CN115395668A - 一种具有直线阵列式发射线圈的电动汽车无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种具有直线阵列式发射线圈的电动汽车无线充电系统，包括基于阵列线圈发射机构的磁耦合机构；磁耦合机构包括发射端和接收端；发射端包括直流电源、高频全桥逆变电路、发射端谐振补偿电路和阵列发射线圈；接收端包括接收线圈、接收线圈磁芯、接收端谐振补偿电路、全桥整流电路、滤波电路和负载；直流电源、高频全桥逆变电路、发射端谐振补偿电路与阵列发射线圈依次串联连接；接收线圈及接收线圈磁芯、接收端谐振补偿电路、全桥整流电路、滤波电路与负载依次串联连接；接收端安装于电动汽车，发射端安装于路面。该系统能够实现更快的充电速度，提高充电效率，降低能源损耗。

Description

一种具有直线阵列式发射线圈的电动汽车无线充电系统

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，特别涉及一种具有直线阵列式发射线圈的电动汽车无线充电系统。

背景技术

随着经济的快速发展和科技水平进步，人们的生活水平得到改善，电动汽车由于其零排放、无污染的特点受到越来越多的关注。但是由于车载电池容量限制导致续航里程有限且存在充电时间长等问题，电动汽车的普及应用受到限制。无线电能传输技术的发展为上述问题提供了解决方案。目前电动汽车的充电方式主要分为有线充电和无线充电两种方式：有线充电方式是通过在停车场等特定区域建造充电站，在充电站安装一系列的充电桩以满足电动汽车充电要求。无线充电方式通过无线电能传输技术实现电能一次侧到二次侧的传输，无接触的完成电动汽车的充电工作。无线充电方式具有更好的安全性、便捷性，受环境影响小，同时避免了电缆使用及插头拔插，因此无线充电比有线充电方式更具竞争力。

电动汽车无线充电技术主要采用磁场耦合的方式来传输电能，其原理是在路面下埋设一系列的发射线圈，通过电能变换电路产生高频交变磁场，由路面上安装在电动汽车底部的接收线圈拾取能量，从而为车载储能设备充电，这种方式大大减少电动汽车本身搭载的电池组数量，并能延长其续航里程。目前无线电能传输技术应用到电动汽车领域还存在一些不足：电动汽车在无线充电过程中不可避免的会产生偏移，此时无线电能传输效率会随偏移距离增大而急剧减少；由于汽车轮胎与地面之间存在一定高度，从而导致无线充电系统存在较大传输气隙，传输效率也会因此受到影响。

基于以上原因，传统磁耦合机构难以满足电动汽车领域远距离、高偏移及大功率等充电需求。磁耦合机构作为磁场耦合式无线电能传输系统的关键组成部分，其优化设计对系统传输特性以及抗偏移能力有直接影响。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提供一种具有直线阵列式发射线圈的电动汽车无线充电系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种具有直线阵列式发射线圈的电动汽车无线充电系统，包括基于阵列线圈发射机构的磁耦合机构；磁耦合机构包括发射端和接收端；发射端包括直流电源、高频全桥逆变电路、发射端谐振补偿电路和阵列发射线圈；接收端包括接收线圈、接收线圈磁芯、接收端谐振补偿电路、全桥整流电路、滤波电路和负载；直流电源、高频全桥逆变电路、发射端谐振补偿电路与阵列发射线圈依次串联连接；接收线圈及接收线圈磁芯、接收端谐振补偿电路、全桥整流电路、滤波电路与负载依次串联连接；接收端安装于电动汽车，发射端安装于路面。

在上述具有直线阵列式发射线圈的电动汽车无线充电系统中，高频全桥逆变电路为第一开关管V₁、第二开关管V₂、第三开关管V₃和第四开关管V₄构成的全桥逆变电路；全桥整流电路为第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃和第四二极管D₄构成的全桥整流电路；发射端谐振补偿电路包括分别与高频全桥逆变电路和磁耦合机构的阵列发射线圈连接的第一补偿电容C₁；接收端谐振补偿电路包括分别与接收线圈磁芯和全桥整流电路连接的第二补偿电容C₂；滤波电路包括连接于全桥整流电路之间的滤波电容C；直流电源连接于全桥逆变电路之间；负载连接于滤波电容C两端；阵列发射线圈包括五个圆形线圈按45°夹角立体排列组成的直线型阵列线圈，五个圆形线圈的尺寸、结构、线圈匝数完全相同；接收线圈为圆形线圈，接收线圈磁芯为矩形，接收线圈磁芯平铺在接收线圈上方，且紧贴接收线圈，接收线圈磁芯安装于电动汽车底盘；阵列发射线圈位于接收线圈下方，且接收线圈磁芯的面积大于接收线圈面积；二者相对设置，实现磁耦合。

