CN114161954A - 一种用于电动汽车无线充电的磁耦合机构及补偿电路设计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电动汽车无线充电的磁耦合机构及补偿电路设计,其中磁耦合机构包括发射模块、中继模块、接收模块,发射模块置于地面端,接收模块置于车体底部,发射模块和接收模块均由金属屏蔽板、绝缘板、电感线圈、磁芯组成;中继模块置于发射模块与接收模块之间,由电感线圈和磁芯组成;发射模块中继模块、接收模块的两个分离线圈绕组螺旋缠绕在磁芯两侧;本发明还包括一种由有源中继组成的补偿拓扑电路结构。发射侧采用LCC补偿电路,中继线圈补偿电路采用串联补偿,为了提高系统性能,对中继线圈赋能,中继线圈的电源与发射线圈的逆变电源相同;接收侧采用LCC补偿。本发明不仅提高了系统的传输功率,而且增强了系统的抗偏移能力,同时增大了无线电能的传输距离。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域,尤其是涉及一种用于电动汽车无线充电的磁耦合机构及补偿电路设计。
背景技术
无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)利用电磁感应原理,通过空气介质将电能从一次侧传输给二次侧,以无接触火花、占地面积小、具有较强的环境适应能力的优点,广泛适用于各个领域,如手机电子产品、医疗设备、电动汽车、机器人等;其中无线充电不仅减少车载电池体积,而且充电过程具有更强的灵活性,具有较好的发展前景。
目前无线电能传输技术应用到电动汽车充电还有一些不足:
电动汽车在无线充电过程中不可避免在横向和纵向发生较大距离的偏移,无线电能的传输功率会随着偏移距离的增加而急剧减少。
无线电能传输的接收线圈一般布置于线圈底盘,为了不占用体积,发射线圈一般铺设在路面以下。由于汽车的轮胎与地面存在较大的高度,无线系统存在较大的传输气隙,无线电能的传输功率被进一步限制。
一般通过增加发射-接收线圈德尔尺寸和改变其形状,来增强线圈的磁耦合能力,但在实际应用中,线圈的尺寸容易受到周围环境的限制。
为了增大无线电能传输的距离,一般在发射侧和接收侧增加中继线圈,随着中继线圈数量的增加,给系统带来额外的损耗,难以提供大功率的无线电能传输。
鉴于以上原因,传统的磁耦合机构和补偿拓扑电路难以将无线充电应用到远距离、高偏移、大功率要求的电动汽车充电领域中。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于电动汽车无线充电的磁耦合机构及拓扑补偿电路设计。该磁耦合机构在电动汽车充电过程中,原副边正对以及出现偏移(横向、纵向)情况下,磁耦合能力都能满足电动汽车充电需求。
进一步地,发射模块和接收模块相同。
进一步地,发射模块和接收模块相同,均由金属屏蔽板、绝缘板、电感线圈、磁芯组成。
进一步地,中继模块由电感线圈和磁芯组成。
进一步地,发射模块置于地面端,接收模块置于车体底部,中继模块置于发射模块与接收模块之间。
进一步地,电感线圈由单股或多股利磁线或铜带或铜管并联绕制而成。
进一步地,磁芯为铁氧体磁芯。
进一步地,金属屏蔽板由导磁性不高、导电性性较强的金属材料制成。
进一步地,发射线圈阻抗匹配电路采用LCC补偿电路,中继线圈阻抗匹配电路采用串联补偿电路,接收线圈阻抗匹配电路采用LCC补偿电路。
进一步地,中继线圈的逆变电源和发射线圈的激励电源相同。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明设计的用于电动汽车无线充电的磁耦合机构及补偿电路中两组线圈螺旋缠绕在铁氧体两侧,磁通分布具有较强的方向性,磁耦合能力较强,具有较强的抗偏移性。
本发明设计的用于电动汽车无线充电的磁耦合机构及补偿电路中中继模块具有双面磁通特点,有效改善磁耦合区域的磁通分布,增加系统的传输距离。
本发明设计的用于电动汽车无线充电的磁耦合机构及补偿电路中铁氧体有效增强发射模块、中继模块、接收模块的磁场耦合能力,并且增强了线圈的品质因数,非常适合大功率无线电能传输中。
本发明设计的用于电动汽车无线充电的磁耦合机构及补偿电路中分离绕组易于调节,增加系统的灵活性。
本发明设计的用于电动汽车无线充电的磁耦合机构及补偿电路发射模块、中继模块、接收模块的阻抗匹配电路采用LCC-S(有源)-LCC显著提高无线电能的传输功率。
附图说明
图1为本发明提供的磁耦合机构的结构示意图;
图2为系统仿真图,其中(2a)为DDP线圈仿真图,(2b)为螺旋多绕组线圈仿真图;
图3为DDP线圈和螺旋多绕组线圈在X、Y轴上偏移时耦合系数对比图
图4为螺旋多绕组线圈YZ面磁场分布情况,其中,(4a)为正对时情况,(4b)为偏移240mm情况;
图5为补偿结构LCC-S-LCC有源中继系统等效电路图;
图6为LCC-S-LCC谐振电路简化电路图;
图7为四种拓扑补偿电路结构偏移时输出功率对比图;
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示,金属屏蔽板440置于最外侧,发射模块100与接收模块200均包括电感线圈410、磁芯 420、绝缘板410,中继模块300包括电感线圈410、磁芯420;电感线圈410是由两个分离绕组组成,该分离绕组由多股利兹线并联缠绕而成;磁芯420采用矩形铁氧体结构;金属屏蔽板440由铝材料制成,用作磁屏蔽,消除漏磁带来的潜在威胁;
