CN112874331B - 带有可切换中继线圈的电动汽车无线充电磁耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明属于电动汽车无线充电技术领域，具体为一种带有可切换中继线圈的电动汽车无线充电磁耦合器，所述磁耦合器是在对两线圈和三线圈结构磁耦合器进行的优化设计，通过对磁耦合器偏移情况下进行比较后发现，两线圈磁耦合器在近距离，所述近距离为：≤线圈尺寸的30％左右时，偏移效率不低于90％，三线圈磁耦合器在远距离，所述远距离为：＞线圈尺寸的30％左右时，偏移效率不低于90％，因而提出了一种带有可切换中继线圈的电动汽车无线充电磁耦合器，提高了电动汽车无线充电用磁耦合器及无线充电系统的抗偏移能力。

Description

带有可切换中继线圈的电动汽车无线充电磁耦合器

技术领域

本发明属于电动汽车无线充电技术领域，特别涉及一种带有优化中继线圈的电动汽车无线充电磁耦合器。

背景技术

无线充电技术因其可实现无接触静态充电以及行驶过程中动态充电等独特优势在电动汽车领域得到广泛应用及发展。然而，无线充电系统的传输效率和功率受外界扰动影响的矛盾仍然突出。其中，最大的扰动便是由于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。在现有大多数WPTS(无线充电系统)中，均是在WPTS能量传输线圈间相对位置重合度较高情况下才能完成较高效率充电。

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％，系统功率也会发生波动。

研究发现通过加入中继线圈，使用如附图3所示的三线圈磁耦器结构，在偏移情况下接收线圈的能量接收面积被等效地增大了，故三线圈结构无线充电系统在远距离传输时具有较好的抗偏移能力。该结构需要在发射线圈与接收线圈之间固定一个中继线圈，但在电动汽车无线充电应用中很难寻找到这样一个空间或者支撑点来固定中继线圈，并且在近距离能量传输时，两线圈磁耦合器的性能优于三线圈磁耦合器。

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，通过对中继线圈进行优化设计，提出了带有切换中继线圈结构的电动汽车无线充电磁耦合器，使用该结构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

本发明的目的在于，提供带有可切换中继线圈的电动汽车无线充电磁耦合器。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种带有可切换中继线圈的电动汽车无线充电磁耦合器，包括：原边线圈、副边线圈和中继线圈，所述原边线圈、副边线圈和中继线圈水平平行布置，所述中继线圈置于原边线圈内，所述原边线圈为发射线圈，副边线圈为接收线圈，所述原边线圈、中继线圈和副边线圈的缠绕方式为平面圆角矩形缠绕；中间没有任何导磁金属介质，完全依靠空气进行能量传递，通过闭合和断开中继线圈的开关，使磁耦合器处于两线圈或者三线圈运行状态，

所述发射线圈边长为：700mm，匝数为：17；所述中继线圈边长为：400mm，匝数为：13；所述接收线圈边长为：700mm，匝数为17；所述发射线圈与接收线圈间垂直距离为200mm，所述发射线圈于中继线圈间垂直距离为0mm；

在上述方案的基础上，所述中继线圈结构具体尺寸的确定方法包括如下步骤：

步骤11首先确定发射线圈和接收线圈的间隔d，所述间隔d单位为mm；根据实际应用情况，d应该不小于200mm，因而发射线圈和接收线圈的间隔取为200mm；

步骤12确定发射线圈的外边长和接收线圈的外边长，考虑到实际的空间和成本，发射线圈和接收线圈尺寸不宜过大，当发射线圈和接收线圈尺寸过小会导致效率过低，因而，发射线圈和接收线圈尺寸最小应不小于600mm，故尺寸的取值范围为600～800mm之间，最终确定发射线圈和接收线圈外边长为700mm；

步骤13中继线圈的外边长和匝数的确定：

l≤x-6.5n₁ (1)

l≤6.5n₂ (2)

其中，l为中继线圈的外边长，x为发射线圈和接收线圈的外边长，单匝线圈线径为6.5mm，n₁为发射线圈和接收线圈的匝数，n₂为中继线圈的匝数；

考虑设计要求的功效指标与线圈互感参数有关，发射线圈与接收线圈的互感，发射线圈与接收线圈的匝数、外边长，发射线圈与接收线圈间隔，关系式如下：

M＝M_l1la+M_l2lb+M_l3lc+M_l4ld+M_l1lc+M_lal3+M_l2ld+M_lbl4 (4)

