CN116054430B - 一种具有强抗侧移性能的动态无线充电用耦合机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线充电技术领域，具体公开了一种具有强抗侧移性能的动态无线充电用耦合机构。该耦合机构包括供电发射导轨与接收机构，供电发射导轨包括发射机构，发射机构包括发射线圈，接收机构包括串联的主线圈以及关于主线圈对称设置的第一从线圈与第二从线圈，且第一从线圈与第二从线圈反向串联。当接收机构的中心正对供电发射导轨时，接收机构中第一从线圈与第二从线圈的输出电流等效为0，等效为只有主线圈进行工作；当接收机构的中心侧移供电发射导轨时，接收机构中第一从线圈与第二从线圈对主线圈进行增强补偿。本申请通过主从线圈之间的分时工作原理使耦合机构具有更好的抗侧移性能和更宽的侧移允许范围，以及相同的侧移范围情况下更小的线圈互感衰减幅度。

Description

一种具有强抗侧移性能的动态无线充电用耦合机构

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，具体是一种具有强抗侧移性能的动态无线充电用耦合机构。

背景技术

随着科技的发展，电动汽车无线充电技术(Electric Vehicles Wireless PowerTransfer，EVWPT)近年来得到了广泛关注，相比传统的有线传导式充电，无线充电有效解决了充电接口接触磨损、漏电触电以及线缆老化等问题，且具备功率兼容性高，环境适应强的特点。EVWPT包括静态无线充电(Static Wireless Charging，SWC)和动态无线充电(Dynamic Wireless Charging，DWC)两种模式。其中，SWC需要建设无线充电站和充电平台，占用大量土地，且车辆仍需停车充电，与有线充电相比并未便捷许多；而DWC模式只需对现有道路增设无线充电所需的电能发射装置，电动汽车即可实现“边跑边充”的持续充电效果，有效延长了行驶里程，可以减少电池容量和充电时间，是解决电动汽车充电不灵活、用户体验差、里程焦虑、环境适应性差、电池体积庞大等问题的关键。

现有的DWC技术通过沿道路设置的一系列电能发射线圈(即供电发射导轨)和车载电能接收线圈进行能量传输，供电发射导轨多使用两相或三相的双极型导轨结构，车载线圈则使用圆形或方形线圈。电动汽车行驶过程中，由于转弯、会车、变道等原因，很难保证车身一直位于车道的正中位置(即车道中心线处)，这种靠近车道右侧或左侧的行驶状态称为侧向偏移，简称侧移。考虑到美观和施工准确的问题，工程中供电发射导轨一般设置在车道中心线处，这使得车辆的侧移将导致无线充电装置的位置无法对准中心线，车辆并不处在最佳电能传输线路上，进而导致接收线圈与供电发射导轨的互感下降，接收电压电流、输出功率均出现下降的问题。一般地，记车辆在道路中心线处的接收信号峰值为Pmax，则接收信号≥80％Pmax的区域为DWC系统的侧移范围，此范围越大，DWC系统的抗侧移性能越强。而DWC系统的抗侧移性能主要取决于两部分：耦合机构本身的尺寸与耦合机构磁场在空间中的分布模式。前者直接影响DWC系统的建设成本，后者需要根据实际应用的诸多因素综合考虑并专门设计。根据这两部分，现有的提升DWC系统抗侧移性能的方式有两种：

(1)基于控制的抗侧移技术

DWC系统架构可分为原边装置与副边装置，其中原边装置主要包含了直流电源、DC-DC模块、逆变模块、原边补偿网络以及原边线圈；副边装置主要包含了副边线圈、副边补偿网络、整流模块、DC-DC模块以及负载，各模块依次连至负载端。因此，各个模块功率的变化直接影响DWC系统的输出。一旦耦合机构发生侧移，若对应地调节影响各模块的可控变量，即可维持负载两端所需电流/电压/功率的恒定。目前常用的控制技术包括逆变模块控制(针对原边逆变器)、补偿网络控制(针对原/副边线圈连接方式)、副边反馈控制(针对可变电感或可变电阻)。此类技术使DWC系统在发生侧移时仍能保证输出电压或电流不发生剧烈变化，提升了系统在发生侧移时的抗干扰能力，但是并不能改善输出功率绝对下降的问题，本质上对抗侧移范围没有提升。

