三发射线圈耦合机构及其构成的磁耦合WPT系统转让专利
申请号 : CN202010095041.9
文献号 : CN111193329B
文献日 : 2021-04-27
发明人 : 苏玉刚 , 孙跃 , 王智慧 , 唐春森 , 戴欣
申请人 : 重庆大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种三发射线圈耦合机构,其特征在于:发射端包括第一线圈、第二线圈和第三线圈,所述第一线圈是由一根单独的导线绕制形成的多匝线圈,并构成外围充电区域,所述第二线圈和第三线圈是由另一根单独的导线在所述第一线圈内部未绕线区域内串联连接并分段绕制形成的多匝线圈,且构成中心充电区域,在所述第三线圈内部以及所述第三线圈与所述第二线圈之间均预留有未绕线区域,所述第一线圈与第一谐振补偿电路相连并工作在第一谐振频率上,所述第二线圈和所述第三线圈串联连接后与第二谐振补偿电路连接并工作在第二谐振频率上。
2.根据权利要求1所述的三发射线圈耦合机构,其特征在于:所述第一线圈、第二线圈以及第三线圈均为圆盘式线圈。
3.根据权利要求1或2所述的三发射线圈耦合机构,其特征在于:接收端的电能拾取线圈采用圆盘式单线圈结构。
4.根据权利要求3所述的三发射线圈耦合机构,其特征在于:所述第一线圈、所述第二线圈、所述第三线圈以及所述电能拾取线圈均为多层线圈。
5.根据权利要求1或4所述的三发射线圈耦合机构,其特征在于:所述发射线圈设置有磁芯结构,所述磁芯结构包括多根端头凸起式磁条呈并环形均匀分布,在多根磁条两个端头之间围合形成的环形凹槽内依次绕制所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈。
6.根据权利要求5所述的三发射线圈耦合机构,其特征在于:所述第二线圈的外径为最大磁通密度半径。
7.采用权利要求1‑6任一所述的三发射线圈耦合机构构成的磁耦合WPT系统,其特征在于:发射端还设置有交流电源接口及初级能量变换装置,接收端设置有次级能量变换装置,所述初级能量变换装置包括整流电路和逆变电路,所述逆变电路输出高频交流电源送入所述第一线圈与第一谐振补偿电路相连构成的第一谐振回路中;以及送入所述第二线圈和所述第三线圈串联连接后与第二谐振补偿电路相连构成的第二谐振回路中。
8.根据权利要求7所述的磁耦合WPT系统,其特征在于:所述接收端设置有拾取电压检测模块,系统预先开通所述中心充电区域,当所述拾取电压检测模块检测到接收端的电能拾取线圈两端电压有效值Us小于预设的临界拾取电压us0时,系统开通所述外围充电区域。
9.采用权利要求7或8所述的磁耦合WPT系统,其特征在于:所述接收端设置在电动汽车上,接收端的电能拾取线圈通过所述次级能量变换装置为电动汽车的蓄电池充电。
说明书 :
三发射线圈耦合机构及其构成的磁耦合WPT系统
技术领域
背景技术
天充电容易漏电,充电线老化,经常拔插易产生电火花等问题。无线电能传输技术(WPT,
Wireless Power Transfer r)可以克服上述问题,而且具有充电便利性高,不受环境影响,
充电设施可无人值守、后期维护成本低等优势。磁场耦合无线电能传输技术因具有传输距
离大,效率较高等优点是电动汽车无线充电最主要的电能传输方式。
的输出功率和效率,延长充电时间并且增加损耗,情况严重时甚至会使系统无法正常工作,
故需要提升耦合机构的抗偏移能力。目前,国内外的研究机构为了提升磁耦合机构的抗偏
移能力做了许多研究,现有技术中有人提出了DDQ线圈结构,通过DD线圈和Q线圈正交,两线
圈在发生偏移时输出叠加,以减少输出功率的降低,但是用铜量较大;也有人在其基础上提