其中，M为线圈之间总的互感，M_l1la为边l₁与边l_a之间的互感，M_l2lb为边l₂与边l_b之间的互感，M_l3lc为边l₃与边l_c之间的互感，M_l4ld为边l₄与边l_d之间的互感，M_l1lc为边l₁与边l_c之间的互感，M_lal3为边l_a与边l₃之间的互感，M_l2ld为边l₂与边l_d之间的互感，M_lbl4为边l_b与边l₄之间的互感，l₁、l₂、l₃、l₄为发射线圈的外边长，l_a、l_b、l_c、l_d为接收线圈的外边长,l_Tx为发射线圈的每匝长度，l_Rx为接收线圈的每匝长度，N_Tx为发射线圈的匝数，N_Rx为接收线圈的匝数，R为发射线圈与接收线圈间距离；μ₀为空气中的磁感应系数，d为发射线圈与接收线圈间横向距离，y₁、y₂分别为发射线圈与接收线圈的纵向距离，h为发射线圈与接收线圈间的垂直距离；

步骤14当输出电压与负载确定时，磁耦合器输出的功率和效率只和互感参数有关，公式(6)(7)为磁耦合器的输出功率和效率公式，通过输出功率和效率指标确定中继线圈的具体参数。

其中，U_p是高频电压源，L_p、L_s、L_i分别是发射线圈、接收线圈和中继线圈的自感，ω为角频率，R_p、R_s、R_i分别是发射线圈、接收线圈和中继线圈的系统电阻，C_p、C_s、C_i分别是发射线圈、接收线圈和中继线圈的补偿电容，M_ps是发射线圈和接收线圈之间的互感，M_pi是发射线圈和中继线圈之间的互感，M_is是中继线圈和接收线圈之间的互感，R_eq是系统等效负载电阻,Z_p、Z_s、Z_i分别是发射线圈、接收线圈和中继线圈的等效阻抗，P_out为三线圈磁耦合器的输出功率，η为三线圈磁耦合器的效率。

一种考虑偏移情况时中继线圈结构的设计方法：其具体步骤为：

步骤21首先根据实际需要，设定无线充电磁耦合器要达到的技术指标：输出功率≥3kW，效率≥90％；

步骤22根据步骤21中所要达到的技术指标，确定相应的磁耦合器的工作参数，所述工作参数包括：发射线圈、接收线圈和中继线圈的绕制方式，发射线圈和接收线圈尺寸、匝数，磁耦合器的补偿参数和工作频率。

步骤23在步骤22确定发射线圈和接收线圈尺寸和匝数的基础上，选择合适中继线圈的尺寸和匝数；

步骤24在步骤23的基础上，建耦合器仿真模型，计算发射线圈、接收线圈以及中继线圈的自感和线圈间的互感，根据公式(6)计算接收线圈的输出功率，根据公式(7)计算效率。

其中，U_p是高频电压源，L_p、L_s、L_i分别是发射线圈、接收线圈和中继线圈的自感，R_p、R_s、R_i分别是发射线圈、接收线圈和中继线圈的系统电阻，C_p、C_s、C_i分别是发射线圈、接收线圈和中继线圈的补偿电容，M_ps是发射线圈和接收线圈之间的互感，M_pi是发射线圈和中继线圈之间的互感，M_is是中继线圈和接收线圈之间的互感，R_eq是系统等效负载电阻,Z_p、Z_s、Z_i分别是发射线圈、接收线圈和中继线圈的等效阻抗，ω为系统角频率。

步骤25判断步骤24得到的输出功率和效率是否满足步骤21中所设置的技术指标，如果满足，进行下一步，如果不满足，返回到步骤23重新确定中继线圈尺寸和匝数。

步骤26在完成步骤21～步骤25后，确定中继线圈参数。

带有中继线圈的磁耦合器包括：交流开关、补偿电容、中继线圈、发射线圈和接收线圈，所述中继线圈与交流开关、补偿电容连接，通过交流开关控制电路的通断，来使整个磁耦合器处于两线圈或者三线圈状态运行，

