CN112953038B - 电动汽车静态无线充电系统及其电磁耦合机构和设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车静态无线充电系统及其电磁耦合机构和设计方法，所述电磁耦合机构包括：双极性原边发射线圈，包括：Q个单极性线圈，Q≥2；其中，相邻的两个单极性线圈正上方所产生的竖直方向上的磁场方向相反；复合型副边接收线圈，包括：主线圈A；主线圈BC，包括：主线圈B和主线圈C；所述主线圈B和所述主线圈C的绕制方向相反；辅助线圈DE，包括：辅助线圈D和辅助线圈E；所述辅助线圈D和所述辅助线圈E的绕制方向相反；辅助线圈FG，包括：辅助线圈F和辅助线圈G；所述辅助线圈F和所述辅助线圈G的绕制方向相反；本发明的电磁耦合机构具有较好的抗偏移性，能量传递稳定性较高。

Description

电动汽车静态无线充电系统及其电磁耦合机构和设计方法
技术领域
本发明涉及电动汽车静态无线充电技术领域，特别涉及一种电动汽车静态无线充电系统及其电磁耦合机构和设计方法。
背景技术
随着能源紧缺和环境污染问题的日益严重，汽车行业的节能减排已是汽车技术发展的主攻方向之一。电动汽车具有高效、节能、低噪音、零排放等显著特点，在节能环保方面具有传统燃油汽车不可比拟的优势，新能源电动汽车成为整个汽车行业发展的新方向和大趋势。
新能源电动汽车是汽车发展的主要方向，但是目前它的发展仍然面临着诸多困难，包括：汽车行业专注于采用车载充电器和位于停车场的快速充电站，电动车车主则设想在其车库内或道路上安装充电器，以作为一种夜间充电的便捷方式，购物中心停车场，快餐店和咖啡店外都设有充电站，在所有上述这些情况下，都需要一根导线将充电桩连接到电动车车辆。
目前，一种给配备有适当装置的电动车辆充电的替代方法是采用无线充电，无线充电提供了一种更直接，更方便的充电方法，摆脱了线缆的局限，可以即停即充，简单方便，也不会受到恶劣气候条件的影响。从理论上讲，无线充电技术的充电效率可以达到95％以上，但是，当接收线圈和发射线圈到达临界值时，充电效率会大幅下降，这个临界点在于接收线圈和发射线圈之间的气隙距离和偏移距离。对于电动汽车无线充电来讲，厘米级别的偏移距离对于司机来说还是一个较大的考验。综上，提高电磁耦合机构的抗偏移性对于电动汽车无线充电系统是一个较大的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动汽车静态无线充电系统及其电磁耦合机构和设计方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的电磁耦合机构具有较好的抗偏移性，能量传递稳定性较高。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种电动汽车静态无线充电系统的电磁耦合机构，包括：
双极性原边发射线圈，包括Q个单极性线圈，Q≥2；相邻的两个单极性线圈正上方所产生的竖直方向上的磁场方向相反；
复合型副边接收线圈，包括分层设置的主线圈A、主线圈BC、辅助线圈DE和辅助线圈FG，所述主线圈A、主线圈BC、辅助线圈DE和辅助线圈FG处于相互解耦状态；所述主线圈主线圈BC包括绕制方向相反的主线圈B和主线圈C，所述辅助线圈DE包括绕制方向相反的辅助线圈D和辅助线圈E；所述辅助线圈FG包括绕制方向相反的辅助线圈F和辅助线圈G；
其中，所述电磁耦合机构使用充电时，所述复合型副边接收线圈处于所述双极性原边发射线圈的正上方耦合范围之内。
本发明的进一步改进在于，所述双极性原边发射线圈中，Q个单极性线圈均为矩形线圈且尺寸相同。
本发明的进一步改进在于，基于电动汽车的前后左右，所述复合型副边接收线圈中，所述主线圈B和所述主线圈C设置于所述主线圈A的正上方且前后设置；所述辅助线圈D和所述辅助线圈E设置于所述主线圈B或所述主线圈C的正上方且左右设置；所述辅助线圈F和所述辅助线圈G设置于所述主线圈C或所述主线圈B的正上方且左右设置。
本发明的进一步改进在于，所述复合型副边接收线圈中，所述主线圈A、主线圈BC、辅助线圈DE和辅助线圈FG均分别经过各自的补偿拓扑和变换电路后再串联连接，之后用于与负载相连接。
本发明的进一步改进在于，所述复合型副边接收线圈中，所述主线圈A、主线圈B、主线圈C、辅助线圈D、辅助线圈E、辅助线圈F、辅助线圈G均为矩形线圈，主线圈B与主线圈A的宽度尺寸相同；辅助线圈D、辅助线圈E、辅助线圈F、辅助线圈G的宽度尺寸相同，且均为主线圈A宽度尺寸的一半；主线圈B、主线圈C、辅助线圈D、辅助线圈E、辅助线圈F、辅助线圈G的长度尺寸相同，且均为主线圈A长度尺寸的一半。
