CN110386008A - 一种基于双发射-双拾取模式的电动汽车无线充电方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双发射‑双拾取模式的电动汽车无线充电方法及系统，其中方法：将直流电压输入两个逆变电路；第一逆变电路的输出端通过第一原边谐振电路将高频交流电加载到第一原边发射线圈，产生高频磁场；通过第一副边拾取线圈感应高频磁场后产生电能，将电能通过第一副边谐振电路和第一整流滤波电路输入第一升降压式变换器；第二逆变电路的输出端通过第二原边谐振电路将高频交流电加载到第二原边发射线圈，产生高频磁场；通过第二副边拾取线圈感应高频磁场后产生电能，将电能通过第二副边谐振电路和第二整流滤波电路输入第二升降压式变换器；两个升降压式变换器将电能转换为负载用电能，并将负载用电能输出至串接的负载。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车无线充电技术领域，更具体地，涉及一种基于双发射-双拾取模式的电动汽车无线充电方法及系统。
背景技术
目前，电动汽车的研发得到了世界各主要工业国的重视及全球各大汽车制造厂商的关注，电动汽车已经成为现代汽车领域的重大发展方向之一。电动汽车主要有两种充电方式：插拔式的有线供电和无线供电。相比于插拔式有线供电存在的充电安全性与灵活性较差、户外有线充电桩易受到侵害不足等问题，电动汽车无线充电技术消除了充电设备和电动汽车间的线缆连接，在使用上便捷、安全，不存在机械磨损、积尘和接触损耗等维护问题，可适应多种恶劣环境和天气，具有安全、灵活、高效等优点，因而成为电动汽车领域的一个重要研究课题。
无线电能传输技术(Wireless Power Transfer，简称WPT)最早诞生于十九世纪的美国。它是一种借助空间无形软介质(如磁场、电场、激光、微波等)，实现电能由源设备传递至受电设备的全新电能接入模式。现有技术技术实现供、受电设备之间电气隔离，因此从根本上杜绝了传统有线供电模式带来的器件磨损、接触不良、接触火花等问题，是一种洁净、安全、灵活的新型供电模式，被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一。
纵观现有电动汽车无线充电系统研究及其行业发展，电动汽车无线充电系统的磁耦合机构以单发射-单接收线圈形式居多，但通常因为该模式下线圈功率传输能力有限存在输出功率低的问题，不适用于较大功率的电能传输应用。如果提高输出功率等级会给电力电子器件如逆变器或开关管带来过高的电压电流应力，降低设备的寿命；一些多线圈工作模式虽然可以提高系统的输出功率，但相同类型的两个线圈之间存在交叉耦合，增加系统分析复杂度，需要其他措施或设备来消除多线圈间的交叉耦合。
因此，需要一种技术和方法，以实现基于双发射-双拾取模式的电动汽车无线充电技术。
发明内容
本发明技术方案提供一种基于双发射-双拾取模式的电动汽车无线充电方法及系统，以解决如何基于双发射-双拾取模式对电动汽车进行无线充电的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于双发射-双拾取模式的电动汽车无线充电方法，所述方法包括：
通过直流电源输出直流电压，将所述直流电压输入第一逆变电路和第二逆变电路；
通过所述第一逆变电路和所述第二逆变电路将接收的所述直流电压逆变成为高频交流电；
所述第一逆变电路的输出端通过第一原边谐振电路将所述高频交流电加载到第一原边发射线圈，通过所述第一原边发射线圈产生高频磁场；通过第一副边拾取线圈感应所述高频磁场后产生电能，所述第一副边拾取线圈将所述电能依次通过第一副边谐振电路和第一整流滤波电路输入第一升降压式变换器；
所述第二逆变电路的输出端通过第二原边谐振电路将所述高频交流电加载到第二原边发射线圈，通过所述第二原边发射线圈产生高频磁场；通过第二副边拾取线圈感应所述高频磁场后产生电能，所述第二副边拾取线圈将所述电能依次通过第二副边谐振电路和第二整流滤波电路输入第二升降压式变换器；
所述第一升降压式变换器和所述第二升降压式变换器将所述电能转换为负载用电能，并将所述负载用电能输出至串接的负载。
