，由于能量收發(fā)線圈不能完全做到對準(zhǔn)，即會出現(xiàn)接收線圈與發(fā)射線圈產(chǎn)生位置偏移情況，無線充電系統(tǒng)的耦合系數(shù)會隨著線圈位置偏移變化而發(fā)生顯著變化，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的輸出電壓的不穩(wěn)。因此，目前對wpt的研究重點(diǎn)主要放在提高系統(tǒng)的抗偏移能力上。

3、目前，系統(tǒng)的抗偏移能力的提升主要包括磁耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、補(bǔ)償拓?fù)湓O(shè)計(jì)和功率控制等三個(gè)方面。

4、磁耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以通過對于一些經(jīng)典線圈例如圓型線圈(circular?pad,cp)、雙d型線圈(double?d?pad,ddp)、雙極型線圈(bipolar?pad,bp)等進(jìn)行優(yōu)化組合設(shè)計(jì)，或者在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)新的結(jié)構(gòu)。但是，這些附加的結(jié)構(gòu)會增加線圈的體積和銅線的使用量。

5、補(bǔ)償拓?fù)湓O(shè)計(jì)一般是在四種基本拓?fù)浠A(chǔ)上的改進(jìn)設(shè)計(jì)?；旌涎a(bǔ)償拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)不同的效果，例如雙面電感-電容-電容(double-sided?inductor-capacitor-capacitor，lcc-lcc)可以實(shí)現(xiàn)恒流輸出，電感-電容-電容-串聯(lián)電容(inductance-doublecapacitances-series,lcc-s)可以實(shí)現(xiàn)恒壓輸出。這些拓?fù)淇梢愿鶕?jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇，但是會一定程度上增加儲能元件的數(shù)量。

6、功率控制主要包括三種類型，分別是在二次側(cè)添加dc-dc變換器的副邊控制、需要反饋通訊電路的原邊控制和兩者結(jié)合的雙邊控制，但是這三種情況無疑都增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

7、在wpt系統(tǒng)中，磁耦合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)占據(jù)主導(dǎo)地位，設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)的耦合性能和傳輸效率。因此，有必要提出一種性能更好的磁耦合結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決當(dāng)前無線電能傳輸系統(tǒng)所面臨的技術(shù)難題，本發(fā)明旨在構(gòu)建一種具有抗偏移特性的磁耦合結(jié)構(gòu)及其構(gòu)成的無線電能傳輸系統(tǒng)。該磁耦合結(jié)構(gòu)不僅讓wpt系統(tǒng)具備了強(qiáng)大的抗偏移能力，同時(shí)還能有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對于輸出電壓的穩(wěn)定控制。本發(fā)明避免單純附加線圈結(jié)構(gòu)增大系統(tǒng)體積與銅線使用量的缺陷，同時(shí)結(jié)合lcc-s補(bǔ)償拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓和功率輸出，不需引入額外功率控制電路，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

2、為克服上述技術(shù)難題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

3、一、一種具有抗偏移特性的磁耦合結(jié)構(gòu)

4、所述磁耦合結(jié)構(gòu)包括發(fā)射端與接收端，所述發(fā)射端包括發(fā)射線圈；所述接收端包括接收線圈，接收線圈包括內(nèi)接收線圈和外接收線圈，內(nèi)接收線圈設(shè)置在外接收線圈內(nèi)部，發(fā)射線圈與內(nèi)接收線圈、外接收線圈耦合設(shè)置。

5、所述接收線圈為軸對稱結(jié)構(gòu)，外接收線圈由四個(gè)相同尺寸的子線圈依次串接組成；四個(gè)子線圈沿圓周布置并且四個(gè)子線圈圍成一個(gè)內(nèi)接收線圈放置區(qū)域，內(nèi)接收線圈放置區(qū)域中設(shè)置有內(nèi)接收線圈。

6、所述四個(gè)子線圈中，兩個(gè)子線圈的繞制方向?yàn)轫槙r(shí)針方向，另外兩個(gè)子線圈的繞制方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，四個(gè)子線圈依照“順-逆-順-逆”的方式相連。

7、所述內(nèi)接收線圈為圓形或方形。

8、所述發(fā)射端還包括原邊磁芯，所述接收端還包括副邊磁芯，所述原邊磁芯位于所述發(fā)射線圈遠(yuǎn)離接收線圈一側(cè)的表面處，所述副邊磁芯位于所述接收線圈遠(yuǎn)離發(fā)射線圈一側(cè)的表面處。

9、二、一種具有抗偏移特性的磁耦合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

10、s1：根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景確定外部長度l1、外部寬度w1、外部長度為l2和外部寬度w2；以及確定發(fā)射端與接收端的氣隙距離h；

11、s2：設(shè)置發(fā)射線圈匝數(shù)nt，接收外線圈匝數(shù)nout，接收內(nèi)線圈長度l3，接收內(nèi)線圈寬度w3，接收內(nèi)線圈匝數(shù)nin的上下限以及初始值；

12、s3：通過仿真模擬確定發(fā)射線圈與外接收線圈的互感mtr1以及發(fā)射線圈與內(nèi)接收線圈的互感mtr2，根據(jù)發(fā)射線圈與外接收線圈的互感mtr1和發(fā)射線圈與內(nèi)接收線圈的互感mtr2確定總互感mtr；

