CN111193329A - 三发射线圈耦合机构及其构成的磁耦合wpt系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三发射线圈耦合机构及其构成的磁耦合WPT系统，发射端包括第一线圈、第二线圈和第三线圈，第一线圈是由一根单独的导线绕制形成的多匝线圈，并构成外围充电区域，所述第二线圈和第三线圈是由另一根单独的导线在所述第一线圈内部未绕线区域内串联连接并分段绕制形成的多匝线圈，且构成中心充电区域，在所述第三线圈内部以及所述第三线圈与所述第二线圈之间均预留有未绕线区域，所述第一线圈与第一谐振补偿电路相连并工作在第一谐振频率上，所述第二线圈和所述第三线圈串联连接后与第二谐振补偿电路连接并工作在第二谐振频率上。其效果是：抗偏移能力得到提升，系统成本降低，可适用于不同功率等级的移动设备应用场合。

Description

三发射线圈耦合机构及其构成的磁耦合WPT系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种三发射线圈耦合机构及其构成的磁耦合WPT系统。

背景技术

纯电动汽车在运行过程中可以做到零污染，电动汽车的普及能够改善能源结构，但充电是电动汽车所面临的一大难题，传统插拔式充电方式具有安全隐患，例如雨天或雪天充电容易漏电，充电线老化，经常拔插易产生电火花等问题。无线电能传输技术(WPT，Wireless Power Transfer r)可以克服上述问题，而且具有充电便利性高，不受环境影响，充电设施可无人值守、后期维护成本低等优势。磁场耦合无线电能传输技术因具有传输距离大，效率较高等优点是电动汽车无线充电最主要的电能传输方式。

在电动汽车WPT系统实际应用中，当汽车停驻到充电位置时，由于驾驶员人为操作的不确定性，存在车辆底盘内的拾取端和地面电能发射端发生偏移的情况，这会降低系统的输出功率和效率，延长充电时间并且增加损耗，情况严重时甚至会使系统无法正常工作，故需要提升耦合机构的抗偏移能力。目前，国内外的研究机构为了提升磁耦合机构的抗偏移能力做了许多研究，现有技术中有人提出了DDQ线圈结构，通过DD线圈和Q线圈正交，两线圈在发生偏移时输出叠加，以减少输出功率的降低，但是用铜量较大；也有人在其基础上提出了BP线圈，节省了25.71％的铜量，但相比于DDQ线圈的耦合性能略低，输出功率也较低。也有学者将4个D线圈串联，构成DLDD结构，为了减轻重量，将磁芯改为双“田”字结构，虽然具有很好的抗偏移能力，但线圈尺寸较大，用线量也较多，线圈多为密绕，内阻较大，且通过分析发现，以上三种结构在平面上各个角度抗偏移性能差别较大。

发明内容

基于上述缺陷，本发明提出了一种三发射线圈耦合机构，通过对电能发射端线圈结构进行改进，从而提升二维平面各角度的抗偏移能力。

为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

一种三发射线圈耦合机构，其关键在于：发射端包括第一线圈、第二线圈和第三线圈，所述第一线圈是由一根单独的导线绕制形成的多匝线圈，并构成外围充电区域，所述第二线圈和第三线圈是由另一根单独的导线在所述第一线圈内部未绕线区域内串联连接并分段绕制形成的多匝线圈，且构成中心充电区域，在所述第三线圈内部以及所述第三线圈与所述第二线圈之间均预留有未绕线区域，所述第一线圈与第一谐振补偿电路相连并工作在第一谐振频率上，所述第二线圈和所述第三线圈串联连接后与第二谐振补偿电路连接并工作在第二谐振频率上。

可选地，所述第一线圈、第二线圈以及第三线圈均为圆盘式线圈。

可选地，接收端的电能拾取线圈采用圆盘式单线圈结构。

可选地，所述第一线圈、所述第二线圈、所述第三线圈以及所述电能拾取线圈均为多层线圈。

可选地，所述发射线圈设置有磁芯结构，所述磁芯结构包括多根端头凸起式磁条呈并环形均匀分布，在多根磁条两个端头之间围合形成的环形凹槽内依次绕制所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈。

