CN108382220A - 一种电动车用行进间无线充电磁耦合器 - Google Patents

一种电动车用行进间无线充电磁耦合器 Download PDF

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Abstract

本发明提出的一种电动车用行进间无线充电磁耦合器，属于新能源电动汽车及电磁学技术领域，包括固定在路面的发射端和固定在电动汽车底部的接收端；所述发射端由磁芯导轨和发射导线构成，磁芯导轨包括埋设在路面的导轨底板和沿该导轨底板轴向固定设置的薄片磁芯阵列，发射导线依次交叉缠绕在薄片磁芯阵列中各薄片磁芯上，且垂直于导轨底板轴向相邻的两块薄片磁芯上的绕线方向一致，沿导轨底板轴向相邻的两块薄片磁芯上的绕向方向相反；接收端包括一水平线圈和多个与路面垂直的接收线圈。本发明可提高对磁场的利用率，减少漏磁，减少对周围环境的电磁辐射；且产生的磁场更强、更均匀，可提高磁耦合器的横向抗偏能力，降低对车辆行驶位置精度的要求。

Description

一种电动车用行进间无线充电磁耦合器
技术领域
本发明属于新能源电动汽车及电磁学技术领域，特别涉及一种电动车用行进间无线充电磁耦合器。
背景技术
面对电动汽车充电过程，目前主要存在以下方面问题：根据充电设备的功率等级不同，电动汽车单次充电需要花费大约1.5小时到几个小时不等，但是都比燃油车加油的时间多出数倍；同时地面上的充电线会带来充电不便以及触电的危险；大功率快速充电技术的发展受到例如充电枪冷却问题等许多障碍。因此，电动汽车的无线充电将成为解决用户充电问题的关键技术。
评价电动车用行进间无线充电(Dynamic Wireless Power Transfer，DWPT)系统性能的指标有：充电功率、充电效率、能量传输距离以及横向抗偏移能力。车用行进间无线充电系统中，能量的传输主要依靠磁耦合器来完成，因此磁耦合器(线圈及磁芯)的设计成为车用行进间WPT系统中最关键的环节之一。目前已有的磁耦合器由固定在路面的发射端和固定在电动汽车底部的接收端构成，其中发射端主要由发射导线和磁芯构成，接收端采用接收线圈，且接收线圈所在平面平行于路面；电动汽车在沿埋设有发射端的道路上行驶时，接收端处于发射端高频交流电产生的高频磁场中，通过电磁感应而产生电能，该电能被收集后用于电动汽车的充电，即电动汽车在行进过程中完成充电。磁耦合器中发射导线相对磁芯的绕线方式和磁芯的形状等都对车用行进间无线充电系统的上述性能指标有较大影响。
目前的磁耦合器形式主要分为两类，主要体现在发射端的不同：一类是圆线圈或者各种DD(形状如同两个字母“D”)线圈连续排列，发射线圈整体呈盘状，从上至下分别为导线层、铁氧体磁芯层以及铝屏蔽层共计三层，以Auckland大学为代表；另一类发射端的结构如图1所示，其中图(a)为侧视图，图(b)为俯视图(俯视图中，为了更好地反应导线的绕线方式，将T型磁芯顶部的水平段用虚线框表示)，发射端包括磁芯导轨，该磁芯导轨由埋设在路面的导轨底板(图1中未示意出该部件)和一列沿该导轨底板轴向等距排列的磁芯02构成，且磁芯与导轨底板固定连接，发射导线03依次交叉缠绕在各磁芯02上(一般为4-5次重复缠绕，具体缠绕次数可依据成本要求确定)，图(a)中，“×”表示导线中电流方向垂直于纸面向内，“·”表示导线中电流方向垂直于纸面向外，下同)，以韩国KAIST(Korea AdvancedInstitute of Science and Technology)为代表，磁芯02采用“T”型铁氧体，接收线圈采用矩形线圈，但是因为铁氧体横向尺寸较大(以韩国KAIST为例，磁芯顶部水平段的横向尺寸为10cm)，磁通聚集在铁氧体表面。
综上，目前的车用行进间无线充电磁耦合器普遍存在：漏磁严重导致效率较低、横向抗偏移能力(所述横向抗偏移能力即接收线圈在垂直于车辆前进的方向上偏离发射端磁芯导轨轴向的最大距离)弱等缺点。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种车用行进间无线充电磁耦合器，该磁耦合器具有横向抗偏移能力强、磁场利用率高、电磁辐射小等优点。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种电动车用行进间无线充电磁耦合器，包括固定在路面的发射端和固定在电动汽车底部的接收端；所述发射端由磁芯导轨和发射导线构成，发射导线端部与外部电源相连；所述接收端包括一个与路面平行的第一接收线圈；所述发射端的磁芯导轨包括埋设在路面的导轨底板和沿该导轨底板轴向固定设置的薄片磁芯阵列，所述发射导线依次交叉缠绕在薄片磁芯阵列中各薄片磁芯上，且垂直于导轨底板轴向相邻的两块薄片磁芯上的绕线方向一致，沿导轨底板轴向相邻的两块薄片磁芯上的绕向方向相反；所述接收端还包括多个与路面垂直的接收线圈，多个接收线圈固定在所述第一接收线圈的四周。
