本发明公开了一种在不同传输距离下保持输出功率恒定的接收线圈，在原始接收线圈相邻匝之间设置额外线圈，每匝额外线圈以开关投切的形式与原始接收线圈串联，当传输距离发生变化时，将额外线圈投切进原始接收线圈形成新的接收线圈，对穿过接收线圈的磁通进行削弱或补偿，维持输出功率恒定。本发明克服了无线电能传输系统在传输距离变化时，系统传输功率不稳定的缺点。
1.一种在不同传输距离下保持输出功率恒定的接收线圈，其特征在于，在原始接收线圈相邻匝之间设置额外线圈，每匝额外线圈以开关投切的形式与原始接收线圈串联，当传输距离发生变化时，将额外线圈投切进原始接收线圈形成新的接收线圈，对穿过接收线圈的磁通进行削弱或补偿，维持输出功率恒定；
针对发射线圈为盘式螺旋结构，接收线圈为空间螺旋结构的情况，不同传输距离时穿过接收线圈的磁通Φ(R’)与接收线圈半径R’之间的关系为：式中，μ0为真空磁导率、I为通过发射线圈的电流、H为传输距离、R为发射线圈外半径、n为发射线圈匝数、d为发射线圈匝间距、r为接收线圈半径参数、φ为角度参数。
2.根据权利要求1所述的在不同传输距离下保持输出功率恒定的接收线圈，其特征在于，接收线圈的最优半径Ropt与传输距离H以及发射线圈外径R之间的关系为：
3.根据权利要求1所述的在不同传输距离下保持输出功率恒定的接收线圈，其特征在于，发射线圈外半径R＝0.2m时，接收线圈的最优半径Ropt随传输距离H的变化关系为：Ropt＝1.176H+0.1035。
4.根据权利要求1所述的在不同传输距离下保持输出功率恒定的接收线圈，其特征在于，加入额外线圈后形成的新接收线圈的匝数和原始接收线圈匝数满足如下关系：其中，
式中，N为初始接收线圈的匝数，Φjopt为初始接收线圈每匝穿过的磁通，Hj为每匝原始接收线圈距发射线圈的距离，Rjopt为每匝原始接收线圈的最优半径，Ropt为第一匝接收线圈的最优半径，H为收发线圈传输距离，ΔH为原始接收线圈的匝间距，μ0为真空磁导率，I为通过发射线圈的电流，R为发射线圈外半径，n为发射线圈匝数，d为发射线圈匝间距，r为接收线圈半径参数，φ为角度参数；
式中，Y为切入额外线圈后的接收线圈的匝数，Φj为改进后的接收线圈每匝穿过的磁通，H’j为每匝改进后的接收线圈距发射线圈的距离，R’j为改进后的接收线圈的半径，R’为第一匝接收线圈的半径即为原始接收线圈第一匝的最优半径Ropt，H’为收发线圈传输距离，ΔH为原始接收线圈的匝间距，M为接收线圈每匝之间的额外线圈匝数，μ0为真空磁导率，I为通过发射线圈的电流，R为发射线圈外半径，n为发射线圈匝数，d为发射线圈匝间距，r为接收线圈半径参数，φ为角度参数。
5.权利要求1-4任意一项所述的接收线圈维持输出功率恒定的控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1、确定收发线圈的额定传输距离和系统的额定输出电流，将额定输出电流作为后续比较的初始输出电流；
步骤2、当发射线圈和接收线圈传输距离发生变化，控制投切进接收线圈的附加线圈个数，保持输出功率恒定；
当传输距离增大，增加投切进原始接收线圈的额外线圈匝数，直至补偿后的输出电流和初始输出电流的差值小于设定的阈值；
当传输距离减小，减少投切进原始接收线圈的额外线圈匝数，直至补偿后的输出电流和初始输出电流的差值小于设定的阈值。
一种在不同传输距离下保持输出功率恒定的接收线圈
技术领域
[0001] 本发明涉及无线电能传输技术，特别涉及一种在不同传输距离下保持输出功率恒定的接收线圈。
背景技术
[0002] 无线电能传输技术(WPT)作为一种方便和安全的有线充电的替代方案，近年来受到全世界科研工作人员越来越多的关注，目前已被广泛应用于电动汽车(EV)、植入式医疗设备、手机和家用电器等领域。