出了BP线圈,节省了25.71%的铜量,但相比于DDQ线圈的耦合性能略低,输出功率也较低。
也有学者将4个D线圈串联,构成DLDD结构,为了减轻重量,将磁芯改为双“田”字结构,虽然
具有很好的抗偏移能力,但线圈尺寸较大,用线量也较多,线圈多为密绕,内阻较大,且通过
分析发现,以上三种结构在平面上各个角度抗偏移性能差别较大。
发明内容
二线圈和第三线圈是由另一根单独的导线在所述第一线圈内部未绕线区域内串联连接并
分段绕制形成的多匝线圈,且构成中心充电区域,在所述第三线圈内部以及所述第三线圈
与所述第二线圈之间均预留有未绕线区域,所述第一线圈与第一谐振补偿电路相连并工作
在第一谐振频率上,所述第二线圈和所述第三线圈串联连接后与第二谐振补偿电路连接并
工作在第二谐振频率上。
圈、所述第二线圈和所述第三线圈。
置,接收端设置有次级能量变换装置,所述初级能量变换装置包括整流电路和逆变电路,所
述逆变电路输出高频交流电源送入所述第一线圈与第一谐振补偿电路相连构成的第一谐
振回路中;以及送入所述第二线圈和所述第三线圈串联连接后与第二谐振补偿电路相连构
成的第二谐振回路中。
界拾取电压us0时,系统开通所述外围充电区域。
适用于不同功率等级的移动设备应用场合,在系统没有抗震性的要求时,有磁芯耦合机构
系统效率更高,成本更低;系统对抗震性有要求时,无磁芯耦合机构系统稳定性更高。
附图说明
具体实施方式
围。
成的多匝线圈,并构成外围充电区域,所述第二线圈和第三线圈是由另一根单独的导线在
所述第一线圈内部未绕线区域内串联连接并分段绕制形成的多匝线圈,且构成中心充电区
域,在所述第三线圈内部以及所述第三线圈与所述第二线圈之间均预留有未绕线区域,所
述第一线圈与第一谐振补偿电路相连并工作在第一谐振频率上,所述第二线圈和所述第三
线圈串联连接后与第二谐振补偿电路连接并工作在第二谐振频率上。
向发生偏移时,互感变化一致,所以本实施例选择圆‑圆型线圈作为基本线圈结构,因此,所
述第一线圈、第二线圈以及第三线圈均为圆盘式线圈,接收端的电能拾取线圈采用圆盘式
单线圈结构,从而可以根据拾取线圈偏移情况来开通不同的充电线圈区域。
包括多根端头凸起式磁条呈并环形均匀分布,在多根磁条两个端头之间围合形成的环形凹
槽内依次绕制所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈,端头凸起式磁条结构如图4所
示,图中a表示磁条总长度,q表示磁条凹槽长度,c为磁条底部厚度,d为磁条凸起高度,b为
磁条宽度,zo和zi分别表示磁条两端凸起的长度。
图5所示。
线圈匝数等几何参数的影响。本实施例基于图5所示的三发射线圈参数示意图,讨论线圈内
外径对耦合系数k的关系。
径;其他参数以此类推。
的线圈使该传输距离平面中心点处的磁通密度最大。根据诺依曼公式可知该半径rmax对应
的线圈单位长度对增加互感值的贡献最大,这代表在增加相同的互感值时,该匝线圈的自
感值增量最小,耦合系数最大。所以若线圈区域在半径rmax线圈两侧,能够以更少的用线量,
得到更优的耦合性能。
外径的增加先增大再减小,存在一个线圈外径对应的耦合系数最大。对于不同的传输距离,
固定线圈内径,线圈外径对k的影响规律不变,而且发现,当线圈内半径值小于该传输距离
下最大磁通密度半径时,同一传输距离h下的最大耦合系数对应的线圈外径值基本一致,根
据现有理论可知:最大磁通密度半径 一般远大于线圈内半径,上述规律可为线
圈外径尺寸选择做指导,减少计算量。
标点代表增加一匝线圈。从图中以看出耦合系数随线圈匝数向内侧增加即线圈内径值的减
小而先增加再减小,存在一个内径值对应的耦合系数最大。但同时发现耦合系数最大值kmax