本发明的进一步改进在于，所述复合型副边接收线圈中，主线圈A、主线圈BC、辅助线圈DE、辅助线圈FG的匝数相等。
本发明的一种电动汽车静态无线充电系统，所述电动汽车静态无线充电系统设置有任一种本发明上述的电磁耦合机构。
本发明的一种电动汽车静态无线充电系统的电磁耦合机构的设计方法，包括以下步骤：
S1基于实际充电场地需求和电动汽车的类型，确定双极性原边发射线圈和复合型副边接收线圈的线圈尺寸以及电磁耦合机构的间隙G；
S2基于确定的复合型副边接收线圈的线圈尺寸，确定主线圈A、主线圈BC、辅助线圈DE、辅助线圈FG的线圈尺寸和设置位置，使得所述主线圈A、主线圈BC、辅助线圈DE和辅助线圈FG处于相互解耦状态，使得所述电磁耦合机构使用充电时，所述复合型副边接收线圈处于所述双极性原边发射线圈的正上方耦合范围之内。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S2中，在确定主线圈A、主线圈BC、辅助线圈DE、辅助线圈FG的线圈尺寸和设置位置之后，还包括：确定复合型副边接收线圈所用利兹线的线径，确定双极性原边发射线圈所用利兹线的线径；根据双极性原边发射线圈的线圈尺寸和线径，获得双极性原边发射线圈匝数N1；根据复合型副边接收线圈的线圈尺寸和线径，获得复合型副边接收线圈中主线圈A匝数N2；在电磁耦合机构间隙为G时，基于主线圈A匝数N2，确定复合型副边接收线圈中主线圈BC、辅助线圈DE、辅助线圈FG的匝数。
本发明的进一步改进在于，所述根据双极性原边发射线圈的线圈尺寸和线径，获得双极性原边发射线圈匝数N1；根据复合型副边接收线圈的线圈尺寸和线径，获得复合型副边接收线圈中主线圈A匝数N2；在电磁耦合机构间隙为G时，基于主线圈A匝数N2，确定复合型副边接收线圈中主线圈BC、辅助线圈DE、辅助线圈FG的匝数的步骤具体包括：
基于获得的在电磁耦合机构间隙为G时，电磁耦合机构的互感关于双极性原边发射线圈匝数N1和复合型副边接收线圈中主线圈A匝数N2的公式，建立电动汽车静态无线充电系统输出功率和输出效率关于双极性原边发射线圈匝数N1和复合型副边接收线圈中主线圈A匝数N2的公式，确定最优的双极性原边发射线圈匝数N1和最优的复合型副边接收线圈中主线圈A匝数N2；
所述主线圈A、主线圈BC、辅助线圈DE、辅助线圈FG的匝数相等。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的电磁耦合机构包括双极性原边发射线圈和复合型副边接收线圈，双极性原边发射线圈在同单极性线圈上面一定高度内的同一等高面上产生磁感应强度的竖直分量近似均匀的磁场，相邻的两个单极性线圈产生的磁场大小相等，方向相反；复合型副边接收线圈采用2个主线圈与2个辅助线圈的复合结构，基于磁场叠加原理，当复合型副边接收线圈位于双极性原边发射线圈上方一定高度平面内的不同位置时，2个主线圈和2个辅助线圈共同作用，并优化设计电磁耦合机构的结构和参数，以实现复合型副边接收线圈在双极性原边发射线圈上方一定高度下，同一等高面上任意方向上水行移动、竖直移动、任意角度旋转，均可在双极性原边发射线圈所产生的交错磁场中接收到近似相等的磁通量，实现电动汽车在规定的充电范围内不同的停车位置、不同的停车方向均可拾取相同的能量，以确保电动汽车无线充电系统在恒压条件下实现能量的传递。解决了电动汽车在静态充电时，非精准停车所带来的电压等级、功率等级和效率的下降等问题，解决了倾斜式停车位铺设无线充电系统的电磁耦合机构原边发射线圈排列复杂的问题；实现了电动汽车在规定的充电范围内不同的停车位置、不同的停车方向均可拾取相同的能量，以确保电动汽车无线充电系统在恒压条件下实现能量的传递。本发明设备无需插拔、无外部裸露线缆，安全可靠；无需汽车精准停车、可适用于不同类型的停车位置划分。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种电磁耦合机构的结构示意图；
图2是本发明实施例中，复合型副边接收线圈拆分示意图Ⅰ；
图3是本发明实施例中，复合型副边接收线圈拆分示意图Ⅱ；
图4是本发明实施例中，双极性原边发射线圈中单个单极性线圈的尺寸示意图；
图5是本发明实施例中，复合型副边接收线圈的尺寸示意图；
图6是本发明实施例中，双极性原边发射线圈绕线方式示意图；
图7是本发明实施例中，复合型副边接收线圈中主线圈A的绕线方式示意图；
图8是本发明实施例中，复合型副边接收线圈中主线圈BC的绕线方式示意图；
图9是本发明实施例中，复合型副边接收线圈中辅助线圈DE的绕线方式示意图；
