一种无线充电发射线圈的谐振补偿方法、装置及系统
阅读说明：本技术 一种无线充电发射线圈的谐振补偿方法、装置及系统 (Resonance compensation method, device and system for wireless charging transmitting coil ) 是由 杨国勋 姚辰 寇秋林 于 2021-06-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种无线充电发射线圈的谐振补偿方法、装置及系统,涉及一种电子电路技术领域；谐振补偿方法具体包括：步骤S1,测量得到原边线圈或副边线圈的总电感值、第一绕组线的第一电感值、第二绕组线的第二电感值以及第一绕组线和第二绕组线之间的互感值；步骤S2,根据步骤S1中测量得到的数值,分别处理得到第一电容和第二电容的电容值；步骤S3,设置第一电容和第二电容,以形成谐振补偿装置。上述技术方案的有益效果是：本发明引入的一种无线充电发射线圈的入谐振补偿方法、装置及系统,使该线圈电路具备更强的载流能力,改善了线圈的散热损耗问题,均衡了线圈的磁场分布和适用性更广。(The invention provides a resonance compensation method, a device and a system of a wireless charging transmitting coil, relating to the technical field of electronic circuits; the resonance compensation method specifically comprises the following steps: step S1, measuring to obtain a total inductance value of the primary coil or the secondary coil, a first inductance value of the first winding wire, a second inductance value of the second winding wire and a mutual inductance value between the first winding wire and the second winding wire; step S2, respectively processing the values obtained in the step S1 to obtain capacitance values of the first capacitor and the second capacitor; step S3, setting the first capacitance and the second capacitance to form a resonance compensation device. The beneficial effects of the above technical scheme are: the in-resonance compensation method, the device and the system of the wireless charging transmitting coil are introduced, so that the coil circuit has stronger current carrying capacity, the problem of heat dissipation loss of the coil is solved, the magnetic field distribution of the coil is balanced, and the applicability is wider.)
技术领域