1)切换中继线圈的原理

(1)未加入中继线圈时，接收线圈折算到发射线圈的反射阻抗，

式(8)中，Z_r为反射阻抗，w为角频率，M为线圈之间互感，Z_s为磁耦合器线圈的阻抗，由于发生偏移，使得线圈之间的耦合系数减小，线圈之间互感减小，导致折算到发射线圈的反射阻抗减小。

(2)未加入中继线圈时磁耦合器效率和反射阻抗的关系

在式(9)中,Z_r为发射线圈的阻抗，P_in为磁耦合器的初始有功功率，P_out为磁耦合器输出功率，η₁为未加入中继线圈的磁耦合器的效率，可以看出反射阻抗的较小会导致磁耦器效率的降低，

(3)加入中继线圈，三线圈磁耦合器的输出功率和效率：

其中，R_i为中继线圈上的电阻之和，C_i为中继线圈上的补偿电容，L_i为中继线圈自感，η₂为加入中继线圈磁耦合器的效率，P₂为此时磁耦合器的输出功率。

当发射阻抗减小时通过加入中继线圈，可以提高磁耦合器的效率。

一种中继线圈的切换方法，流程图如附图2所示，具体步骤如下：

步骤31首先断开开关，中继线圈断路，使带有可切换中继线圈的电动汽车无线充电磁耦合器以两线圈的状态运行，得到两线圈磁耦合器的具体参数，所述参数包括：发射线圈和接收线圈的自感、发射线圈和接收线圈间互感、发射线圈和接收线圈的电压、电流。

步骤32根据两线圈磁耦合器的效率公式(15)，得到两线圈运行时的磁耦合器效率。

其中，

为原边电流相量，

是高频电压源电压相量，

为副边线圈电流相量，

为副边线圈电压相量，L_p和L_s分别是原边线圈和副边线圈的自感，R_p和R_s分别是原边线圈和副边线圈的系统电阻，C_p和C_s分别是原边线圈和副边线圈的补偿电容，M_ps是原边线圈和副边线圈之间的互感，R_eq是系统等效负载电阻，η₃为两线圈磁耦合器的效率。

步骤33闭合开关，中继线圈电路导通，带有可切换中继线圈的电动汽车无线充电磁耦合器以三线圈的状态运行，得到三线圈磁耦合器的具体参数。

步骤34根据三线圈磁耦合器的效率公式(7)，得到三线圈运行时的磁耦合器效率。

步骤35判断两线圈磁耦合器效率是否大于三线圈磁耦合器效率，如果满足，进行下一步，如果不满足，则进行步骤37。

步骤36断开中继线圈的开关，使磁耦合器处于两线圈运行状态，结束

步骤37闭合中继线圈的开关，使磁耦合器处于三线圈运行状态，结束。

本发明的有益效果：

本发明提出的结构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

本发明有如下附图：

图1带有可切换中继线圈的磁耦合器三维示意图。

图2中继线圈切换流程图。

图3三线圈磁耦合器三维示意图。

图4线圈偏移情况示意图。

图5中继线圈优化设计流程图。

图6发生水平偏移时不同磁耦合器效率对比示意图。

图7发生水平偏移时两种磁耦合器功率对比示意图。

图8发生垂直偏移时两种磁耦合器功率对比示意图。

图9发生水平偏移时两种磁耦合器效率对比示意图。

图10发生垂直偏移时两种磁耦合器效率对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图1～10，对实施示例作详细说明。

本申请所述的带有可切换中继线圈的电动汽车无线充电磁耦合器的三维示意图如附图1所示，附图2为实施中继线圈切换的流程图，附图1所示结构是通过附图3所示的三线圈磁耦合器结构优化中继线圈得到，附图1结构的具体参数如附表1中所示。附图3中的磁耦合器结构的线圈参数如附表2中所示，中继线圈优化设计流程图如附图5所示。

