CN106816962A - 一种大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构，其特征在于，包括集成在发射端的单极性线圈L_t1和双极性线圈L_t2，以及与之相隔一段距离集成在接收端的单极性线圈L_r1和双极性线圈L_r2；双极性线圈L_t2和L_r2均包括面积相等极性相反且对称的两个部分，单极性线圈L_t1紧贴于双极性线圈L_t2，单极性线圈L_r1紧贴于双极性线圈L_r2；且上述四个线圈相互平行，各线圈中心点连线所在的直线垂直于线圈平面，各线圈的对称轴相互平行。本发明中双向线圈和单级线圈相互解耦，使线圈更紧凑，缩小了线圈空间，减小了半导体承受应力要求，提高了传输功率，解决了传统的感应电能传输系统中的热耗散快、组件限制、短时间过载的问题。

Description

一种大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构

技术领域

本发明涉及移动设备感应电能传输技术领域，具体为一种大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构。

背景技术

自从1840年法拉第发现电磁感应现象以来，感应电能传输技术就一直被人们所关注和研究。在给移动设备(如电力机车，地铁机车，轻轨列车)进行供电时，这种技术可以克服传统的由导线直接接触供电方式的诸如接触火花、不安全裸露、生产和维护成本高、在化工领域易产生爆炸事故等缺点。感应电能传输技术具有巨大的发展潜力。

一般的感应电能传输系统由两部分组成，第一部分是一次侧能量发射系统，它包含直流电源、高频逆变器、谐振器、发射线圈等装置，第二部分是二次侧能量接收系统，它包含负载、整流器、谐振器、接收线圈等装置。它的工作过程为：直流电源输入的直流电经过高频逆变器变为高频交流电，发射线圈的高频交流电通过发射线圈和接收线圈之间的电磁耦合在接收线圈上感应出同频交流电，同频交流电通过整流器变为直流电供给负载，完成能量的非接触式传输。

近年来，随着插电式混合动力车和电动汽车的大力发展，感应电能传输系统以其方便、环保、可靠、安全、使用周期长等优点替代有线电能传输系统，成为了新的发展趋势。目前绝大多数研究者关注感应电能传输的电路拓扑结构，系统效率，控制方法和磁场耦合设计等方面的研究，只有很少研究者关注其大功率传输方面的研究。然而，大功率的感应电能传输系统在公共交通中的需求越来越大，系统所要提供的功率达到上百千瓦甚至更大。

为了增大感应电能传输系统的功率等级有三种主要的方法，第一种方法是通过在发射端并联多个高频逆变器增大发射功率容量，第二种方法是通过增加发射线圈和接收线圈之间的互感提高传输功率，第三种方法是采用多个发射线圈和一个接收线圈的方式提高发射功率。第一种方法由于存在半导体承受应力要求高和易产生循环电流的问题，其可靠性和安全性较低。第二种方法由于受到线圈尺寸限制和大尺寸、大电感线圈容易产生谐振高压的问题往往并不可行。第三种方法存在需要增加额外的电容来抵消多个发射线圈之间的互感和一个接收端难以满足用户电能需求的缺点。因此，设计一个空间紧凑和对半导体承受应力要求低的大功率感应电能传输系统具有巨大的市场前景。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够有效缩小线圈空间，提高系统传输功率容量的大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构，以解决传统的感应电能传输系统中的热耗散快、组件限制、短时间过载的问题。技术方案如下：

一种大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构，其特征在于，包括集成在发射端的单极性线圈L_t1和双极性线圈L_t2，以及与之相隔一段距离集成在接收端的单极性线圈L_r1和双极性线圈L_r2；双极性线圈L_t2和L_r2均包括面积相等极性相反且对称的两个部分，单极性线圈L_t1紧贴于双极性线圈L_t2，单极性线圈L_r1紧贴于双极性线圈L_r2；且上述四个线圈相互平行，各线圈中心点连线所在的直线垂直于线圈平面，各线圈的对称轴相互平行。