本发明涉及一种无线充电领域，尤其涉及一种无线充电发射线圈的谐振补偿方法、装置及系统。
背景技术
随着人们对便携式充电需求的增长，新兴的无线充电技术开始逐步替代传统的有线充电技术，开始成为人们优先选择的充电方式。而无线充电产品中，最重要的就是无线充电线圈，现有技术中无线充电线通常有圈电磁感应式、磁共振式、无线电波式、电场耦合式四种基本方式，最普遍的是电磁感应式充电线圈，由于电磁感应式发射线圈与接收线圈之间往往具有很大的间隔，线圈漏磁会造成电感对电能传输的阻碍，导致传输效率不高，因此为了提高传输效率，引入LCC补偿网络，通过一组电容电感串并联提高传输效率，但传输效率因负载波动存在稳定性差的问题，则引入一种直接采用双线并联线圈的结构形式来克服LCC补偿网络存在的问题，这种电路结构存在散热不均和磁场不均的问题。
针对电动汽车等大功率应用领域的无线充电装置，通常对线圈的电流承载能力要求较高，则电流分配不均是造成现有技术仍然存在散热不均和磁场不均的问题的关键，直接采用双线并联的线圈，却不改变谐振补偿装置的设计，会出现电流分配不均，从而导致散热不均及磁场不均等后续问题。
发明内容
本发明提供了一种无线充电发射线圈的谐振补偿方法、装置及系统的技术方案，旨在有效地改善乃至解决双线并联的电流分配不均问题，提升大功率无线充电线圈的性能。
根据本发明，提供了一种无线充电发射线圈的谐振补偿方法，所述无线充电发射线圈的原边线圈和副边线圈分别采用至少两股并行线绕制形成，至少两根所述并行线包括第一绕组线和第二绕组线；其中，对应所述原边线圈和/或所述副边线圈，还设置依照LCC谐振补偿网络设计的谐振补偿装置，所述谐振补偿装置包括：
第一接头，分别连接所述第一绕组线的线圈内侧接头、所述第二绕组线的线圈内侧接头以及一外部的逆变装置；
第二接头，连接所述第一绕组线的线圈外侧接头；
第三接头，连接所述第二绕组线的线圈外侧接头；
第四接头，连接所述LCC谐振补偿网络中的补偿电感，所述补偿电感的电感值为固定值；
第一补偿电容，连接在所述第一接头和所述第四接头之间，所述补偿电容的电容值为固定值；
第一电容，连接在所述第二接头和所述第四接头之间；
第二电容，连接在所述第三接头和所述第四接头之间；
则所述谐振补偿方法包括：
步骤S1，测量得到对应于所述谐振补偿装置的原边线圈或副边线圈的总电感值、所述第一绕组线的第一电感值、所述第二绕组线的第二电感值以及所述第一绕组线和所述第二绕组线之间的互感值；
步骤S2，根据所述步骤S1中测量得到的数值，分别处理得到所述第一电容和所述第二电容的电容值；
步骤S3，设置所述第一电容和所述第二电容，以形成所述谐振补偿装置。
进一步地，该谐振补偿方法，其中，所述步骤S1中，采用下述方法测量得到所述总电感值：
步骤S11a，在所述第一绕组线的线圈内侧接头与所述第二绕组线的线圈内侧接头之间进行短接，以及在所述第一绕组线的线圈外侧接头与所述第二绕组线的线圈外侧接头之间进行短接；
步骤S12a，测量得到所述第一绕组线的线圈内侧接头和线圈外侧接头之间的电感值，并作为所述总电感值。
进一步地，该谐振补偿方法，其中，所述步骤S1中，采用下述方法测量得到所述互感值：
步骤S11b，将所述第一绕组线的线圈外侧接头与所述第二绕组线的线圈外侧接头进行短接，随后测量得到所述第一绕组线的线圈内侧接头与所述第二绕组线的线圈内侧接头之间的电感值，并计为第一电感值；
步骤S12b，将所述第一绕组线的线圈外侧接头与所述第二绕组线的线圈内侧接头进行短接，随后测量得到所述第一绕组线的线圈内侧接头与所述第二绕组线的线圈外侧接头之间的电感值，并计为第二电感值；
步骤S13b，根据所述第一电感值和所述第二电感值处理得到所述互感值。
进一步地，该谐振补偿方法，其中，所述步骤S13b中，采用下述公式处理得到所述互感值：
其中，
ML1用于表示所述互感值；
LAB用于表示所述第一电感值；
LAb用于表示所述第二电感值。
进一步地，该谐振补偿方法，其中，所述步骤S2中，采用下述公式处理得到所述第一电容和所述第二电容的电容值：