图10是本发明实施例中，电磁耦合机构中原副边线圈特殊相对位置示意图；
图11是本发明实施例中，电磁耦合机构中原副边线圈常见相对位置示意图；
图12是本发明实施例中，电磁耦合机构中原副边线圈存在旋转角位置示意图Ⅰ；
图13是本发明实施例中，电磁耦合机构中原副边线圈存在旋转角位置示意图Ⅱ；
图14是本发明实施例中，电磁耦合机构中原副边线圈之间互感值随竖直方向偏移变化曲线示意图；
图15是本发明实施例中，电磁耦合机构中原副边线圈之间互感值随旋转角度变化曲线示意图Ⅰ；
图16是本发明实施例中，电磁耦合机构中原副边线圈之间互感值随旋转角度变化曲线示意图Ⅱ；
图中，1、双极性原边发射线圈；2、复合型副边接收线圈。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、元件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本发明，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
在本发明中，“模块”、“装置”、“系统”等指应用于计算机的相关实体，如硬件、硬件和软件的组合、软件或执行中的软件等。详细地说，例如，元件可以、但不限于是运行于处理器的过程、处理器、对象、可执行元件、执行线程、程序和/或计算机。还有，运行于服务器上的应用程序或脚本程序、服务器都可以是元件。一个或多个元件可在执行的过程和/或线程中，并且元件可以在一台计算机上本地化和/或分布在两台或多台计算机之间，并可以由各种计算机可读介质运行。元件还可以根据具有一个或多个数据包的信号，例如，来自一个与本地系统、分布式系统中另一元件交互的，和/或在因特网的网络通过信号与其它系统交互的数据的信号通过本地和/或远程过程来进行通信。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”，不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
请参阅图1，本发明实施例的一种电动汽车静态无线充电系统的电磁耦合机构，包括：双极性原边发射线圈1和复合型副边接收线圈2；其中，复合型副边接收线圈2位于双极性原边发射线圈1所对应的正上方范围之内。
请参阅图2和图3，本发明实施例中，复合型副边接收线圈2，包括：主线圈A，由一根利兹线绕制而成；主线圈BC，包括：主线圈B和主线圈C；其中，所述主线圈BC由一根利兹线绕制而成，所述主线圈B和所述主线圈C的绕制方向相反；辅助线圈DE，包括：辅助线圈D和辅助线圈E；其中，所述辅助线圈DE由一根利兹线绕制而成，所述辅助线圈D和所述辅助线圈E的绕制方向相反；辅助线圈FG，包括：辅助线圈F和辅助线圈G；其中，所述辅助线圈FG由一根利兹线绕制而成，所述辅助线圈F和所述辅助线圈G的绕制方向相反；其中，所述复合型副边接收线圈2安装时，基于电动汽车的前后左右，所述主线圈BC设置于所述主线圈A的正上方，所述主线圈B和所述主线圈C前后设置；所述辅助线圈DE设置于所述主线圈B或所述主线圈C的正上方，所述辅助线圈D和所述辅助线圈E左右设置；所述辅助线圈FG设置于所述主线圈C或所述主线圈B的正上方，所述辅助线圈F和所述辅助线圈G左右设置。
具体地，请参阅图2、图3、图7、图8、图9，本发明实施例中，所述复合型副边接收线圈2由两个主线圈A、BC和两个辅助线圈DE、FG复合组成；主线圈BC中的两单极性线圈前后放置，B线圈在前，C线圈在后；辅助线圈DE位于复合型副边接收线圈2的上半部，辅助线圈DE中的两单极性线圈左右放置，D线圈在左，E线圈在右；辅助线圈FG位于复合型副边接收线圈2的下半部，辅助线FG中的两单极性线圈左右放置，F线圈在左，G线圈在右。所述的复合型副边接收线圈2的主线圈A、主线圈BC、辅助线圈DE、辅助线圈FG均分别由一根利兹线绕制而成；所述的主线圈A为方形线圈，方形线圈的边长与双极性原边发射线圈1的单个单极性线圈的宽度lP相等，由一根利兹线顺时针绕制而成；所述的主线圈BC的两个单极性线圈大小相等，宽度与主线圈A的边长相等，单个单极性线圈的长等于主线圈A的边长的一半；所述的主线圈BC与主线圈等大，由一根利兹线绕制而成，单极性线圈B顺时针绕制，单极性线圈C逆时针绕制。所述复合型副边接收线圈2的辅助线圈DE和辅助线圈FG的大小和绕制方式相同；所述的辅助线圈的单个单极性线圈为方形线圈，边长为主线圈A的边长的一半；所述的辅助线圈DE由一根利兹线绕制而成，单极性线圈D顺时针绕制，单极性线圈E逆时针绕制；所述的辅助线圈FG由一根利兹线绕制而成，单极性线圈F顺时针绕制，单极性线圈G逆时针绕制。