进一步的，所述四个线圈在空间结构上，自上而下的排列顺序为双极性线圈L_t2、单极性线圈L_t1、双极性线圈L_r2、单极性线圈L_r1。

更进一步的，所述四个线圈在空间结构上，自上而下的排列顺序为单极性线圈L_t1、双极性线圈L_t2、双极性线圈L_r2、单极性线圈L_r1。

更进一步的，所述四个线圈在空间结构上，自上而下的排列顺序为单极性线圈L_t1、双极性线圈L_t2、单极性线圈L_r1、双极性线圈L_r2。

更进一步的，所述四个线圈在空间结构上，自上而下的排列顺序为双极性线圈L_t2、单极性线圈L_t1、单极性线圈L_r1、双极性线圈L_r2。

更进一步的，还包括输入端均并联在直流源U_dc上的高频逆变器H₁和高频逆变器H₂；

高频逆变器H₁的上输出端连接到初级电感L_ft1的上端，初级电感L_ft1的下端分别连接到初级电容C_ft1和初级补偿电容C_t1的上端，初级补偿电容C_t1的下端连接到单极性线圈L_t1的上端，单极性线圈L_t1的下端分别连接到初级电容C_ft1的下端和高频逆变器H₁的下输出端；单极性线圈L_r1的上端连接到次级补偿电容C_r1的上端，次级补偿电容C_r1的下端分别连接到次级电容C_fr1的上端和次级电感L_fr1的上端，次级电感L_fr1的下端连接到整流器K₁的上输入端，整流器K₁的下输入端分别连接到单极性线圈L_r1的下端和次级电容C_fr1的下端，整流器K₁的正输出端分别连接到整流器电容C_d1的正极和负载电阻R_L的右端，整流器K₁的负输出端分别连接到整流器电容C_d1的负极和负载电阻R_L的左端；

高频逆变器H₂的上输出端连接到初级电感L_ft2的上端，初级电感L_ft2的下端分别连接到初级电容C_ft2和初级补偿电容C_t2的上端，初级补偿电容C_t2的下端连接到双极性线圈L_t2的上端，双极性线圈L_t2的下端分别连接到初级电容C_ft2的下端和高频逆变器H₂的下输出端；双极性线圈L_r2的上端连接到次级补偿电容C_r2的上端，次级补偿电容C_r2的下端分别连接到次级电容C_fr2的上端和次级电感L_fr2的上端，次级电感L_fr2的下端连接到整流器K₂的上输入端，整流器K₂的下输入端分别连接到双极性线圈L_r2的下端和次级电容C_fr2的下端，整流器K₂的正输出端分别连接到整流器电容C_d2的正极和负载电阻R_L的右端，整流器K₂的负输出端分别连接到整流器电容C_d2的负极和负载电阻R_L的左端。

更进一步的，电路中各电容和电感的属性满足以下约束关系：

其中，为ω系统工作角频率，为初级电感L_ft1的电感值，为初级电容C_ft1的电容值，为初级电感L_ft2的电感值，为初级电容C_ft2的电容值；为次级电感L_fr1的电感值，为次级电容C_fr1的电容值，为次级电感L_fr2的电感值，为次级电容C_fr2的电容值；

为初级补偿电容C_t1和单极性线圈L_t1等效的初级合成电感L_T1的电感值，且

式中，为单极性线圈L_t1的电感值，为初级补偿电容C_t1的电容值；

为初级补偿电容C_t2和双极性线圈L_t2等效的初级合成电感L_T2的电感值，且

式中，为双极性线圈L_t2的电感值，为级补偿电容C_t2的电容值；

为次级补偿电容C_r1和单极性线圈L_r1等效的次级合成电感L_R1的电感值，且

式中，为单极性线圈L_r1的电感值，为次级补偿电容C_r1的电容值；

为次级补偿电容C_r2和双极性线圈L_r2等效的次级合成电感L_R2的电感值，且

式中，为双极性线圈L_r2的电感值，为次级补偿电容C_r2的电容值。

本发明的有益效果是：本发明中双向线圈和单级线圈相互解耦，使线圈更紧凑，缩小了线圈空间，减小了半导体承受应力要求，提高了传输功率，解决了传统的感应电能传输系统中的热耗散快、组件限制、短时间过载的问题；将双向线圈和单级线圈集成在发射端和接收端，每个线圈都装配一个并联在同一个直流电源上的逆变器或者并联在同一个负载上的整流器，电路结构采用感应电能传输中的双边LCC补偿结构，有效提高了系统传输功率容量。

附图说明

图1为本发明双极性线圈的结构示意图。

图2为本发明单极性线圈的结构示意图。

图3a为本发明四个线圈第一种空间结构的示意图。

图3b为本发明四个线圈第二种空间结构的示意图。

图3c为本发明四个线圈第三种空间结构的示意图。

图3d为本发明四个线圈第四种空间结构的示意图。

图4为本发明实施例的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。一种大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构，包括耦机构合部分和电路部分。其中，耦合机构部分包括集成在发射端的单极性线圈L_t1和双极性线圈L_t2，以及与之相隔一段距离集成在接收端的单极性线圈L_r1和双极性线圈L_r2。双极性线圈L_t2和L_r2均包括面积相等极性相反且对称的两个部分，如图1所示。单极性线圈L_t1紧贴于双极性线圈L_t2，单极性线圈L_r1紧贴于双极性线圈L_r2。单极性线圈结构如图2所示。且上述四个线圈相互平行，各线圈中心点连线所在的直线垂直于线圈平面，各线圈的对称轴相互平行。且四个线圈L_t2、L_t1、L_r2、L_r1的空间结构有四种：