其中，
C1`a用于表示所述第一电容的电容值；
C1`b用于表示所述第二电容的电容值；
ML1用于表示所述互感值；
L1a用于表示所述第一绕组线的第一电感值；
L1b用于表示所述第二绕组线的第二电感值；
L1用于表示所述总电感值；
C1用于表示LCC谐振补偿网络中的第二补偿电容的已知电容值，所述第二补偿电容由所述第一电容和所述第二电容等效组合形成。
进一步地，该谐振补偿方法，其中，所述步骤S1中，采用特殊测量仪器测量得到所述总电感值、所述第一电感值、所述第二电感值以及所述互感值。
进一步地，该谐振补偿方法，其中，所述特殊测量仪器为阻抗分析仪或网络分析仪。
一种谐振补偿装置，应用于无线充电发射线圈中，所述无线充电发射线圈的原边线圈和副边线圈分别采用至少两股并行线绕制形成，至少两根所述并行线包括第一绕组线和第二绕组线；其中，所述谐振补偿装置对应所述原边线圈和/或所述副边线圈设置，并依照LCC谐振补偿网络设计，所述谐振补偿装置具体包括：
第一接头，分别连接所述第一绕组线的线圈内侧接头、所述第二绕组线的线圈内侧接头以及一外部的逆变装置；
第二接头，连接所述第一绕组线的线圈外侧接头；
第三接头，连接所述第二绕组线的线圈外侧接头；
第四接头，连接所述LCC谐振补偿网络中的补偿电感，所述补偿电感的电感值为固定值；
第一补偿电容，连接在所述第一接头和所述第四接头之间，所述补偿电容的电容值为固定值；
第一电容，连接在所述第二接头和所述第四接头之间；
第二电容，连接在所述第三接头和所述第四接头之间；
根据所述的谐振补偿方法处理得到所述第一电容和所述第二电容的电容值。
一种谐振补偿系统，应用于所述的设置有谐振补偿装置的无线充电发射线圈中，其中，包括：
第一测量单元，用于测量得到对应于所述谐振补偿装置的原边线圈或副边线圈的总电感值；
第二测量单元，用于测量得到所述第一绕组线的第一电感值；
第三测量单元，用于测量得到所述第二绕组线的第二电感值；
第四测量单元，用于测量得到所述第一绕组线和所述第二绕组线之间的互感值；
处理单元，分别连接所述第一测量单元、所述第二测量单元、所述第三测量单元以及所述第四测量单元，用于根据所述总电感值、所述第一电感值、所述第二电感值以及所述互感值处理得到所述第一电容和所述第二电容的电容值；
设置单元，连接所述处理单元，用于根据处理得到的所述第一电容和所述第二电容的电容值对所述谐振补偿装置进行设置。
通过本发明提供的一种无线充电发射线圈的谐振补偿方法、装置及系统，具有如下的有益效果：
1)具备更强的载流能力；
2)具备更强的载流能力的同时改善了线圈的散热损耗问题；
3)具备更强的载流能力的同时均衡了线圈的磁场分布；
4)具有普适性，可以应用于任何现有的谐振补偿电路设计。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1是现有技术中的谐振补偿装置的无线充电系统的框架图；
图2是现有技术中的无线充电线圈的LCC谐振补偿网络的电路示意图；
图3是本发明的较佳的实施例中，谐振补偿装置的结构示意图；
图4是本发明的较佳的实施例中，谐振补偿方法的总体流程图；
图5是本发明的较佳的实施例中，双线并联的无线充电发射或接收线圈的结构示意图；
图6是本发明的较佳的实施例中，在图2的基础上对LCC谐振补偿网络中的电容L1进行等效变换的电路示意图；
图7是本发明的较佳的实施例中，在图6的基础上对LCC谐振补偿网络中的电容C1进行等效变换的电路示意图；
图8是本发明的较佳的实施例中，步骤S1中对总电感值进行测量的具体流程示意图；
图9是本发明的较佳的实施例中，步骤S1中对互感值进行测量的具体流程示意图；
图10-11是本发明的较佳的实施例中，在图2的基础上对LCC谐振补偿网络中的电容C1和电感L1进行等效变换的电路示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