附表1带有优化中继线圈磁耦合器的具体参数

附表2三线圈磁耦合器的具体参数

在附图6中，当磁耦合器的发射线圈和接收线圈发生水平偏移时，三线圈磁耦合器和本申请提供的带有可切换中继线圈的电动汽车无线充电磁耦合器中继线圈的抗偏移能力分别如图中黑色实线和黑色点画线两条曲线所示，可以看出，本申请提供的带有可切换中继线圈的电动汽车无线充电磁耦合器中继线圈与三线圈磁耦合器效率相近且效率均高于90％，说明本申请优化设计的本申请提供的带有可切换中继线圈的电动汽车无线充电磁耦合器中继线圈可以提高磁耦合器的抗偏移能力。

同样地，附图7和附图8表示的是，当磁耦合器的发射线圈和接收线圈发生水平和垂直偏移时，三线圈磁耦合器和本申请提供的带有可切换中继线圈的电动汽车无线充电磁耦合器中继线圈的功率变化情况，从图中可以看出，本申请提供的带有可切换中继线圈的电动汽车无线充电磁耦合器中继线圈与三线圈磁耦合器功率率相近，说明优化设计的中继线圈有一定的合理性。

同样地，附图9和附图10表示的是，当磁耦合器的发射线圈和接收线圈发生水平和垂直偏移时，本申请提供的带有可切换中继线圈的电动汽车无线充电磁耦合器中继线圈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在近距离，所述近距离为：小于200mm时，偏移时的效率最高，本申请提供的带有可切换中继线圈的电动汽车无线充电磁耦合器中继线圈在较远距离偏移时效率高于两线圈磁耦合器，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。

综上所述，本申请提供的带有可切换中继线圈的电动汽车无线充电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。本说明书中未作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 (2)

1.一种带有可切换中继线圈的电动汽车无线充电磁耦合器，其特征在于，包括：原边线圈、副边线圈和中继线圈，所述原边线圈、副边线圈和中继线圈水平平行布置，所述中继线圈置于原边线圈内，所述原边线圈为发射线圈，副边线圈为接收线圈，所述原边线圈、中继线圈和副边线圈的缠绕方式为平面圆角矩形缠绕；中间没有任何导磁金属介质，完全依靠空气进行能量传递，通过闭合和断开中继线圈的开关，使磁耦合器处于两线圈或者三线圈运行状态，

所述发射线圈边长为：700mm，匝数为：17；所述中继线圈边长为：400mm，匝数为：13；所述接收线圈边长为：700mm，匝数为17；所述发射线圈与接收线圈间垂直距离为200mm，所述发射线圈与中继线圈间垂直距离为0mm；

所述中继线圈结构具体尺寸的确定方法包括：

步骤11首先确定发射线圈和接收线圈的间隔d，所述间隔d单位为mm；根据实际应用情况，d不小于200mm，因而发射线圈和接收线圈的间隔取为200mm；

步骤12确定发射线圈的外边长和接收线圈的外边长，考虑到实际的空间和成本，发射线圈和接收线圈尺寸不宜过大，当发射线圈和接收线圈尺寸过小会导致效率过低，因而，发射线圈和接收线圈尺寸最小不小于600mm，故尺寸的取值范围为600～800mm之间，最终确定发射线圈和接收线圈外边长为700mm；

步骤13中继线圈的外边长和匝数的确定：

l≤x-6.5n₁ (1)

l≤6.5n₂ (2)

其中，l为中继线圈的外边长，x为发射线圈和接收线圈的外边长，单匝线圈线径为6.5mm，n₁为发射线圈和接收线圈的匝数，n₂为中继线圈的匝数；

考虑设计要求的功效指标与线圈互感参数有关，发射线圈与接收线圈互感与发射线圈与接收线圈匝数、外边长、发射线圈以及接收线圈间隔的关系式如下：

M＝M_l1la+M_l2lb+M_l3lc+M_l4ld+M_l1lc+M_lal3+M_l2ld+M_lbl4 (4)

其中，M为线圈之间总的互感，M_l1la为边l₁与边l_a之间的互感，M_l2lb为边l₂与边l_b之间的互感，M_l3lc为边l₃与边l_c之间的互感，M_l4ld为边l₄与边l_d之间的互感，M_l1lc为边l₁与边l_c之间的互感，M_lal3为边l_a与边l₃之间的互感，M_l2ld为边l₂与边l_d之间的互感，M_lbl4为边l_b与边l₄之间的互感，l₁、l₂、l₃、l₄为发射线圈的外边长，l_a、l_b、l_c、l_d为接收线圈的外边长,l_Tx为发射线圈的每匝长度，l_Rx为接收线圈的每匝长度，N_Tx为发射线圈的匝数，N_Rx为接收线圈的匝数，R为发射线圈与接收线圈间距离；μ₀为空气中的磁感应系数，d为发射线圈与接收线圈间横向距离，y₁、y₂分别为发射线圈与接收线圈的纵向距离，h为发射线圈与接收线圈间的垂直距离；