在上述具有直线阵列式发射线圈的电动汽车无线充电系统中，阵列发射线圈和接收线圈均采用Litz线圈，其磁场方向与路面垂直；接收线圈沿接收线圈磁芯由外至内绕制而成；接收线圈磁芯为铁氧体磁芯。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明所述应用于电动汽车无线充电系统的磁耦合机构由磁芯和所覆盖线圈组成。这种磁耦合机构是在考虑空间磁场分布后，优化设计获得。具有磁通密度高，耦合系数高，不易发生磁饱和，且添加铁氧体磁芯后，减小接收端上方的漏磁，对磁场屏蔽效果好等优点。

2.本发明通过改变发射线圈放置方向和排列结构，能够在相同的输入功率下，使发射线圈的漏磁通达到最小，从而达到更高的功率密度。在相同材料的基础上，发射线圈能够实现更高功率输出，从而具有更快充电速度，同时提高充电效率，降低能源损耗。

3.本发明工作时，高频交变电流通过发射线圈，在发射线圈磁场的约束下，在发射端上方形成高频交变磁场，位于磁耦合机构正上方的接收线圈与发射线圈形成的磁场耦合，在接收线圈中感应出电流，通过合理的结构设计，大大增强了正上方磁场强度，耦合机构正对时，能量大部分传输给接收线圈，较大幅度提升了系统能量传输效率，实现电能高效无线传输。

附图说明

图1为本发明实施例一种具有直线阵列式发射线圈的电动汽车无线充电系统结构框图；

图2为本发明实施例一种具有直线阵列式发射线圈的电动汽车无线充电系统简化电路模型。

图3为本发明实施例一种具有直线阵列式发射线圈的电动汽车无线充电系统磁耦合机构示意图；

图4(a)为本发明实施例一种具有直线阵列式发射线圈的电动汽车无线充电系统磁耦合机构的主视图；

其中，1-接收线圈磁芯、2-接收线圈；

图4(b)为本发明实施例一种具有直线阵列式发射线圈的电动汽车无线充电系统磁耦合机构的俯视图；

其中，3-阵列发射线圈；

图5为本发明实施例一种具有直线阵列式发射线圈的电动汽车无线充电系统中Halbach阵列线圈仿真模型磁场分布云图；

图6为本发明实施例一种具有直线阵列式发射线圈的电动汽车无线充电系统磁耦合机构与其他不同线圈磁耦合机构的磁通密度对比图；

图7为本发明实施例一种具有直线阵列式发射线圈的电动汽车无线充电系统磁耦合机构与使用不同线圈的磁耦合机构抗横向偏移能力对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动的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，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施例提出了一种新型发射线圈结构，主要提出一种基于海尔贝克(Halbach)阵列的新型磁耦合机构，并对其进行结构优化。将Halbach阵列的理念运用在电动汽车无线充电系统中，简要介绍Halbach阵列是一种直线型磁体排列结构，该种磁体排列结构能有效增强单侧磁感应强度。优点在于新型磁耦合机构能够提高发射线圈磁感应强度、接收线圈磁通密度，从而提高无线充电系统传输效率。此外，本实施例还能有效提高无线充电系统的抗偏移能力，解决现有磁耦合机构抗偏移能力较差的问题。

