立体式发射和接收的无线充电系统的制作方法

1.本发明涉及一种无线充电系统，尤其涉及一种立体式发射和接收的无线充电系统。


背景技术：

2.无线充电系统是一种根据电磁感应原理将能量从一个电路传输到另一个电路的非接触式能量传输技术。近年来，因无线充电系统具有便携性、安全性、非接触式、可以一对多充电等优势，引起了大量的关注，被广泛的应用在各行各业。如，手机的无线充电、电动汽车的无线充电等。目前，无线充电方式主要包括电磁感应式、磁场共振式、无线电波式、电场耦合式。在众多的无线充电技术中，磁耦合谐振式无线电能传输技术因其传输距离远，抗偏移性能好、环境适应性强等优势应用的最为广泛，且较为成熟。对磁耦合谐振式无线充电技术的研究大都是优化电路结构。如，针对补偿网络提出的s-s，s-p，p-s，p-p，lcc，lcl等拓扑结构，而对发射和接收线圈结构的研究较少。
3.目前涉及到改变发射和接收线圈的结构主要有以下几种：1.选择不同形状的发送和接收线圈。常用的线圈有矩形线圈和圆形线圈，通过优化线圈形状来提高传输效率。2.在发送和接收线圈间接入多个中继线圈。在发送和接收线圈间接入多个中继线圈以提高传输距离，实现较大的传输效率。3.将多个线圈平铺在与发送线圈相对的平面上。将多个线圈平铺在与发送线圈相对的平面上有利于更好的接收发射线圈发射出的磁场，提高磁通量的接收率，进而提高传输效率。以上的无线充电系统结构中发射线圈和接收线圈都是在二维平面。这就造成了能量只能在一个维度上进行传输，无法实现多方位能量传输。但是，当发射线圈与单个传统接收线圈产生角偏移时，接收线圈接收到的磁通量严重减少，传递的能量将会大幅度减少，严重影响传输效率。


