CN110341507A - 一种应用于电动汽车动态无线充电的平行四边形分段导轨磁路机构及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于电动汽车动态无线充电的平行四边形分段导轨磁路机构及其设计方法，该磁路机构包括原边分段导轨机构和副边磁能拾取机构，每个原边分段导轨机构中都采用平行四边形线圈结构，将每段导轨分为运行域和切换域，并在切换域中加入三角形切换域线圈，相邻分段导轨的切换域采用对嵌式交叉过渡；副边磁能拾取机构采用矩形线圈结构通过对切换域平行四边形导轨角度和切换域与运行域的匝数比进行优化设计，有效提高了切换域的磁场平滑度，从而使电动汽车在在整个运行过程中的能量拾取更加稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种动态无线充电系统中可实现平滑切换的平行四边形分段导轨磁路机构，属于电动汽车动态无线充电领域。
背景技术
无线电能传输技术(Wireless Power Transfer，简称WPT)是一种借助于空间无形软介质(如磁场、电场、激光、微波等)实现电能由电源侧传输到负载侧的非导线接触的无线输电技术。该技术在规避了传统供电方式的机械磨损、接触不良、电火花等问题的同时，增加了充电时的安全性和可靠性。
目前电动汽车无线充电主要基于磁感应耦合电能传输技术(Inductive CoupledPower Transfer，ICPT)，该技术将电网提供的工频交流电经整流电路转换为所需的直流电，再经过DC-AC逆变电路在电动汽车无线充电系统的原边发射线圈中产生高频交流电，从而将电能转化为高频交变磁场，依靠法拉第电磁感应定律再由副边拾取线圈将高频磁场转化为电能供给负载使用，感应耦合电能传输方式相比其它无线电能传输方式具有传输效率高，功率大，成本低等优点。已经广泛应用于便携式移动设备、电动汽车、医疗、化工等多个场合。
电动汽车无线充电技术可以分为静态无线充电和动态无线充电，而动态无线充电又可以分为长导轨式、分段导轨式和线圈阵列式三种，本发明属于分段导轨式。目前国内外很多学者和研究机构已经针对分段导轨式磁路机构进行了大量的研究工作，其主要目的是通过改变磁路机构从而增大传输功率，提高传输效率，这是由于电动汽车在分段式导轨间进行切换运行时，系统互感存在一定程度的跌落，正如常见的单极性导轨磁路机构矩形供电导轨，当电动汽车在其无线充电系统中运行时，在车载电能拾取线圈离开当前矩形供电线圈且未到达切换点的过程中，互感M降落严重，并和电能拾取线圈进入下级供电导轨线圈部分的面积占电能拾取线圈总面积的比率近似成反比；导轨切换的操作发生在当车载电能拾取线圈的一半进入下级发射线圈的时候，此时互感M值达到最低，约为非切换时候的50％，极易造成充电波动，因此需要设计一套可平滑过渡的分段导轨式无线电能传输系统。
发明内容
发明目的：本发明的目的是实现分段导轨式电动汽车动态无线充电切换位置互感平滑切换，提出了一种应用于电动汽车动态无线充电的平行四边形分段导轨磁路机构及其设计方法，解决了在导轨切换域电压跌落严重的问题。
发明内容：为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种应用于电动汽车动态无线充电的平行四边形分段导轨磁路机构，包括：至少一个车载副边磁能拾取机构(103)和多个原边分段导轨机构(102)；车载副边磁能拾取机构(103)为矩形线圈；
每一个原边分段导轨机构(102)都为平行四边形线圈，且各原边分段导轨机构的大小形状均相同，平行四边形线圈的宽度W小于矩形线圈的宽度w，平行四边形线圈的长度L大于矩形线圈的长度l；每一个原边分段导轨机构的面积区域分为三个部分：两侧的直角三角形区域和中间的矩形区域，两个直角三角形区域分别为第一直角三角形区域和第二直角三角形区域；