本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种具有直线阵列式发射线圈的电动汽车无线充电系统，包括基于阵列线圈发射机构的磁耦合机构，磁耦合机构包括发射端和接收端；发射端包括直流电源、高频全桥逆变电路、发射端谐振补偿电路和阵列发射线圈；接收端包括接收线圈、接收线圈磁芯、接收端谐振补偿电路、全桥整流电路、滤波电路和负载；直流电源、高频全桥逆变电路、发射端谐振补偿电路与阵列发射线圈依次串联连接，接收线圈及磁芯、接收端谐振补偿电路、全桥整流电路、滤波电路与负载依次串联连接；全桥逆变电路包括第一开关管V₁、第二开关管V₂、第三开关管V₃和第四开关管V₄；发射端谐振补偿电路包括第一补偿电容C₁、接收端谐振补偿电路包括第二补偿电容C₂；全桥整流电路包括第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃和第四二极管D₄；滤波电路包括滤波电容C；第一补偿电容C₁的一端连接全桥逆变电路，另一端连接阵列发射线圈。第二补偿电容C₂的一端连接全桥整流电路，另一端连接接收线圈磁芯。滤波电容C连接于全桥整流电路之间。直流电源连接于全桥逆变电路之间，负载连接于滤波电容C两端。

无线充电系统的等效电路模型为：

根据基尔霍夫电压定律对等效电路模型列写KVL方程为：

式中，U₁为发射端交流电压源，R₁为发射端等效电阻，L₁为发射端线圈自感，C₁为发射端串联谐振补偿电容；R₂为接收端端等效电阻，M为耦合线圈之间互感，L₂为接收端线圈自感，C₂为接收端串联谐振补偿电容；R_L为接收端端负载，I₁为发射端电流，I₂为接收端电流，ω为系统角频率。

推导得系统输出功率：

系统传输效率为：

又由于R₁＝R₂且远小于R_L和ωM，得到系统的效率简化表达式：

已知互感M与接收端线圈感应到的磁感应强度B和线圈面积S之间的关系为：

式中，N₂为接收端线圈匝数，B为磁感应强度，S为线圈面积，I₂为接收端电流。则系统效率也可以表示为：

式中，ω为系统角频率，B为磁感应强度，S为线圈面积，N₂为接收端线圈匝数，U₁为发射端交流电压源。

由式(6)可知，当接收端线圈接收到的磁通量Φ越多时，线圈之间的传输效率也随之提高。

由上述推导公式可知：当线圈在任意位置都能够接收到较大磁感应强度B时，无线充电系统具有较高传输效率。因此，为了提高线圈之间传输效率与抗偏移能力，提出了本实施例基于阵列线圈发射机构的磁耦合机构。

磁耦合机构主要包括发射端与接收端，磁耦合机构发射线圈是由五个圆形线圈按45°角度排列组成直线型阵列线圈，将该阵列线圈串联接入无线充电系统发射线圈回路构成发射端。接收线圈为圆形线圈，接收线圈磁芯为矩形铁氧体磁芯。

发射端位于接收端下方，且二者正对放置。接收端铁氧体磁芯平铺在接收线圈上方，并且紧贴接收线圈设置。

阵列发射线圈的中心点、接收线圈中心点与接收端磁芯中心点对齐时为最优摆放位置，此时无线充电效率最高。

阵列发射线圈均为利兹线绕制而成的圆形结构线圈，阵列发射线圈的磁场方向与路面垂直。

接收线圈磁芯选用铁氧体磁芯材料，接收线圈磁芯位于接收线圈上方，接收线圈磁芯的面积大于接收线圈面积。接收线圈为利兹线绕制而成的圆形结构线圈，接收线圈沿接收线圈磁芯由外至内绕制而成。

阵列发射线圈均按照45°夹角立体排列组成直线型阵列线圈，阵列发射线圈的五个圆形线圈的尺寸、结构、线圈匝数完全相同。

具体实施时，如图1所示，一种具有直线阵列式发射线圈的电动汽车无线充电系统，无线充电系统基于阵列线圈发射机构的磁耦合机构，磁耦合机构包括发射端和接收端；

发射端包括直流电源、高频全桥逆变电路、发射端谐振补偿电路和阵列发射线圈；

接收端包括接收线圈、接收线圈磁芯、接收端谐振补偿电路、全桥整流电路、滤波电路和负载；

直流电源、高频全桥逆变电路、发射端谐振补偿电路与阵列发射线圈依次连接，接收线圈及磁芯、接收端谐振补偿电路、全桥整流电路、滤波电路与负载依次连接。

全桥逆变电路包括四个开关管第一开关管V₁、第二开关管V₂、第三开关管V₃、第四开关管V₄；

发射端谐振补偿电路包括第一补偿电容C₁、接收端谐振补偿电路包括第二补偿电容C₂；

全桥整流电路包括第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄；

滤波电路包括滤波电容C；

如图2所示，无线充电系统建立等效电路模型。

根据基尔霍夫电压定律对等效电路模型列写KVL方程为：

式中，U₁为发射端交流电压源，R₁为发射端等效电阻，L₁为发射端线圈自感，C₁为发射端串联谐振补偿电容；R₂为接收端端等效电阻，M为耦合线圈之间互感，L₂为接收端线圈自感，C₂为接收端串联谐振补偿电容；R_L为接收端端负载，I₁为发射端电流，I₂为接收端电流，ω为系统角频率。