现有技术中，传统的无线充电结构为原边线圈和/或副边线圈引入谐振补偿装置，其中一种形式的结构如图1所示，其无线充电发射线圈的原边线圈5和副边线圈8分别接有谐振补偿装置1，谐振补偿装置1应用于原边线圈5中时：谐振补偿装置1与逆变器2连接，逆变器2还与电网3连接；谐振补偿装置1应用于副边线圈8中时：谐振补偿装置1与整流器6连接，整流器6与负载7连接，原边线圈5与副边线圈8采用耦合的形式进行磁场的发送与接收。
现有技术中无线充电线圈是直接采用双线并联的线圈，但不改变谐振补偿装置1的设计，使用如图2所示的LCC谐振补偿电路，该补偿电路设置在原边线圈5内时，其补偿电感L2输入端与逆变器2输出端连接，该补偿电路设置在副边线圈8内时，其补偿电感L2输入端与整流器6输出端连接，两种补偿电路中补偿电感L2输出端分别连接第一补偿电容C2的输入端、第二补偿电容C1的输入端，第二补偿电容C1的输出端与总电感值L1的输入端连接，总电感值L1的输出端分别与第一补偿电容C2的输出端、逆变器2或整流器6输入端连接；此电路中的设计结果：补偿电感L2，第一补偿电容C2，第二补偿电容C1是现有技术中已知的。
这种连接形式会造成双线内的电流分配不均，从而引发散热不均及磁场不均等后续问题。
因此，本发明引一种无线充电发射线圈的谐振补偿方法，以解决现有技术中存在的问题。
在本实施例中提供了一种无线充电发射线圈的谐振补偿方法，应用于无线充电发射线圈中，本发明中的无线充电发射线圈的原边线圈5和副边线圈8分别采用至少两股并行线绕制形成，至少两根并行线包括第一绕组线和第二绕组线；其中包括：上述原边线圈5和/或副边线圈8，还设置依照LCC谐振补偿网络设计的谐振补偿装置1，以本发明其中一个实施例来说明：设置在原边线圈5内的谐振补偿装置1，如图3中所示，包括：
第一接头N1，分别连接第一绕组线的线圈内侧接头A、第二绕组线的线圈内侧接头B以及一外部的逆变装置；
第二接头N2，连接第一绕组线的线圈外侧接头a；
第三接头N3，连接第二绕组线的线圈外侧接头b；
第四接头N4，连接LCC谐振补偿网络中的补偿电感L2，补偿电感L2的电感值为固定值；
第一补偿电容C2，连接在第一接头N1和第四接头N4之间，补偿电容C2的电容值为固定值；
第一电容C1`a，连接在第二接头N2和第四接头N4之间；
第二电容C1`b，连接在第三接头N3和第四接头N4之间；
则本技术方案中，上述谐振补偿方法具体如图4中所示，包括：
步骤S1，测量得到谐振补偿装置1的原边线圈5或副边线圈8的总电感值L1、第一绕组线的第一电感值L1a、第二绕组线的第二电感值L1b以及第一绕组线和第二绕组线之间的互感值ML1；
步骤S2，根据步骤S1中测量得到的数值，分别处理得到第一电容C1`a的电容值和第二电容C1`b的电容值；
步骤S3，设置第一电容C1`a和第二电容C1`b，以形成谐振补偿装置1。
具体地，本实施例中，LCC谐振补偿网络设计的谐振补偿装置1可以设置在原边线圈5内或副边线圈8内，或者原边线圈5/副边线圈8均设置有该谐振补偿装置1。
具体地，本实施例中，两根并行线包括第一绕组线和第二绕组线的结构如图5所示，是采用两根并行的绕组线绕制而成，两根并行的绕组线按照均匀间隙绕成环形结构，每根绕组线有两端接头分别是内侧接头和外侧接头，第一绕组线的两端接头分别是内侧接头A和外侧接头a，第二绕组线的两端接头分别是内侧接头B和外侧接头b；该逆变装置为逆变器2。
具体地，本实施例中，第一接头N1是采用导线将第一补偿电容C2、逆变器2、内侧接头A及内侧接头B连接形成的第一公共端点也称为第一节点；第二接头N2是采用导线将外侧接头a与第二电容C1`b连接形成的第二公共端点也称为第二节点；第三接头N3是采用导线将外侧接头b与第一电容C1`a连接形成的第三公共端点也称为第三节点；第四接头N4是采用导线将补偿电感L2与第一电容C1`a、第二电容C1`b及补偿电容C2连接形成的第四公共端点也称为第四节点。
具体地，本实施例中，补偿电感L2该数值通过现有技术中LCC谐振补偿装置1可以计算得到，因此该数值在现有技术中是已知的；第一补偿电容C2，该数值通过现有技术中LCC谐振补偿装置1也可以计算得到，因此该数值在现有技术中已知的。