优选地，所述第一逆变电路和所述第二逆变电路结构和参数相同，所述第一逆变电路和所述第二逆变电路分别包括：四个全控型开关管及其反关联二极管。
优选地，所述第一原边发射线圈和所述第一副边拾取线圈的空间位置相互平行，所述第一原边发射线圈和所述第一副边拾取线圈均包括：两个结构和参数完全相同的矩形线圈；
所述第二原边发射线圈和所述第二副边拾取线圈的空间位置相互平行，所述第二原边发射线圈和所述第二副边拾取线圈均包括：两个结构和参数完全相同的DD线圈；
所述第一原边发射线圈、所述第一副边拾取线圈、所述第二原边发射线圈、所述第二副边拾取线圈的所述矩形线圈和所述DD线圈通过利兹线绕制而成；所述矩形线圈和所述DD线圈空间上紧贴叠放；所述磁芯层包括一组铁氧体条。
优选地，所述第一原边发射线圈、所述第一副边拾取线圈、所述第二原边发射线圈、所述第二副边拾取线圈的所述矩形线圈和所述DD线圈的线径相等；
所述第一原边发射线圈、所述第一副边拾取线圈、所述第二原边发射线圈、所述第二副边拾取线圈的所述矩形线圈和所述DD线圈的外径相等。
优选地，所述铁氧体条为长方体，所述铁氧体条的长边方向与所述DD线圈的磁通方向相同，所述铁氧体条的长度等于所述DD线圈的磁通方向同向的外径长度。
基于本发明的另一方面，提供一种基于双发射-双拾取模式的电动汽车无线充电系统，所述系统包括：直流电源、第一逆变电路、第一原边谐振电路、第一原边发射线圈、第一副边拾取线圈、第一副边谐振电路、第一整流滤波电路、第一升降压式变换器、第二逆变电路、第二原边谐振电路、第二原边发射线圈、第二副边拾取线圈、第二副边谐振电路、第二整流滤波电路、第二升降压式变换器和负载；
直流电源，用于通过直流电源输出直流电压，将所述直流电压输入第一逆变电路和第二逆变电路；
通过所述第一逆变电路和所述第二逆变电路将接收的所述直流电压逆变成为高频交流电；
所述第一逆变电路的输出端通过第一原边谐振电路将所述高频交流电加载到第一原边发射线圈，通过所述第一原边发射线圈产生高频磁场；通过第一副边拾取线圈感应所述高频磁场后产生电能，所述第一副边拾取线圈将所述电能依次通过第一副边谐振电路和第一整流滤波电路输入第一升降压式变换器；
所述第二逆变电路的输出端通过第二原边谐振电路将所述高频交流电加载到第二原边发射线圈，通过所述第二原边发射线圈产生高频磁场；通过第二副边拾取线圈感应所述高频磁场后产生电能，所述第二副边拾取线圈将所述电能依次通过第二副边谐振电路和第二整流滤波电路输入第二升降压式变换器；
所述第一升降压式变换器和所述第二升降压式变换器将所述电能转换为负载用电能，并将所述负载用电能输出至串接的负载。
优选地，所述第一逆变电路和所述第二逆变电路结构和参数相同，所述第一逆变电路和所述第二逆变电路分别包括：四个全控型开关管及其反关联二极管。
优选地，所述第一原边发射线圈和所述第一副边拾取线圈的空间位置相互平行，所述第一原边发射线圈和所述第一副边拾取线圈均包括：两个结构和参数完全相同的矩形线圈；
所述第二原边发射线圈和所述第二副边拾取线圈的空间位置相互平行，所述第二原边发射线圈和所述第二副边拾取线圈均包括：两个结构和参数完全相同的DD线圈和磁芯层；
所述第一原边发射线圈、所述第一副边拾取线圈、所述第二原边发射线圈、所述第二副边拾取线圈的所述矩形线圈和所述DD线圈通过利兹线绕制而成；所述矩形线圈和所述DD线圈空间上紧贴叠放；所述磁芯层包括一组铁氧体条。
优选地，所述第一原边发射线圈、所述第一副边拾取线圈、所述第二原边发射线圈、所述第二副边拾取线圈的所述矩形线圈和所述DD线圈的线径相等；
所述第一原边发射线圈、所述第一副边拾取线圈、所述第二原边发射线圈、所述第二副边拾取线圈的所述矩形线圈和所述DD线圈的外径相等。
优选地，所述铁氧体条为长方体，所述铁氧体条的长边方向与所述DD线圈的磁通方向相同，所述铁氧体条的长度等于所述DD线圈的磁通方向同向的外径长度。
本发明技术方案提供一种基于双发射-双拾取模式的电动汽车无线充电方法，方法包括：通过直流电源输出直流电压，将直流电压输入第一逆变电路和第二逆变电路；通过第一逆变电路和第二逆变电路将接收的直流电压逆变成为高频交流电；第一逆变电路的输出端通过第一原边谐振电路将高频交流电加载到第一原边发射线圈，