区域附近的线圈匝数点更加密集,对于线圈外径为17.5cm时,在kmax区域附近多绕5匝线圈
对耦合系数的增加仅为0.001。从系统成本考虑,在计算线圈内径时,当耦合系数增量满足
的时停止继续增加线圈匝数,式中kn为线圈n匝时的耦合线圈的k值。
端线圈外径rso。
计算:
发射线圈Ⅱ内径rpiⅡ。随后,拾取线圈不变,以内径为rpiⅠ的线圈Ⅰ作为电能发射线圈,以线径
为步长增加线圈外径,计算满足式(1)的发射线圈Ⅰ外径rpoⅠ,随之利用式(4)计算发射线圈
初始匝数。
发射线圈Ⅰ和拾取线圈的匝数,为保证耦合机构在系统给定的偏移范围内都满足系统能效
要求,在拾取线圈偏移最大距离时计算每层耦合线圈的最大互感M,若M
发射线圈Ⅰ层数,直到耦合机构层数达到上限,保存所有M>Mmin的耦合机构参数。在此基础
上对线圈半径范围内所有满足互感要求的耦合机构依次减少线圈匝数,计算效率并排序。
这时其他线圈参数不变,只有线圈匝数n发生变化,根据图5所示线圈内半径与耦合系数曲
线的可知,当n增长到一定值后k的增量很小,这时线圈匝数对效率影响很小,过多的线匝数
还会增加系统成本和耦合机构重量,所以有:
按照上述规律计算发射线圈Ⅱ的匝数NpⅡ。线圈Ⅲ由上述线圈Ⅱ的导线分段绕制而成,层数
与发射线圈Ⅱ相同,取线圈Ⅱ内径侧导线绕制线圈Ⅲ,线圈Ⅲ初始匝数为1,计算以线直径
Dp为步长增长的两线圈间隔Δd下的耦合系数k,到kmax后,逐渐增加线圈Ⅲ匝数,以效率为
优化目标,由公式(4)计算线圈Ⅲ匝数。综上所述,线圈参数设计方法具体流程如图8所示。
的电能拾取线圈通过所述次级能量变换装置为电动汽车的蓄电池充电,在发射端还设置有
交流电源接口及初级能量变换装置,接收端设置有次级能量变换装置,所述初级能量变换
装置包括整流电路和逆变电路,所述逆变电路输出高频交流电源送入所述第一线圈与第一
谐振补偿电路相连构成的第一谐振回路中;以及送入所述第二线圈和所述第三线圈串联连
接后与第二谐振补偿电路相连构成的第二谐振回路中。第一谐振回路的谐振频率与第二谐
振回路的谐振频率相同。
设的临界拾取电压us0时,系统开通所述外围充电区域。
机构在抗偏移和耦合性能提升方面的有效性,对比满足同样系统需求下有磁芯、无磁芯及
项目中单发射线圈耦合机构的各项参数。
内都一直满足系统功率需求,以提升效率为目标确定切换点,图10为中心线圈和外围线圈
偏移距离与耦合机构效率曲线,发现在偏移距离小于110mm时中心充电线圈区域的效率更
大,大于110mm时外围充电线圈的效率更大。所以确定线圈切换点为110mm。
机构M值基本一致的情况下,有磁芯耦合机构的耦合系数k明显更大,仿真结果与理论分析
一致。图中在切换点110mm时M曲线存在一个奇异点,这是因为偏移110mm前中心线圈的互感
随着偏移距离的增大开始小于外围线圈的互感,所以会出现在110mm切换到外围线圈时互
感突然变大。若系统有对互感或耦合系数值的特殊需求,也可以按照系统需求重新确定切
换点。
线圈内阻更小,用线量更少,虽然增加了磁芯,但根据目前利兹线及磁芯的价格来看,系统
成本降低仍旧更低。
更高,成本更低;系统对抗震性有要求时,无磁芯耦合机构系统稳定性更高。另本文耦合机
构耦合性能的提升本质来自于耦合机构磁场强度与磁场均匀性的提升,不依赖于补偿拓扑
结构,所以适用于不同功率等级的移动设备应用场合。
述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替
换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范
围,其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。