系统发射端等效阻抗：

系统接收端等效阻抗和互阻抗(Z₂₁为S结构接收端等抗)：

整理式(7)得：

当系统满足谐振条件时，(7)式可以化简为：

系统发射端电流与接收端电流I₁、I₂分别为

得出系统输出功率：

系统传输效率为：

又由于R₁＝R₂且远小于R_L和ωM，得到系统的效率简化表达式：

互感M与接收端线圈感应到的磁感应强度B和线圈面积S之间的关系为：

式中，N₂为接收端线圈匝数，B为磁感应强度，S为线圈面积，I₂为接收端电流。则系统效率也可以表示为：

式中，ω为系统角频率，B为磁感应强度，S为线圈面积，N₂为接收端线圈匝数，U₁为发射端交流电压源。

由式(17)可知，当接收端线圈接收到的磁通量Φ越多时，线圈之间的传输效率也随之提高。

由上述分析可知：当线圈在任意位置都能够接收到较大磁感应强度B时，无线充电系统具有较高传输效率。因此，为了提高线圈之间传输效率与抗偏移能力，提出了基于阵列线圈发射机构的磁耦合机构。

磁耦合机构结构示意图如图3所示，主要包括发射端与接收端，发射端包括由五个圆形线圈按45°角度直线排列组成的直线型阵列线圈，由该组线圈构成完整无线充电系统发射线圈。接收端包括接收线圈磁芯和圆形接收线圈，接收线圈磁芯为方形铁氧体磁芯。发射端位于接收端下方，二者相对设置，并进行磁耦合。接收线圈铁氧体磁芯平铺在接收线圈上方，并且紧贴接收线圈设置。

图4(a)为磁耦合机构主视图，图4(b)为磁耦合机构俯视图，接收端包含接收线圈2和接收线圈磁芯1(铁氧体磁芯)，且接收线圈磁芯1位于接收线圈2上方。阵列发射线圈3为五个串联线圈组成阵列式发射结构。接收线圈磁芯1安装于汽车底盘中，接收线圈磁芯构造为圆环形结构软磁体磁芯材料，软磁体磁芯材料为铁氧体，通过设置软磁体磁芯能够有效提高磁耦合机构耦合能力、降低漏磁。

在COMSOL软件中对本实施例磁耦合机构进行有限元仿真，得到Halbach线圈磁场分布云图，图5为发射线圈XOZ平面磁场分布云图，由图可知线圈大大增加了磁通密度，且磁场集中于线圈一侧。

通过在COMSOL软件中对本实施一会儿磁耦合机构(即基于Halbach阵列线圈且添加铁氧体磁芯的磁耦合机构)、基于Halbach阵列线圈且不添加铁氧体磁芯的磁耦合机构、圆形发射线圈加铁氧体磁芯磁耦合机构和圆形发射线圈磁耦合机构四种磁耦合机构进行有限元仿真，对比四种磁耦合机构在接收端磁通密度如图6所示。由此得出结论：当磁耦合机构为Halbach阵列线圈且接收线圈添加铁氧体磁芯组成时，接收线圈磁通密度最高且明显高于圆形发射线圈磁耦合机构，系统传输效果最好。

通过对本实施例耦合机构、基于Halbach阵列线圈且不添加铁氧体磁芯的磁耦合机构、圆形发射线圈加铁氧体磁芯磁耦合机构和圆形发射线圈磁耦合机构进行COMSOL仿真，记录四种磁耦合机构在沿x轴偏移时接收端线圈磁通量数据，得到了不同磁耦合机构抗偏移特性曲线如图7所示。结果表明基于Halbach阵列线圈且添加铁氧体磁芯的磁耦合机构抗横向偏移性能最强。

