无线充电设备的工作方法转让专利
申请号 : CN202210014441.1
文献号 : CN114079326B
文献日 : 2022-04-08
发明人 : 鲁国希 , 陆钧
申请人 : 合肥有感科技有限责任公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种无线充电设备的工作方法,其特征在于,步骤1:发射装置控制主发射线圈(L0)与接收线圈(C)匹配,并测量主发射线圈(L0)与接收线圈(C)之间的互感值M0,并比较互感值M0与第一对准互感最小值M0min,当M0≥M0min时进入步骤2;当M0<M0min时,移动接收装置,重新定位;
步骤2:发射装置控制多个子线圈依次与接收线圈(C)匹配,并测量每个子线圈与接收线圈(C)之间的互感值Mn,并将每个互感值Mn与第二对准互感最小值Mnmin比较,当Mn≥Mnmin时,对应的子线圈为工作子线圈;
步骤3:开始无线充电,控制主发射线圈(L0)和工作子线圈同时与接收线圈(C)工作;且主发射线圈(L0)的工作电流大于工作子线圈的工作电流;
其中,所述子线圈围绕在所述主发射线圈(L0)四周。
2.根据权利要求1所述的无线充电设备的工作方法,其特征在于,在步骤2中,选取互感值Mn中的最大值Mnmax,比较最大值Mnmax与第二对准互感最小值Mnmin,当Mnmax≥Mnmin时,对应的子线圈为工作子线圈。
3.根据权利要求1所述的无线充电设备的工作方法,其特征在于,为全部所述子线圈依次编号,其中单数号的子线圈组成第一辅线圈组(BL1);双数号的子线圈组成第二辅线圈组(BL2);
在步骤2中,在第一辅线圈组(BL1)中,选取互感值Mn中的最大值M单max,在第二辅线圈组(BL2)中,选取互感值Mn中的最大值M双max;
比较M单max与第三对准互感最小值M单min,当M单max≥M单min时,对应的子线圈为工作子线圈;
比较M双max与第四对准互感最小值M双min,当M双max≥M双min时,对应的子线圈为工作子线圈。
4.根据权利要求1所述的无线充电设备的工作方法,其特征在于,在无线充电时,所述主发射线圈(L0)的输出电压与工作子线圈的输出电压之间,存在相位差。
5.根据权利要求4所述的无线充电设备的工作方法,其特征在于,当负载变化导致输出电压(UL)变化时,或系统对输出电压(UL)的需求发生改变时,控制器对相位差Φ进行调节。
6.根据权利要求4所述的无线充电设备的工作方法,其特征在于,所述主发射线圈(L0)的输出电压为Uscos(ωt),其中Us为设备的直流输入电压;
当有一个工作子线圈工作时,该工作子线圈的输出电压为Uscos(ωt+Φ);
当有两个工作子线圈工作时,这两个工作子线圈的输出电压分别为Uscos(ωt+Φ)和Uscos(ωt+2Φ)。
7.根据权利要求1所述的无线充电设备的工作方法,其特征在于,主发射线圈(L0)与接收线圈(C)之间的互感值M0的计算方法为:j表示计算项为虚部;Lf是接收装置匹配电路(31)的补偿电感的电感值;CR是接收装置匹配电路(31)的补偿电容的电容值;Cf是接收装置匹配电路(31)的另一个补偿电容的电容值;LR是接收装置的接收线圈(C)的电感值;ω是无线充电系统谐振频率;I0是主发射线圈(L0)的输入电流;IR是接收装置匹配电路(31)的输出电流。
说明书 :
无线充电设备的工作方法
技术领域
背景技术
线圈之间一般会存在着一定的位置偏移,特别是对于电动汽车无线充电,需要配置停车引
导和对准检测系统,如CN202010266296.7等专利都提供了类似的方法,这些方法能够提供
对准的方案,但在实际应用过程中,缺乏灵活性。例如对汽车的操纵无法做到非常精准地控
制,驾驶员或自动泊车系统不能将汽车停泊到理想的位置。而当发射线圈与接收线圈存在
着较大的偏移时,无线充电系统的传输功率和效率等都将有明显下降;特别是当偏移超过
一定的范围时,甚至会出现不能充电的情况,这将会对无线充电技术的体验和技术的推广
造成影响,因此提高无线充电时的偏移容忍限度是无线充电技术需要解决的关键问题之
一。
发明内容
M0min,当M0≥M0min时进入步骤2;步骤2:发射装置控制多个子线圈依次与接收线圈匹配,并测
