CN112874330A - 一种磁耦合器系统及中继线圈切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电动汽车无线充电技术领域，涉及一种磁耦合器系统及中继线圈切换方法，具体是：当磁耦合器系统在运行无线充电，出现效率下降时，利用交流开关控制电路，使磁耦合器系统选择在两线圈或者三线圈状态运行，以提升效率；通过效率判别，选择磁耦合器系统在偏移情况下，是处于两线圈运行状态，还是处于三线圈运行状态。本发明在不改变磁耦合器系统的线圈参数的情况下，通过控制中继线圈切换，确保在磁耦合器系统偏移的过程中，效率不低于90％，有效地提高了电动汽车用无线充电的抗偏移能力。

Description

一种磁耦合器系统及中继线圈切换方法
技术领域
本发明属于电动汽车无线充电技术领域，涉及一种磁耦合器系统及中继线圈切换方法，尤其涉及一种基于阻抗匹配的中继线圈切换方法，特别涉及一种带有可切换中继线圈的电动汽车无线充电磁耦合器和基于阻抗匹配的中继线圈切换方法。
背景技术
因为电动汽车有利于构建环境友好型交通系统，所以得到广泛的发展；由于无线充电技术具有方便、安全和无接触的优势，其在电动汽车领域得到迅速发展。然而，实际泊车定位不准而造成的磁耦合器能量传输线圈间的错位，即发生偏移，导致无线充电系统的传输效率出现下降，输出功率出现波动。在实际应用中，磁耦合器能量传输线圈间的相对位置可能会出现横向、纵向偏移，这会导致系统效率显著下降，严重情况下，效率下降会超过20％。同时，系统功率也会发生波动。
以往研究在提高无线充电系统抗偏移能力方面所采用的方法大体可分为以下两类：一是通过磁耦合器优化设计，二是通过采取合理的控制策略。对于前者，有研究对比分析了单层和双层矩形线圈磁耦合器的传输功率特性；有研究通过优化谐振式磁耦合器线圈结构，用以提高WPTS(无线充电系统)的传输功效；有研究采用DD(DOUBLED，两个D型线圈)线圈来提高WPTS功效的抗偏移性，并提出了带有附加正交线圈的DDQ(D型正交线圈)线圈，以消除DD线圈之间出现的功率零点；有研究在不影响WPTS传输功率的前提下，提出了一种可减少导线用量的BP(bipolar primary，原边双极)线圈结构；有研究对比了圆形和方形线圈在无线充电应用场景下的功效情况，指出方形线圈更适合应用于无线充电；有研究优化了方形线圈的匝数和品质因数；有研究采用扁平螺线管提高系统效率和抗偏移的能力，并对线圈结构和匝数进行了优化。
在通过控制手段提升WPT(无线充电)抗偏移能力方面，有研究提出了一种基于均匀延时补偿方法的精确零电压开关角环路控制策略，建立了500W无线电能传输系统，当耦合系数等于0.22时，效率可达到94.17％；有研究针对大线圈失调的情况，设计了一套零相位角控制双向无线电动汽车充电系统，在线圈存在偏差时仍有较高输出效率；有研究对WPT系统进行了优化控制，并以一台2.5kW样机为例，使其效率提高了2.32％；有研究通过对WPT建模和控制设计，实现了传输效率最大化；有研究针对动态充电提出了发射线圈开关控制优化策略，获得最佳通电发射线圈数。
针对这一问题，本发明在三线圈磁耦合器的基础上，结合了两线圈与三线圈磁耦合器结构的优点，提出了基于阻抗匹配的中继线圈切换方法，使用该结构和方法的磁耦合器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。
发明内容
为了有效地增强无线充电系统的抗偏移能力，提高无线充电系统的稳定性，提出以下技术方案：
一种磁耦合器系统，包括：交流开关控制电路、补偿电容和线圈；
所述线圈包括：原边线圈(又称为发射线圈)、副边线圈(又称为接收线圈)和中继线圈；
所述补偿电容包括：原边补偿电容和副边补偿电容；
所述原边线圈与原边补偿电容连接，所述副边线圈与副边补偿电容连接；