所述多个原边分段导轨机构(102)在铺设时，各原边分段导轨机构(102)等间隔排布，所有原边分段导轨机构(102)的中心点位于同一水平线，前一个原边分段导轨机构(102)的第二直角三角形区域的斜边与后一个原边分段导轨机构(102)的第一直角三角形区域的斜边平行，且所述两条斜边之间的间距为d；每一个原边分段导轨机构(102)的矩形区域为运行域，而前一个原边分段导轨机构(102)的第二直角三角形区域和后一个原边分段导轨机构(102)的第一直角三角形区域及其之间的间隔区域共同组成切换域；每个原边分段导轨机构(102)中还包括两个三角形切换域线圈(101)，两个三角形切换域线圈(101)分别设置在第一切换域和第二切换域中，且所述三角形切换域线圈(101)的形状大小与相应切换域的内圈形状大小相适配。
进一步的，所述三角形切换域线圈(101)与其对应的原边分段导轨机构(102)是同一根利兹线绕制而成的整体；车载副边磁能拾取机构(103)是用一根利兹线绕制而成的整体；三角形切换域线圈(101)、原边分段导轨机构(102)和车载副边磁能拾取机构(103)的绕制方向一致。
进一步的，所述平行四边形线圈锐角内角的角度θ满足：0°＜θ＜90°。
本发明还提出一种所述应用于电动汽车动态无线充电的平行四边形分段导轨磁路机构的设计方法，包括步骤：
(1)设置原边分段导轨机构(102)的线圈宽度W、车载副边磁能拾取机构(103)距离原边分段导轨机构(102)的高度h；
(2)设置每一个切换域的长度为：Lp＝W/tanθ+d，设置运行域的长度为：Ls＝L-Lp+d；设置车辆通过切换域的允许时间t；
(3)在车载副边磁能拾取机构(103)通过原边分段导轨机构(102)的过程中，对切换域和运行域内的互感值进行采样，用切换域互感波动的标准差σ描述磁场平滑度：
其中，mi为互感的第i个取样值，函数g(x，ζ，θ)表示互感值与位置、匝比和角度之间的关系；P为在整个过渡过程中采样点的个数，μ为互感的平均值，ζ表示匝数比，ζ＝(N1+N2)/N1，N1为平行四边形线圈的匝数，N2为三角形切换域线圈(101)的匝数；
(4)根据求解的标准差σ的大小，寻找对应角度θ下的最优匝比ζ。
有益效果：本发明采用的平行四边形导轨(不含三角形切换域线圈)可以提升切换域磁场平滑度，减小电压的跌落程度；在此基础上，添加上三角形切换域线圈，可以继续提升切换域磁场平滑度，提高切换域的电压，切换域磁场平滑度与匝比ζ成正比，根据平行四边形导轨结构选取合适的匝比，可实现切换域电压的平稳过渡。
附图说明
图1为平行四边形分段导轨切换位置磁路机构模型图；
图2为平行四边形磁路机构参数设计流程图；
图3(a)为切换域与运行域匝数比大于1的平行四边形运行域线圈绕制方法示意图；
图3(b)为矩形能量拾取线圈绕制方法示意图；
图3(c)为切换域与运行域匝数比等于1的平行四边形运行域线圈绕制方法示意图；
图4(a)为切换域与运行域匝数比等于1的平行四边形运行域线圈绕制尺寸示意图；
图4(b)为切换域与运行域匝数比大于1的平行四边形运行域线圈绕制尺寸示意图；
图4(c)为矩形能量拾取线圈绕制尺寸示意图；
图5(a)为切换域与运行域匝数比等于1的平行四边形导轨安装示意图；
图5(b)为切换域与运行域匝数比大于1的平行四边形导轨安装示意图；
图6(a)为长方形导轨下磁路机构互感变化图；
图6(b)为30°切换域与运行域匝数比等于1的平行四边形导轨下磁路机构互感变化图；
图6(c)为长方形导轨下磁路机构耦合系数变化图；
图6(d)为30°切换域与运行域匝数比等于1的平行四边形导轨下磁路机构耦合系数变化图；
图7为长方形导轨与平行四边形导轨下切换过程输出电压对比图；
图8(a)为30°切换域与运行域匝数比大于1的平行四边形导轨不同匝比下磁路机构互感变化图；
图8(b)为30°切换域与运行域匝数比大于1的平行四边形导轨不同匝比下磁路机构耦合系数变化图；
图8(c)为30°切换域与运行域匝数比大于1的平行四边形导轨不同匝比下切换过程输出电压对比图。