请参阅图4，本发明实施例中，双极性原边发射线圈1由多个单极性线圈组合而成；双极性原边发射线圈1的多个单极性线圈可单独绕制后依次交错相连，其本质仍是一根利兹线绕制而成；双极性原边发射线圈1的多个线圈尺寸相同，宽度为wP，长度为lP；双极性原边发射线圈1的多个单极性线圈依次交错相连，亦或由一根利兹线绕制而成可避免相连单极性线圈之间互感影响，相邻两个单极性线圈正上方所产生的竖直方向上的磁场方向相反。
根据本发明实施例的电磁耦合机构，复合型副边接收线圈的主线圈A和主线圈BC之间的互感为零，主线圈A与辅助线圈DE、辅助线圈FG之间的互感为零，主线圈BC与辅助线圈DE、辅助线圈FG之间的互感为零；双极性原边发射线圈在同一高度的平面上产生的竖直方向上的磁感应强度大小近似相等，双极性原边发射线圈中相邻的两个单极性线圈所产生的磁场方向相反；复合型副边接收线圈由两个主线圈A、BC和两个辅助线圈DE、FG复合组成，复合型副边接收线圈中多个线圈的复合组成，在不同的情况下，不同的线圈起不同的作用。复合型副边接收线圈在双极性原边发射线圈的同一高度所对应的平面范围内，任意平行方向、任意垂直方向移动，任意角度的旋转，复合型副边接收线圈都可以从双极性原边发射线圈所产生的磁场中拾取到近似相等的能量。
请参阅图5和图6，本发明实施例中，所述的复合型副边接收线圈的主线圈A、主线圈BC、辅助线圈DE、辅助线圈FG均分别由一根利兹线绕制而成；所述的主线圈A为方形线圈，方形线圈的边长与双极性原边发射线圈的单个单极性线圈的宽度相等，由一根利兹线顺时针绕制而成；所述的主线圈BC的两个单极性线圈大小相等，宽度与主线圈A的边长相等，单个单极性线圈的长等于主线圈A的边长的一半；所述的主线圈BC与主线圈等大，由一根利兹线绕制而成。具体表述为，所述主线圈A、主线圈B、主线圈C、辅助线圈D、辅助线圈E、辅助线圈F、辅助线圈G均为矩形线圈，所述主线圈A的尺寸为wA和lA，所述主线圈B的尺寸为wBC和lB，所述主线圈C的尺寸为wBC和lC，所述辅助线圈D的尺寸为wD和lDE，所述辅助线圈E的尺寸为wE和lDE，所述辅助线圈F的尺寸为wF和lFG，所述辅助线圈G的尺寸为wG和lFG；其中，wBC＝wA，lDE＝lFG＝lB＝lC＝lA/2，wD＝wE＝wF＝wG＝wA/2。
本发明实施例的一种电动汽车静态无线充电系统的电磁机构的设计制作方法，具体步骤包括：
步骤(1)，依据实际充电场地的需求，确定双极性原边发射线圈的宽度wP，依据所要充电汽车类型确定电动汽车静态无线充电系统的电磁耦合机构的间隙G，应实际要求确定汽车所携带电磁耦合机构的副边接收线圈的边长大小lA，进而确定双极性原边发射线圈中单个单极性线圈的长wP；
步骤(2)，根据步骤(1)所确定的复合型副边接收线圈的尺寸大小，确定复合型副边接收线圈的主线圈A的尺寸wA和lA；再由复合型副边接收线圈的主线圈A的尺寸确定复合型副边接收线圈的主线圈B的尺寸，其中，wBC＝wA，lB＝lC＝lA/2；再由复合型副边接收线圈的主线圈A的尺寸确定复合型副边接收线圈的辅助线圈DE、FG的尺寸，其中，wDE＝wFG＝wA，wD＝wE＝wF＝wG＝wA/2，lDE＝lFG＝lA/2；
步骤(3)，根据电动汽车静态无线充电系统输出功率等级和输出电压的等级，确定复合型副边接收线圈所用利兹线的线径；再结合电动汽车静态无线充电系统的电磁耦合机构的前后端电路拓扑结构，确定电动汽车静态无线充电系统中高频逆变器输出的电压和电流等级，进而确定双极性原边发射线圈所用利兹线的线径；
步骤(4)，根据电动汽车静态无线充电系统的电磁耦合机构中双极性原边发射线圈的尺寸和线径，建立双极性原边发射线圈电感和内阻关于双极性原边发射线圈匝数N1的公式；根据电动汽车静态无线充电系统的电磁耦合机构中复合型副边接收线圈的尺寸和线径，建立复合型副边接收线圈电感和内阻关于复合型副边接收线圈中主线圈A匝数N2的公式；利用有限元仿真，确定在电磁耦合机构间隙为G时，电磁耦合机构的互感关于双极性原边发射线圈中主线圈A匝数N1和复合型副边接收线圈中主线圈A匝数N2的公式；
优选的包括：步骤(5)，根据步骤(4)所得到的公式，建立电动汽车静态无线充电系统输出功率和输出效率关于双极性原边发射线圈匝数N1和复合型副边接收线圈中主线圈A匝数N2的公式，再由此公式确定最优的双极性原边发射线圈匝数N1和最优的复合型副边接收线圈中主线圈A匝数N2；