所述交流开关控制电路与原边线圈、副边线圈和中继线圈均连接；
所述交流开关控制电路用于：通过其通断，使得整个磁耦合系统(又称为：磁耦合器)处于两线圈磁耦合器或者三线圈磁耦合器状态运行；
所述两线圈磁耦合器状态为：原边线圈和副边线圈运行工作；
所述三线圈磁耦合器状态为：原边线圈、中继线圈和副边线圈均运行工作。
在上述技术方案的基础上，所述交流开关控制电路包括：中继线圈开关；
所述中继线圈开关与中继线圈连接；
所述中级线圈开关用于：当中继线圈开关断开时，磁耦合器系统不加入中继线圈，处于两线圈磁耦合器状态运行，当中继线圈开关闭合时，磁耦合器系统加入中继线圈，处于三线圈磁耦合器状态运行。
一种中继线圈切换方法，应用上述磁耦合器系统，所述中继线圈切换方法为基于阻抗匹配的中继线圈切换方法，包括以下步骤：
S1、断开中继线圈开关，中继线圈断路，所述磁耦合器系统处于两线圈磁耦合器状态运行，得到两线圈磁耦合器的具体参数；
S2、根据公式(1)，得到两线圈运行时的磁耦合器系统的效率η2；
Figure BDA0002916318470000031
其中，
Figure BDA0002916318470000032
为原边电流相量、
Figure BDA0002916318470000033
是高频电压源电压相量、Rp为原边线圈的回路内阻、ω为角频率、Lp是原边线圈的自感、Cp是原边线圈的补偿电容、Mps为原边线圈与副边线圈之间的互感、Rs为副边线圈的回路内阻、Ls是副边线圈的自感、Cs是副边线圈的补偿电容、Req为等效的负载电阻、
Figure BDA0002916318470000041
为副边电流相量、η为效率、Pout为输出功率；
S3、闭合中继线圈开关，中继线圈电路导通，所述磁耦合器系统处于三线圈磁耦合器状态运行，得到三线圈磁耦合器的具体参数；
S4、同样，根据公式(1)，得到三线圈运行时的磁耦合器系统效率η3；
S5、判断两线圈磁耦合器的效率是否大于三线圈磁耦合器的效率；
如果两线圈磁耦合器的效率大于三线圈磁耦合器的效率，则进行步骤S6；
如果两线圈磁耦合器的效率不大于三线圈磁耦合器的效率，则，则进行步骤S7；
S6、断开中继线圈开关，使磁耦合器系统处于两线圈磁耦合器运行状态，切换结束；
S7、闭合中继线圈开关，使磁耦合器系统处于三线圈磁耦合器运行状态，切换结束。
在上述技术方案的基础上，两线圈磁耦合器(即未加入中继线圈)的理论效率公式如式(2)所示，
Figure BDA0002916318470000042
其中，η2为两线圈磁耦合器的效率，Rp为原边线圈的回路内阻，Rs为副边线圈的回路内阻，Req为等效的负载电阻，Mps为原边线圈与副边线圈之间的互感，ω为角频率，公式(2)反映了未加入中继线圈的磁耦合器效率的影响因素，当发生偏移时，两线圈磁耦合器的效率只与Mps有关。
在上述技术方案的基础上，三线圈磁耦合器(即加入中继线圈)的理论效率公式如式(3)所示，
Figure BDA0002916318470000043
其中，η3为加入三线圈磁耦合器的效率，Mpi为原边线圈与中继线圈之间的互感，Mis为中继线圈与副边线圈之间的互感，Ri为中继线圈的回路阻抗，公式(3)反映了加入中继线圈的磁耦合器效率的影响因素，当发生偏移时，加入中继线圈可以改变磁耦合器的效率。
在上述技术方案的基础上，根据公式(2)和(3)得到式(4)，
Figure BDA0002916318470000051
当λ<1时，不加入中继线圈(即中继线圈开关断开)，磁耦合器系统处于两线圈磁耦合器状态运行，当λ≥1时，加入中继线圈(即中继线圈开关闭合)，磁耦合器系统处于三线圈磁耦合器状态运行，通过中继线圈电路开关的通断，来提升磁耦合器系统的传输效率，相应的提高磁耦合器系统的抗偏移能力。