第一种空间结构从主视的角度以从上到下排列的顺序是双极性线圈L_t2，单极性线圈L_t1，双极性线圈L_r2，单极性线圈L_r1，如图3a所示。

第二种空间结构从主视的角度以从上到下排列的顺序是单极性线圈L_t1，双极性线圈L_t2，双极性线圈L_r2，单极性线圈L_r1，如图3b所示。

第三种空间结构从主视的角度以从上到下排列的顺序是单极性线圈L_t1，双极性线圈L_t2，单极性线圈L_r1，双极性线圈L_r2，如图3c所示。

第四种空间结构从主视的角度以从上到下排列的顺序是双极性线圈L_t2，单极性线圈L_t1，单极性线圈L_r1，双极性线圈L_r2，如图3d所示。

四个线圈相互之间存在互感，单极性线圈L_t1和双极性线圈L_t2之间有互感M_t1t2，单极性线圈L_t1和单极性线圈L_r1之间有互感M_t1r1，单极性线圈L_t1和双极性线圈L_r2之间有互感M_t1r2，双极性线圈L_t2和单极性线圈L_r1之间有互感M_t2r1，双极性线圈L_t2和双极性线圈L_r2有互感M_t2r2。

因为双极性线圈分为两个面积相等极性相反的对称的部分，而且单极性线圈的对称轴和双极性线圈的对称轴组成的平面垂直于线圈平面，所以单极性线圈上电流激发磁场产生的磁通量会对称地穿过双极性线圈的两个线圈且方向相反。对于双极性线圈来说，单极性线圈产生的磁通量为零，两线圈之间的互感就为零，换言之，单极性线圈与双极性线圈相互解耦，因此存在以下关系：

M_t1t2＝M_t1r2＝M_t2r1＝0

这就相当于只有发射端的单极性线圈L_t1和双极性线圈L_t2分别向接收端的单极性线圈L_r1和双极性线圈L_r2传输能量。该耦合机构部分的结构可使线圈更紧凑，从而缩小了线圈空间，减小了半导体承受应力要求，提高了传输功率，解决了传统的感应电能传输系统中的热耗散快、组件限制、短时间过载的问题。

本实施例的电路部分包括输入端均并联在直流源U_dc上的高频逆变器H₁和高频逆变器H₂。

高频逆变器H₁的上输出端连接到初级电感L_ft1的上端，初级电感L_ft1的下端分别连接到初级电容C_ft1和初级补偿电容C_t1的上端，初级补偿电容C_t1的下端连接到单极性线圈L_t1的上端，单极性线圈L_t1的下端分别连接到初级电容C_ft1的下端和高频逆变器H₁的下输出端；单极性线圈L_r1的上端连接到次级补偿电容C_r1的上端，次级补偿电容C_r1的下端分别连接到次级电容C_fr1的上端和次级电感L_fr1的上端，次级电感L_fr1的下端连接到整流器K₁的上输入端，整流器K₁的下输入端分别连接到单极性线圈L_r1的下端和次级电容C_fr1的下端，整流器K₁的正输出端分别连接到整流器电容C_d1的正极和负载电阻R_L的右端，整流器K₁的负输出端分别连接到整流器电容C_d1的负极和负载电阻R_L的左端。

高频逆变器H₂的上输出端连接到初级电感L_ft2的上端，初级电感L_ft2的下端分别连接到初级电容C_ft2和初级补偿电容C_t2的上端，初级补偿电容C_t2的下端连接到双极性线圈L_t2的上端，双极性线圈L_t2的下端分别连接到初级电容C_ft2的下端和高频逆变器H₂的下输出端；双极性线圈L_r2的上端连接到次级补偿电容C_r2的上端，次级补偿电容C_r2的下端分别连接到次级电容C_fr2的上端和次级电感L_fr2的上端，次级电感L_fr2的下端连接到整流器K₂的上输入端，整流器K₂的下输入端分别连接到双极性线圈L_r2的下端和次级电容C_fr2的下端，整流器K₂的正输出端分别连接到整流器电容C_d2的正极和负载电阻R_L的右端，整流器K₂的负输出端分别连接到整流器电容C_d2的负极和负载电阻R_L的左端。