具体实施方式
下面结合附图对电动汽车动态无线充电的平行四边形分段导轨磁路机构及其设计方法作进一步说明。
设计对象：平行四边形角度θ和切换域与运行域的匝数比ζ＝(N1+N2)/N1
设计依据：切换域与运行域的匝比ζ增大时，磁场平滑度会明显提升，但会增加线材的消耗，提高成本；平行四边形导轨角度θ减小时，切换域的磁场平滑度会提高，但同时也会增加平行四边形导轨的斜边长度，提高成本。当θ在(90°，45°)变化时，随着角度的减小，斜边的长度缓慢增大，磁场平滑度略微增加；当θ在(45°，0°)变化时，斜边的长度会随着角度的减小急剧增加，且磁场平滑度明显增加。
设计步骤：首先，根据导轨铺设场地和电动车的实际情况给定平行四边形导轨的角度θ。然后，使用聂以曼公式进行理论建模，求解导轨与拾取线圈的互感M。其中，N和n分别为原副边线圈的匝数，l1、l2表示原副边线圈中的任意两段导体，R表示两段导体的距离，μ0为真空磁导率，当未加入三角形切换域线圈时N2为0(其中，N＝N1+N2)。最后，加入三角形切换域线圈，以切换域互感波动的标准差σ为目标函数，匝比ζ为变量，原副边线圈的长、宽、线径等为已知参数，如表1所示：
表1
| 参数 | 数值 |
| L | 5m |
| W | 0.5m |
| r | 0.51mm |
| θ | pi/6 |
| N | 5匝 |
| l | 0.8m |
| w | 0.8m |
| n | 20匝 |
| h | 0.2m |
表1是实施案例中按照图4(a)(c)中所示的电动汽车分段导轨式无线电能传输系统中不含三角形切换域线圈的平行四边形导轨能量发射线圈和矩形能量拾取线圈的设计参数。
使用遗传算法求解出使标准差σ达到最小的最优匝比，如见表2所示，分段导轨磁路机构的设计完成。
表2
| 参数 | 数值 |
| L | 5m |
| W | 50cm |
| r | 0.51mm |
| θ | pi/6 |
| N<sub>1</sub> | 5匝 |
| N<sub>2</sub> | N<sub>1</sub>·ζ |
| l | 0.8m |
| w | 0.8m |
| n | 20匝 |
| ζ | 1.4 |
| h | 0.2m |
表2是实施案例中按照图4(b)(c)中所示的电动汽车分段导轨式无线电能传输系统中含三角形切换域线圈的平行四边形导轨能量发射线圈和矩形能量拾取线圈的设计参数。
实施例
如图1所示为平行四边形分段导轨切换域磁路机构模型图，101为三角形切换域线圈，102为平行四边形运行域线圈，103为矩形能量拾取线圈。则运行域的匝数为平行四边形运行域线圈102的匝数，切换域的匝数为平行四边形运行域线圈102的匝数与三角形切换域线圈101的匝数之和。按照图3(a)与图3(b)的线圈绕制方法分别绕制若干切换域与运行域匝数比大于1的平行四边形导轨与一个或多个矩形能量拾取线圈。也可不加入三角形切换域线圈101，按照图3(c)的线圈绕制方法分别绕制若干切换域与运行域匝数比等于1的平行四边形导轨。
将实施例中设计的矩形能量拾取线圈固定在电动汽车车身底部，将按照图4(a)(b)所设计的加入三角形切换域线圈和不加入三角形切换域线圈的平行四边形分段导轨分别按照图5(a)与图5(b)所示尺寸安装于路面上，分段导轨间隙的距离d由实际工程铺设安装的裕度需要确定，本实施例设定该距离为d＝10cm。副边磁能拾取机构距离平行四边形导轨的高度h由电动车底盘的高度和导轨埋入地下的深度决定，本实施例假定电动车地盘高度15cm，导轨埋入地下深度5cm，则h＝20cm。平行四边形导轨宽度W应小于电动车宽度，本实施例假定电动车宽度1.5m，则W＝0.5m。车辆通过切换域的允许时间t由车辆内部电能转换装置的参数决定，本实施例假定车内电池充电电压U的波动允许值为10％，稳压电容的电压在切换域内由U下降到0.9U的时间为t0，则t＝t0。通过研究能量拾取线圈在切换点前后1.5m之间运动时的磁路与电路特性，可以分别得到磁路机构的以下特性图，并结合图2所示的平行四边形磁路机构设计流程图，对平行四边形磁路机构进行以下设计：