图2为两种磁耦合机构的仿真图,其中,(2a)为常见的DDP线圈结构,(2b)为本发明提出的磁耦合机构,两个分离绕组螺旋缠绕在铁氧体两侧,两种磁耦合机构的主磁通都平行于线圈平面,利用有限元仿真软件Ansoft Maxwell 3D进行仿真分析,具体描述这两种结构在正对以及偏移情况下耦合系数的变化情况。
表1两种线圈结构仿真模型参数
图3为两种线圈结构在偏移情况下的耦合系数变化情况,具有相同体积的螺旋线圈和DDP线圈的耦合系数在正对时最大(0.23,0.12),随着偏移程度的增大,两种线圈的耦合系数都逐渐减少。在X轴方向,当偏移距离达到240mm时,螺旋多绕组线圈的耦合系数下降为0.17,DDP线圈的耦合系数下降为0.07,仅为螺旋多绕组线圈的41%;在Y轴方向,螺旋多绕组线圈的耦合系数仍然高于DDP线圈,故螺旋多绕组线圈耦合能力和抗偏移性均高于DDP线圈。
图4为螺旋多绕组线圈YZ面磁场分布情况,其中,(4a)为正对时情况,(4b)为偏移240mm情况。从X轴的正方向可以看到该平面上的磁感应强度分布,图(a)原副边正对时磁芯内的磁感应强度为左右均匀分布,磁耦合区域的磁感应强度较大,原副边的耦合系数较大;图(b)为接收端的磁耦合机构偏移240mm 的情况,耦合区域的磁感应强度减少幅度不大,整个耦合区域的磁感应强度分布仍然均匀,减缓了磁阻的增大,对于提高系统的抗偏移性能有利,故螺旋多绕组线圈的抗偏移性优于DDP线圈,与之前仿真的结论相一致。
针对电动汽车无线充电的发射线圈和接收线圈距离较远问题,在发射侧和接收侧之间增加中继线圈,起到”接力”作用,将发射线圈的能量传递给接收侧,在三线圈的基础上,给中继线圈添加与发射线圈相同的电压源。
图5为偿结构LCC-S-LCC有源中继系统等效电路图,发射侧的阻抗匹配电路和接收侧的阻抗匹配电路均为LCC型的谐振网络,中继模块的阻抗匹配电路为串联补偿结构,L1、L2、L3分别为发射模块的电感线圈410、接收模块的电感线圈410、中继模块的电感线圈410。
图6为LCC-S-LCC谐振电路简化电路图,系统发生谐振时,谐振频率为:
其中,ω0为系统的谐振频率,Lf1、Lf2、Cf1、Cf2为发射端和接收端的补偿电感、电容,L3s为中继线圈的等效漏感。根据图6推导出补偿电容C1和C2的表达式为:
表2 LCC-S-LCC仿真模型参数
表3 S-S-S仿真模型参数
图7为四种拓扑补偿电路结构偏移时输出功率对比图,LCC-S-LCC(有源)的输出功率最高,当沿着 Y轴偏移距离为0mm时,输出功率最高可达6553ω,随着偏移偏移程度的增加,输出功率急剧减少,但输出功率仍然高于其它三种拓扑结构,大概是LCC-S-LCC(无源)输出功率的两倍。S-S-S有源和无源两种拓扑结构的输出功率相差不大,有源中继并没有起到增加输出功率作用,故S-S-S拓扑的中继线圈一般不采用有源结构。综合考虑LCC-S-LCC(有源)的输出功率最高,抗偏移性能最强。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种用于电动汽车无线充电的磁耦合机构,包括发射模块、中继模块、接收模块,发射模块置于地面端,接收模块置于车体底部,中继模块置于发射模块与接收模块之间,其特征在于,发射模块和接收模块均由金属屏蔽板、绝缘板、电感线圈、磁芯组成,中继模块由电感线圈和磁芯组成。
2.根据权利要求1所述的用于电动汽车无线充电的磁耦合机构,其特征在于两个分离线圈绕组螺旋缠绕磁芯两侧。
3.根据权利要求1所述的用于电动汽车无线充电的磁耦合机构,其特征在于电感线圈由单股或多股利磁线或铜带或铜管并联绕制而成。
4.根据权利要求1所述的用于电动汽车无线充电的磁耦合机构,其特征在于磁芯为铁氧体磁芯。
5.根据权利要求1所述的用于电动汽车无线充电的磁耦合机构,其特征在于金属屏蔽板由导磁性不高、导电性性较强的金属材料制成。
6.根据权利要求1所述的用于电动汽车无线充电的磁耦合机构,其特征在于绝缘板为环氧树脂板或有机玻璃板或钢化玻璃板。
7.一种用于电动汽车无线充电的补偿电路,其特征在于,采用如权利1-6任一项所述的用于电动汽车无线充电的磁耦合机构,包括依次电性连接的直流电源、逆变模块、发射线圈阻抗匹配电路、中继线圈阻抗匹配电路,所述发射侧阻抗匹配电路与发射线圈连接,所述中继侧阻抗匹配电路与中继线圈连接;还包括依次电性连接的发射侧阻抗匹配电路、整流电路、负载,所述接收侧阻抗匹配电路与接收线圈连接。
8.根据权利要求7所述的用于电动汽车无线充电的补偿电路,其特征在于,发射线圈阻抗匹配电路采用LCC补偿电路,中继线圈阻抗匹配电路采用串联补偿电路,中继线圈的电源与发射线圈的逆变电源相同,接收线圈阻抗匹配电路采用LCC补偿电路。
9.根据权利要求7所述的用于电动汽车无线充电的补偿电路,其特征在于,所述补偿电路的谐振电感为磁耦合机构的电感线圈。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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