通过第一原边发射线圈产生高频磁场；通过第一副边拾取线圈感应高频磁场后产生电能，第一副边拾取线圈将电能依次通过第一副边谐振电路和第一整流滤波电路输入第一升降压式变换器；第二逆变电路的输出端通过第二原边谐振电路将高频交流电加载到第二原边发射线圈，通过第二原边发射线圈产生高频磁场；通过第二副边拾取线圈感应高频磁场后产生电能，第二副边拾取线圈将电能依次通过第二副边谐振电路和第二整流滤波电路输入第二升降压式变换器；第一升降压式变换器和第二升降压式变换器将电能转换为负载用电能，并将负载用电能输出至串接的负载。本发明技术方案的目的在于提高输出功率等级，避免器件承受过高的电压电流应力，避免交叉耦合的分析，因此选择了双发射双拾取的模式，并给出了该模式在系统中的设计与应用方法。本发明技术方案通过使用一种双发射-双拾取线圈磁耦合机构提高系统输出功率，同时在不使用其他方法或设备、元件的基础上减少交叉耦合对于系统的影响，减少系统设计复杂度，有利于工程应用，并且合理的减小了开关器件的电压电流应力，较单发射-单拾取结构相比，其他条件一定下，输出相同功率的磁耦合机构，双发射-双拾取结构下的线圈面积更小，有利于汽车底盘的安装。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为本发明优选实施方式的一种基于双发射-双拾取模式的电动汽车无线充电方法流程图；
图2为本发明优选实施方式的一种基于双发射-双拾取模式的电动汽车无线充电方法流程图；
图3为本发明优选实施方式的一种基于双发射-双拾取模式的电动汽车无线充电系统结构图；以及
图4为本发明优选实施方式的原副边线圈间互感与横向偏移距离关系示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为本发明优选实施方式的一种基于双发射-双拾取模式的电动汽车无线充电方法流程图。如图1所示，一种基于双发射-双拾取模式的电动汽车无线充电方法，方法包括：
优选地，在步骤101：通过直流电源输出直流电压，将直流电压输入第一逆变电路和第二逆变电路；
优选地，在步骤102：通过第一逆变电路和第二逆变电路将接收的直流电压逆变成为高频交流电；优选地，第一逆变电路和第二逆变电路结构和参数相同，第一逆变电路和第二逆变电路分别包括：四个全控型开关管及其反关联二极管。
优选地，在步骤103：第一逆变电路的输出端通过第一原边谐振电路将高频交流电加载到第一原边发射线圈，通过第一原边发射线圈产生高频磁场；通过第一副边拾取线圈感应高频磁场后产生电能，第一副边拾取线圈将电能依次通过第一副边谐振电路和第一整流滤波电路输入第一升降压式变换器；
优选地，在步骤104：第二逆变电路的输出端通过第二原边谐振电路将高频交流电加载到第二原边发射线圈，通过第二原边发射线圈产生高频磁场；通过第二副边拾取线圈感应高频磁场后产生电能，第二副边拾取线圈将电能依次通过第二副边谐振电路和第二整流滤波电路输入第二升降压式变换器；
优选地，在步骤105：第一升降压式变换器和第二升降压式变换器将电能转换为负载用电能，并将负载用电能输出至串接的负载。
优选地，第一原边发射线圈和第一副边拾取线圈的空间位置相互平行，第一原边发射线圈和第一副边拾取线圈均包括：两个结构和参数完全相同的矩形线圈；
第二原边发射线圈和第二副边拾取线圈的空间位置相互平行，第二原边发射线圈和第二副边拾取线圈均包括：两个结构和参数完全相同的DD线圈；
第一原边发射线圈、第一副边拾取线圈、第二原边发射线圈、第二副边拾取线圈的矩形线圈和DD线圈通过利兹线绕制而成；矩形线圈和DD线圈空间上紧贴叠放；磁芯层包括一组铁氧体条。
优选地，第一原边发射线圈、第一副边拾取线圈、第二原边发射线圈、第二副边拾取线圈的矩形线圈和DD线圈的线径相等；
第一原边发射线圈、第一副边拾取线圈、第二原边发射线圈、第二副边拾取线圈的矩形线圈和DD线圈的外径相等。
优选地，铁氧体条为长方体，铁氧体条的长边方向与DD线圈的磁通方向相同，铁氧体条的长度等于DD线圈的磁通方向同向的外径长度。
本申请提供的一种双发射-双拾取模式下的电动汽车无线充电方法，包括步骤：