[0003] 在电动汽车无线充电方面，磁耦合谐振技术凭借着较高的能量传输功率和效率、较远的传输距离，以及传输方向要求不严格等优势成为主要的充电方式。盘式螺旋结构是应用在电动汽车无线充电的一种常用线圈结构，它具有较高的耦合系数和空载品质因数，更小的占用空间，结合磁耦合谐振技术，能量可以通过收发线圈之间的高频交变磁场进行传递。然而，基于传统盘式螺旋结构的无线电能传输系统容易受传输距离变化的影响，导致负载的接收功率不稳定，这可能会影响充电效果和降低电池使用寿命。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种在不同传输距离下保持输出功率恒定的接收线圈。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种在不同传输距离下保持输出功率恒定的接收线圈，在原始接收线圈相邻匝之间设置额外线圈，每匝额外线圈以开关投切的形式与原始接收线圈串联，当传输距离发生变化时，将额外线圈投切进原始接收线圈形成新的接收线圈，对穿过接收线圈的磁通进行削弱或补偿，维持输出功率恒定。
[0006] 上述接收线圈维持输出功率恒定的控制方法，具体包括如下步骤：
[0007] 步骤1、确定收发线圈的额定传输距离和系统的额定输出电流，将额定输出电流作为后续比较的初始输出电流；
[0008] 步骤2、当发射线圈和接收线圈传输距离发生变化，控制投切进接收线圈的附加线圈个数，保持输出功率恒定；
[0009] 当传输距离增大，增加投切进原始接收线圈的额外线圈匝数，直至补偿后的输出电流和初始输出电流的差值小于设定的阈值；
[0010] 当传输距离减小，减少投切进原始接收线圈的额外线圈匝数，直至补偿后的输出电流和初始输出电流的差值小于设定的阈值。
[0011] 本发明与现有线圈结构相比，其显著优点在于：本发明在收发线圈传输距离发生变化时，对穿过接收线圈的磁通进行削弱或补偿，从而维持收发线圈互感的恒定，维持系统传输功率的恒定。
附图说明
[0012] 图1是本发明在不同传输距离下保持输出功率恒定的接收线圈的设计流程图。
[0013] 图2是本发明接收线圈的最优半径随传输距离变化关系图。
[0014] 图3是本发明原始收发线圈以及改进的收发线圈结构图。
[0015] 图4是本发明投切额外线圈的流程图。
[0016] 图5是本发明实施例原始收发线圈以及改进的收发线圈的磁链示意图。
具体实施方式
[0017] 下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。
[0018] 本发明提供一种在不同传输距离下保持输出功率恒定的接收线圈，在原始接收线圈的相邻两匝之间设置若干匝额外线圈，每匝额外线圈以开关投切的形式与对应的原始接收线圈串联。当传输距离发生变化时，将额外线圈投切进原始接收线圈形成新的接收线圈，对穿过接收线圈的磁通进行削弱或补偿，从而维持收发线圈互感的恒定。设计流程如图1所示。
[0019] 下面介绍保持输出功率恒定的相关理论。
[0020] 本发明将发射线圈设计为盘式螺旋结构，接收线圈设计为空间螺旋结构，不同传输距离时穿过接收线圈的磁通Φ(R’)与接收线圈半径R’之间的关系为：
[0021]
[0022] 式中，μ0为真空磁导率、I为通过发射线圈的电流、H为传输距离、R为发射线圈外半径、n为发射线圈匝数、d为发射线圈匝间距、r为接收线圈半径参数无实际意义、φ为角度参数，无实际意义。
[0023] 对于每匝接收线圈，存在最优半径使得穿过每匝接收线圈的磁通最大，且最优半径只与传输距离以及发射线圈外径有关，与其余发射线圈参数如：发射线圈通过的电流、发射线圈匝数、发射线圈匝间距等几乎无关。基于(1)建立接收线圈的最优半径Ropt与传输距离H以及发射线圈外径R之间的关系：
[0024]