(2)基于耦合机构设计的抗侧移技术

耦合机构即道路供电发射导轨和车载接收线圈，其形状和对应磁芯结构在更大程度上影响DWC系统的抗侧移性能。最初二者均采用圆形或方形线圈，线圈尺寸越大，磁场覆盖范围越大，抗侧移性能越好；后设计了DD、DDQ、BP、TP等多层线圈结构，利用多组线圈的相互耦合提升了能量传输密度，减小了发生侧移时的功率波动；针对供电发射导轨，分别提出了长导轨和多段导轨的绕线方案，前者多应用与铁路或生产线等固定路线场景，后者可应用于常距离公路场景，并进一步提出了占地更少的DQ导轨结构和N型、S型等磁芯结构，可以在15cm的导轨宽度下达到1m以上的磁场覆盖范围，并进一步拓展到两相、三相的供电系统；同时提出了应用在车载线圈的阵列线圈结构和螺线管结构，及其对应的网格磁芯与H桥磁芯结构。以上新型耦合机构相比传统圆/方型线圈，有效提升了DWC系统的抗侧移性能，在相同的尺寸下具有更宽的磁场覆盖面积和更高的能量传输效率。但是，多股、多层的绕线方式极大的增加了DWC系统的制作难度，且实际制作时不可避免地引入了线圈的相互耦合，使得系统传输性能与理论存在不匹配，反而导致实际提升效果不显著，且多个线圈需要多个谐振电容组和信号处理模块，占用了更大的空间。

综上所述，现有技术中提升DWC系统抗侧移性能的方案仍具有很多不足，包括制作难度大、占用空间大、控制较复杂、部分方案不具备实际应用价值等。因此，如何设计一种实施难度低，控制方法简易，空间占用小，且能针对性地提升侧移方向上的抗侧移性能的无线充电用耦合机构仍亟待解决。

发明内容

本发明公开了一种具有强抗侧移性能的动态无线充电用耦合机构，通过分时工作原理使耦合机构具有更好的抗侧移性能和更宽的侧移允许范围。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种具有强抗侧移性能的动态无线充电用耦合机构，包括：供电发射导轨与接收机构，所述供电发射导轨包括发射机构，所述发射机构包括发射线圈，所述接收机构包括串联的主线圈、第一从线圈、第二从线圈；所述第一从线圈与第二从线圈关于所述主线圈对称设置，且所述第一从线圈与所述第二从线圈反向串联；

当所述接收机构的中心正对所述供电发射导轨时，所述接收机构中所述第一从线圈与所述第二从线圈的输出电流等效为0，等效为只有所述主线圈进行工作；

当所述接收机构的中心侧移所述供电发射导轨时，所述接收机构中所述第一从线圈与所述第二从线圈对所述主线圈进行增强补偿。

可选地，所述发射线圈与所述主线圈之间构成主传输通道，所述发射线圈与所述第一从线圈之间构成第一传输通道，所述发射线圈与所述第二从线圈之间构成第二传输通道。

可选地，所述主线圈、所述第一从线圈以及所述第二从线圈的排列方向与所述供电发射导轨的设置方向垂直。

可选地，所述供电发射导轨为使用N型磁芯的双极型供电发射导轨。

可选地，所述主线圈、所述第一从线圈以及所述第二从线圈为方形线圈。

根据所述的具有强抗侧移性能的动态无线充电用耦合机构，还包括与所述发射机构对应的发射电路，以及与所述接收机构对应的接收电路。

可选地，所述发射电路包括顺序串联在逆变电源两侧的发射补偿电容、发射电感以及一次侧总电阻。

可选地，所述接收电路包括顺序串联在二次侧等效负载电阻两侧的接收主电感、第一从电感以及第二从电感，所述第一从电感与所述第二从电感反向串联，所述接收主电感两侧串联有第一补偿电容与第一滤波电容，所述第一从电感与所述第二从电感两侧串联有第二补偿电容、第三补偿电容以及第二滤波电容，且所述二次侧等效负载电阻、所述第一滤波电容与所述第二滤波电容串联。

可选地，各电感与电容在数值上满足：

ω²L_sC_s＝ω²L_2mC_m＝ω²L_2lC_l＝ω²L_2rC_r＝1

其中，ω为对应角频率，L_s为发射电感的电感值，C_s为发射补偿电容的电容值，L_2m为接收主电感的电感值，C_m为第一补偿电容的电容值，L_2l为第一从电感的电感值，C_l为第二补偿电容的电容值，L_2r为第二从电感的电感值，C_r为第三补偿电容的电容值。

本发明的有益效果：

(1)本申请提出的耦合机构中接收机构采用主从线圈组的组合，两个从线圈相对于主线圈对称设置，实现主从线圈组的分时工作原理，在未发生偏移时两个从线圈的输出电流等效为0，等效于仅主线圈进行工作；发生偏移时两个从线圈对主线圈进行增强补偿。使本申请的耦合机构相比传统耦合机构具有更好的抗侧移性能，在侧移状态下接收端的输出功率波动减小、衰减幅度减小，可以有效稳定输出信号，减少电压电流波动对电子元件的影响。