步骤一：确定系统的输出功率等级、原副边线圈间的气隙高度以及双发射线圈和双拾取线圈各自的尺寸设计范围；
步骤二：设计系统电路结构。
本申请电路结构的设计包括直流电压源Edc、两个逆变电路、双发射-双拾取线圈、两个原边谐振网络、两个副边谐振网络、两个整流滤波电路、两个升降压式Buck-Boost变换器及一个负载等效电阻RL；
两个逆变电路包括结构参数完全相同的逆变电路1和逆变电路2，两逆变电路均由四个全控型开关管及其反并联二极管组成；
双发射-双拾取线圈的两个原边电能发射线圈的自感分别为Lp1和Lp2，两副边线圈的自感分别为Ls1和Ls2，Lp1和Ls1间的互感为M1，Lp2和Ls2间的互感为M2，且原边发射线圈1和副边拾取线圈1结构完全相同，原边发射线圈2和副边拾取线圈2结构完全相同；
原边谐振网络1由电感L11、原边补偿电容Cp1和原边线圈1的电感Lp1组成，原边谐振网络2由电感L2、原边补偿电容Cp2和原边线圈2的Lp2组成；副边谐振网络1由副边线圈1的自感Ls1和副边补偿电容Cs1组成，副边谐振网络2由副边线圈2的自感Ls2和副边补偿电容Cs2组成；
两个整流滤波电路包括结构和参数均相同的整流滤波电路1和整流滤波电路2；
两个Buck-Boost变换器包括Buck-Boost-1和Buck-Boost-2，Buck-Boost-1包括一个开关管S1，电感L1和电容C1，Buck-Boost-2包括一个开关管S2，电感L2和电容C2。
本申请同一个电源Edc供给直流电压，经过原边的两个逆变电路1和2逆变成为高频交流电，两逆变电路的输出端分别通过原边谐振电路1和2加载到两个原边发射线圈上，产生高频磁场，副边两拾取线圈感应并产生电能，其输出端分别通过两个副边谐振电路1和2、两个整流电路1和2，分别与Buck-Boost-1和Buck-Boost-2连接，且Buck-Boost-1和Buck-Boost-2串联输出为同一负载RL供电。其中，原副边谐振电路用以补偿无功功率，两个Buck-Boost变换器用以对整流输出的电能作升降压变换从而成为负载可用的电能。
步骤三：在忽略线圈间交叉耦合的条件下，基于系统电路，求解系统输出功率表达式Pout，并确定两线圈间期望互感M10和M20。
(1)基于KVL定理，结合系统电路，Buck-Boost-1和Buck-Boost-2两变换器输出电压UoX表达式可表示为：
其中，X＝1或2，即电能传输通道1和电能传输通道2上的器件标识；ω表示系统工作角频率，MX表示通道X上原副边线圈的互感，IpX表示通道X上的原边线圈电流有效值，DX表示通道X上的Buck-Boost-X变换器的开关管占空比。
(2)基于UoX表达式，结合系统电路结构，求解Buck-Boost-X变换器前级等效电阻RX表达式为：
(3)基于UoX表达式和RX表达式，系统总输出功率表达式Pout可表示为：
当双发射线圈上的原边电流Ip1和Ip2相等时，输出功率可进一步表示为：
(4)为了便于系统启动，两变换器设置初始占空比D10和D20均为0.5；为避免偏移时两种线圈互感跌落幅度偏差过大，配置M10＝M20，在选取合适的原边电流Ip后，可以得到M10和M20的数值；
步骤四：设计双发射双拾取线圈磁耦合机构。
双发射-双拾取线圈磁耦合机构的设计包括原边电能发射部分和副边电能拾取部分的设计。
原边电能发射部分和副边能量拾取部分空间位置相互平行，结构相同；原边能量发射部分和副边能量拾取部分均为三层结构，由上至下地，具体为矩形线圈、DD线圈和磁芯层，且矩形线圈和DD线圈均由利兹线绕制而成，磁芯层是由结构尺寸相同的一组铁氧体条组成的排状结构；矩形线圈和DD线圈空间上紧贴叠放，原边的矩形和DD线圈和副边的矩形和DD线圈分别对应构成双发射双拾取线圈；DD线圈也被称为“8字形”线圈，因为“8”旋转90°就是DD。“8”或“DD”的来源都是因为它的形状酷似“8”或两个并列的“D”字。
其中，基于电磁耦合原理可知，双发射-双拾取线圈磁耦合机构只有原边矩形和副边矩形线圈、原边DD和副边DD线圈存在有效耦合；原边矩形和原边DD线圈间的耦合以及副边矩形和副边DD线圈间的耦合系数低，故忽略其对系统影响；原边矩形和副边DD线圈间的耦合以及原边矩形和副边DD线圈间的耦合系数低，故忽略其对系统影响，因此只考虑原边DD和副边DD线圈间互感MDD和原边矩形和副边矩形线圈间互感Mrec，满足电路分析的假设。