优选的包括：步骤(6)，根据步骤(5)所得到的复合型副边接收线圈中主线圈A匝数N2，确定复合型副边接收线圈中主线圈BC、辅助线圈DE、辅助线圈FG的匝数，复合型副边接收线圈的主线圈A、主线圈BC、辅助线圈DE、辅助线圈FG的匝数相等；
步骤(7)，根据步骤(1)-(6)所得到的电动汽车静态无线充电系统的电磁耦合机构的线圈的尺寸、匝数、线径由外往内绕制线圈，其中，复合型副边接收线圈的主线圈A顺时针绕制，主线圈BC的单极性线圈B顺时针绕制、单极性线圈C逆时针绕制，辅助线圈DE的单极性线圈D顺时针绕制、单极性线圈E逆时针绕制，主线圈FG的单极性线圈F顺时针绕制、单极性线圈G逆时针绕制。
本发明实施例中，由于采用了上述方案，该磁路机构包括双极性原边发射线圈和复合型副边接收线圈，双极性原边发射线圈在同单极性线圈上面一定高度内的同一等高面上产生磁感应强度的竖直分量近似均匀的磁场，相邻的两个单极性线圈产生的磁场大小相等，方向相反；复合型副边接收线圈采用2个主线圈与2个辅助线圈的复合结构，基于磁场叠加原理，当复合型副边接收线圈位于双极性原边发射线圈上方一定高度平面内的不同位置时，2个主线圈和2个辅助线圈共同作用，并优化设计电磁耦合机构的结构和参数，以实现复合型副边接收线圈在双极性原边发射线圈上方一定高度下，同一等高面上任意方向上水行移动、竖直移动、任意角度旋转，均可在双极性原边发射线圈所产生的交错磁场中接收到近似相等的磁通量，实现电动汽车在规定的充电范围内不同的停车位置、不同的停车方向均可拾取相同的能量，以确保电动汽车无线充电系统在恒压条件下实现能量的传递。解决了电动汽车在静态充电时，非精准停车所带来的电压等级、功率等级和效率的下降等问题，解决了倾斜式停车位铺设无线充电系统的电磁耦合机构原边发射线圈排列复杂的问题；实现了电动汽车在规定的充电范围内不同的停车位置、不同的停车方向均可拾取相同的能量，以确保电动汽车无线充电系统在恒压条件下实现能量的传递。达到了本发明的目的。本发明设备无需插拔、无外部裸露线缆，安全可靠；无需汽车精准停车、可适用于不同类型的停车位置划分。
本发明优选实施例的一种电动汽车静态无线充电系统的电磁耦合机构，包括：双极性原边发射线圈和复合型副边接收线圈；复合型副边接收线圈位于双极性原边发射线圈所对应的正上方范围之内；复合型副边接收线圈的主线圈A、主线圈BC、辅助线圈DE、辅助线圈FG之间均不直接相连，而是经过各自的补偿拓扑和变换电路后再串联，再与负载相连；复合型副边接收线圈的主线圈A和主线圈BC之间的互感为零，主线圈A与辅助线圈DE、辅助线圈FG之间的互感为零，主线圈BC与辅助线圈DE、辅助线圈FG之间的互感为零。所述的双极性原边发射线圈有多个单极性线圈组合而成，所述的双极性原边发射线圈的多个单极性线圈可单独绕制后依次交错相连，其本质仍是一根利兹线绕制而成；双极性原边发射线圈的多个线圈尺寸相同，宽度为wP，长度为lP；双极性原边发射线圈的多个单极性线圈依次交错相连，亦或由一根利兹线绕制而成可避免相连单极性线圈之间互感影响，相邻两个单极性线圈正上方所产生的竖直方向上的磁场方向相反。所述的复合型副边接收线圈由两个主线圈A、BC和两个辅助线圈DE、FG复合组成；主线圈BC中的两单极性线圈前后放置，B线圈在前，C线圈在后；辅助线圈DE位于复合型副边接收线圈的上半部，辅助线圈DE中的两单极性线圈左右放置，D线圈在左，E线圈在右；辅助线圈FG位于复合型副边接收线圈的下半部，辅助线FG中的两单极性线圈左右放置，F线圈在左，G线圈在右。所述的复合型副边接收线圈的主线圈A、主线圈BC、辅助线圈DE、辅助线圈FG均分别由一根利兹线绕制而成；所述的主线圈A为方形线圈，方形线圈的边长与双极性原边发射线圈的单个单极性线圈的宽度lP相等，由一根利兹线顺时针绕制而成；所述的主线圈BC的两个单极性线圈大小相等，宽度与主线圈A的边长相等，单个单极性线圈的长等于主线圈A的边长的一半；所述的主线圈BC与主线圈等大，由一根利兹线绕制而成，单极性线圈B顺时针绕制，单极性线圈C逆时针绕制。所述的复合型副边接收线圈的辅助线圈DE和辅助线圈FG的大小和绕制方式相同；所述的辅助线圈的单个单极性线圈为方形线圈，边长为主线圈A的边长的一半；所述的辅助线圈DE由一根利兹线绕制而成，单极性线圈D顺时针绕制，单极性线圈E逆时针绕制；所述的辅助线圈FG由一根利兹线绕制而成，单极性线圈F顺时针绕制，单极性线圈G逆时针绕制。
本发明优选实施例的一种电动汽车静态无线充电系统的电磁耦合机构的设计方法，包括以下步骤：
