CN110450655A - 一种应用于电动汽车动态无线供电的三相发射导轨 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于电动汽车动态无线供电的三相发射导轨，属于电动汽车无线电能传输技术领域。所述三相发射导轨包括多个π型结构、按照一定间隔纵向排布的长条形铁氧体磁芯和在π型磁芯的竖杆上缠绕的供电线缆构成的多个π型磁极结构，及磁极三个一组按设计间隔纵向排布构成的一条长直型轨道。所述三相发射导轨具有磁泄露极小、电磁兼容性好等特点。

Description

一种应用于电动汽车动态无线供电的三相发射导轨
技术领域
本发明涉及一种应用于电动汽车动态无线供电的三相发射导轨，属于电动汽车无线电能传输技术领域。
背景技术
目前电动汽车发展中存在两大瓶颈问题：一个是车上的电池问题——从近期的技术角度看，存在体积、重量、价格、材料、安全、充电速度、寿命等多方面问题，此外电池的生产和使用的循环过程属于高污染、耗费资源、破坏生态环境的过程，这些特点给电动汽车的产业化带来困难；
另一方面是地面上的充电基础设施问题——由于电池材料特性(能量密度、功率密度等)的限制，电池充电时间长且续航里程短，需要大量、高频率的占用充电或换电设施，给市政建设带来很大困难，这些设施需要占用大量的地面面积，且不利于统一管理，运营维护成本高。同时给车辆使用者带来极大的不便。
发明内容
本发明为了解决现有的无线电能传输装置中的导轨宽度过大，施工难度大以及电磁兼容性差，漏磁严重，对道路两侧电磁辐射水平较高的问题，提出了一种应用于电动汽车动态无线供电的三相发射导轨，所采取的技术方案如下：
一种应用于电动汽车动态无线供电的三相发射导轨，所述三项发射导轨包括长条形磁芯、供电线缆和多个π型磁极；所述多个π型磁极设置在长条形磁芯上，并沿所述长条形磁芯的长度方向按照预设间隔d依次排列；所述供电线缆缠绕在π型磁极的两个竖杆上，纵向排布的π型磁极结构构成一条长直型轨道。
进一步地，所述预设间隔d为相邻的两个所述π型磁极中，前一个π型磁极的尾端与后一个π型磁极首端之间的距离；所述预设间隔d的距离范围为10cm至50cm，其间隔与π型磁极顶面长度、立杆高度正相关且，顶面长度与间隔d比例在0.8到1.2之间、立杆高度与间隔d比例在0.1到0.6之间。
进一步地，所述供电线缆在π型磁极的每个竖杆上的缠绕匝数范围为3-10匝，其匝数亦受立杆高度与所选线缆线径约束。
进一步地，所述π型磁极的横杆沿垂直于长条行磁芯长度方向上的宽度大于或等于所述长条型磁芯的宽度，形成稳固结构，使导轨结构更加稳定。
进一步地，所述多个π型磁极以三个π型磁极为一组磁极均匀分布在所述长条形磁芯上。
进一步地，每组所述磁极分别由三相高频逆变电源供电。
进一步地，每组所述磁极为相应的相同相位的磁极线圈串联。
进一步地，所述π型磁极和长条型磁芯均采用铁氧体材料制成。
进一步地，所述无线电能传输装置包括低频整流滤波电路、三相高频逆变电路、发射导轨耦合机构、接收端耦合机构和整流电路；所述三相工频电能与低频整流滤波电路的电能输入端相连；所述低频整流滤波电路的电能输出端与所述三相高频逆变电路的电信号输入端相连；所述三相高频逆变电路的交流电信号输出端与所述发射导轨耦合机构的交流电能输入端相连；所述发射导轨耦合机构的耦合端与所述接收端耦合机构的耦合端对应磁耦合；所述接收端耦合机构的电能输出端与所述整流电路的电能输入端相连；整流电路输出直流电能供给负载用电。
所述三相发射导轨用于20kHz或85kHz的逆变源电能输入的磁耦合电能传输。保留该导轨在说明书所属范围内仅通过修改线圈匝数、线径，磁极及磁芯尺寸、数量等参数，改变自感值，适配电容以调整谐振频率，转换为美国电动汽车协会《SAE J2954》标准，中国《电动汽车无线充电系统一般要求征求意见函》所述，无线充电电动汽车其他特征频率(如85kHz)及相应输出功率(3.3kW、6.6kW、11kW、22kW等)的电能变换方式的权利。
本发明有益效果：
本发明中提出的三相发射导轨，它包括多个π型结构、按照一定间隔纵向排布的长条形铁氧体磁芯(固定在刚性框架如电木板、铝镁合金、注塑成型框架等)和在π型磁芯的竖杆上缠绕的供电线缆构成的多个π型磁极结构，及磁极三个一组按设计间隔纵向排布构成的一条长直型轨道。本发明提出的三相发射导轨具体有如下有益效果：
