CN109510328B - 一种偏移自适应的可重构无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏移自适应的可重构无线电能传输系统，其特征在于，在双D发射线圈的线圈环间隙中对称地设置由磁通管构成的P线圈，当发射线圈和接收线圈发生位置偏移时，控制投切进的P线圈对数和P线圈位置，进行发射线圈和接收线圈互感的补偿。本发明在发射线圈和接收线圈发生位置偏移时，对互感值进行补偿，保证了输出电流的恒定，提高了发射线圈和接收线圈发生位置偏移时的能量传输效率，改善了发射线圈和接收线圈发生位置偏移时的电磁环境。

Description

一种偏移自适应的可重构无线电能传输系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术，特别涉及一种偏移自适应的可重构无线电能传输系统。

背景技术

为了节省传统能源并最大限度地减少环境污染的有害影响，各国推广了电动汽车(EVs)和插电式混合动力汽车(PHEVs)。然而，由于电池成本高、重量大、容量低，以及充电基础设施的限制，充电问题已成为限制电动汽车发展的瓶颈。无线充电技术可以解决传统充电所面临的充电基础设施局限和安全问题，并引起研究者的高度重视，逐渐成为电动汽车充电的主要模式。

磁耦合谐振式无线电能传输技术凭借着较高的能量传输效率，较远的传输距离，以及传输方向要求不严格等优势，成为电动汽车无线充电的主要方式。线圈结构是磁耦合谐振式无线电能传输技术的关键。由Budhia等人提出的双D线圈结构是目前应用在电动汽车无线充电的一种线圈结构，它具有较高的耦合系数和空载品质因数，更低的铝屏蔽损耗，以及更低漏磁通。但是，当发射线圈和接收线圈发生位置偏移时，线圈间的互感会降低，导致能量传输效率的降低，电磁环境也会有所恶化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种偏移自适应的可重构无线电能传输系统，提高了线圈发生位置偏移时的传输效率，改善了线圈发生位置偏移时的电磁环境。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种偏移自适应的可重构无线电能传输系统，在双D发射线圈的线圈环间隙中对称地设置由磁通管构成的P线圈，当发射线圈和接收线圈发生位置偏移时，控制投切进的P线圈对数和P线圈位置，进行发射线圈和接收线圈互感的补偿。

作为一种优选实施方式，投切的P线圈参数满足如下关系：

其中，L_pn和L_pn-分别为投入的第n对P线圈的左侧线圈和右侧线圈的自感，C_pn为第n对P线圈的补偿电容，ω为系统的工作角频率。

作为一种优选实施方式，进行互感补偿的具体方法为：

当发射线圈和接收线圈未发生偏移时，测量负载两端的电流，作为后续比较的原电流；

当发射线圈和接收线圈发生偏移时，增加投切进系统的P线圈的匝数，直至补偿后的负载电流和原电流的差值小于设定的阈值，再判断补偿后的负载电流与原电流的大小；

如果补偿后的负载电流大，则增大已投入P线圈距离原线圈中心位置的距离，直至负载电流减去原电流的差值小于设定的阈值，否则完成互感补偿。

作为一种更优选实施方式，从内向外增加投切进系统的线圈匝数。

本发明与现有线圈结构相比，其显著优点在于：本发明在发射线圈和接收线圈发生位置偏移时，对互感值进行补偿，保证了输出电流的恒定，提高了发射线圈和接收线圈发生位置偏移时的能量传输效率，改善了发射线圈和接收线圈发生位置偏移时的电磁环境。

附图说明

图1是构建本发明偏移自适应的可重构无线电能传输系统的流程图。

图2是本发明DDP线圈在空间的磁场图。

图3是本发明DDP线圈LCC补偿结构的拓补图。

图4是本发明无线电能传输系统结构图。

图5是本发明互感补偿策略的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。

本发明偏移自适应的可重构无线电能传输系统，在双D发射线圈的线圈环间隙中对称地设置由磁通管构成的P线圈，通过控制磁通管的通断控制投切进的线圈匝数。当发射线圈和接收线圈发生位置偏移时，控制投切进的P线圈对数和P线圈位置，进行发射线圈和接收线圈互感的补偿。

为了确定互感补偿策略，下面介绍相关理论推导过程。

根据毕奥萨伐尔定律计算可重构DDP线圈空间上方一点和侧面一点的磁场大小。由于矩形载流线圈可视为四段载流直导线，因此可以分段计算，再叠加，得到矩形载流线圈的空间磁场分布。

一段载流直导线在空间某点产生的磁场为：

其中，a为所求空间某点到载流直导线的垂直距离；θ₁是所求空间某点到电流流进端点的连线与电流流向之间的夹角；θ₂是所求空间某点到电流流出端点的连线与电流流向之间的夹角，方向与电流方向形成右手螺旋关系；μ₀是真空磁导率，I是载流直导线通入的电流。将原线圈视为n匝同心的四段载流直导线，利用公式(1)可以精确求解其空间磁场分布。