双发射-双拾取线圈磁耦合机构具体设计流程为：
(1)基于原边电流大小Ip选择矩形和DD线圈的线径，且两种线圈的线径相等；
(2)控制矩形和DD线圈的外径相同，结合线圈尺寸范围确定初始线圈尺寸；
(3)基于线圈外径配置铁氧体磁芯，其形状为长方体，其长边方向与DD线圈的磁通方向同向，大小等于与DD线圈的磁通方向同向的外径长度，宽度和厚度以及个数的设计不具有唯一性；
(4)控制改变矩形和DD线圈的匝数以达到期望互感；
(5)若控制匝数无法达到期望互感，则扩大线圈尺寸，自(3)重新配置设计。
本申请提供的一种双发射-双拾取模式下的电动汽车无线充电方法，使用的一种双发射-双拾取线圈磁耦合机构能够有效提高系统输出功率，同时在不使用其他方法或设备、元件的基础上避免了交叉耦合对于系统的影响，减少系统设计复杂度，有利于工程应用，并且合理的减小了开关器件的电压电流应力，较单发射-单拾取结构相比，其他条件一定下，输出相同功率的磁耦合机构，双发射-双拾取结构下的线圈面积更小，有利于汽车底盘的安装。
图2为本发明优选实施方式的一种基于双发射-双拾取模式的电动汽车无线充电方法流程图。如图2所示，本申请实施方式的流程分析如下：
步骤一：确定系统的输出功率等级、原副边线圈间的气隙高度以及原副边线圈的尺寸范围。
本案例首先给出指标：依据SAE J2954 2016版条例，设计输出功率6.6kW，输出电压350V的BEV充电，气隙高度为200mm。根据200mm气隙高度电动汽车底盘尺寸，为了减少副边线圈所占面积，便于电动汽车安装与运行，设计原边电能发射线圈的外径尺寸范围不超过500mm*500mm。
步骤二：设计系统电路结构。
为了便于描述系统电路结构，基于图3对系统结构进行重述。
本申请的系统电路结构的设计包括大小为Edc的直流电压源1、两个逆变电路2和3、两个原边谐振网络4和5、双发射双拾取线圈6、两个副边谐振网络7和8、两个整流滤波电路9和10、两个Buck-Boost变换器11和12及等效电阻为RL的负载14；
本申请的两个逆变电路包括结构参数完全相同的逆变电路1和逆变电路2，两逆变电路均由四个全控型开关管及其反并联二极管组成；
本申请的双发射-双拾取线圈的两个原边电能发射线圈的自感分别为Lp1和Lp2，两副边线圈的自感分别为Ls1和Ls2，Lp1和Ls1间的互感为M1，Lp2和Ls2间的互感为M2，且原边发射线圈1和副边拾取线圈1结构完全相同，原边发射线圈2和副边拾取线圈2结构完全相同；
本申请的原边谐振网络1由电感L11、原边补偿电容Cp1和原边线圈1的电感Lp1组成，原边谐振网络2由电感L2、原边补偿电容Cp2和原边线圈2的Lp2组成；副边谐振网络1由副边线圈1的自感Ls1和副边补偿电容Cs1组成，副边谐振网络2由副边线圈2的自感Ls2和副边补偿电容Cs2组成；
两个整流滤波电路包括结构和参数均相同的整流滤波电路1和整流滤波电路2；
两个Buck-Boost变换器包括Buck-Boost-1和Buck-Boost-2，Buck-Boost-1包括一个开关管S1，电感L1和电容C1，Buck-Boost-2包括一个开关管S2，电感L2和电容C2。
本申请的工作原理为：由同一个电源Edc供给直流电压，经过原边的两个逆变电路1和2逆变成为高频交流电，两逆变电路的输出端分别通过原边谐振电路1和2加载到两个原边发射线圈上，产生高频磁场，副边两拾取线圈感应并产生电能，其输出端分别通过两个副边谐振电路1和2、两个整流电路1和2，分别与Buck-Boost-1和Buck-Boost-2连接，且Buck-Boost-1和Buck-Boost-2串联输出为同一负载RL供电。其中，原副边谐振电路用以补偿无功功率，两个Buck-Boost变换器用以对整流输出的电能作升降压变换从而成为负载可用的电能。
步骤三：在忽略线圈间交叉耦合的条件下，基于系统电路，求解系统输出功率表达式Pout，并确定两线圈间期望互感M10和M20。