所述的初级补偿电容C_t1和单极性线圈L_t1等效为初级合成电感L_T1，次级补偿电容C_r1和单极性线圈L_r1等效为次级合成电感L_R1，初级补偿电容C_t2和双极性线圈L_t2等效为初级合成电感L_T2,次级补偿电容C_r2和双极性线圈L_r2等效为次级合成电感L_R2，初级合成电感L_T1的等效电感值次级合成电感L_R1的等效电感值初级合成电感L_T2的等效电感值次级合成电感L_R2的等效电感值由下式确定；

式中ω为系统工作角频率，为单极性线圈L_t1的电感值，为初级补偿电容C_t1的电容值，为单极性线圈L_r1的电感值，为次级补偿电容C_r1的电容值，为双极性线圈L_t2的电感值，为初级补偿电容C_t2的电容值，为双极性线圈L_r2的电感值，为次级补偿电容C_r2的电容值；

所述的初级电感L_ft1的电感值初级电容C_ft1的电容值初级合成电感L_T1的等效电感值次级合成电感L_R1的等效电感值次级电感L_fr1的电感值次级电容C_fr1的电容值初级电感L_ft2的电感值初级电容C_ft2的电容值初级合成电感L_T2的等效电感值次级合成电感L_R2的等效电感值次级电感L_fr2的电感值次级电容C_fr2的电容值有以下约束关系：

电路结构部分的工作过程和原理是：

直流源U_dc产生的直流电经过高频逆变器H₁变成高频交流电，该高频交流电经过LCC补偿电路后在单极性线圈L_t1上激发出磁场，由于单极性线圈L_t1分别与双极性线圈L_t2和双极性线圈L_r2相互解耦，因此该磁场只在单极性线圈L_r1产生高频交流电，该高频交流电经过LCC补偿电路和整流器K₁后在负载电阻R_L上产生直流电。

同理，直流源U_dc产生的直流电经过高频逆变器H₂变成高频交流电，该高频交流电经过LCC补偿电路后在双极性线圈L_t2上激发出磁场，由于双极性线圈L_t2分别与单极性线圈L_t1和单极性线圈L_r1相互解耦，因此该磁场只在双极性线圈L_r2产生高频交流电，该高频交流电经过LCC补偿电路和整流器K₂后在负载电阻R_L上产生直流电。

由于电路中LCC补偿电路和其所在的发射端或接收端的线圈构成了LCL谐振电路，谐振角频率与电路中的电容和电阻是唯一相关的，与电路中的耦合互感和负载时是相互独立的，因此整个电路可以视为同一直流源U_dc产生的两路直流电经过各自电路转换后变为两路直流电叠加在负载电阻R_L上，能量也相应地从直流源U_dc产生后分别通过单极性线圈L_t1到单极性线圈L_r1和双极性线圈L_t2到双极性线圈L_r2两个路径独立地传输到负载电阻R_L上，有效提高了系统传输功率容量。

Claims (7)

1.一种大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构，其特征在于，包括集成在发射端的单极性线圈L_t1和双极性线圈L_t2，以及与之相隔一段距离集成在接收端的单极性线圈L_r1和双极性线圈L_r2；双极性线圈L_t2和L_r2均包括面积相等极性相反且对称的两个部分，单极性线圈L_t1紧贴于双极性线圈L_t2，单极性线圈L_r1紧贴于双极性线圈L_r2；且上述四个线圈相互平行，各线圈中心点连线所在的直线垂直于线圈平面，各线圈的对称轴相互平行。

2.根据权利要求1所述的大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构，其特征在于，所述四个线圈在空间结构上，自上而下的排列顺序为双极性线圈L_t2、单极性线圈L_t1、双极性线圈L_r2、单极性线圈L_r1。

3.根据权利要求1所述的大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构，其特征在于，所述四个线圈在空间结构上，自上而下的排列顺序为单极性线圈L_t1、双极性线圈L_t2、双极性线圈L_r2、单极性线圈L_r1。

4.根据权利要求1所述的大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构，其特征在于，所述四个线圈在空间结构上，自上而下的排列顺序为单极性线圈L_t1、双极性线圈L_t2、单极性线圈L_r1、双极性线圈L_r2。

5.根据权利要求1所述的大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构，其特征在于，所述四个线圈在空间结构上，自上而下的排列顺序为双极性线圈L_t2、单极性线圈L_t1、单极性线圈L_r1、双极性线圈L_r2。

6.根据权利要求1所述的大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构，其特征在于，还包括输入端均并联在直流源U_dc上的高频逆变器H₁和高频逆变器H₂；