可选地，所述第二线圈的外径为最大磁通密度半径。

基于上述三发射线圈耦合机构，本发明还提出了一种采用上述三发射线圈耦合机构构成的磁耦合WPT系统，其关键在于：发射端还设置有交流电源接口及初级能量变换装置，接收端设置有次级能量变换装置，所述初级能量变换装置包括整流电路和逆变电路，所述逆变电路输出高频交流电源送入所述第一线圈与第一谐振补偿电路相连构成的第一谐振回路中；或者送入所述第二线圈和所述第三线圈串联连接后与第二谐振补偿电路相连构成的第二谐振回路中。

可选地，所述接收端设置有拾取电压检测模块，系统预先开通所述中心充电区域，当所述拾取电压检测模块检测到接收端的电能拾取线圈两端电压有效值U_s小于预设的临界拾取电压u_s0时，系统开通所述外围充电区域。

可选地，所述接收端设置在电动汽车上，接收端的电能拾取线圈通过所述次级能量变换装置为电动汽车的蓄电池充电。

本发明的有益效果：

本发明提出的三发射线圈耦合机构抗偏移能力得到提升，系统成本降低，其性能的提升本质来自于耦合机构磁场强度与磁场均匀性的提升，不依赖于补偿拓扑结构，所以适用于不同功率等级的移动设备应用场合，在系统没有抗震性的要求时，有磁芯耦合机构系统效率更高，成本更低；系统对抗震性有要求时，无磁芯耦合机构系统稳定性更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明的三发射线圈结构示意图；

图2为无磁芯的三发射线圈耦合机构结构示意图；

图3为有磁芯的三发射线圈耦合机构结构示意图；

图4为磁芯结构中单根磁条的结构示意图；

图5为三发射线圈多层设置的结构示意图；

图6为线圈外径与耦合系数k变化曲线；

图7为线圈内半径与耦合系数曲线；

图8为无磁芯的三发射线圈耦合机构参数设计流程图；

图9为采用三发射线圈耦合机构构成的磁耦合WPT系统结构图；

图10为中心线圈和外围线圈效率与偏移距离曲线；

图11为两种耦合机构偏移时M和k的变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

如图1所示，本实施例提供的一种三发射线圈耦合机构，发射端包括第一线圈(线圈Ⅰ)、第二线圈(线圈Ⅱ)和第三线圈(线圈Ⅲ)，所述第一线圈是由一根单独的导线绕制形成的多匝线圈，并构成外围充电区域，所述第二线圈和第三线圈是由另一根单独的导线在所述第一线圈内部未绕线区域内串联连接并分段绕制形成的多匝线圈，且构成中心充电区域，在所述第三线圈内部以及所述第三线圈与所述第二线圈之间均预留有未绕线区域，所述第一线圈与第一谐振补偿电路相连并工作在第一谐振频率上，所述第二线圈和所述第三线圈串联连接后与第二谐振补偿电路连接并工作在第二谐振频率上。

耦合机构的性能直接受到线圈结构的影响，通过仿真发现，在线圈面积相同时，相对于矩-矩型、圆-矩型而言，圆-圆型线圈的互感值最大，且圆-圆型线圈在二维平面任意方向发生偏移时，互感变化一致，所以本实施例选择圆-圆型线圈作为基本线圈结构，因此，所述第一线圈、第二线圈以及第三线圈均为圆盘式线圈，接收端的电能拾取线圈采用圆盘式单线圈结构，从而可以根据拾取线圈偏移情况来开通不同的充电线圈区域。

具体实施时，既可采用如图2所示的无磁芯的三发射线圈耦合机构，也可采用如图3所示的有磁芯的三发射线圈耦合机构，在所述发射线圈设置有磁芯结构时，所述磁芯结构包括多根端头凸起式磁条呈并环形均匀分布，在多根磁条两个端头之间围合形成的环形凹槽内依次绕制所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈，端头凸起式磁条结构如图4所示，图中a表示磁条总长度，q表示磁条凹槽长度，c为磁条底部厚度，d为磁条凸起高度，b为磁条宽度，z_o和z_i分别表示磁条两端凸起的长度。