量每个子线圈与接收线圈C之间的互感值Mn,并将每个互感值Mn与第二对准互感最小值Mnmin
比较,当Mn≥Mnmin时,对应的子线圈为工作子线圈;步骤3:开始无线充电,控制主发射线圈L0
和工作子线圈同时与接收线圈C工作。
值Mn中的最大值M单max,在第二辅线圈组BL2中,选取互感值Mn中的最大值M双max;比较M单max与第
三对准互感最小值M单min,当M单max≥M单min时,对应的子线圈为工作子线圈;比较M双max与第四对
准互感最小值M双min,当M双max≥M双min时,对应的子线圈为工作子线圈。
作子线圈工作时,这两个工作子线圈的输出电压分别为Uscos(ωt+Φ)和Uscos(ωt+2Φ)。
值;LR是接收装置的接收线圈C的电感值;ω是无线充电系统谐振频率;I0是主发射线圈L0的
输入电流;IR是接收装置匹配电路31的输出电流。
主发射线圈工作,子线圈能够对主发射线圈进行补充,扩大工作范围,并且通过控制相位
差,保证线圈的最大磁场不会叠加,保证充电安全。
附图说明
具体实施方式
图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
(端)。
辅线圈组中的部分或全部子线圈也会和接收线圈C匹配。
助阻抗匹配电路)和辅线圈组;辅线圈组包括多个子线圈,所述子线圈环绕所述主发射线圈
L0设置。
统称为匹配电路或者阻抗匹配电路。主发射线圈L0和子线圈统称为发射线圈。
变电路21、辅匹配电路22和辅线圈组,当然也有各自的子线圈。对于上文提到的相位差,同
样满足,而且主逆变电路11输出的电压、所述第一辅助工作系统2A的辅逆变电路21输出的
电压、第二辅助工作系统2B的辅逆变电路21输出的电压均存在相位差。也就是说,无论是哪
个工作系统内的逆变电路,他们输出的电压均有相位差。
BL1属于第一辅助工作系统2A;第二辅线圈组BL2属于第二辅助工作系统2B。也就是说,第一
辅助工作系统2A中具有第一辅线圈组BL1,第一辅线圈组BL1中具有编号为单数的子线圈;
第二辅助工作系统2B中具有第二辅线圈组BL2,第二辅线圈组BL2中具有编号为双数的子线
圈。
为第二子线圈L2、第四子线圈L4、第六子线圈L6、第八子线圈L8;每个子线圈上连接有控制
开关,对应每个子线圈,分为第一控制开关S1、第二控制开关S2、第三控制开关S3、第四控制
开关S4、第五控制开关S5、第六控制开关S6、第七控制开关S7、第八控制开关S8。当然,主发
射线圈L0也可以包括主控制开关S0。
为例说明。
圈之间,均由第二辅线圈组BL2内的子线圈间隔。
来说明,即线圈是四角呈圆弧形的矩形线圈。
二辅线圈组BL2之间互相干扰。供电电源0分别由三路电路连接到三个逆变电路(主逆变电
路11、第一辅助工作系统2A的辅逆变电路21、第二辅助工作系统2B的辅逆变电路21),所输
入的直流电经主逆变电路11和辅逆变电路21转换为三路高频交流电后输出到三个匹配电
路(主匹配电路12、第一辅助工作系统2A的辅匹配电路22、第二辅助工作系统2B的辅匹配电
路22)的输入端,高频交流电经三个匹配电路后分别输入到对应控制开关,以根据需求给对
应的主发射线圈L0或子线圈供电。
一个补偿电容之间有串联谐振和并联谐振两种基本的拓扑结构,除此之外,还有由多个补
偿元件构成的拓扑结构形式,如LCC(电感L‑电容C‑电容C)、LCL、π型等复合拓扑结构,匹配
电路和发射线圈或接收线圈C连接后构成谐振网络。
变电路的输入端。
收端滤波电路等,对于本领域技术人员来说这些是可以知晓的,不做赘述。附图中为了方便
理解,以C示出了接收线圈。
接有主控制开关S0;第一辅助工作系统2A的辅匹配电路22后并联有第一控制开关S1、第三
控制开关S3、第五控制开关S5、第七控制开关S7;第二辅助工作系统2B的辅匹配电路22后并
联第二控制开关S2、第四控制开关S4、第六控制开关S6、第八控制开关S8。
有一个控制开关接入。即第一辅线圈组BL1中的子线圈只能单独联通一个,不能同时联通,
同理即第二辅线圈组BL2中的子线圈只能单独联通一个,不能同时联通。例如将一个子线圈
或主发射线圈与匹配电路连接构成谐振网络。以第一辅线圈组BL1组为例,四个控制开关