(1)基于KVL定理，结合系统电路，Buck-Boost-1和Buck-Boost-2两变换器输出电压UoX表达式可表示为：
其中，X＝1或2，即电能传输通道1和电能传输通道2上的器件标识；ω表示系统工作角频率，MX表示通道X上原副边线圈的互感，IpX表示通道X上的原边线圈电流有效值，DX表示通道X上的Buck-Boost-X变换器的开关管占空比。
(2)基于UoX表达式，结合系统电路结构，求解Buck-Boost-X变换器前级等效电阻RX表达式为：
(3)基于UoX表达式和RX表达式，系统总输出功率表达式Pout可表示为：
当双发射线圈上的原边电流Ip1和Ip2相等时，输出功率可进一步表示为：
(4)为了便于系统启动，两变换器设置初始占空比D10和D20均为0.5；为避免偏移时两种线圈互感跌落幅度偏差过大，配置M10＝M20，考虑到输出功率为6.6kW，当原边电流Ip取值为7.3A RMS时，两线圈的互感可以设计为40μH，此时输出功率为6.6kW，可知满足指标；
而单发射-单拾取线圈结构的输出功率表达式则为：
当D取0.5时，可知相同原边电流Ip和谐振角频率ω、负载RL条件下，两种结构输出功率比值为：
可见，单发射-单拾取线圈结构的原副边线圈若与双发射双拾取结构的原副边线圈面积相同，互感应与双发射双拾取结构的每个线圈互感相同，即输出功率为双发射双拾取结构下的0.25倍；若达到相同的输出功率，则互感的提升意味着线圈体积、面积的增大，并不利于电动汽车的底盘安装。
步骤四：设计双发射双拾取线圈磁耦合机构。
设置原边电能发射部分和副边能量拾取部分空间位置相互平行，结构相同；原边能量发射部分和副边能量拾取部分均为三层结构，由上至下地，具体为矩形线圈、DD线圈和磁芯层，且矩形线圈和DD线圈均由利兹线绕制而成，磁芯层是由结构尺寸相同的一组铁氧体条组成的排状结构；矩形线圈和DD线圈空间上紧贴叠放，构成原边的双发射线圈和副边的双拾取线圈；
(1)根据两线圈间的互感以及原边电流有效值，令矩形和DD线圈的线径为4mm；
(2)为了便于设计，令原副边结构和参数相同；为了使得抗偏移性能具有对称性，设置长和宽相同，即线圈结构为方形线圈+DD线圈，并设置初始线圈尺寸为420mm*420mm；
其中，基于电磁耦合原理，双发射-双拾取线圈磁耦合机构只有原边方形和副边方形线圈、原边DD和副边DD线圈存在有效耦合；原边方形和原边DD线圈间的耦合以及副边方形和副边DD线圈间的耦合系数低，故忽略其对系统影响；原边方形和副边DD线圈间的耦合以及原边方形和副边DD线圈间的耦合系数低，故忽略其对系统影响，因此只考虑原边DD和副边DD线圈间互感MDD和原边方形和副边方形线圈间互感Msqu。
(3)当线圈的尺寸为420*420*4mm时，配置磁芯，正对耦合时，由MAXWELL软件仿真可得如下参数：
表1磁耦合机构参数
电动汽车的横向偏移范围一般为0-200mm，因此在该偏移范围内对磁耦合机构进行分析，得到互感随横向偏移距离间关系如图4所示。
由图4可知，Mtr_squ-re_DD和Mtr_DD-re_squ分别表示原边方形线圈和副边DD线圈间的互感以及原边DD线圈和副边方形线圈间的互感，且两值基本为0，因此不对系统产生影响；Mtr_squ-tr_DD表示原边矩形和原边DD线圈间的互感，Mre_DD-re_squ表示副边矩形和副边DD线圈间的互感，两组互感均低于0.7μH，因此也可以被忽略，验证了电路理论分析的假设，实现了线圈间的解耦。Mtr_squ-re_squ表示原边矩形线圈和副边矩形线圈间的互感,Mtr_DD-tr_squ表示原边DD线圈和副边DD线圈间的互感，且两组互感是双发射双拾取模式下的有效互感。
图3为本发明优选实施方式的一种基于双发射-双拾取模式的电动汽车无线充电系统结构图。如图3所示，本申请的系统电路结构的设计包括大小为Edc的直流电压源1、第一逆变电路2和第二逆变电路3、第一原边谐振电路4和第二原边谐振电路5、双发射双拾取线圈6(双发射双拾取线圈6包括两对单发射单拾取线圈，在图3中，两个发射线圈分别记为Lp1和Lp2，两个拾取线圈分别记为Ls1和Ls2。Lp1和Ls1作为第一路通道的第一原边发射线圈和第一副边拾取线圈；Lp2和Ls2作为第二路通道的第二原边发射线圈和第二副边拾取线圈)、第一副边谐振网络7和第二副边谐振网络8、第一整流滤波电路9和第二整流滤波电路10、第一升降压式变换器Buck-Boost11和第一升降压式变换器Buck-Boost12及等效电阻为RL的负载14。