基于结构尺寸的限制，在单层线圈不能满足传输效率的情况下，所述第一线圈、所述第二线圈、所述第三线圈以及所述电能拾取线圈都可以采用多层线圈，多层线圈结构如图5所示。

当系统功率等级较低或者对耦合机构重量及抗震性有要求时，耦合机构可仅使用线圈绕制，以满足系统的能效需求。除线圈结构外，耦合机构抗偏移能力还受线圈内外径和线圈匝数等几何参数的影响。本实施例基于图5所示的三发射线圈参数示意图，讨论线圈内外径对耦合系数k的关系。

图中Ns为拾取线圈层数，N表示线圈层数，s表示拾取线圈；线圈Ⅰ内径为r_piⅠ，其中p表示发射线圈，i表示内径，Ⅰ表示线圈Ⅰ；线圈Ⅰ外径为r_poⅠ，o表示外径；D_p表示发射线圈线径；其他参数以此类推。

从图5可以看出三发射线圈的所有几何参数中，两充电区域的边界半径r是其它半径的设计基础，它根据系统传输距离来确定。对于不同的传输距离，存在一个半径值为r_max的线圈使该传输距离平面中心点处的磁通密度最大。根据诺依曼公式可知该半径r_max对应的线圈单位长度对增加互感值的贡献最大，这代表在增加相同的互感值时，该匝线圈的自感值增量最小，耦合系数最大。所以若线圈区域在半径r_max线圈两侧，能够以更少的用线量，得到更优的耦合性能。

其它几何参数则根据发射线圈内外径变化对耦合线圈的耦合系数k值的影响规律来确定。图6是不同线圈内径下的线圈外径与耦合系数关系曲线。从图中可以看出，k随线圈外径的增加先增大再减小，存在一个线圈外径对应的耦合系数最大。对于不同的传输距离，固定线圈内径，线圈外径对k的影响规律不变，而且发现，当线圈内半径值小于该传输距离下最大磁通密度半径时，同一传输距离h下的最大耦合系数对应的线圈外径值基本一致，根据现有理论可知：最大磁通密度半径

一般远大于线圈内半径，上述规律可为线圈外径尺寸选择做指导，减少计算量。

对于线圈内径对k的影响规律，同样固定线圈外径，计算增加线圈匝数即内径值减小时的k值，图7是在传输距离为15cm时的线圈内径与耦合系数的规律曲线，曲线上的每个标点代表增加一匝线圈。从图中以看出耦合系数随线圈匝数向内侧增加即线圈内径值的减小而先增加再减小，存在一个内径值对应的耦合系数最大。但同时发现耦合系数最大值k_max区域附近的线圈匝数点更加密集，对于线圈外径为17.5cm时，在k_max区域附近多绕5匝线圈对耦合系数的增加仅为0.001。从系统成本考虑，在计算线圈内径时，当耦合系数增量满足

的时停止继续增加线圈匝数，式中k_n为线圈n匝时的耦合线圈的k值。

对于无磁芯耦合机构而言，在实施过程中，其参数设计方法主要分为计算线圈内外径和线匝数两部分：

(a)以提升耦合系数为目标计算耦合线圈内径和外径。

(b)在互感满足系统能效需求的基础上，优化线圈匝数，提升系统效率。

首先确定线圈半径，令最大磁通密度半径作为发射线圈Ⅱ外半径：

r_poⅡ＝r_max (1)

由三发射线圈的结构可得到发射线圈Ⅰ内半径为：

r_piⅠ＝r_max+r_pw (2)

r_pw表示发射线圈的绕线间隙，线圈外径可根据k_max来确定，以半径为r的单匝线圈为激励线圈，计算拾取线圈半径以线径为步长增长时的k值，以k_max对应的半径值作为拾取端线圈外径r_so。

k_max＝f(r_o) (3)

确定r_so后，增加拾取线圈的匝数，减小线圈内径值，直至某一内径值的k值满足

以该半径值作为拾取端线圈内径r_si。拾取线圈初始匝数根据式(4)计算：

n＝(r_o-r_i)/D_w (4)

获得拾取线圈参数后，以外径为r_poⅡ的线圈Ⅱ作为电能发射线圈，增加线圈Ⅱ匝数，减小线圈Ⅱ内径，直至某一内径值的k满足

以此时的内径值作为发射线圈Ⅱ内径r_piⅡ。随后，拾取线圈不变，以内径为r_piⅠ的线圈Ⅰ作为电能发射线圈，以线径为步长增加线圈外径，计算满足式(1)的发射线圈Ⅰ外径r_poⅠ，随之利用式(4)计算发射线圈初始匝数。