阵列发射线圈与接收线圈均采用Litz线圈实现，可以有效减小集肤效应和邻近效应对线圈造成的影响，在高频情况下有效降低电能损耗。

接收端包括接收端方形铁氧体磁芯和圆形接收线圈。发射端位于接收端下方，二者相对设置，并进行磁耦合。接收端铁氧体磁芯平铺在接收线圈上方，并且紧贴接收线圈设置。

阵列发射线圈均为利兹线绕制而成的圆形结构线圈，且发射线圈的磁场方向与路面垂直。阵列发射线圈均按照45°夹角立体排列组成。

耦合机构接收线圈磁芯选用铁氧体磁芯材料，其面积大于接收线圈的面积。接收线圈磁芯位于接收线圈上方，接收线圈沿接收线圈磁芯由外至内绕制而成。

阵列发射线圈的中心点、接收线圈中心点与接收线圈磁芯中心点对齐时为最优摆放位置，此时无线充电效率最高。

本实施例工作时，高频交变电流通过阵列发射线圈，在阵列发射线圈磁场的约束下，在发射端上方形成高频交变磁场，位于磁耦合机构正上方的接收线圈与阵列发射线圈形成的磁场耦合，在接收线圈中感应出电流，通过合理的结构设计，大大增强了正上方磁场强度，耦合机构正对时，能量大部分传输给接收线圈，且添加铁氧体磁芯后，减小接收端上方的漏磁，较大幅度提升了系统能量传输效率，实现电能高效无线传输。

本实施例一种具有直线阵列式发射线圈的电动汽车无线充电系统的磁耦合机构是在考虑空间磁场分布后，优化设计获得。具有磁通密度高，耦合系数高，不易发生磁饱和，漏磁少、对磁场屏蔽效果好，且抗横向偏移能力强和电磁兼容性高的优势。

与常规发射线圈相比，本实施例阵列发射线圈通过改变线圈放置方向和排列结构，能够使阵列发射线圈上方磁通达到最大，同时还可以减小发射线圈漏磁，即在相同输入功率下，发射线圈能够达到更高功率密度和传输效率。最终实现更快充电速度，提高充电效率，降低能源损耗。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种具有直线阵列式发射线圈的电动汽车无线充电系统，其特征在于：包括基于阵列线圈发射机构的磁耦合机构；磁耦合机构包括发射端和接收端；发射端包括直流电源、高频全桥逆变电路、发射端谐振补偿电路和阵列发射线圈；接收端包括接收线圈、接收线圈磁芯、接收端谐振补偿电路、全桥整流电路、滤波电路和负载；直流电源、高频全桥逆变电路、发射端谐振补偿电路与阵列发射线圈依次串联连接；接收线圈及接收线圈磁芯、接收端谐振补偿电路、全桥整流电路、滤波电路与负载依次串联连接；接收端安装于电动汽车，发射端安装于路面。

2.根据权利要求1所述具有直线阵列式发射线圈的电动汽车无线充电系统，其特征在于：高频全桥逆变电路为第一开关管V₁、第二开关管V₂、第三开关管V₃和第四开关管V₄构成的全桥逆变电路；全桥整流电路为第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃和第四二极管D₄构成的全桥整流电路；发射端谐振补偿电路包括分别与高频全桥逆变电路和磁耦合机构的阵列发射线圈连接的第一补偿电容C₁；接收端谐振补偿电路包括分别与接收线圈磁芯和全桥整流电路连接的第二补偿电容C₂；滤波电路包括连接于全桥整流电路之间的滤波电容C；直流电源连接于全桥逆变电路之间；负载连接于滤波电容C两端；阵列发射线圈包括五个圆形线圈按45°夹角立体排列组成的直线型阵列线圈，五个圆形线圈的尺寸、结构、线圈匝数完全相同；接收线圈为圆形线圈，接收线圈磁芯为矩形，接收线圈磁芯平铺在接收线圈上方，且紧贴接收线圈，接收线圈磁芯安装于电动汽车底盘；阵列发射线圈位于接收线圈下方，且接收线圈磁芯的面积大于接收线圈面积；二者相对设置，实现磁耦合。

3.根据权利要求2所述具有直线阵列式发射线圈的电动汽车无线充电系统，其特征在于：阵列发射线圈和接收线圈均采用Litz线圈，其磁场方向与路面垂直；接收线圈沿接收线圈磁芯由外至内绕制而成；接收线圈磁芯为铁氧体磁芯。

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