优选地，所述薄片磁芯阵列由关于所述导轨底板轴线对称布置的两列等距排列的薄片磁芯组成，各薄片磁芯均为具有T型横截面的矩形铁氧体薄片。
优选地，所述接收端中，与路面垂直的接收线圈为4个圆形线圈，各接收线圈分别位于各车轮的内侧，且固定在前后车桥外壳上，不随车轮转动而转动。
优选地，所述薄片磁芯的横向尺寸为水平段不超过3cm，竖直段不超过1.5cm。
本发明的特点及有益效果：
本发明在不大幅改变已有耦合器成本的前提下，通过改进耦合器发射端和接收端的结构，包括磁芯形状、通电导线绕线方式以及接收线圈分布位置三个方面，进而提高对磁场的利用率，减少漏磁，提高效率的同时减少了对周围环境的电磁辐射；另一方面产生的磁场更强、更均匀，以提高磁耦合器的横向抗偏能力，在使用的过程当中，降低了对车辆行驶位置精度的要求；此外，本发明的磁芯均为简单的长方形薄片，加工简单，在产生相同电能的条件下节省了磁芯材料。
附图说明
图1是已有发射端的结构示意图；
图2是本发明实施例磁耦合器的整体结构示意图；
图3是图2中发射端的结构示意图，图(a)、(b)、(c)分别为三维视图、左视图和俯视图；
图4是图2中接收端的结构示意图。
具体实施方式
本发明提出的一种电动车用行进间无线充电磁耦合器，下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明。
本发明提出的一种电动车用行进间无线充电磁耦合器的整体结构如图2所示，该磁耦合器包括固定在路面的发射端和固定在电动汽车底部的接收端；发射端由磁芯导轨和发射导线3构成，发射导线端部与外部电源端(包括三相或单相电源及配套的逆变器等电力电子器件，与现有技术相同，不属于本发明保护范畴)相连形成回路；接收端包括一个与路面平行的第一接收线圈55；发射端的磁芯导轨由埋设在路面的导轨底板(该导轨底板在图2中未示意出，详见图3)和沿该导轨底板轴向固定设置的薄片磁芯阵列(本实施例的薄片磁芯阵列由关于所述导轨底板轴线对称布置的两列等距排列的薄片磁芯21、22组成；此外还可根据使用需求设置更多列数的薄片磁芯，但会相应增加成本，一方面铁氧体材料耗费变多，另一方面导线数量变多)，各薄片磁芯均与导轨底板固定连接，发射导线3依次交叉缠绕在各薄片磁芯上，且垂直于导轨底板轴向相邻的两块薄片磁芯上的绕线方向一致，沿导轨底板轴向相邻的两块薄片磁芯上的绕向方向相反；接收端还包括多个与路面垂直的接收线圈(本实施例设置4个垂直接收线圈，还可根据使用需求选择其他数量的垂直接收线圈)，该多个接收线圈固定在第一接收线圈55的四周。
本实施例各部件的具体实现方式和功能分别说明如下：
发射端中，如图3所示，图(a)、(b)、(c)分别为发射端的三维视图、左视图和俯视图，导轨底板1与现有发射端中的导轨底板相同，本实施例采用矩形平板，埋设在路面内；磁芯部分采用关于导轨底板1轴线对称(即左右对称)布置的两列薄片磁芯21和22，各薄片磁芯均为具有T型横截面的矩形铁氧体薄片(薄片磁芯顶部的水平段结构用于防止缠绕在其上的导线脱离)，各薄片磁芯的横向尺寸为水平段不超过3cm，竖直段不超过1.5cm；发射导线3(图中只表示绕线方法，具体根数可依据对磁场优化后效率的提高和成本之间的权衡来选择)依次交叉缠绕在各矩形铁氧体薄片上，使电流形成的磁场在前后相邻两块薄片上的方向相反(如图2所示，磁场A、B方向相反)，左右对称的两块薄片上的磁场方向一致(同为磁场A或者同为磁场B)。本实施例的各薄片磁芯的长宽高为20×10×1.5(1.5指的是横向最大尺寸，即顶部横向尺寸)cm，两列薄片磁芯的中心距最大不超过10cm，前后两薄片磁芯的净距为10cm。本发明在不增加用线成本的前提下，将产生高频磁场的导线向铁氧体薄片内侧集中，见图2，使铁氧体薄片产生更强、更均匀的磁场，以提高本磁耦合器的横向抗偏能力。
接收端中，如图4所示，采用“4+1”式接收线圈；其中，第一接收线圈55为原来安装的矩形线圈，与现有接收线圈相同；增设的4个接收线圈51、52、53和54采用均垂直于路面的圆形线圈，分别位于各车轮(41、42、43、44)的内侧，且接收线圈51～54分别固定在前后车桥外壳6上，不随车轮转动。增设的各接收线圈除本实施例所述安装位置外，还可固定于车底部的其他不动部件上。本实施例增设的接收线圈采用与原水平接受线圈材质一样、利用利兹线绕成圆形线圈，线圈半径不超过车轮半径。本发明通过增设与地面垂直的接收线圈，充分利用汽车底盘的空间，相比目前的磁耦合器，具有更强的横向抗偏能力，并且在对磁场的利用率上进行了大幅优化。
本实施例的工作原理：电动汽车在行进过程中，各个接收线圈同时工作，分别接收不同的磁场，产生的感应电流同频，通过简单的滤波、整流等处理后将各个线圈进行同向串联，整流后供给汽车电池进行充电。