依据实际充电场地的需求，确定双极性原边发射线圈的宽度wP，依据所要充电汽车类型确定电动汽车静态无线充电系统的电磁耦合机构的间隙G，应实际要求确定汽车所携带电磁耦合机构的副边接收线圈的边长大小lA＝L，进而确定双极性原边发射线圈中单个单极性线圈的长wP；根据所确定的复合型副边接收线圈的尺寸大小，确定复合型副边接收线圈的主线圈A的尺寸wA＝L和lA＝L；再由复合型副边接收线圈的主线圈A的尺寸确定复合型副边接收线圈的主线圈B的尺寸，其中，wBC＝wA＝L，lB＝lC＝lA/2＝L/2；再由复合型副边接收线圈的主线圈A的尺寸确定复合型副边接收线圈的辅助线圈DE、FG的尺寸，其中，wDE＝wFG＝wA＝L，wD＝wE＝wF＝wG＝wA/2＝L/2，lDE＝lFG＝lA/2＝L/2。
复合型副边接收线圈在双极性原边发射线圈的同一高度所对应的平面范围内，任意平行方向、任意垂直方向移动，任意角度的旋转，复合型副边接收线圈都可以从双极性原边发射线圈所产生的磁场中拾取到近似相等的能量。
请参阅图10，图10所示为电磁耦合机构中原副边线圈存在的两种特殊相对位置；当复合型副边接收线圈完全位于双极性原边发射线圈的一个单极性线圈正上方时，由于主线圈BC中线圈B和线圈C面积相等，接收到的磁场强度大小相等、方向相同，所以线圈B和线圈C面积能接收到有效磁通的有效面积相等，但由于主线圈BC中的线圈B和线圈C绕线相反，故主线圈BC在此位置能接收到有效磁通的有效面积为零。同理，辅助线圈DE和辅助线圈FG在此位置接收到有效磁通的有效面积也为零。此时定义主线圈接收到有效磁通的有效面积为S＝L2。当复合型副边接收线圈位于双极性原边发射线圈的两个单极性线圈上方，如图10中第二种特殊位置。此时主线圈A中一半面积接收到的磁场方向与另一半面积接收到磁场方向相反，因此主线圈A在此位置接收到有效磁通的面积为零。辅助线圈DE和辅助线圈FG在此位置接收到有效磁通的有效面积仍为零，理论与第一种特殊相对位置相同。主线圈BC中线圈B和线圈C接收到的磁场强度大小相等、方向相反，但由于主线圈BC中的线圈B和线圈C绕线相反，故主线圈BC在此位置能接收到有效磁通的有效面积为S＝L2。
请参阅图11，图11所示为电磁耦合机构中原副边线圈常见的相对位置示意图，此位置相对于图10中特殊相对位置1偏移距离为x，由以上理论分析可知，主线圈A在此位置接收到有效磁通的有效面积为SA＝L·(L-2x)；主线圈BC中单极性线圈B在此位置接收到有效磁通的有效面积为SB＝(L-2x)·L/2，主线圈BC中单极性线圈C在此位置接收到有效磁通的有效面积为SC＝L·L/2，故主线圈BC中单极性线圈C在此位置接收到有效磁通的有效面积为SBC＝2Lx；辅助线圈DE和辅助线圈FG在此位置接收到有效磁通的有效面积为SDE＝SFG＝0。因此复合型副边接收线圈在此位置接收到能接收到有效磁通的有效面积为S＝SA+SBC+SDE+SFG＝L2。
复合型副边接收线圈可能会相对于双极性原边发射线圈存在旋转角度，如图12和图13所示，定义阴影三角形面积为ΔS。
请参阅图12，由以上理论分析可知，主线圈A在此位置接收到有效磁通的有效面积为SA＝L2-2·ΔS；主线圈BC中单极性线圈C在此位置接收到有效磁通的有效面积为SBC＝0；辅助线圈DE和辅助线圈FG在此位置接收到有效磁通的有效面积为SDE＝SFG＝ΔS。因此复合型副边接收线圈在此位置接收到能接收到有效磁通的有效面积为S＝SA+SBC+SDE+SFG＝L2。
请参阅图13，由以上理论分析可知，主线圈A在此位置接收到有效磁通的有效面积为SA＝0；主线圈BC中单极性线圈C在此位置接收到有效磁通的有效面积为SBC＝L2-2·ΔS；辅助线圈DE和辅助线圈FG在此位置接收到有效磁通的有效面积为SDE＝SFG＝ΔS。因此复合型副边接收线圈在此位置接收到能接收到有效磁通的有效面积为S＝SA+SBC+SDE+SFG＝L2。
由以上具体分析可知，本发明的电磁耦合机构可以实现复合型副边接收线圈在双极性原边发射线圈的同一高度所对应的平面范围内，任意平行方向、任意垂直方向移动，任意角度的旋转，复合型副边接收线圈都可以从双极性原边发射线圈所产生的磁场中拾取到近似相等的能量。
具体实施例1
请参阅图1，本发明实施例的电磁耦合机构包括：双极性原边发射线圈和复合型副边接收线圈。本实施例选取双极性原边发射线圈的宽度wP＝200cm，电动汽车静态无线充电系统的电磁耦合机构的间隙G＝15cm，应实际要求确定汽车所携带电磁耦合机构的副边接收线圈的边长大小lA＝70cm。
请参阅图4和图5，根据图4和图5电磁耦合机构的尺寸表可确定双极性原边发射线圈中单个单极性线圈的尺寸为200cm×70cm，复合型副边接收线圈尺寸为70cm×70cm，主线圈A的尺寸为70cm×70cm，主线圈BC的尺寸为70cm×70cm，辅助线圈DE的尺寸为70cm×35cm，辅助线圈FG的尺寸为70cm×35cm。
