CN107612153B - 一种电动汽车无线供电系统的三线圈结构 - Google Patents

一种电动汽车无线供电系统的三线圈结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种新型三线圈结构的电动汽车无线供电系统拓扑结构的设计与建模方法，其特征在于：所述拓扑结构是由一个发射线圈、两个相互嵌套的线圈构成,两个相互嵌套的线圈分别是中继线圈和接收线圈。发射、中继和接收线圈可以由圆形或方形多匝线圈构成；同时针对所述的拓扑结构，提出了相对应的数学建模方法。所述结构的优点是：当负载变化时，系统的输出电压基本恒定。本发明的有益效果是：结构简单、可靠性强、系统的输出电压基本恒定，适用于电动汽车无线充电。

Description

一种电动汽车无线供电系统的三线圈结构
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，尤其涉及一种三线圈结构的电动汽车无线供电系统拓扑结构的设计与建模方法。
背景技术
充电系统是电动汽车的核心部件之一，其性能的好坏直接影响着电动汽车的安全性和便利性。当前，电动汽车的充电方式主要有两种：插拔式有线充电方式和无线充电方式。插拔式有线充电方式的主要问题如下：(1)由于充电插座和电缆的存在而极大地降低了电动汽车充电的灵活性；(2)较大的充电电流构成了漏电及电击的潜在危险，容易产生接触火花，安全性不强。无线充电方式主要是通过磁场来传输电能，供电端和负载端不需要导线的直接连接，进而可以省去插座和插头。负载端和供电端可以通过网络指令来进行智能连接，更容易实现智能供电。然而，在电动汽车停车充电时，负载的变化会引起输出端电压剧烈波动及效率下降，危及电动汽车动态无线供电系统的安全性与稳定性。所以，如何保证负载变化时，维持输出电压的稳定及较高的效率是一个难题。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种三线圈结构的电动汽车无线供电系统拓扑结构的设计与建模方法。
1、一种三线圈结构的电动汽车无线供电系统拓扑结构的设计与建模方法，其特征在于：所述拓扑结构是由一个发射线圈、两个相互嵌套的接收线圈构成。
2、针对所述的新型拓扑结构，提出了相对应的数学建模方法。
3、三线圈结构的发射线圈是由圆形或方形多匝线圈构成，接收线圈也是由圆形或方形多匝线圈构成。
本发明的有益效果是：结构简单、可靠性强、输出电压基本恒定、系统效率高，非常适用于电动汽车无线充电。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
图1是三线圈拓扑结构示意图；
图2是中继线圈与接收线圈相互嵌套图；
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
(1)三线圈结构
本发明一种三线圈电动汽车无线供电系统的拓扑结构设计如附图1所示，它主要由发射线圈(1)，中继线圈(2)和接收线圈(3)组成。D是接收线圈与发射线圈之间的距离。Ci表示第i个线圈的外接谐振电容；Mij表示第i和j个线圈之间的互感(i,j＝1,2,3；ij)。
附图2显示了中继线圈与接收线圈相互嵌套图,从图中可知，中继线圈(2)和接收线圈(3)处于同一个平面上且相互嵌套，其中实线所绘为中继线圈，虚线所绘为是接收线圈，接收线圈与中继线圈匝间距离为Δ1，接收线圈之间的匝间距离为Δ2。接收线圈的匝数为N1，中继线圈的匝数为N2，且中继线圈的匝数N2大于接收线圈N1的匝数。接收线圈的内径为a1(如果为正方形，即内边长为a1),中继线圈的内径为a2,接收线圈的外径为b1,中继线圈的外径为b2。中继线圈和接收线圈都是由多匝方形或圆形线圈构成。
(2)三线圈结构建模方法
运用基尔霍夫电压定律，可以得到三线圈结构的方程如下：
Figure GDA0004118096420000021
Figure GDA0004118096420000022
其中下标1表示发射线圈，下标2表示中继线圈,下标3表示接收线圈(i＝1，2，3)；Ri表示第i个线圈的等效电阻(包括线圈的电阻、外接谐振电容的寄生电阻以及介质损耗)；Rs表示电源的内阻抗；RL表示负载电阻；Ci表示第i个线圈的外接谐振电容；Li表示第i个线圈的自感；Mij表示第i和j个线圈之间的互感(i,j＝1,2,3；i j)；Us表示电源电压；Ii表示第i个线圈中的电流。
通过求解方程(1)和(2)，可以得到线圈中电流的表达式如下：
Figure GDA0004118096420000023
根据式(3)，可以得到负载电阻的电压表达式如下：
Figure GDA0004118096420000031
当系统工作在谐振状态时，式(4)可简化成式(5)：
Figure GDA0004118096420000032
式中Uout是输出电压(即负载电阻的电压)。接收线圈的匝数少于中继线圈的匝数，但两个相互嵌套的线圈之间的距离非常近，所以它们之间的互感可以大于或等于发射与接收线圈之间的互感，同时，由于接收线圈的匝数较少且发射和接收线圈之间的传输距离较远，所以它们之间的互感M13很小。输出电压Uout的表达式化简如下：
Figure GDA0004118096420000033
从式(6)中可以看出，基于三线圈结构的电动汽车无线供电系统的输出电压Uout不受负载(RL)的影响，为新型结构的恒电压输出提供了理论依据。
在此说明了此发明的优选实施例，包括发明人用于实施本发明的已知最佳模式。优选实施例的变更对本领域普通技术人员而言在阅读上述说明后是显而易见的。发明人希望普通技术人员合理应用这样的变更，并且发明人认为与在此明确说明不同的应用也可以实现本发明。因此，本发明包括随附权利要求中所引用的主旨的所有修改及等效形式，这在适用的法律中是允许的。此外，上述要素的所有可能的变更的任何组合也被本发明所包含，除非在此另外指出或者在上下文中明显矛盾。