高频逆变器H₁的上输出端连接到初级电感L_ft1的上端，初级电感L_ft1的下端分别连接到初级电容C_ft1和初级补偿电容C_t1的上端，初级补偿电容C_t1的下端连接到单极性线圈L_t1的上端，单极性线圈L_t1的下端分别连接到初级电容C_ft1的下端和高频逆变器H₁的下输出端；单极性线圈L_r1的上端连接到次级补偿电容C_r1的上端，次级补偿电容C_r1的下端分别连接到次级电容C_fr1的上端和次级电感L_fr1的上端，次级电感L_fr1的下端连接到整流器K₁的上输入端，整流器K₁的下输入端分别连接到单极性线圈L_r1的下端和次级电容C_fr1的下端，整流器K₁的正输出端分别连接到整流器电容C_d1的正极和负载电阻R_L的右端，整流器K₁的负输出端分别连接到整流器电容C_d1的负极和负载电阻R_L的左端；

高频逆变器H₂的上输出端连接到初级电感L_ft2的上端，初级电感L_ft2的下端分别连接到初级电容C_ft2和初级补偿电容C_t2的上端，初级补偿电容C_t2的下端连接到双极性线圈L_t2的上端，双极性线圈L_t2的下端分别连接到初级电容C_ft2的下端和高频逆变器H₂的下输出端；双极性线圈L_r2的上端连接到次级补偿电容C_r2的上端，次级补偿电容C_r2的下端分别连接到次级电容C_fr2的上端和次级电感L_fr2的上端，次级电感L_fr2的下端连接到整流器K₂的上输入端，整流器K₂的下输入端分别连接到双极性线圈L_r2的下端和次级电容C_fr2的下端，整流器K₂的正输出端分别连接到整流器电容C_d2的正极和负载电阻R_L的右端，整流器K₂的负输出端分别连接到整流器电容C_d2的负极和负载电阻R_L的左端。

7.根据权利要求6所述的大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构，其特征在于，电路中各电容和电感的属性满足以下约束关系：

${\stackrel{\‾}{L}}_{ft1}\·{\stackrel{\‾}{C}}_{ft1}={\stackrel{\‾}{L}}_{ft2}\·{\stackrel{\‾}{C}}_{ft2}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2}$

${\stackrel{\‾}{L}}_{T1}\·{\stackrel{\‾}{C}}_{ft1}={\stackrel{\‾}{L}}_{T2}\·{\stackrel{\‾}{C}}_{ft2}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2}$

${\stackrel{\‾}{L}}_{fr1}\·{\stackrel{\‾}{C}}_{fr1}={\stackrel{\‾}{L}}_{fr2}\·{\stackrel{\‾}{C}}_{fr2}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2}$

${\stackrel{\‾}{L}}_{R1}\·{\stackrel{\‾}{C}}_{fr1}={\stackrel{\‾}{L}}_{R2}\·{\stackrel{\‾}{C}}_{fr2}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2}$

其中，为ω系统工作角频率，为初级电感L_ft1的电感值，为初级电容C_ft1的电容值，为初级电感L_ft2的电感值，为初级电容C_ft2的电容值；为次级电感L_fr1的电感值，为次级电容C_fr1的电容值，为次级电感L_fr2的电感值，为次级电容C_fr2的电容值；

为初级补偿电容C_t1和单极性线圈L_t1等效的初级合成电感L_T1的电感值，且

${\stackrel{\‾}{L}}_{T1}={\stackrel{\‾}{L}}_{t1}-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{\stackrel{\‾}{C}}_{t1}}$

式中，为单极性线圈L_t1的电感值，为初级补偿电容C_t1的电容值；

为初级补偿电容C_t2和双极性线圈L_t2等效的初级合成电感L_T2的电感值，且

${\stackrel{\‾}{L}}_{T2}={\stackrel{\‾}{L}}_{t2}-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{\stackrel{\‾}{C}}_{t2}}$

式中，为双极性线圈L_t2的电感值，为级补偿电容C_t2的电容值；

为次级补偿电容C_r1和单极性线圈L_r1等效的次级合成电感L_R1的电感值，且

${\stackrel{\‾}{L}}_{R1}={\stackrel{\‾}{L}}_{r1}-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{\stackrel{\‾}{C}}_{r1}}$

式中，为单极性线圈L_r1的电感值，为次级补偿电容C_r1的电容值；

为次级补偿电容C_r2和双极性线圈L_r2等效的次级合成电感L_R2的电感值，且

${\stackrel{\‾}{L}}_{R2}={\stackrel{\‾}{L}}_{r2}-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{\stackrel{\‾}{C}}_{r2}}$

式中，为双极性线圈L_r2的电感值，为次级补偿电容C_r2的电容值。