步骤14当输出电压与负载确定时，磁耦合器输出的功率和效率只和互感参数有关，公式(6)(7)为磁耦合器的输出功率和效率公式，通过输出功率和效率指标确定中继线圈的具体参数；

其中，U_p是高频电压源，L_p、L_s、L_i分别是发射线圈、接收线圈和中继线圈的自感，ω为角频率，R_p、R_s、R_i分别是发射线圈、接收线圈和中继线圈的系统电阻，C_p、C_s、C_i分别是发射线圈、接收线圈和中继线圈的补偿电容，M_ps是发射线圈和接收线圈之间的互感，M_pi是发射线圈和中继线圈之间的互感，M_is是中继线圈和接收线圈之间的互感，R_eq是系统等效负载电阻,Z_p、Z_s、Z_i分别是发射线圈、接收线圈和中继线圈的等效阻抗，P_out为三线圈磁耦合器的输出功率，η为三线圈磁耦合器的效率；

所述中继线圈结构的设计方法具体包括如下步骤：

步骤21首先根据实际需要，设定无线充电磁耦合器要达到的技术指标：输出功率≥3kW，效率≥90％；

步骤22根据步骤21中所要达到的技术指标，确定相应的磁耦合器的工作参数，所述工作参数包括：发射线圈、接收线圈和中继线圈的绕制方式，发射线圈和接收线圈尺寸、匝数，磁耦合器的补偿参数和工作频率；

步骤23在步骤22确定发射线圈和接收线圈尺寸和匝数的基础上，选择合适中继线圈的尺寸和匝数；

步骤24在步骤23的基础上，建耦合器仿真模型，计算发射线圈、接收线圈以及中继线圈的自感和线圈间的互感，根据公式(6)计算接收线圈的输出功率，根据公式(7)计算效率：

步骤25判断步骤24得到的输出功率和效率是否满足步骤21中所设置的技术指标，如果满足，进行下一步，如果不满足，返回到步骤23重新确定中继线圈尺寸和匝数；

步骤26在完成步骤21～步骤25后，确定中继线圈参数。

2.如权利要求1所述的带有可切换中继线圈的电动汽车无线充电磁耦合器，其特征在于，所述中继线圈的切换方法包括如下具体步骤：

步骤31首先断开开关，中继线圈断路，使带有可切换中继线圈的电动汽车无线充电磁耦合器以两线圈的状态运行，得到两线圈磁耦合器的具体参数，所述参数包括：发射线圈和接收线圈的自感、发射线圈和接收线圈间互感、发射线圈和接收线圈的电压、电流；

步骤32根据两线圈磁耦合器的效率公式(15)，得到两线圈运行时的磁耦合器效率；

其中，

为原边电流相量，

是高频电压源电压相量，

为副边线圈电流相量，

为副边线圈电压相量，L_p和L_s分别是原边线圈和副边线圈的自感，R_p和R_s分别是原边线圈和副边线圈的系统电阻，C_p和C_s分别是原边线圈和副边线圈的补偿电容，M_ps是原边线圈和副边线圈之间的互感，R_eq是系统等效负载电阻，η₃为两线圈磁耦合器的效率；

步骤33闭合开关，中继线圈电路导通，带有可切换中继线圈的电动汽车无线充电磁耦合器以三线圈的状态运行，得到三线圈磁耦合器的具体参数；

步骤34根据三线圈磁耦合器的效率公式(7)，得到三线圈运行时的磁耦合器效率；

步骤35判断两线圈磁耦合器效率是否大于三线圈磁耦合器效率，如果满足，进行下一步，如果不满足，则进行步骤37；

步骤36断开中继线圈的开关，使磁耦合器处于两线圈运行状态，结束；

步骤37闭合中继线圈的开关，使磁耦合器处于三线圈运行状态，结束。

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