Claims (3)

1.一种三线圈结构的电动汽车无线供电系统拓扑结构的设计与建模方法，其特征在于：所述拓扑结构是由一个发射线圈、两个相互嵌套的线圈构成，两个相互嵌套的线圈由中继线圈和接收线圈组成；
所述建模方法如下：
运用基尔霍夫电压定律，可以得到三线圈结构的方程如下：
Figure FDA0004118096410000011
Figure FDA0004118096410000012
其中下标1表示发射线圈，下标2表示中继线圈,下标3表示接收线圈，i＝1，2，3；Ri表示第i个线圈的等效电阻；所述等效电阻包括线圈的电阻、外接谐振电容的寄生电阻以及介质损耗；Rs表示电源的内阻抗；RL表示负载电阻；Ci表示第i个线圈的外接谐振电容；Li表示第i个线圈的自感；Mij表示第i和j个线圈之间的互感，i,j＝1,2,3；i≠j；Us表示电源电压；Ii表示第i个线圈中的电流；ω表示角频率；
通过求解方程(1)和(2)，可以得到线圈中电流的表达式如下：
Figure FDA0004118096410000013
根据式(3)，可以得到负载电阻的电压表达式如下：
Figure FDA0004118096410000014
当系统工作在谐振状态时，式(4)可简化成式(5)：
Figure FDA0004118096410000015
式中Uout是输出电压，所述输出电压为负载电阻的电压；接收线圈的匝数少于中继线圈的匝数，但两个相互嵌套的线圈之间的距离非常近，所以它们之间的互感可以大于或等于发射与接收线圈之间的互感，同时，由于接收线圈的匝数较少且发射和接收线圈之间的传输距离较远，所以它们之间的互感M13很小；输出电压Uout的表达式化简如下：
Figure FDA0004118096410000021
从式(6)中可以看出，基于三线圈结构的电动汽车无线供电系统的输出电压Uout基本不受负载变化的影响，为新型结构的恒电压输出提供了理论依据。
2.根据权利要求1所述的一种三线圈结构的电动汽车无线供电系统拓扑结构的设计与建模方法，其特征在于：三线圈结构的发射线圈是由圆形或方形多匝线圈构成，接收线圈也是由圆形或方形多匝线圈构成。
3.根据权利要求1所述的一种三线圈结构的电动汽车无线供电系统拓扑结构的设计与建模方法，其特征在于：三线圈结构的中继线圈(2)和接收线圈(3)处于同一个平面上且相互嵌套，接收线圈与中继线圈匝间距离为Δ1，Δ1大于等于零。
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