由于双极性原边发射线圈的对称性可知，复合型副边接收线圈在相对于双极性原边发射线圈水平移动时，复合型副边接收线圈和双极性原边发射线圈的互感值是不变的。以下针对复合型副边接收线圈在相对于双极性原边发射线圈竖直方向移动和旋转两种情况，分析复合型副边接收线圈和双极性原边发射线圈的互感变化情况。
表1是实施例中本发明电磁耦合机构的复合型副边接收线圈在相对于双极性原边发射线圈竖直方向移动时，双极性原边发射线圈之间的互感值与复合型副边接收线圈、复合型副边接收线圈中的主线圈A、BC和辅助线圈DE、FG之间的互感大小。从表1中的数据可知，本发明电磁耦合机构的复合型副边接收线圈在相对于双极性原边发射线圈竖直方向移动时互感值变化为±2％。
表1.复合型副边接收线圈在相对于双极性原边发射线圈竖直方向移动时数据表
Figure BDA0002992835470000151
Figure BDA0002992835470000161
表2是实施例中本发明电磁耦合机构如图12所示位置的复合型副边接收线圈在相对于双极性原边发射线圈旋转时，双极性原边发射线圈之间的互感值与复合型副边接收线圈、复合型副边接收线圈中的主线圈A、BC和辅助线圈DE、FG之间的互感大小。从表1中的数据可知，本发明电磁耦合机构如图13所示位置的复合型副边接收线圈在相对于双极性原边发射线圈旋转时互感值变化为±2.84％。
表2.图12位置处复合型副边接收线圈在相对于双极性原边发射线圈旋转时数据表
Figure BDA0002992835470000162
Figure BDA0002992835470000171
表3是实施例中本发明电磁耦合机构如图13所示位置的复合型副边接收线圈在相对于双极性原边发射线圈旋转时，双极性原边发射线圈之间的互感值与复合型副边接收线圈、复合型副边接收线圈中的主线圈A、BC和辅助线圈DE、FG之间的互感大小。从表1中的数据可知，本发明电磁耦合机构如图13所示位置的复合型副边接收线圈在相对于双极性原边发射线圈旋转时互感值变化为±2.2％。
表3.图13位置处复合型副边接收线圈在相对于双极性原边发射线圈旋转时数据表
Figure BDA0002992835470000172
Figure BDA0002992835470000181
请参阅图14，实施例以曲线形式展示出本发明电磁耦合机构复合型副边接收线圈相对于双极性原边发射线圈竖直方向移动时，互感值的变化情况，MPA代表双极性原边发射线圈与复合型副边接收线圈的主线圈A的互感，MPBC代表双极性原边发射线圈与复合型副边接收线圈的主线圈BC的互感，MPDE代表双极性原边发射线圈与复合型副边接收线圈的辅助线圈DE的互感，MPFG代表双极性原边发射线圈与复合型副边接收线圈的辅助线圈FG的互感，MPS代表双极性原边发射线圈与复合型副边接收线圈的互感。
请参阅图15，实施例以曲线形式展示出本发明电磁耦合机构如图12所示位置的复合型副边接收线圈在相对于双极性原边发射线圈旋转时，互感值的变化情况，MPA代表双极性原边发射线圈与复合型副边接收线圈的主线圈A的互感，MPBC代表双极性原边发射线圈与复合型副边接收线圈的主线圈BC的互感，MPDE代表双极性原边发射线圈与复合型副边接收线圈的辅助线圈DE的互感，MPFG代表双极性原边发射线圈与复合型副边接收线圈的辅助线圈FG的互感，MPS代表双极性原边发射线圈与复合型副边接收线圈的互感。
请参阅图16，实施例以曲线形式展示出本发明电磁耦合机构如图13所示位置的复合型副边接收线圈在相对于双极性原边发射线圈旋转时，互感值的变化情况，MPA代表双极性原边发射线圈与复合型副边接收线圈的主线圈A的互感，MPBC代表双极性原边发射线圈与复合型副边接收线圈的主线圈BC的互感，MPDE代表双极性原边发射线圈与复合型副边接收线圈的辅助线圈DE的互感，MPFG代表双极性原边发射线圈与复合型副边接收线圈的辅助线圈FG的互感，MPS代表双极性原边发射线圈与复合型副边接收线圈的互感。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电动汽车静态无线充电系统的电磁耦合机构，其特征在于，包括：
双极性原边发射线圈（1），包括Q个单极性线圈，Q≥2；相邻的两个单极性线圈正上方所产生的竖直方向上的磁场方向相反；
复合型副边接收线圈（2），包括分层设置的主线圈A、主线圈BC、辅助线圈DE和辅助线圈FG，主线圈A、主线圈BC、辅助线圈DE和辅助线圈FG处于相互解耦状态；所述主线圈BC包括绕制方向相反的主线圈B和主线圈C，所述辅助线圈DE包括绕制方向相反的辅助线圈D和辅助线圈E；所述辅助线圈FG包括绕制方向相反的辅助线圈F和辅助线圈G；
