CN112564315A - 基于最优耦合系数区间的中继线圈最佳位置确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动汽车无线充电技术领域，尤其涉及一种基于最优耦合系数区间的中继线圈最佳位置确定方法，包括：S1：确定无线充电系统中的中继线圈的位置；S2：考虑磁耦合器之间不偏移情况下，无线充电系统的输出功率和效率是否满足要求，若满足要求，则进入步骤S3，否则，返回步骤S1；S3：在考虑磁耦合器之间偏移情况下，判断无线充电系统的输出功率稳定性是否满足要求，若满足要求，则确定中继线圈的最佳位置，若不满足要求，则返回步骤S1。本发明的有益效果：通过确定中继线圈最佳位置可以有效地增强电动汽车用无线充电系统的抗偏移能力。

Description

基于最优耦合系数区间的中继线圈最佳位置确定方法

技术领域

本发明涉及电动汽车无线充电技术领域，尤其涉及一种基于最优耦合系数区间的中继线圈最佳位置确定方法。

背景技术

燃油汽车的尾气排放已经成为大型城市的重要污染源，而新能源电动汽车作为传统燃油车的替代品，能够很好解决由于尾气排放带来的污染问题，但是电动汽车自身仍然存在着续航里程短、充电设施不完备等问题。无线充电技术以其可实现无接触式静态充电以及行驶过程中动态充电的独特优势，成为解决上述问题的有效方案。

在现有的无线充电系统中，感应式静态无线充电系统以其自身充电距离远、充电效率高等优点，得到电动汽车行业的广泛青睐。但这类系统仍存在着许多技术瓶颈有待突破，其中，系统抗偏移能力差的问题尤为突出。所谓抗偏移能力，是指当无线充电系统磁耦合器能量传输线圈间的相对位置出现偏差时，系统功率和效率的不稳定，因此提高系统抗偏移能力就是提高系统效率和功率的稳定性。由于电动汽车的车身宽度与车位之间的尺寸并不统一，通常会导致磁耦合器能量传输线圈之间产生不同程度的偏移，继而使得磁耦合器能量传输线圈之间的耦合程度降低，并最终导致整个无线充电系统功率不稳定。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种基于最优耦合系数区间的中继线圈最佳位置确定方法。

基于最优耦合系数区间的中继线圈最佳位置确定方法，包括：

S1：确定无线充电系统中的中继线圈的位置；

S2：考虑磁耦合器之间不偏移情况下，无线充电系统的输出功率和效率是否满足要求，若满足要求，则进入步骤S3，否则，返回步骤S1；

S3：在考虑磁耦合器之间偏移情况下，判断无线充电系统的输出功率稳定性是否满足要求，若满足要求，则确定中继线圈的最佳位置，若不满足要求，则返回步骤S1。

优选的，所述无线充电系统的输出功率的计算如下：

其中，U_p是高频电压源，L_p、L_i和L_s分别是1号、2号、3号线圈的自感，R_p、R_i和R_s分别是各自电阻，C_p、C_s和C_i是补偿电容，M_ps、M_pi和M_is是线圈之间的互感，R_eq是系统等效负载电阻。

优选的，所述无线充电系统的效率计算如下：

优选的，所述确定无线充电系统中的中继线圈的位置包括：

考虑磁耦合器之间不偏移情况下，中继线圈位置ω的计算如下：

η＝f(ω,M_pi,M_is)

P_out＝f(ω,M_pi,M_is)。

优选的，线圈之间的互感M_pi和M_is计算如下：

M＝f(h,θ)

其中，h为线圈之间的距离，θ为线圈的夹角。

优选的，所述确定无线充电系统中的中继线圈的位置包括：

在考虑磁耦合器之间偏移情况下，中继线圈位置的计算如下：

其中，α为2号线圈中心与1号线圈中心的连接线在xOy平面上的投影与x轴的夹角，β表示2号线圈圆心连接球心O与z轴的夹角，h₁为2号线圈中心与1号线圈中心的距离。

本发明的有益效果：通过确定中继线圈最佳位置可以有效地增强电动汽车用无线充电系统的抗偏移能力。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例中的磁耦合器结构示意图；

图2是本发明实施例一种基于最优耦合系数区间的中继线圈最佳位置确定方法的流程示意图；

图3是本发明实施例中不偏移时中继线圈位置变化的功效对比示意图；

图4是本发明实施例中中继线圈位置变化功率对比示意图；

图5是本发明实施例中偏移时中继线圈位置变化功率对比示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

带有中继线圈的电动汽车无线充电系统中磁耦合器结构如图1所示，磁耦合器只采用了多股电磁线，没有任何导磁金属介质，完全依靠空气进行能量传递。磁耦合器包括1号线圈1、2号线圈2、3号线圈3，其中，1号线圈为发射线圈，2号线圈为中继线圈，3号线圈为接收线圈，采用的缠绕方式为平面圆角矩形缠绕。

本发明实施例在三线圈无线充电系统的基础上，通过对不同线圈位置关系下，线圈间耦合系数与系统效率的变化情况的研究，提出了基于最优耦合系数区间的中继线圈最佳位置确定方法，使用该方法确定的三线圈结构有效地增强了无线充电系统的抗偏移能力，提高了系统稳定性。