(2)DWC系统多用于在小范围偏移状态下工作，相比于现有技术，本申请的耦合机构在小范围侧移下优势更加明显，抗侧移的提升效果也更加显著，更具有实用性。

(3)本申请提出的耦合机构尺寸与标准方形线圈的尺寸相同，不额外占用电动汽车车底空间，电路连接简单，线圈结构不复杂，使用电路元件不多，实际制造难度不高，容易控制成本，相比现有的方案具有更好的应用前景和可实施性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的耦合机构结构示意图；

图2为本发明实施例提供的接受机构未发生偏移时的耦合情况；

图3为本发明实施例提供的接受机构发生偏移时的耦合情况；

图4为本发明实施例提供的等效电路拓扑图；

图5为本发明实施例提供的接受机构未发生偏移时的等效电路图；

图6为本发明实施例提供的接受机构发生偏移时的等效电路图；

图7为本发明实施例提供的本申请主从线圈与传统方形线圈的抗侧移性能对比图。

附图标记：

1-供电发射导轨；2-主线圈；3-第一从线圈；4-第二从线圈。

具体实施方式

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。

本申请提出了一种具有强抗侧移性能的动态无线充电用耦合机构，如图1所示，包括供电发射导轨1与接收机构，未发生侧移时，接收机构的中心正对供电发射导轨1的中心；发生侧移时，接收机构的中心向左或向右远离供电发射导轨1的中心。其中，供电发射导轨1包括发射机构，发射机构中设有发射线圈；接收机构中设有串联的主线圈2、第一从线圈3以及第二从线圈4，其中第一从线圈3与第二从线圈4反向串联。

此外，第一从线圈3与第二从线圈4对称地设置于主线圈2的两侧，且主线圈2、第一从线圈3以及从线圈4的排列方向与供电发射导轨1的设置方向垂直，也就是说，第一从线圈3、主线圈2以及从线圈4按供电发射导轨1的宽度方向顺序排列。

具体地，发射线圈与主线圈2之间构成主传输通道M_m，发射线圈与第一从线圈3之间构成第一传输通道M_l，发射线圈与第二从线圈4之间构成第二传输通道M_r。第一从线圈3与第二从线圈4由于反向串联，理想情况下具有较低的、相同的耦合强度。如图2所示，当未发生侧移时，主线圈2的耦合强度最强，第一从线圈3与第二从线圈4的M_l-M_r＝0，两个从线圈的总输出DC₂＝0，等效为接收机构中只有主线圈2工作，输出为DC₁；如图3所示，当发生侧移时，由于主线圈2的中心偏离供电发射导轨1的中心，导致主线圈2与发射线圈之间的互感M_m降低，输出信号DC₁降低，但对于第一从线圈3与第二从线圈4而言，两者的耦合强度必定是一方增大而另一方减少。以图2与图3情况为例，当未发生偏移时，第一从线圈3以及第二从线圈4与供电发射导轨1之间为中等耦合，主线圈2与供电发射导轨1之间为强耦合。当接收机构向左侧移时，第一从线圈3与供电发射导轨1之间为强耦合，主线圈2与供电发射导轨1之间为中等耦合，第二从线圈4与供电发射导轨1之间为弱耦合。

也就是说，若第一从线圈3耦合强度增大，则第二从线圈4的耦合强度减小；若第一从线圈3的耦合强度减小，则第二从线圈4的耦合强度增大，进而使M_l-M_r≠0，两个从线圈输出DC₂≠0，则DC₂可对DC₁进行增强补偿，也就是说发生偏移时接收机构的总输出为DC₁+DC₂，DC₁与DC₂串联后形成输出信号U_out为负载端供电。综上所述，本申请中的主线圈2与从线圈采用了分时工作原理，主、从线圈工作状态互不影响，当未发生侧移时只有主线圈2进行工作，而当发生侧移时从线圈的输出信号可对主线圈发生侧移时降低的输出信号作增强补偿，减少了输出信号波动和输出功率下降幅度。

本申请中供电发射导轨1选用使用N型磁芯的双极型供电发射导轨，主线圈2、第一从线圈3以及第二从线圈4为方形线圈。以未发生侧移时接收机构的中心与供电发射导轨磁极正对的位置为基准点，设定接收线圈y方向上侧移的距离量为Δy，则单个接收线圈与发射线圈的互感M随Δy的增加近似呈余弦规律减少，M与Δy的关系表示为：

M＝M_max·cos(k·Δy)

其中，M_max为未发生侧移时接收线圈与发射线圈之间的互感，由关系式可推导而出，当Δy＝0时互感M达到最大值M_max；随着Δy的增加，M随之减小。k为一个化归系数，可以将侧移产生的的Δy转化为对应的电角度，该电角度满足：