1、本发明所述的三相发射导轨，在相同的要求下，同已知的其他类型(如平板型、螺线管型)的供电轨道相比，采用磁极缠绕式π型供电轨道结构，发射导轨的发射线圈与电动汽车的接收线圈间的耦合系数更高，抗侧移能力更强，有效提高了电能的大功率传输效率。
2、本发明所述的供电线缆采用磁极缠绕式的走线方式，同交叉绕制方式相比，在达到相同的电感量的情况下，本发明所述的缠绕式所用的线缆的用量更少，同时磁极与磁极间两路线缆均为单线连接方式，极大的节约了磁极间隔中线缆的使用，有效节省了设施所占空间。
3、本发明所述的长条形磁芯结构对磁场约束整形，绝大部分能量被约束在发射导轨与接收端之间，磁泄露极小，电磁兼容性好。
4、本发明所述的π型磁极以及供电线缆缠绕相结合能够极大程度上缩小供电轨道的宽度，使供电轨道宽度非常窄，为平板型线圈20％-40％，极大的节约了供电轨道制作所需原材料，同时极大降低了施工难度，即减少对路面破坏、空间的占用、节约施工周期与人力成本、降低维护保养时间与消耗。
5.本发明所述三相发射导轨，通过π型磁极以及供电线缆缠绕相结合的结构形式使磁场周期旋转，覆盖角度大，侧移能力强，降低了汽车无线电能传输对系统侧移敏感性，降低了汽车对正难度，便捷舒适的驾驶体验。同时使能量接收更为平滑，减少对电路系统的浪涌冲击。(见图3，图4导轨磁场分布图)
6.本发明所述三相发射导轨，与双极型等结构相比，在一个周期内，导轨上方等高(模拟接收端的限定条件的)磁场空间分布更为均匀，在正常沿路行驶过程中，系统运行(含效率等)更平稳，有效提高整个系统运行的稳定性。
附图说明
图1为本发明所述的应用于电动汽车动态无线供电的三相发射导轨的结构示意图。
图2为应用于电动汽车动态无线供电的三相发射导轨的驱动电源主电路图。
图3为磁场剖面图(一周期)。
图4为磁场俯视图(一周期)。
图5为开关管导通状况和各相电流示意图(黑色为关断、灰色为导通)。
图6为开关管导通状况和各相电流示意图(黑色为关断、灰色为导通)。
图7为开关管导通状况和各相电流示意图(黑色为关断、灰色为导通)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1：
一种应用于电动汽车动态无线供电的三相发射导轨，如图1所示，所述三项发射导轨包括长条形磁芯、供电线缆和多个π型磁极；所述多个π型磁极设置在长条形磁芯上，并沿所述长条形磁芯的长度方向按照预设间隔d依次排列；所述供电线缆缠绕在π型磁极的两个竖杆上，纵向排布的π型磁极结构构成一条长直型轨道。
其中，所述预设间隔d为相邻的两个所述π型磁极中，前一个π型磁极的尾端与后一个π型磁极手段之间的距离；所述预设间隔d的距离范围为10cm至50cm，其间隔与π型磁极顶面长度、立杆高度正相关且，顶面长度与间隔d比例在0.8到1.2之间、立杆高度与间隔d比例在0.1到0.6之间。
所述供电线缆在π型磁极的每个竖杆上的缠绕匝数范围为为3-10匝，其匝数亦受立杆高度与所选线缆线径约束。
所述π型磁极的横杆沿垂直于长条行磁芯长度方向上的宽度大于或等于所述长条型磁芯的宽度，形成稳固结构，使导轨结构更加稳定。
所述多个π型磁极以三个π型磁极为一组磁极均匀分布在所述长条形磁芯上。
每组所述磁极分别由三相高频逆变电源供电。
每组所述磁极为相应的相同相位的磁极线圈串联。
所述π型磁极和长条型磁芯均采用铁氧体材料制成。
所述所述无线电能传输装置包括低频整流滤波电路、三相高频逆变电路、发射导轨耦合机构、接收端耦合机构和整流电路；所述三相工频电能与低频整流滤波电路的电能输入端相连；所述低频整流滤波电路的电能输出端与所述三相高频逆变电路的电信号输入端相连；所述三相高频逆变电路的交流电信号输出端与所述发射导轨耦合机构的交流电能输入端相连；所述发射导轨耦合机构的耦合端与所述接收端耦合机构的耦合端对应磁耦合；所述接收端耦合机构的电能输出端与所述整流电路的电能输入端相连；整流电路输出直流电能供给负载用电。
整体系统工作原理如下：电能输入经逆变电路变流为固定频率的交流电，使电动汽车的接收线圈电感电容组成的耦合机构产生谐振。发射导轨与接收端经过磁场耦合传输能量。接收到的交流电经桥式整流变换为直流电，输送给电动汽车储能及驱动元件，具体参见图1至图2，实现电动汽车无线电能传输。三相交变的电流通过星型拓扑连接的供电线缆产生交变的磁场，在铁氧体磁芯的约束下，使磁束尽可能的限制在轨道上方，同时减小轨道下方的漏磁，此时若轨道上方存在电能接收单元，在磁场耦合作用下便能在接收单元上感应出电流，通过合理的参数配置可以实现电能的高效无线传输。开关管状态和电流分布见图5-7。