13、s4：通過仿真模擬偏移狀態(tài)下的互感波動δmtr，從而生成一組設(shè)計(jì)參數(shù)；

14、s5：重新調(diào)整發(fā)射線圈匝數(shù)nt，接收外線圈匝數(shù)nout，接收內(nèi)線圈長度l3，接收內(nèi)線圈寬度w3，接收內(nèi)線圈匝數(shù)nin，重復(fù)s3和s4，獲得多組設(shè)計(jì)參數(shù)；

15、s6：選擇互感波動δmtr最低的設(shè)計(jì)參數(shù)并計(jì)算獲得對應(yīng)的發(fā)射線圈的電感量lt、外接收線圈的電感量lr1和內(nèi)接收線圈的電感量lr2，完成磁耦合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

16、所述s4具體為：

17、通過仿真模擬偏移范圍內(nèi)的總互感mtr并計(jì)算互感波動δmtr，判斷互感波動δmtr是否超過第一預(yù)設(shè)閾值，超過則對接收內(nèi)線圈長度l3和接收內(nèi)線圈寬度w3采取增大調(diào)整，未超過則繼續(xù)判斷互感波動δmtr是否超過第二預(yù)設(shè)閾值，超過則對接收內(nèi)線圈匝數(shù)nin采取增大調(diào)整，未超過則繼續(xù)判斷互感波動δmtr是否超過第三預(yù)設(shè)閾值，超過則對接收外線圈匝數(shù)nout和發(fā)射線圈匝數(shù)nt采取增大調(diào)整，直至互感波動δmtr低于第三預(yù)設(shè)閾值則紀(jì)錄當(dāng)前發(fā)射線圈匝數(shù)nt，接收外線圈匝數(shù)nout，接收內(nèi)線圈長度l3，接收內(nèi)線圈寬度w3，接收內(nèi)線圈匝數(shù)nin并作為一組設(shè)計(jì)參數(shù)。

18、三、一種由具有抗偏移特性的磁耦合結(jié)構(gòu)構(gòu)成的無線電能傳輸系統(tǒng)

19、所述無線電能傳輸系統(tǒng)包括所述發(fā)射端與所述接收端；所述發(fā)射端包括直流電壓源、逆變電路和原邊諧振電路，原邊諧振電路包含相連的發(fā)射線圈與原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，所述接收端包括副邊內(nèi)部諧振電路、所述副邊外部諧振電路、副邊內(nèi)部全橋整流濾波電路、副邊外部全橋整流濾波電路和阻性負(fù)載，副邊內(nèi)部諧振電路包含相連的內(nèi)接收線圈與第一副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，副邊外部諧振電路包含相連的外接收線圈與第二副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)；所述副邊內(nèi)部全橋整流濾波電路與副邊外部全橋整流濾波電路串聯(lián)組成了完整的副邊整流濾波電路。

20、所述直流電壓源的數(shù)值vin的公式如下：

21、

22、其中，uin是所述直流電壓源逆變后的電壓；

23、所述直流電壓源逆變后的電壓uin的公式如下：

24、

25、其中，mtr是發(fā)射線圈和接收線圈的總互感，ω是所述無線電能傳輸系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)下的諧振角頻率，rtc是所述補(bǔ)償電感l(wèi)tc的電阻值，rt是所述原邊接收線圈的等效電阻，rr是所述副邊接收線圈的等效電阻，re是所述阻性負(fù)載rl的等效電阻，ur是所述等效電阻re上的基波電壓；rr1是所述副邊外接收線圈繞組的電阻值，rr2是所述副邊內(nèi)接收線圈繞組的電阻值，vr是輸出電壓。

26、所述原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)采用lcc型補(bǔ)償拓?fù)洌龅谝桓边呇a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和第二副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)均采用s型補(bǔ)償拓?fù)洹?/p>

27、與現(xiàn)有技術(shù)相比較而言，本發(fā)明具有的有益效果在于：

28、本發(fā)明提供的一種具有抗偏移特性的磁耦合結(jié)構(gòu)，其接收線圈的外接收線圈包圍內(nèi)接收線圈的結(jié)構(gòu)減少了空間占用率并且由于其繞線方式與空間結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外接收線圈的相互解耦，而當(dāng)接收線圈與發(fā)射線圈發(fā)生偏移時(shí)，能維持系統(tǒng)總互感mtr并將互感波動δmtr保持在小范圍內(nèi)，從而提高無線電能傳輸系統(tǒng)的抗偏移能力。

29、本發(fā)明提供的一種具有抗偏移特性的磁耦合結(jié)構(gòu)構(gòu)成的無線電能傳輸系統(tǒng)，采用所述磁耦合結(jié)構(gòu)，結(jié)合lcc-s補(bǔ)償拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，由全橋整流濾波器實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外接收線圈的串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的疊加互補(bǔ)，維持了總輸出電壓在小范圍內(nèi)波動，進(jìn)一步提升了無線電能傳輸技術(shù)的傳輸穩(wěn)定性。