具体地，本实施例中，步骤S1中的测量参数是指测量原边线圈5的总电感值L1、第一绕组线的第一电感值L1a、第二绕组线的第二电感值L1b以及第一绕组线和第二绕组线之间的互感值ML1或测量副边线圈8的总电感值L1、第一绕组线的第一电感值L1a、第二绕组线的第二电感值L1b以及第一绕组线和第二绕组线之间的互感值ML1；参数测量需要在运行角频率ω下进行测量。
具体地，本实施例中，根据步骤S2得到的第一电容C1`a和第二电容C1`b的电容值与第一绕组线的第一电感值L1a、第二绕组线的第二电感值L1b的等效电路图如图6所示，第一电容C1`a的输出端与第二绕组线的输入连接，第一电容C1`a的输入端分别与第二电容C1`b输入端及补偿电容输出端连接；第二电容C1`b输出端与第一绕组线的输入端连接，第一绕组线的输出端分别与第二绕组线的输出端及补偿电容输入端连接；通过计算公式可以得到第一电容C1`a的电容值和第二电容C1`b的电容值的具体数值。
具体地，本实施例中，互感值ML1和第一绕组线的第一电感值L1a和第二绕组线的第二电感值L1b是根据总电感值L1的变压器T型等效电路得到数值，也就是从传统的LCC谐振网络中等效变换得到的图6中的电路，第二补偿电容C1的输入端与第一电容C2输出端连接，第二补偿电容C1的输出端分别与第一绕组线的第一电感值L1a和第二绕组线的第二电感值L1b的输入端连接，第一绕组线的第一电感值L1a和第二绕组线的第二电感值L1b为并联，第一绕组线的第一电感值L1a和第二绕组线的第二电感值L1b的输出端与第一补偿电容C2的输出端连接。
具体地，本实施例中，第一电容C1`a和第二电容C1`b是通过第二补偿电容C1等效得到的，也就是从传统的LCC谐振网络中等效变换得到的图7中的电路。换言之，本发明技术方案中，通过计算并设置第一电容C1`a和第二电容C1`b的方式设置第二补偿电容C1。
本发明的较佳的实施例中，总电感值L1的测量步骤如图8所示：
步骤S11a，将第一绕组线的线圈内侧接头A与第二绕组线的线圈内侧接头B之间进行短接，以及在第一绕组线的线圈外侧接头a与第二绕组线的线圈外侧接头b之间进行短接；
步骤S12a，测量得到第一绕组线的线圈内侧接头A和线圈外侧接头a之间的电感值，得到总电感值L1。
具体地，本实施例中，步骤S12b中也可以测量第二绕组线的线圈内侧接头B和线圈外侧接头b之间的电感值，得到总电感值L1，总电感值L1是在第一绕组线与第二绕组线并联情况下所测得的电感值。
本发明的较佳的实施例中，互感值ML1的测量步骤如图9所示：
步骤S11b，将第一绕组线的线圈外侧接头a与第二绕组线的线圈外侧接头b进行短接，随后测量得到第一绕组线的线圈内侧接头A与第二绕组线的线圈内侧接头B之间的电感值，并计为第一电感值LAB；
步骤S12b，将第一绕组线的线圈外侧接头a与第二绕组线的线圈内侧接头B进行短接，随后测量得到第一绕组线的线圈内侧接头A与第二绕组线的线圈外侧接头b之间的电感值，并计为第二电感值LAb；
步骤S13b，根据第一电感值LAB和第二电感值LAb处理得到互感值ML1。
具体地，本实施例中，步骤S13b中，第一电感值LAB和第二电感值LAb通过公式计算可以得到互感值ML1参数。
本发明的较佳的实施例中，通过下述公式得到互感值ML1：
本发明的较佳的实施例中，上述步骤S2中，采用下述公式处理得到第一电容C1`a的电容值和第二电容C1`b的电容值：
具体地，本实施例中，运行角频率ω可根据谐振频率可计算得出，根据计算得出的互感值ML1，测量得出第一绕组线的第一电感值L1a、第二绕组线的第二电感值L1b和总电感值L1，可计算得出第一电容C1`a的电容值和第二电容C1`b的电容值和第二补偿电容C1的具体参数。
以下文中的示例分别对现有技术中的谐振补偿装置1与本申请中谐振补偿装置1对经第一绕组线和第二绕组的电流影响作出对比描述：