S1、S3、S5和S7中的一个控制开关接通时,其中对应的一个子线圈与匹配电路相连,其余三
个控制开关断开。
之间的耦合状态来确定。
M0min,当M0≥M0min时进入步骤2。
对应的子线圈为工作子线圈。
充电时启动,完成无线能量的发射。该方式在无线充电过程中,可以将全部能够和接收线圈
C实现匹配工作的子线圈启用。
选取与接收线圈C匹配最好的子线圈工作。当然在多个子线圈都具有最大值Mnmax时,可以都
作为工作子线圈,参与无线充电工作,也可以选择其中一个作为工作子线圈。
第二辅助线圈组BL2。在步骤2中,在第一辅线圈组BL1中,选取互感值Mn中的最大值M单max,在
第二辅线圈组BL2中,选取互感值Mn中的最大值M双max;比较M单max与第三对准互感最小值
M单min,当M单max≥M单min时,对应的子线圈为工作子线圈;比较M双max与第四对准互感最小值
M双min,当M双max≥M双min时,对应的子线圈为工作子线圈。这里提到的第三对准互感最小值M单min
和第四对准互感最小值M双min是同上述第二对准互感最小值Mnmin概念相同的,当所有子线圈
均相同时,M单min和M双min以及Mnmin这三者的概念可以是相同的。
圈L0与后端的主匹配电路12连接,测量主发射线圈L0与接收线圈C之间的互感值M0,当M0≥
M0min,可判断为接收线圈C处于主发射线圈L0的工作范围内,与主发射线圈L0已经对准,其
中M0min为对准互感最小值。如M0<M0min,则可判断接收线圈C和主发射线圈L0尚未对准,需要
移动接收装置,继续完成对准的过程。
定,在此状态下被接收线圈C所接收到的电磁能量仍能满足对主发射线圈L0包括功率、电
压、电流等输出参数的要求,且能具备在如工作温度等所有允许的工作条件变化下的调节
范围。以无线充电发射装置的主匹配电路12、辅匹配电路22和接收装置的匹配电路31均采
用LCC补偿网络为例,在接收装置上的输出功率、电压、电流等参数均可以表达为与供电电
源的电压和互感值M0的一个函数,当供电电压不变时,接收装置的输出参数与互感值M0具有
确定的关系式,据此关系式满足输出参数的要求的最小互感值即为M0min。
~ ~
连接。当一个子线圈与一个匹配电路22连接时,依次测量每个子线圈与接收线圈C之间的互
感值M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8。在M1、M3、M5、M7中选取最大互感值M单max;再在M2、M4、M6、M8中选
取最大互感值M双max;当M单max≥M单min时,将M单max对应的子线圈作为工作子线圈,在进入步骤3
后,该工作子线圈的控制开关在无线充电时处于接通状态,BL1组中的其他子线圈对应的开
关处于断开状态;当M双max≥M双min时,M双max对应的一个子线圈作为工作子线圈,在步骤3中对
应控制开关在无线充电时处于接通状态,BL2组中的其他子线圈对应的开关处于断开状态。
能满足对子线圈包括功率、电压、电流等输出参数的要求,且能具备在所有允许的工作条件
变化下的调节范围,M单min和M双min的确定方法与M0min相同。在不对子线圈分组的实施例中,只
要在M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8中选出最大的Mnmax并当其≥Mnmin时将对应的子线圈作为工作
子线圈即可。当然也可以不选出最大值,将这8个数据中≥Mnmin对应的全部子线圈都作为工
作子线圈即可。一般的,Mnmin和M单min和M双min是相同的。
M双min,或等于0(即子线圈和接收线圈C无法耦合进行无线充电工作)。当无线充电工作时,使
主控制开关S0接通,控制开关S1 S8均处于断开状态(也就是没有工作子线圈进去无线充电
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过程)。
时有M0≥M0min,且M单max≥M单mi(n 因为此时第五子线圈L5与接收线圈C之间的耦合,他们的互感
系数相比其它更大,此时M5即为M单max),M双max<M双min。当无线充电工作时,使主控制开关S0和