其中，所述电磁耦合机构使用充电时，所述复合型副边接收线圈（2）处于所述双极性原边发射线圈（1）的正上方耦合范围之内；
基于电动汽车的前后左右，所述复合型副边接收线圈（2）中，所述主线圈B和所述主线圈C设置于所述主线圈A的正上方且前后设置；所述辅助线圈D和所述辅助线圈E设置于所述主线圈B或所述主线圈C的正上方且左右设置；所述辅助线圈F和所述辅助线圈G设置于所述主线圈C或所述主线圈B的正上方且左右设置；
所述复合型副边接收线圈（2）中，主线圈A、主线圈B、主线圈C、辅助线圈D、辅助线圈E、辅助线圈F、辅助线圈G均为矩形线圈；主线圈B与主线圈A的宽度尺寸相同；辅助线圈D、辅助线圈E、辅助线圈F、辅助线圈G的宽度尺寸相同，且均为主线圈A宽度尺寸的一半；主线圈B、主线圈C、辅助线圈D、辅助线圈E、辅助线圈F、辅助线圈G的长度尺寸相同，且均为主线圈A长度尺寸的一半。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车静态无线充电系统的电磁耦合机构，其特征在于，所述双极性原边发射线圈（1）中，Q个单极性线圈均为矩形线圈且尺寸相同。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车静态无线充电系统的电磁耦合机构，其特征在于，所述复合型副边接收线圈（2）中，主线圈A、主线圈BC、辅助线圈DE和辅助线圈FG均分别经过各自的补偿拓扑和变换电路后再串联连接，之后用于与负载相连接。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车静态无线充电系统的电磁耦合机构，其特征在于，所述复合型副边接收线圈（2）中，主线圈A、主线圈BC、辅助线圈DE、辅助线圈FG的匝数相等。
5.一种电动汽车静态无线充电系统，其特征在于，所述电动汽车静态无线充电系统设置有权利要求1至4中任一项所述的电磁耦合机构。
6.一种权利要求1所述的电动汽车静态无线充电系统的电磁耦合机构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1基于实际充电场地需求和电动汽车的类型，确定双极性原边发射线圈和复合型副边接收线圈的线圈尺寸以及电磁耦合机构的间隙G；
S2基于确定的复合型副边接收线圈的线圈尺寸，确定主线圈A、主线圈BC、辅助线圈DE、辅助线圈FG的线圈尺寸和设置位置，使得所述主线圈A、主线圈BC、辅助线圈DE和辅助线圈FG处于相互解耦状态，使得所述电磁耦合机构使用充电时，所述复合型副边接收线圈处于所述双极性原边发射线圈的正上方耦合范围之内。
7.根据权利要求6所述的一种电动汽车静态无线充电系统的电磁耦合机构的设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，在确定主线圈A、主线圈BC、辅助线圈DE、辅助线圈FG的线圈尺寸和设置位置之后，还包括：确定复合型副边接收线圈所用利兹线的线径，确定双极性原边发射线圈所用利兹线的线径；根据双极性原边发射线圈的线圈尺寸和线径，获得双极性原边发射线圈匝数N 1；根据复合型副边接收线圈的线圈尺寸和线径，获得复合型副边接收线圈中主线圈A匝数N 2；在电磁耦合机构间隙为G时，基于主线圈A匝数N 2，确定复合型副边接收线圈中主线圈BC、辅助线圈DE、辅助线圈FG的匝数。
8.根据权利要求7所述的一种电动汽车静态无线充电系统的电磁耦合机构的设计方法，其特征在于，所述根据双极性原边发射线圈的线圈尺寸和线径，获得双极性原边发射线圈匝数N 1；根据复合型副边接收线圈的线圈尺寸和线径，获得复合型副边接收线圈中主线圈A匝数N 2；在电磁耦合机构间隙为G时，基于主线圈A匝数N 2，确定复合型副边接收线圈中主线圈BC、辅助线圈DE、辅助线圈FG的匝数的步骤具体包括：
基于获得的在电磁耦合机构间隙为G时，电磁耦合机构的互感关于双极性原边发射线圈匝数N 1和复合型副边接收线圈中主线圈A匝数N 2的公式，建立电动汽车静态无线充电系统输出功率和输出效率关于双极性原边发射线圈匝数N 1和复合型副边接收线圈中主线圈A匝数N 2的公式，确定最优的双极性原边发射线圈匝数N 1和最优的复合型副边接收线圈中主线圈A匝数N 2；
所述主线圈A、主线圈BC、辅助线圈DE、辅助线圈FG的匝数相等。
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