测量到参数L1a＝45.5uH，L1b＝49.0uH，ML1＝42.5uH，f＝85.5kHz，根据现有技术中LCC补偿网络得到ωL1,eff＝11.4Ω；
根据本发明实施例中提供的方法，计算出：
得到第一电容C1`a的电容值和第二电容C1`b的电容值。
具体地，本实施例中，得到第一电容C1`a的电容值和第二电容C1`b的电容值连接电路如图10所示，L1a-ML1与L1b-ML1分别表示第一绕组线的第一电感值L1a减去互感值ML1，第二绕组线的第二电感值L1b减去互感值ML1，L1a-ML1与L1b-ML1由图7中第一电感值L1a、第二绕组线的第二电感值L1b通过变压器T型等效电路得出，也就是从LCC谐振补偿网络中的电容C1进行等效变换的电路中T型等效变换得到的图10中的电路。L1a-ML1后的电感值与第二电容C1`b串联，L1b-ML1后的电感值与第一电容C1`a串联，L1a-ML1的输出端分别与L1b-ML1的输出端和互感值ML1连接。
具体地，本实施例中，根据步骤S2中的计算公式，可以得到第二电容C1值，该谐振补偿电路实际应用是对第一电容C1`a和第二电容C1`b设置得到第二补偿电容C1后的连接方式如图11所示，L1a-ML1与L1b-ML1并联后与第二补偿电容C1连接。
现有技术中，不使用本发明的实施例中提供的方法，经第一绕组线和第二绕组线的电流计算公式为：
根据上述的测量参数，得出：
第一绕组线和第二绕组线的电流值相差2倍；
使用本发明的实施例，第一绕组线和第二绕组线的电流计算公式为：
根据上述的测量参数，得出：
可以得出在应用本发明的实施例中通过谐振补偿方法后的双线并联线圈的的电流是平衡的。
本发明的较佳的实施例中，上述步骤S1中，采用特殊测量仪器测量得到总电感值L1、第一电感值LAB、第二电感值LAb以及互感值ML1，该特殊测量仪器为阻抗分析仪或网络分析仪。
本发明的较佳的实施例中，还提供一种谐振补偿装置1，应用于无线充电发射线圈中，无线充电发射线圈的原边线圈5和副边线圈8分别采用至少两股并行线绕制形成，至少两根并行线包括第一绕组线和第二绕组线，其中包括：上述原边线圈5和/或副边线圈8，还设置依照LCC谐振补偿网络设计的谐振补偿装置1，则如图3中所示，谐振补偿装置1包括：
第一接头N1，分别连接第一绕组线的线圈内侧接头A、第二绕组线的线圈内侧接头B以及一外部的逆变装置；
第二接头N2，连接第一绕组线的线圈外侧接头a；
第三接头N3，连接第二绕组线的线圈外侧接头b；
第四接头N4，连接LCC谐振补偿网络中的补偿电感L2，补偿电感L2的电感值为固定值，该数值在现有技术中已知；
第一补偿电容C2，连接在第一接头N1和第四接头N4之间，补偿电容C2的电容值为固定值，该数值在现有技术中已知；
第一电容C1`a，连接在第二接头N2和第四接头N4之间；
第二电容C1`b，连接在第三接头N3和第四接头N4之间。
关于该装置的更多实施细节，方法已经公开，本实施例不再赘述。
本发明的较佳的实施例中，还提供一种谐振补偿系统，应用于上述设置有谐振补偿装置1的无线充电发射线圈中，并包括：
第一测量单元，用于测量得到对应于上述谐振补偿装置1的原边线圈5或副边线圈8的总电感值L1；
第二测量单元，用于测量得到第一绕组线的第一电感值L1a；
第三测量单元，用于测量得到第二绕组线的第二电感值L1b；
第四测量单元，用于测量得到第一绕组线和上述第二绕组线之间的互感值ML1；
处理单元，分别连接上述的第一测量单元、第二测量单元、第三测量单元以及第四测量单元，用于根据总电感值L1、第一电感值LAB、第二电感值LAb以及互感值ML1处理得到第一电容C1`a的电容值和第二电容C1`b的电容值；
设置单元，连接上述的处理单元，用于根据处理得到的第一电容C1`a的电容值和第二电容C1`b的电容值对上述的谐振补偿装置1进行设置。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
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