Claims (4)

1.一种电动车用行进间无线充电磁耦合器，包括固定在路面的发射端和固定在电动汽车底部的接收端；所述发射端由磁芯导轨和发射导线构成，发射导线端部与外部电源相连；所述接收端包括一个与路面平行的第一接收线圈；其特征在于，所述发射端的磁芯导轨包括埋设在路面的导轨底板和沿该导轨底板轴向固定设置的薄片磁芯阵列，所述发射导线依次交叉缠绕在薄片磁芯阵列中各薄片磁芯上，且垂直于导轨底板轴向相邻的两块薄片磁芯上的绕线方向一致，沿导轨底板轴向相邻的两块薄片磁芯上的绕向方向相反；所述接收端还包括多个与路面垂直的接收线圈，多个接收线圈固定在所述第一接收线圈的四周。
2.根据权利要求1所述的电动车用行进间无线充电磁耦合器，其特征在于，所述薄片磁芯阵列由关于所述导轨底板轴线对称布置的两列等距排列的薄片磁芯组成，各薄片磁芯均为具有T型横截面的矩形铁氧体薄片。
3.根据权利要求1所述的电动车用行进间无线充电磁耦合器，其特征在于，所述接收端中，与路面垂直的接收线圈为4个圆形线圈，各接收线圈分别位于各车轮的内侧，且固定在前后车桥外壳上，不随车轮转动而转动。
4.根据权利要求2所述的电动车用行进间无线充电磁耦合器，其特征在于，所述薄片磁芯的横向尺寸为水平段不超过3cm，竖直段不超过1.5cm。
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