本实施例所述的三相发射导轨，在相同的要求下，同已知的其他类型(如平板型、螺线管型)的供电轨道相比，采用磁极缠绕式π型供电轨道结构，发射导轨的发射线圈与电动汽车的接收线圈耦合机构间的耦合系数更高，有效提高了电能的大功率传输效率。
本实施例所述的供电线缆采用磁极缠绕式的走线方式，同交叉绕制方式相比，在达到相同的电感量的情况下，本发明的磁极缠绕式的方式的线缆的用量更少，同时磁极与磁极间两路线缆均为单线连接方式，极大的节约了磁极间隔中线缆的使用，有效节省了设施所占空间。
本实施例所述的长条形磁芯结构对磁场约束整形，绝大部分能量被约束在发射导轨与接收端之间，磁泄露极小，电磁兼容性好。
本实施例所述的π型磁极以及供电线缆缠绕相结合能够极大程度上缩小供电轨道的宽度，使供电轨道宽度非常窄，极大的节约了供电轨道制作所需原材料，同时极大降低了施工难度，即减少对路面破坏、空间的占用、节约施工周期与人力成本、降低维护保养时间与消耗。
本实施例所述三相发射导轨，通过π型磁极以及供电线缆缠绕相结合的结构形式使磁场周期旋转，覆盖角度大，侧移能力强，降低了汽车无线电能传输对系统侧移敏感性，降低了汽车对正难度，便捷舒适的驾驶体验。同时使能量接收更为平滑，减少对电路系统的浪涌冲击。(见图3，图4导轨磁场分布图)
本实施例所述三相发射导轨，与双极型等结构相比，在一个周期内，导轨上方等高(模拟接收端的限定条件的)磁场空间分布更为均匀，在正常沿路行驶过程中，系统运行(含效率等)更平稳，有效提高整个系统运行的稳定性。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种应用于电动汽车动态无线供电的三相发射导轨，其特征在于，所述三项发射导轨包括长条形磁芯、供电线缆和多个π型磁极；所述多个π型磁极设置在长条形磁芯上，并沿所述长条形磁芯的长度方向按照预设间隔d依次排列；所述供电线缆缠绕在π型磁极的两个竖杆上。
2.根据权利要求1所述三相发射导轨，其特征在于，所述预设间隔d为相邻的两个所述π型磁极中，前一个π型磁极的尾端与后一个π型磁极手段之间的距离；所述预设间隔d的距离范围为10cm至50cm，其间隔与π型磁极顶面长度、立杆高度正相关且，顶面长度与间隔d比例在0.8到1.2之间；立杆高度与间隔d比例在0.1到0.6之间。
3.根据权利要求1所述三相发射导轨，其特征在于，所述供电线缆在π型磁极的每个竖杆上的缠绕匝数范围为3-10匝，其匝数受立杆高度与所选线缆线径约束。
4.根据权利要求1所述三相发射导轨，其特征在于，所述π型磁极的横杆沿垂直于长条行磁芯长度方向上的宽度大于或等于所述长条型磁芯的宽度。
5.根据权利要求1所述三相发射导轨，其特征在于，所述多个π型磁极以三个π型磁极为一组磁极均匀分布在所述长条形磁芯上。
6.根据权利要求5所述三相发射导轨，其特征在于，每组所述磁极分别由三相高频逆变电源供电。
7.根据权利要求5或6所述三相发射导轨，其特征在于，每组所述磁极为相应的相同相位的磁极线圈串联。
8.根据权利要求1、2、3、4或5任一所述三相发射导轨，其特征在于，所述π型磁极和长条型磁芯均采用铁氧体材料制成。
9.根据权利要求6所述三相发射导轨，其特征在于，所述无线电能传输装置包括低频整流滤波电路、三相高频逆变电路、发射导轨耦合机构、接收端耦合机构和整流电路；所述三相工频电能与低频整流滤波电路的电能输入端相连；所述低频整流滤波电路的电能输出端与所述三相高频逆变电路的电信号输入端相连；所述三相高频逆变电路的交流电信号输出端与所述发射导轨耦合机构的交流电能输入端相连；所述发射导轨耦合机构的耦合端与所述接收端耦合机构的耦合端对应磁耦合；所述接收端耦合机构的电能输出端与所述整流电路的电能输入端相连；整流电路输出直流电能供给负载用电。
10.根据权利要求1所述的无线电能传输三相发射导轨，其特征在于，所述三相发射导轨用于20kHz或85kHz的逆变源电能输入的磁耦合电能传输。
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