[0025] 传输距离H对应地面发射线圈和车底接收线圈之间的距离，变化范围为0.2m-0.3m，传输距离H＝0.2m为默认位置，传输距离H＝0.3m为最远位置。以发射线圈外半径R＝
0.2m为例，确定接收线圈的最优半径Ropt随传输距离H的变化关系如图2所示。为了便于计算，根据公式(2)的曲线随机采样若干点进行直线拟合，得到近似的线性关系如下：
[0026] Ropt≈1.176H+0.1035 (3)
[0027] 当发射线圈外半径R＝0.2m时，原始接收线圈和额外线圈每匝的半径按照(3)的关系设计。
[0028] 互感与磁链的关系为：
[0029]
[0030] 式中，M12与M21为收发线圈之间的互感，Ψ21为收发线圈之间的磁链，ITX为接收线圈通过的电流。根据互感与磁链之间的关系，保持收发线圈之间的互感恒定问题可以转化到保持收发线圈之间的磁链不变。
[0031] 图3为原始收发线圈以及切入额外线圈后的收发线圈结构。切入额外线圈的半径随传输距离的变化关系也对应(3)。建立发射线圈和初始接收线圈之间的磁链Ψ1表达式：
[0032]
[0033] 式中，N为初始接收线圈的匝数，Φjopt为初始接收线圈每匝穿过的磁通，Hj为每匝原始接收线圈距发射线圈的距离，Rjopt为每匝原始接收线圈的最优半径，Ropt为第一匝接收线圈的最优半径，H为收发线圈传输距离，ΔH为原始接收线圈的匝间距，μ0为真空磁导率，I为通过发射线圈的电流，R为发射线圈外半径，n为发射线圈匝数，d为发射线圈匝间距，r为接收线圈半径参数无实际意义，φ为角度参数无实际意义。
[0034] 建立发射线圈和切入新线圈的接收线圈之间的磁链Ψ2表达式：
[0035]
[0036] 式中，Y为切入额外线圈后的接收线圈的匝数，Φj为改进后的接收线圈每匝穿过的磁通，H’j为每匝改进后的接收线圈距发射线圈的距离，R’j为改进后的接收线圈的半径，R’为第一匝接收线圈的半径即为原始接收线圈第一匝的最优半径Ropt，H’为收发线圈传输距离，ΔH为原始接收线圈的匝间距，M为接收线圈每匝之间的额外线圈匝数，μ0为真空磁导率，I为通过发射线圈的电流，R为发射线圈外半径，n为发射线圈匝数，d为发射线圈匝间距，r为接收线圈半径参数无实际意义，φ为角度参数无实际意义。
[0037] 使(5)与(6)相等，得出加入额外线圈后形成的新接收线圈的匝数Y满足如下关系：
[0038]
[0039] 即原始接收线圈匝数为N，而新的接收线圈匝数增加到Y，且能够保持在不同传输距离下，系统获得相同的传输功率。
[0040] 利用图3结构以及(7)，给出保证输出功率恒定的具体方法，具体流程图如图4所示：
[0041] 步骤1、确定收发线圈的额定传输距离和系统的额定输出电流，将额定输出电流作为后续比较的初始输出电流；
[0042] 步骤2、当发射线圈和接收线圈传输距离发生变化，控制投切进接收线圈的附加线圈个数，保持输出功率恒定；
[0043] 当传输距离增大，增加投切进原始接收线圈的额外线圈匝数，直至补偿后的输出电流和初始输出电流的差值小于设定的阈值；
[0044] 当传输距离减小，减少投切进原始接收线圈的额外线圈匝数，直至补偿后的输出电流和初始输出电流的差值小于设定的阈值。
[0045] 实施例
[0046] 为了验证本发明方案的有效性，进行如下仿真实验。作为实验对象的收发线圈参数如表1所示，计算结果如图5所示：当传输距离由0.2m增加到0.3m时，初始接收线圈由10匝增加到第14匝，形成新的接收线圈可以将互感值补偿到初始的互感值。
[0047] 表1收发线圈参数
[0048] 参数 取值 参数 取值μ0 4π×10-7 R(m) 0.2
I(A) 10 d(m) 0.01
H(m) 0.2 n 10
H’(m) 0.3 R’(m) 0.3355
M 3 ΔH(m) 0.01
Ropt(m) 0.3355 N 10