在上述技术方案的基础上，对于两线圈磁耦合器(即未加入中继线圈的磁耦合器)而言，当发生偏移时，随着Mps的减小，两线圈磁耦合器的输出电流Is关于Mps的函数是一个先增后减的函数，输出电流Is关于Mps的偏导函数式如式(5)所示，
Figure BDA0002916318470000052
其中，Up为发射端电源电压(即高频电压源电压相量
Figure BDA0002916318470000053
的有效值)，当Mps满足式(6)时输出电流Is(即副边电流相量
Figure BDA0002916318470000054
的有效值)取得最大值，
Figure BDA0002916318470000055
阻抗不匹配会导致磁耦合器线圈损耗增大，从而导致磁耦器效率下降。
前述磁耦合器系统在电动汽车无线充电中的应用。
前述中继线圈切换方法在电动汽车无线充电中的应用。
本发明的有益技术效果如下：
本发明提出的磁耦合器系统及中继线圈切换方法，具体是：当磁耦合器系统在运行无线充电，出现效率下降时，利用交流开关控制电路，使磁耦合器系统选择在两线圈或者三线圈状态运行，以提升效率；通过效率判别，选择磁耦合器系统在偏移情况下，是处于两线圈运行状态，还是处于三线圈运行状态。本发明在不改变磁耦合器系统的线圈参数的情况下，通过控制中继线圈切换，确保在磁耦合器系统偏移的过程中，效率不低于90％，有效地增强了电动汽车用无线充电系统的抗偏移能力。
附图说明
本发明有如下附图：
图1带有可切换中继线圈的磁耦合器系统的线圈三维结构示意图；
图2中继线圈切换方法的流程示意图；
图3发生横向偏移时两线圈磁耦合器和三线圈磁耦合器的效率对比曲线示意图；
图4发生纵向偏移时两线圈磁耦合器和三线圈磁耦合器的效率对比曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。
带有可切换中继线圈的磁耦合器系统的线圈三维结构示意图如图1所示，图2为实施中继线圈切换方法的的流程示意图，磁耦合器系统的线圈结构的具体参数如表1所示。
表1带有可切换中继线圈的磁耦合器系统的部分具体参数
Figure BDA0002916318470000061
Figure BDA0002916318470000071
图3和图4表示的是，当磁耦合器系统的发射线圈(即原边线圈)和接收线圈(即副边线圈)分别发生水平偏移(即横向偏移)和垂直偏移(即纵向偏移)时，带有可切换中继线圈的磁耦合器系统进行中继线圈切换时的效率变化情况；从图中可以看出，切换两线圈磁耦合器系统在近距离(小于200mm)偏移时的效率最高，带有可切换中继线圈的三线圈磁耦合器系统在较远距离偏移时的效率高于两线圈磁耦合器系统，说明近距离偏移可以采用两线圈，较远距离偏移时可以采用三线圈磁耦合器系统。
综上所述，使用切换中继线圈控制方法的三线圈磁耦合器可以有效地提升自身及整套无线充电系统的抗偏移能力，实现了设计目的。
显然，本发明上述实施例的原理阐述仅仅是为清楚地说明本发明所做的举例，而并非是对本发明实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里没有对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种磁耦合器系统，其特征在于，包括：交流开关控制电路、补偿电容和线圈；
所述线圈包括：原边线圈、副边线圈和中继线圈；
所述补偿电容包括：原边补偿电容和副边补偿电容；
所述原边线圈与原边补偿电容连接，所述副边线圈与副边补偿电容连接；
所述交流开关控制电路与原边线圈、副边线圈和中继线圈均连接；
所述交流开关控制电路用于：通过其通断，使得整个磁耦合系统处于两线圈磁耦合器或者三线圈磁耦合器状态运行；
所述两线圈磁耦合器状态为：原边线圈和副边线圈运行工作；