技术实现要素：

4.发明目的：针对以上问题，本发明提出一种立体式发射和接收的无线充电系统，能够解决发射线圈与接收线圈只能在一个维度上实现能量传输的问题，实现能量多方位传输，提高传输效率，并且还能够提高发射线圈与接收线圈位置不对中的容差能力。
5.技术方案：本发明所采用的技术方案是一种立体式发射和接收的无线充电系统，包括电压源、逆变器、补偿电路、发射线圈、接收线圈和整流器，其特征在于：所述发射线圈和接收线圈均采用若干平面线圈组合而成的立体式结构；电压源提供的直流电经逆变器逆变成高频交流电，高频交流电经过一次补偿电路补偿后到达所述发射线圈产生交变磁场，所述接收线圈在交变磁场中产生感应电流，分别经过各自的二次补偿电路并进行整流之后，汇集到负载两端为负载供电。
6.包括电压源、逆变器、补偿电路、发射线圈、接收线圈和整流器，其特征在于：所述发射线圈和接收线圈均采用若干平面线圈组合而成的立体式结构；电压源提供的直流电经逆变器逆变成高频交流电，高频交流电经过一次补偿电路补偿后到达所述发射线圈产生交
变磁场，所述接收线圈在交变磁场中产生感应电流，分别经过各自的二次补偿电路并经整流器整流之后，汇集到负载两端为负载供电。
7.所述发射线圈包括铁芯、导线，所述铁芯为立方体框架，所述导线按照从下至上的顺序缠绕在立方体框架上。所述接收线圈包括两个正交的圆形线圈。
8.在负载接入时，流入全桥逆变器的电流会急剧增大，通过控制mos管导通的占空比将流经逆变器的电流限制在最大的额定电流之下，实现软开关。
9.所述逆变器采用全桥逆变电路。所述全桥逆变器包括四个mos管，其中每两个mos管串联形成两组mos管后并联，通过改变mos管的开断时间，实现对交流电频率的控制。
10.所述补偿电路采用s-s型补偿电路，在发射端和接收端分别串联一个谐振电容。所述整流电路包括四个二极管，其中每两个二级管串联形成两组二级管后并联。
11.有益效果：相比现有技术，本发明具有以下优点：1.实现了任意方向较为均匀地捕获无线功率，并能提供稳定的输出功率。2.对于负载侧，多个接收线圈意味着多个电源，形成多输入单输出(miso)电路架构。因此，设计了相应的补偿网络(s-s)，从不同的路径输出电能，没有循环电流，传输损耗相对较低。3.立体式线圈的设计实现了多方向的能量发送，弥补了传统无线充电系统只能单方向传输的缺陷。4.在保持较高传输效率的同时，可以有效提高发射线圈与接收线圈位置不对中的容差能力。5.为减小负载接入时，逆变器中产生较大的电流波动，通过sps控制让电路在高于补偿网络固有频率的开关频率下启动电路来减少稳定时间和流过逆变器的电流幅值。
附图说明
12.图1是本发明所述的无线充电系统的系统框图；
13.图2是本发明所述的立方体式发射线圈的结构示意图；
14.图3是本发明所述的正交接收线圈的结构示意图；
15.图4是(a)传统单个接收线圈与发射线圈发生角倾斜时的示意图和(b)正交接收线圈与发射线圈发生角倾斜时的示意图；
16.图5是本发明所述的无线充电系统的电路结构原理图。
具体实施方式
17.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
18.本发明所述的立体式发射和接收的无线充电系统，其系统框图如图1所示。其工作原理如下：电压源提供的直流电经逆变器逆变成高频的交流电，高频的交流电经过补偿网络补偿后到达立体式发射线圈，根据电磁感应原理，通有高频交流电的发射线圈周围产生交变磁场。由于接收装置采用正交线圈结构，故两个线圈都会在交变磁场中产生感应电流，两正交线圈产生的感应电流分别经过各自的补偿网络之后再分别进行整流，最后汇集到负载两端。下面就所述无线充电系统中的各个部分分别给出某一种具体的可行结构，以下介绍的各部分具体结构可以替换为其他的现有结构形式。
19.1.立体式发射线圈
20.传统的发射线圈都是在一个平面，故决定了其能量传输的方向只能是单向的。本设计采用立方体式发射线圈可以实现三个方向的能量发送，其结构示意图如图2所示，线圈
以图2所示绕法缠绕在铁质的立方体框架上，并且由于立方体本身具有的高度对称性。在某单一传输方向上，相当于有两个矩形线圈发射能量，极大的增强了磁场强度，提高传输效率。
21.2.正交线圈接收器
22.正交线圈接收器是由两个正交的线圈及其各自的补偿、整流网络构成，正交接收线圈的结构示意图如图3所示。当接收线圈与发送线圈有角倾斜时(如图4b所示)，相比于传统的单线圈接收器结构(如图4a所示)，正交线圈接收器接收到的磁通量更多，输出的功率更稳定。
23.3.全桥逆变电路
24.如图5所示，全桥逆变器由四个mos管组成，其作用是将直流电转换成交流电，通过改变mos管的开断时间，可以实现对交流电频率的控制。
25.4.整流器
26.如图5所示，整流器是由四个二极管构成，其作用是将感应线圈接收到的感应交流电整流成直流电。
27.5.s-s补偿网络
28.如图5所示，s-s型补偿电路是在发射端和接收端分别串联一个谐振电容。在无线充电系统中，补偿网络的设计，是为了让电路发生谐振，能减少电路的阻抗值，增大电流，从而提高能量的传输效率。
29.6.采用自振荡反馈控制的对称相移(sps)控制
30.在负载接入时，逆变器中会产生较大的电流波动。逆变器中的高循环电流可能会损坏mos管，并可能触发过流保护。故要确保电路运行在电路系统的额定电压和电流内。可以通过sps控制让电路在高于补偿网络固有频率的开关频率下启动电路来减少稳定时间和流过逆变器的电流幅值。通过控制mos管导通的占空比(由小到大)，从而将限制额定电流在最大额定电流下，以减少硬开关的影响，实现对逆变器中电流的对称移相控制(sps)。