确定线圈半径确定后，以满足互感为基本需求，以提升系统效率为目标对线圈匝数进行计算。为了减少计算量，初始线圈由式(2)获得，然后依次减少线圈匝数n。首先计算发射线圈Ⅰ和拾取线圈的匝数，为保证耦合机构在系统给定的偏移范围内都满足系统能效要求，在拾取线圈偏移最大距离时计算每层耦合线圈的最大互感M，若M<Mmin，在系统层数限制下轮流依次增加拾取线圈和发射线圈Ⅰ层数，若M>Mmin，继续依次增加拾取线圈层数和发射线圈Ⅰ层数，直到耦合机构层数达到上限，保存所有M>Mmin的耦合机构参数。在此基础上对线圈半径范围内所有满足互感要求的耦合机构依次减少线圈匝数，计算效率并排序。这时其他线圈参数不变，只有线圈匝数n发生变化，根据图5所示线圈内半径与耦合系数曲线的可知，当n增长到一定值后k的增量很小，这时线圈匝数对效率影响很小，过多的线匝数还会增加系统成本和耦合机构重量，所以有：

式中η_n为n匝线圈时计算得到的耦合机构效率，当效率变化量符合公式(5)时，停止减少线圈匝数，保存此时的线圈匝数N_pⅠ。确定拾取线圈线匝数后，令拾取线圈在中心位置按照上述规律计算发射线圈Ⅱ的匝数N_pⅡ。线圈Ⅲ由上述线圈Ⅱ的导线分段绕制而成，层数与发射线圈Ⅱ相同，取线圈Ⅱ内径侧导线绕制线圈Ⅲ，线圈Ⅲ初始匝数为1，计算以线直径D_p为步长增长的两线圈间隔Δd下的耦合系数k，到k_max后，逐渐增加线圈Ⅲ匝数，找以效率为优化目标，由公式(4)计算线圈Ⅲ匝数。综上所述，线圈参数设计方法具体流程如图8所示。

基于上述耦合机构，本实施例还提供了一种采用上述三发射线圈耦合机构构成的磁耦合WPT系统，以MC-WPT电动汽车应用场景为例，所述接收端设置在电动汽车上，接收端的电能拾取线圈通过所述次级能量变换装置为电动汽车的蓄电池充电，在发射端还设置有交流电源接口及初级能量变换装置，接收端设置有次级能量变换装置，所述初级能量变换装置包括整流电路和逆变电路，所述逆变电路输出高频交流电源送入所述第一线圈与第一谐振补偿电路相连构成的第一谐振回路中；或者送入所述第二线圈和所述第三线圈串联连接后与第二谐振补偿电路相连构成的第二谐振回路中。第一谐振回路的谐振频率与第二谐振回路的谐振频率相同。

在具体控制时，所述接收端设置有拾取电压检测模块，系统预先开通所述中心充电区域，当所述拾取电压检测模块检测到接收端的电能拾取线圈两端电压有效值U_s小于预设的临界拾取电压u_s0时，系统开通所述外围充电区域。

以3.3kW电动汽车定点无线充电项目为例(系统电气参数及指标需求如表1所示)，为验证磁芯对耦合机构性能提升的作用及通过上述参数设计方法得到的三发射线圈耦合机构在抗偏移和耦合性能提升方面的有效性，对比满足同样系统需求下有磁芯、无磁芯及项目中单发射线圈耦合机构的各项参数。

表1系统电气参数表

实验证明，将无磁芯和有磁芯两种三发射线圈耦合机构应用于上述系统中，通过计算三发射线圈耦合机构的两个充电区域在偏移范围内的互感值，发现互感值在偏移范围内都一直满足系统功率需求，以提升效率为目标确定切换点，图10为中心线圈和外围线圈偏移距离与耦合机构效率曲线，发现在偏移距离小于110mm时中心充电线圈区域的效率更大，大于110mm时外围充电线圈的效率更大。所以确定线圈切换点为110mm。