所述三线圈磁耦合器状态为：原边线圈、中继线圈和副边线圈均运行工作。
2.如权利要求1所述的磁耦合器系统，其特征在于：
所述交流开关控制电路包括：中继线圈开关；
所述中继线圈开关与中继线圈连接；
所述中级线圈开关用于：当中继线圈开关断开时，磁耦合器系统不加入中继线圈，处于两线圈磁耦合器状态运行，当中继线圈开关闭合时，磁耦合器系统加入中继线圈，处于三线圈磁耦合器状态运行。
3.一种应用权利要求1或2所述的磁耦合器系统的中继线圈切换方法，其特征在于：
所述中继线圈切换方法为基于阻抗匹配的中继线圈切换方法，包括以下步骤：
S1、断开中继线圈开关，中继线圈断路，所述磁耦合器系统处于两线圈磁耦合器状态运行；
S2、根据公式(1)，得到两线圈运行时的磁耦合器系统的效率η2；
Figure FDA0002916318460000021
其中，
Figure FDA0002916318460000022
为原边电流相量、
Figure FDA0002916318460000023
是高频电压源电压相量、Rp为原边线圈的回路内阻、ω为角频率、Lp是原边线圈的自感、Cp是原边线圈的补偿电容、Mps为原边线圈与副边线圈之间的互感、Rs为副边线圈的回路内阻、Ls是副边线圈的自感、Cs是副边线圈的补偿电容、Req为等效的负载电阻、
Figure FDA0002916318460000024
为副边电流相量、η为效率、Pout为输出功率；
S3、闭合中继线圈开关，中继线圈电路导通，所述磁耦合器系统处于三线圈磁耦合器状态运行；
S4、同样，根据公式(1)，得到三线圈运行时的磁耦合器系统效率η3；
S5、判断两线圈磁耦合器的效率是否大于三线圈磁耦合器的效率；
如果两线圈磁耦合器的效率大于三线圈磁耦合器的效率，则进行步骤S6；
如果两线圈磁耦合器的效率不大于三线圈磁耦合器的效率，则，则进行步骤S7；
S6、断开中继线圈开关，使磁耦合器系统处于两线圈磁耦合器运行状态，切换结束；
S7、闭合中继线圈开关，使磁耦合器系统处于三线圈磁耦合器运行状态，切换结束。
4.如权利要求3所述的中继线圈切换方法，其特征在于：
两线圈磁耦合器的理论效率公式如式(2)所示，
Figure FDA0002916318460000031
其中，η2为两线圈磁耦合器的效率，Rp为原边线圈的回路内阻，Rs为副边线圈的回路内阻，Req为等效的负载电阻，Mps为原边线圈与副边线圈之间的互感，ω为角频率，当发生偏移时，两线圈磁耦合器的效率只与Mps有关。
5.如权利要求4所述的中继线圈切换方法，其特征在于：
三线圈磁耦合器的理论效率公式如式(3)所示，
Figure FDA0002916318460000032
其中，η3为加入三线圈磁耦合器的效率，Mpi为原边线圈与中继线圈之间的互感，Mis为中继线圈与副边线圈之间的互感，Ri为中继线圈的回路阻抗。
6.如权利要求5所述的中继线圈切换方法，其特征在于：
根据公式(2)和(3)得到式(4)，
Figure FDA0002916318460000033
当λ<1时，不加入中继线圈，磁耦合器系统处于两线圈磁耦合器状态运行，当λ≥1时，加入中继线圈，磁耦合器系统处于三线圈磁耦合器状态运行。
7.如权利要求5所述的中继线圈切换方法，其特征在于：
对于两线圈磁耦合器，当发生偏移时，随着Mps的减小，两线圈磁耦合器的输出电流Is关于Mps的函数是一个先增后减的函数，输出电流Is关于Mps的偏导函数式如式(5)所示，
Figure FDA0002916318460000034
其中，Up为发射端电源电压，当Mps满足式(6)时输出电流Is取得最大值，
Figure FDA0002916318460000041
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