如图2所示：发射线圈和P线圈关于x轴对称。取发射线圈中间间隙的中心位置为坐标原点，垂直于纸面向外为x轴正方向，平行于水平边向右方向为y轴正方向，z轴垂直于线圈平面。设线圈AB边长2l₁，线圈BC边长2l₂，设原线圈匝数为n_D，匝间距为d_D，两个D型线圈间距为2d_DD，通入电流为I_D。给原线圈沿着x轴方向缠上n_P匝P线圈，沿着y轴正方向看去，左侧D线圈缠绕的第一匝P线圈到x轴距离为d，P线圈的匝间距为d_P，线圈ba边长2l₃，cb边长2l₄。

求场点坐标P(0,0,H)的磁场分布时，先计算左侧D线圈CB边通入电流后在P点产生的磁感应强度B_CB：

将(2)、(3)和(4)式代入(1)式可得：

将B_CB沿着x、y、z轴分别展开：

采用同样的方法可以求得原线圈和P线圈各边通电后在P点产生的磁场。原线圈匝数取6，P线圈匝数为n_p，整个DDP线圈在P点产生的磁场：

同理，在参数不变的情况下，求场点坐标Q(0,W,0)的磁场分布。

整个DDP线圈在Q点产生的磁场：

将已知的量代入公式(7)和(8)，可得整个DDP线圈在P点和Q点产生的磁场表达式。

根据LCC拓补结构的特点，确定电路的补偿拓补结构，研究磁场大小和互感的变化规律。

如图3所示，原线圈的LCC的拓补结构由LCL结构演变而来。L_T,C₁,L₁,C_T分别表示发射线圈的自感、发射线圈的并联谐振电容、发射线圈的附加谐振电感、发射线圈的隔直电容；L_R,C₂,L₂,C_R分别表示接收线圈的自感、接收线圈的并联谐振电容、接收线圈的附加谐振电感、接收线圈的隔直电容；

分别表示输入电压、输入电流、发射线圈上的电流、负载电流的向量形式。则LCC电路补偿拓补结构的谐振条件可以表示为：

左右两部分各列写基尔霍夫电压公式，可以求得负载流过的电流表达式为：

从上面的分析可以得出结论，采用LCC补偿结构时，负载电流与线圈之间的互感成正比。因此，只要保持电路结构不变以及使输入电压的稳定就能保持负载电流恒定同时两端的线圈的互感保持恒定。互感值M的大小与上文求得的P点磁场大小密切相关。可以通过系统仿真P点磁场大小变化的方法获得互感值M变化情况；也可以通过测量负载电流I进而看出互感值M变化，后一种方法可以用于实际操作中。

基于原线圈的LCC拓扑结构，基于DDP线圈LCC拓扑结构的无线电能传输系统如图4所示。保持电路参数不变，在发射线圈和发射线圈的隔直流电容器之间增加可重构P线圈的具体实现过程如下：关闭开关S₀相当于不给P线圈通电，电路结构依旧保持为LCC拓补；闭合开关S₁相当于将一匝P线圈投切到原线圈中，形成一匝P线圈的DDP线圈LCC拓补；依此类推，闭合开关S_n相当于将n匝P线圈投切到原线圈中，形成n匝P线圈的DDP线圈LCC拓补。只要保持投切进的P线圈电路参数满足如下关系：

DDP线圈的谐振条件可以保持不变，为式(9)，负载电流依旧如式(10)。其中L_pn和L_pn-为所投入的第n对P线圈的自感，C_pn为第n对P线圈的补偿电容，ω为系统的工作角频率。

通过上述理论分析，可以确定本发明互感补偿的策略为：

当发射线圈和接收线圈未发生偏移时，测量负载两端的电流I；

接收线圈偏移到任意位置(dx，dy)时，将发射线圈左右两侧的第一匝P线圈(从内向外)投切进系统，并测量此时的电流I₁；

如果I-I₁>0.01×I，两边再各增加一匝P线圈；如果满足|I-I₁|≤0.01×I，则再判断I和I₁的关系；

如果I₁-I>0.01×I，增大已投入P线圈距离原线圈中心位置的距离d，并测量此时负载的电流I₂；如果满足|I-I₂|≤0.01×I，结束整个过程，即互感补偿到原来发射线圈和接收线圈未偏移时的值，否则继续增大距离d的值，直到满足|I-I₂|≤0.01×I。

Claims (2)

1.一种偏移自适应的可重构无线电能传输系统，其特征在于，在双D发射线圈的线圈环间隙中对称地设置由磁通管构成的P线圈，当发射线圈和接收线圈发生位置偏移时，控制投切进的P线圈对数和P线圈位置，进行发射线圈和接收线圈互感的补偿；

投切的P线圈参数满足如下关系：

其中，L_pn和L_pn-分别为投入的第n对P线圈的左侧线圈和右侧线圈的自感，C_pn为第n对P线圈的补偿电容，ω为系统的工作角频率；

进行互感补偿的具体方法为：

当发射线圈和接收线圈未发生偏移时，测量负载两端的电流，作为后续比较的原电流；

当发射线圈和接收线圈发生偏移时，增加投切进系统的P线圈的匝数，直至补偿后的负载电流和原电流的差值小于设定的阈值，再判断补偿后的负载电流与原电流的大小；

如果补偿后的负载电流大，则增大已投入P线圈距离原线圈中心位置的距离，直至负载电流减去原电流的差值小于设定的阈值，否则完成互感补偿。

2.根据权利要求1所述的偏移自适应的可重构无线电能传输系统，其特征在于，从内向外增加投切进系统的线圈匝数。

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