有磁芯耦合机构加入磁芯后线圈用线量减小，自感降低，耦合系数增大。图11为两种耦合机构偏移时M和k的变化曲线，可以看出在三发射线圈结构有磁芯和无磁芯两种耦合机构M值基本一致的情况下，有磁芯耦合机构的耦合系数k明显更大，仿真结果与理论分析一致。图中在切换点110mm时M曲线存在一个奇异点，这是因为偏移110mm前中心线圈的互感随着偏移距离的增大开始小于外围线圈的互感，所以会出现在110mm切换到外围线圈时互感突然变大。若系统有对互感或耦合系数值的特殊需求，也可以按照系统需求重新确定切换点。

根据上述仿真结果可以看出，在大功率应用场合，有磁芯三发射线圈耦合机构的性能更优，表2为两种耦合机构部分参数表，从表中可以看出有磁芯三发射线圈耦合机构，线圈内阻更小，用线量更少，虽然增加了磁芯，但根据目前利兹线及磁芯的价格来看，系统成本降低仍旧更低。

表2耦合机构参数表

综上所述，本发明通过提供一种三发射线圈耦合机构及其构成的磁耦合WPT系统，能够有效提升系统的抗偏移能力，在系统没有抗震性的要求时，有磁芯耦合机构系统效率更高，成本更低；系统对抗震性有要求时，无磁芯耦合机构系统稳定性更高。另本文耦合机构耦合性能的提升本质来自于耦合机构磁场强度与磁场均匀性的提升，不依赖于补偿拓扑结构，所以适用于不同功率等级的移动设备应用场合。

此外，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种三发射线圈耦合机构，其特征在于：发射端包括第一线圈、第二线圈和第三线圈，所述第一线圈是由一根单独的导线绕制形成的多匝线圈，并构成外围充电区域，所述第二线圈和第三线圈是由另一根单独的导线在所述第一线圈内部未绕线区域内串联连接并分段绕制形成的多匝线圈，且构成中心充电区域，在所述第三线圈内部以及所述第三线圈与所述第二线圈之间均预留有未绕线区域，所述第一线圈与第一谐振补偿电路相连并工作在第一谐振频率上，所述第二线圈和所述第三线圈串联连接后与第二谐振补偿电路连接并工作在第二谐振频率上。

2.根据权利要求1所述的三发射线圈耦合机构，其特征在于：所述第一线圈、第二线圈以及第三线圈均为圆盘式线圈。

3.根据权利要求1或2所述的三发射线圈耦合机构，其特征在于：接收端的电能拾取线圈采用圆盘式单线圈结构。

4.根据权利要求3所述的三发射线圈耦合机构，其特征在于：所述第一线圈、所述第二线圈、所述第三线圈以及所述电能拾取线圈均为多层线圈。

5.根据权利要求1或4所述的三发射线圈耦合机构，其特征在于：所述发射线圈设置有磁芯结构，所述磁芯结构包括多根端头凸起式磁条呈并环形均匀分布，在多根磁条两个端头之间围合形成的环形凹槽内依次绕制所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈。

6.根据权利要求5所述的三发射线圈耦合机构，其特征在于：所述第二线圈的外径为最大磁通密度半径。

7.采用权利要求1-6任一所述的三发射线圈耦合机构构成的磁耦合WPT系统，其特征在于：发射端还设置有交流电源接口及初级能量变换装置，接收端设置有次级能量变换装置，所述初级能量变换装置包括整流电路和逆变电路，所述逆变电路输出高频交流电源送入所述第一线圈与第一谐振补偿电路相连构成的第一谐振回路中；或者送入所述第二线圈和所述第三线圈串联连接后与第二谐振补偿电路相连构成的第二谐振回路中。

8.根据权利要求7所述的磁耦合WPT系统，其特征在于：所述接收端设置有拾取电压检测模块，系统预先开通所述中心充电区域，当所述拾取电压检测模块检测到接收端的电能拾取线圈两端电压有效值U_s小于预设的临界拾取电压u_s0时，系统开通所述外围充电区域。

9.采用权利要求7或8所述的磁耦合WPT系统，其特征在于：所述接收端设置在电动汽车上，接收端的电能拾取线圈通过所述次级能量变换装置为电动汽车的蓄电池充电。

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