本申请提供的一种基于双发射-双拾取模式的电动汽车无线充电系统，系统包括：直流电源1、第一逆变电路2、第一原边谐振电路、第一原边发射线圈、第一副边拾取线圈、第一副边谐振电路、第一整流滤波电路、第一升降压式变换器、第二逆变电路、第二原边谐振电路、第二原边发射线圈、第二副边拾取线圈、第二副边谐振电路、第二整流滤波电路、第二升降压式变换器和负载；
直流电源，用于通过直流电源输出直流电压，将直流电压输入第一逆变电路和第二逆变电路；
通过第一逆变电路和第二逆变电路将接收的直流电压逆变成为高频交流电；
第一逆变电路的输出端通过第一原边谐振电路将高频交流电加载到第一原边发射线圈，通过第一原边发射线圈产生高频磁场；通过第一副边拾取线圈感应高频磁场后产生电能，第一副边拾取线圈将电能依次通过第一副边谐振电路和第一整流滤波电路输入第一升降压式变换器；
第二逆变电路的输出端通过第二原边谐振电路将高频交流电加载到第二原边发射线圈，通过第二原边发射线圈产生高频磁场；通过第二副边拾取线圈感应高频磁场后产生电能，第二副边拾取线圈将电能依次通过第二副边谐振电路和第二整流滤波电路输入第二升降压式变换器；
第一升降压式变换器和第二升降压式变换器将电能转换为负载用电能，并将负载用电能输出至串接的负载。
优选地，第一逆变电路和第二逆变电路结构和参数相同，第一逆变电路和第二逆变电路分别包括：四个全控型开关管及其反关联二极管。
优选地，第一原边发射线圈和第一副边拾取线圈的空间位置相互平行，第一原边发射线圈和第一副边拾取线圈均包括：两个结构和参数完全相同的矩形线圈；
第二原边发射线圈和第二副边拾取线圈的空间位置相互平行，第二原边发射线圈和第二副边拾取线圈均包括：两个结构和参数完全相同的DD线圈；
第一原边发射线圈、第一副边拾取线圈、第二原边发射线圈、第二副边拾取线圈的矩形线圈和DD线圈通过利兹线绕制而成；矩形线圈和DD线圈空间上紧贴叠放；磁芯层包括一组铁氧体条。
优选地，第一原边发射线圈、第一副边拾取线圈、第二原边发射线圈、第二副边拾取线圈的矩形线圈和DD线圈的线径相等；
第一原边发射线圈、第一副边拾取线圈、第二原边发射线圈、第二副边拾取线圈的矩形线圈和DD线圈的外径相等。
优选地，铁氧体条为长方体，铁氧体条的长边方向与DD线圈的磁通方向相同，铁氧体条的长度等于DD线圈的磁通方向同向的外径长度。
本发明优选实施方式的一种基于双发射-双拾取模式的电动汽车无线充电系统与本发明另一优选实施方式的一种基于双发射-双拾取模式的电动汽车无线充电方法相对应，在此不再进行赘述。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个//该[装置、组件等]”都被开放地解释为装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
Claims (10)
1.一种基于双发射-双拾取模式的电动汽车无线充电方法，所述方法包括：
通过直流电源输出直流电压，将所述直流电压输入第一逆变电路和第二逆变电路；
通过所述第一逆变电路和所述第二逆变电路将接收的所述直流电压逆变成为高频交流电；
所述第一逆变电路的输出端通过第一原边谐振电路将所述高频交流电加载到第一原边发射线圈，通过所述第一原边发射线圈产生高频磁场；通过第一副边拾取线圈感应所述高频磁场后产生电能，所述第一副边拾取线圈将所述电能依次通过第一副边谐振电路和第一整流滤波电路输入第一升降压式变换器；
所述第二逆变电路的输出端通过第二原边谐振电路将所述高频交流电加载到第二原边发射线圈，通过所述第二原边发射线圈产生高频磁场；通过第二副边拾取线圈感应所述高频磁场后产生电能，所述第二副边拾取线圈将所述电能依次通过第二副边谐振电路和第二整流滤波电路输入第二升降压式变换器；
所述第一升降压式变换器和所述第二升降压式变换器将所述电能转换为负载用电能，并将所述负载用电能输出至串接的负载。