基于上述思想，本发明实施例提出一种基于最优耦合系数区间的中继线圈最佳位置确定方法，如图2所示，包括以下步骤：

S1：确定无线充电系统中的中继线圈的位置。

首先根据实际需要，设定整套无线充电系统所要达到的技术指标。根据系统所要达到的技术指标，提出相应的磁耦合器的工作参数(线圈尺寸、绕制方式和匝数、补偿参数、工作频率)。在确定其他线圈位置的基础上选择合适中继线圈位置。

S2：考虑磁耦合器之间不偏移情况下，无线充电系统的输出功率和效率是否满足要求，若满足要求，则进入步骤S3，否则，返回步骤S1。

无线充电系统的输出功率的计算如下：

其中，U_p是高频电压源，L_p、L_i和L_s分别是1号、2号、3号线圈的自感，R_p、R_i和R_s分别是各自电阻，C_p、C_s和C_i是补偿电容，M_ps、M_pi和M_is是线圈之间的互感，R_eq是系统等效负载电阻。

考虑磁耦合器之间不偏移情况下，中继线圈位置ω的计算如下：

η＝f(ω,M_pi,M_is)

P_out＝f(ω,M_pi,M_is)。

线圈之间的互感M_pi和M_is计算如下：

M＝f(h,θ)；

其中，h为线圈之间的距离，θ为线圈的夹角

S3：在考虑磁耦合器之间偏移情况下，判断无线充电系统的输出功率稳定性是否满足要求，若满足要求，则确定中继线圈的最佳位置，若不满足要求，则返回步骤S1。

无线充电系统的效率计算如下：

在考虑磁耦合器之间偏移情况下，中继线圈位置的计算如下：

其中，α为2号线圈中心与1号线圈中心的连接线在xOy平面上的投影与x轴的夹角，β表示2号线圈圆心连接球心O与z轴的夹角，h₁为2号线圈中心与1号线圈中心的距离。

不偏移情况下中继线圈位置变化磁耦合器输出功率如附图3所示，考虑偏移情况下中继线圈位置变化的磁耦合器功率对比如附图4-5所示。

在附图3中，当磁耦合器的发射线圈和接收线圈不发生偏移时，可以看出中继线圈越接近副边接收侧时传输功率越大，越接近原边发射端，系统效率越高。从而说明，中继线圈的位置对磁耦合器(系统)的效率和功率有影响。

同样地，附图4和附图5表示的是，当磁耦合器的发射线圈和接收线圈发生偏移时，中继线圈选择距离原边接收侧10-30mm位置时，磁耦合器的输出功率可以满足要求。

综上所述，通过确定方法选择合适中继线圈的位置可以提高三线圈磁耦合器及整套无线充电系统的抗偏移能力，实现了设计目的。

本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.基于最优耦合系数区间的中继线圈最佳位置确定方法，其特征在于，包括：

S1：确定无线充电系统中的中继线圈的位置；

S2：考虑磁耦合器之间不偏移情况下，无线充电系统的输出功率和效率是否满足要求，若满足要求，则进入步骤S3，否则，返回步骤S1；

S3：在考虑磁耦合器之间偏移情况下，判断无线充电系统的输出功率稳定性是否满足要求，若满足要求，则确定中继线圈的最佳位置，若不满足要求，则返回步骤S1。

2.根据权利要求1所述的基于最优耦合系数区间的中继线圈最佳位置确定方法，其特征在于，所述无线充电系统的输出功率的计算如下：

其中，U_p是高频电压源，L_p、L_i和L_s分别是1号、2号、3号线圈的自感，R_p、R_i和R_s分别是各自电阻，C_p、C_s和C_i是补偿电容，M_ps、M_pi和M_is是线圈之间的互感，R_eq是系统等效负载电阻。

3.根据权利要求1所述的基于最优耦合系数区间的中继线圈最佳位置确定方法，其特征在于，所述无线充电系统的效率计算如下：

4.根据权利要求1所述的基于最优耦合系数区间的中继线圈最佳位置确定方法，其特征在于，所述确定无线充电系统中的中继线圈的位置包括：

考虑磁耦合器之间不偏移情况下，中继线圈位置ω的计算如下：

η＝f(ω,M_pi,M_is)

P_out＝f(ω,M_pi,M_is)。

5.根据权利要求4所述的基于最优耦合系数区间的中继线圈最佳位置确定方法，其特征在于，线圈之间的互感M_pi和M_is计算如下：

M＝f(h,θ)

其中，h为线圈之间的距离，θ为线圈的夹角。

6.根据权利要求1所述的基于最优耦合系数区间的中继线圈最佳位置确定方法，其特征在于，所述确定无线充电系统中的中继线圈的位置包括：

在考虑磁耦合器之间偏移情况下，中继线圈位置的计算如下：

其中，α为2号线圈中心与1号线圈中心的连接线在xOy平面上的投影与x轴的夹角，β表示2号线圈圆心连接球心O与z轴的夹角，h₁为2号线圈中心与1号线圈中心的距离。

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