按照图4(c)所示设计矩形能量拾取线圈绕制的以下关键参数：矩形拾取线圈的长度l、线圈宽度w、利兹线线径r、线圈的匝数n；按照图4(b)设计加入切换域三角形小线圈的平行四边形导轨能量发射线圈的以下关键参数：平行四边形运行域线圈的长度L、宽度W、利兹线线径r、平行四边形角度θ、平行四边形运行域线圈的匝数N1、三角形切换域线圈的匝数N2；若不加三角形切换域线圈，则N2＝0，可按照图4(a)所示设计不含三角形切换域线圈的平行四边形导轨能量发射线圈的以下关键参数：平行四边形导轨线圈的长度L、宽度W、利兹线线径r、平行四边形角度θ、平行四边形运行域线圈的匝数N1。
根据具体车辆的外形大小等参数，设计矩形拾取线圈的长度l、线圈宽度w以及矩形能量拾取线圈与导轨之间的垂直距离；根据导轨铺设场地的实际情况，设计平行四边形运行域线圈的长度L、宽度W；根据车辆在运行过程中的功率需要，设计平行四边形运行域线圈的匝数N1和矩形拾取线圈的匝数n；根据所选的利兹线材料，设计利兹线线径r；根据以上参数设计，切换域的长在两种设计中为Lp＝W/tanθ+d，运行域的长度为Ls＝L-Lp。
图6(a)为矩形导轨下磁路机构互感变化图，图6(b)为30°不含切换域线圈平行四边形导轨下磁路机构互感变化图。其中线圈1代表切换点前的分段导轨，线圈2代表切换点后的分段导轨，线圈3代表矩形能量拾取线圈，M13代表能量拾取线圈与切换点前的分段导轨的互感值，M23代表能量拾取线圈与切换点后的分段导轨的互感值；图6(c)为长方形导轨下磁路机构耦合系数变化图，图6(d)为30°不含三角形切换域线圈的平行四边形导轨下磁路机构耦合系数变化图。其中k13代表能量拾取线圈与切换点前的分段导轨的耦合系数，k23代表能量拾取线圈与切换点后的分段导轨的耦合系数。图7为长方形导轨与平行四边形导轨切换过程输出电压对比图，由以上图对比可知，随着平行四边形角度的减小，切换域变长、切换点处电压值抬升，在减小平行四边形角度，较少增加平行四边形斜边利兹线用量的情况下，可初步提高切换域磁场平滑度和切换点电压。同时，当θ为(90°，45°)时，随着角度的减小，成本会逐渐增大，但对切换域磁场平滑度改善效果较小；当θ为(45°，0°)时，成本会随着角度的减小急剧增加，但对切换域磁场平滑度改善效果较明显。当斜边的长度相对于90°增加一倍时候(即θ为30°时)，成本增加较少且磁场平滑度改善效果合适，本实施例中即按照此值对该参数设计。在实际应用中，应该综合考虑成本和预期抬升的电压效果，结合实际情况对角度θ进行设计和选择。
图8(a)为30°含三角形切换域线圈平行四边形导轨不同匝比下磁路机构互感变化图，图8(b)为30°含三角形切换域线圈平行四边形导轨不同匝比下磁路机构耦合系数变化图，由图7对比可知，在相同参数下的平行四边形导轨中加入三角形切换域线圈，可以较显著抬升切换点处的电压。
图8(c)为30°含三角形切换域线圈平行四边形导轨不同匝比ζ下切换过程输出电压对比图，由此图可知，增大切换域与运行域匝数比ζ，可以提高对抬升的电压效果，但同时会增加耗材提高成本，在实际中对匝比ζ进行设计时，应该综合考虑成本和抬升电压的效果。根据磁路仿真对比，当选取匝比为1.4，即当所加入的三角形切换域线圈匝数为2时，可以较好的实现电压的平稳过渡，本实施例中即按照此值对该参数设计。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种应用于电动汽车动态无线充电的平行四边形分段导轨磁路机构，其特征在于，包括：至少一个车载副边磁能拾取机构(103)和多个原边分段导轨机构(102)；车载副边磁能拾取机构(103)为矩形线圈；