第五控制开关S5接通,其它开关均处于断开状态。
充电工作时,使主控制开关S0、第一控制开关S1和第八控制开关S8接通,其它控制开关均处
于断开状态。
数据更小,从而,即使在主发射线圈L0对齐精度不够高时,同样能够在子线圈的辅助下实现
无线充电,和现有技术相比,对齐的精度要求降低了。
电路由一个补偿电感和二个补偿电容组成。图3中的发射装置,是主工作系统1或辅工作系
统2的结构图,因为具有相似的原理和结构,因此统一以图3的方式示出。本发明的无线充电
发射装置,即为发射侧,而接收装置则为接收侧。
偿电容);C2m是发射装置匹配电路的另一个补偿电容(主匹配电路12和辅匹配电路22均包括
该补偿电容),上述元件下标m可取0、1、2,m为0对应主匹配电路12的参数,m为1对应第一辅
助工作系统2A的辅匹配电路22,m为2对应第二辅助工作系统2B的辅匹配电路22。Sn表示主
控制开关和控制开关接通的一个开关,即为上述的S0‑S8,Ln代表接入的一个子线圈或主线
圈,即上述的L0‑L8。
(I0即为主匹配电路12的输入电流,也是主发射线圈L0的输入电流、I1为第一辅助工作系统
2A的辅匹配电路22的输入电流,I2为第一辅助工作系统2B的辅匹配电路22的输入电流)和
接收装置匹配电路31的输出电流IR,此时对于发射线圈Ln和接收线圈C的电感LR之间的互感
值Mn的计算公式如下:
之间的互感值M0;m为1时,n为1/3/5/7中的一个;m为2时,n为2/4/6/8中的一个。即让对应的
子线圈和对应的匹配电路对应。
值;LR是接收装置的接收线圈C的电感值。ω是无线充电系统谐振频率,其值是由谐振网络
的接收线圈C的电感值LR和电容值CR确定的,即有 ,上述参数对于一个已经确
定的接收装置来说,是已知的固定值,根据上述计算公式和电流测量值Im、IR可以获得互感
测量值Mn。
工作的发射线圈上,使所述线圈上产生交变的电磁场,接收线圈C耦合电磁场后在接收装置
上产生交流电,经过接收端整流电路32和接收端滤波电路后传输给如电池等负载使用。当
发射装置仅主发射线圈L0与主匹配电路12连通工作时,其无线充电的控制过程可以是现有
无线充电技术中所使用的控制方式。当发射装置除主发射线圈L0工作外,BL1和/或BL2组有
子线圈处于工作状态,此时在接收装置侧相当于主发射线圈L0和子线圈所发射的电磁场的
叠加,在接收装置的输出侧受到多个参数的影响。
序,使三个逆变电路的输出电压之间存在着相位差Φ,这也就使主发射线圈L0输出的电压
与工作子线圈的输出电压之间存在相位差。即如逆变电路的直流输入电压均为Us,则三组
逆变电路的输出电压分别为:U0=Uscos(ωt),U1=Uscos(ωt+Φ), U2=Uscos(ωt+2Φ)。
霍夫(KVL)电压定律,在负载上的输出电压UL可以获得表示为以下形式的函数:
线圈C之间的耦合系数统一用k1表示。同理k2统一表示接收线圈C与BL2中的子线圈之间的耦
合系数。
位差Φ和负载电阻RL存在明确对应的关系,即:
差Φ进行调节,从而可以控制输出电压UL,使得输出电压UL满足需求值。
大值(该最大值是指和其他子发射线圈的电流比),该输入电流I0也是主发射线圈L0的工作
电流,提供无线充电所需的主要电磁能量来源,剩余子线圈的输入电流小于I0,提供无线充
电所需电磁能量的补充。即所述主发射线圈L0的工作电流大于工作子线圈的工作电流。
外部呈现逐步减小的趋势,形成了一个凸形(锥形)磁场。另一方面,主发射线圈L0和子线圈
所发射的电磁场存在着相位差,其最大磁场强度并不在同一时刻出现,并不会出现两个或
三个最大磁场强度叠加的情况。子线圈设置在主发射线圈L0的边缘,此处由主发射线圈L0
产生的磁场强度也较中心区域低,与子线圈产生的磁场叠加后扩展了主发射线圈L0的传输
区域,但边缘处的磁场强度也仍会在较低水平下平稳波动。在对于电动汽车无线充电等应
用,磁场强度集中在位于汽车底部的中间区域,可以减少对外部的电磁能量的泄漏,从而可
以提高无线充电系统的充电安全。
想所作的改变,或修改为等同变化的等效实施例,仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时,
均应在本发明的保护范围内。