2.根据权利要求1所述的方法，所述第一逆变电路和所述第二逆变电路结构和参数相同，所述第一逆变电路和所述第二逆变电路分别包括：四个全控型开关管及其反关联二极管。
3.根据权利要求1所述的方法，所述第一原边发射线圈和所述第一副边拾取线圈的空间位置相互平行，所述第一原边发射线圈和所述第一副边拾取线圈均包括：两个结构参数完全相同的矩形线圈；
所述第二原边发射线圈和所述第二副边拾取线圈的空间位置相互平行，所述第二原边发射线圈和所述第二副边拾取线圈均包括：两个结构参数完全相同的DD线圈；
所述第一原边发射线圈、所述第一副边拾取线圈、所述第二原边发射线圈、所述第二副边拾取线圈的所述矩形线圈和DD线圈均通过利兹线绕制而成；所述矩形线圈和所述DD线圈空间上紧贴叠放；所述磁芯层包括一组铁氧体条。
4.根据权利要求3所述的方法，所述第一原边发射线圈、所述第一副边拾取线圈、所述第二原边发射线圈、所述第二副边拾取线圈的所述矩形线圈和所述DD线圈的线径相等；
所述第一原边发射线圈、所述第一副边拾取线圈、所述第二原边发射线圈、所述第二副边拾取线圈的所述矩形线圈和所述DD线圈的外径相等。
5.根据权利要求3所述的方法，所述铁氧体条为长方体，所述铁氧体条的长边方向与所述DD线圈的磁通方向相同，所述铁氧体条的长度等于所述DD线圈的磁通方向同向的外径长度。
6.一种基于双发射-双拾取模式的电动汽车无线充电系统，所述系统包括：直流电源、第一逆变电路、第一原边谐振电路、第一原边发射线圈、第一副边拾取线圈、第一副边谐振电路、第一整流滤波电路、第一升降压式变换器、第二逆变电路、第二原边谐振电路、第二原边发射线圈、第二副边拾取线圈、第二副边谐振电路、第二整流滤波电路、第二升降压式变换器和负载；
直流电源，用于通过直流电源输出直流电压，将所述直流电压输入第一逆变电路和第二逆变电路；
通过所述第一逆变电路和所述第二逆变电路将接收的所述直流电压逆变成为高频交流电；
所述第一逆变电路的输出端通过第一原边谐振电路将所述高频交流电加载到第一原边发射线圈，通过所述第一原边发射线圈产生高频磁场；通过第一副边拾取线圈感应所述高频磁场后产生电能，所述第一副边拾取线圈将所述电能依次通过第一副边谐振电路和第一整流滤波电路输入第一升降压式变换器；
所述第二逆变电路的输出端通过第二原边谐振电路将所述高频交流电加载到第二原边发射线圈，通过所述第二原边发射线圈产生高频磁场；通过第二副边拾取线圈感应所述高频磁场后产生电能，所述第二副边拾取线圈将所述电能依次通过第二副边谐振电路和第二整流滤波电路输入第二升降压式变换器；
所述第一升降压式变换器和所述第二升降压式变换器将所述电能转换为负载用电能，并将所述负载用电能输出至串接的负载。
7.根据权利要求6所述的系统，所述第一逆变电路和所述第二逆变电路结构和参数相同，所述第一逆变电路和所述第二逆变电路分别包括：四个全控型开关管及其反关联二极管。
8.根据权利要求6所述的系统，所述第一原边发射线圈和所述第一副边拾取线圈的空间位置相互平行，所述第一原边发射线圈和所述第一副边拾取线圈均包括：两个结构参数完全相同的矩形线圈；
所述第二原边发射线圈和所述第二副边拾取线圈的空间位置相互平行，所述第二原边发射线圈和所述第二副边拾取线圈均包括：两个结构和参数完全相同的DD线圈；
所述第一原边发射线圈、所述第一副边拾取线圈、所述第二原边发射线圈、所述第二副边拾取线圈的所述矩形线圈和所述DD线圈通过利兹线绕制而成；所述矩形线圈和所述直流驱动DD线圈空间上紧贴叠放；所述磁芯层包括一组铁氧体条。
9.根据权利要求8所述的系统，所述第一原边发射线圈、所述第一副边拾取线圈、所述第二原边发射线圈、所述第二副边拾取线圈的所述矩形线圈和所述DD线圈的线径相等；
所述第一原边发射线圈、所述第一副边拾取线圈、所述第二原边发射线圈、所述第二副边拾取线圈的所述矩形线圈和所述DD线圈的外径相等。
10.根据权利要求8所述的系统，所述铁氧体条为长方体，所述铁氧体条的长边方向与所述DD线圈的磁通方向相同，所述铁氧体条的长度等于所述DD线圈的磁通方向同向的外径长度。
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