每一个原边分段导轨机构(102)都为平行四边形线圈，且各原边分段导轨机构的大小形状均相同，平行四边形线圈的宽度W小于矩形线圈的宽度w，平行四边形线圈的长度L大于矩形线圈的长度l；每一个原边分段导轨机构的面积区域分为三个部分：两侧的直角三角形区域和中间的矩形区域，两个直角三角形区域分别为第一直角三角形区域和第二直角三角形区域；
所述多个原边分段导轨机构(102)在铺设时，各原边分段导轨机构(102)等间隔排布，所有原边分段导轨机构(102)的中心点位于同一水平线，前一个原边分段导轨机构(102)的第二直角三角形区域的斜边与后一个原边分段导轨机构(102)的第一直角三角形区域的斜边平行，且所述两条斜边之间的间距为d；每一个原边分段导轨机构(102)的矩形区域为运行域，而前一个原边分段导轨机构(102)的第二直角三角形区域和后一个原边分段导轨机构(102)的第一直角三角形区域及其之间的间隔区域共同组成切换域；每个原边分段导轨机构(102)中还包括两个三角形切换域线圈(101)，两个三角形切换域线圈(101)分别设置在第一切换域和第二切换域中，且所述三角形切换域线圈(101)的形状大小与相应切换域的内圈形状大小相适配。
2.根据权利要求1所述的一种应用于电动汽车动态无线充电的平行四边形分段导轨磁路机构，其特征在于，所述三角形切换域线圈(101)与其对应的原边分段导轨机构(102)是同一根利兹线绕制而成的整体；车载副边磁能拾取机构(103)是用一根利兹线绕制而成的整体；三角形切换域线圈(101)、原边分段导轨机构(102)和车载副边磁能拾取机构(103)的绕制方向一致。
3.根据权利要求2所述的一种应用于电动汽车动态无线充电的平行四边形分段导轨磁路机构，其特征在于，所述平行四边形线圈锐角内角的角度θ满足：0°＜θ＜90°。
4.一种如权利要求1至3任意一项所述的应用于电动汽车动态无线充电的平行四边形分段导轨磁路机构的设计方法，其特征在于，包括步骤：
(1)设置原边分段导轨机构(102)的线圈宽度W、车载副边磁能拾取机构(103)距离原边分段导轨机构(102)的高度h；
(2)设置每一个切换域的长度为：Lp＝W/tanθ+d，设置运行域的长度为：Ls＝L-Lp+d；设置车辆通过切换域的允许时间t；
(3)在车载副边磁能拾取机构(103)通过原边分段导轨机构(102)的过程中，对切换域和运行域内的互感值进行采样，用切换域互感波动的标准差σ描述磁场平滑度：
其中，mi为互感的第i个取样值，函数g(x，ζ，θ)表示互感值与位置、匝比和角度之间的关系；P为在整个过渡过程中采样点的个数，μ为互感的平均值，ζ表示匝数比，ζ＝(N1+N2)/N1，N1为平行四边形线圈的匝数，N2为三角形切换域线圈(101)的匝数；
(4)根据求解的标准差σ的大小，寻找对应角度θ下的最优匝比ζ。
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|---|---|---|---|---|
| CN111509866A (zh) * | 2020-03-31 | 2020-08-07 | 中国科学院电工研究所 | 一种发射线圈分段的多接收线圈轨道交通无接触供电装置 |
| CN113258689A (zh) * | 2021-06-09 | 2021-08-13 | 重庆前卫无线电能传输研究院有限公司 | 一种无线能量发射装置及多导轨无线能量传输系统 |
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| CN206283301U (zh) * | 2016-12-22 | 2017-06-27 | 武汉大学 | 基于交叠四发射线圈的电缆隧道巡检机器人无线充电系统 |
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2019
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