具体地，如图4所示，该系统还包括与发射机构对应的发射电路，以及与接收机构对应的接收电路。发射电路包括顺序串联在逆变电源U_in两侧的发射补偿电容C_S、发射电感L_S以及一次侧总电阻R_S，逆变电源U_in为直流侧逆变后输入发射端的的电源，发射电感L_S为与发射线圈相对应的发射线圈电感，发射补偿电容C_S则为与发射电感L_S相对应的补偿电容。接收电路包括顺序串联在二次侧等效负载电阻R_eq两侧的接收主电感L_2m、第一从电感L_2l以及第二从电感L_2r，接收主电感L_2m两侧串联有第一补偿电容C_m与第一滤波电容C₁，第一从电感L_2l与第二从电感L_2r两侧串联有第二补偿电容C_l、第三补偿电容C_r以及第二滤波电容C₂，且二次侧等效负载电阻R_eq、第一滤波电容C₁与第二滤波电容C₂串联。接收主电感L_2m为与主线圈2相对应的电感，第一从电感L_2l为与第一从线圈3相对应的电感，第二从电感L_2r为与第二从线圈4对应的电感，第二补偿电容C_l与第三补偿电容C_r分别为与第一从电感L_2l以及第二从电感L_2r相对应的补偿电容。

其中，各电感与补偿电容在数值上满足：

ω²L_sC_s＝ω²L_2mC_m＝ω²L_2lC_l＝ω²L_2rC_r＝1

其中，ω为对应角频率，取ω＝2πf，f为供电轨道电流频率。

设定一次侧总电阻R₁和副边反馈到原边的阻抗为R_P，整流电路与后接负载的等效电阻为R，则可得出以下公式：

设定一次侧供电发射导轨的发射端电流为I₁，则可推导出：

当接收机构未发生侧移时，接收机构中等效为仅有主线圈2进行工作，等效电路如图5所示，此时输出电流公式如下：

当接收机构发生侧移时，第一从电感L_2l与第二从电感L_2r之间出现互感差值，等效电路如图6所示，相当于接收主电感L_2m、第一从电感L_2l以及第二从电感L_2r串联，此时两个从线圈的输出信号的公式如下：

U₂＝jω|M_l-M_r|I₁

两个从线圈的输出信号对主线圈进行增强，此时系统输出电流的公式如下：

通过上述推导可得出最终输出功率，并将其用于电池充电以及直接为负载供电：

相较于传统线圈，本申请的接收机构在y方向上的互感变化特性对比如图7所示，可从图7中得出，在相同的线圈互感衰减ω的情况下，传统线圈的侧移范围S1小于本申请主从线圈的侧移范围S2，也就是说在同样的侧移范围的情况下，本申请主从线圈互感衰减幅度小于传统线圈互感衰减幅度。综上所述，本申请中的接收机构主从线圈组具备比传统线圈更加优秀的抗侧移性能，同时还具备更宽的侧移范围以及相同范围内更小的输出波动。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种具有强抗侧移性能的动态无线充电用耦合机构，其特征在于，包括：供电发射导轨与接收机构，所述供电发射导轨包括发射机构，所述发射机构包括发射线圈，所述接收机构包括串联的主线圈、第一从线圈、第二从线圈；所述第一从线圈与第二从线圈关于所述主线圈对称设置，且所述第一从线圈与所述第二从线圈反向串联；

当所述接收机构的中心正对所述供电发射导轨时，所述接收机构中所述第一从线圈与所述第二从线圈的输出电流等效为0，等效为只有所述主线圈进行工作；

当所述接收机构的中心侧移所述供电发射导轨时，所述接收机构中所述第一从线圈与所述第二从线圈对所述主线圈进行增强补偿。

2.根据权利要求1所述的具有强抗侧移性能的动态无线充电用耦合机构，其特征在于，所述发射线圈与所述主线圈之间构成主传输通道，所述发射线圈与所述第一从线圈之间构成第一传输通道，所述发射线圈与所述第二从线圈之间构成第二传输通道。

3.根据权利要求1所述的具有强抗侧移性能的动态无线充电用耦合机构，其特征在于，所述主线圈、所述第一从线圈以及所述第二从线圈的排列方向与所述供电发射导轨的设置方向垂直。

4.根据权利要求1所述的具有强抗侧移性能的动态无线充电用耦合机构，其特征在于，所述供电发射导轨为使用N型磁芯的双极型供电发射导轨。

5.根据权利要求1所述的具有强抗侧移性能的动态无线充电用耦合机构，其特征在于，所述主线圈、所述第一从线圈以及所述第二从线圈为方形线圈。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的具有强抗侧移性能的动态无线充电用耦合机构，其特征在于，还包括与所述发射机构对应的发射电路，以及与所述接收机构对应的接收电路。

7.根据权利要求6所述的具有强抗侧移性能的动态无线充电用耦合机构，其特征在于，所述发射电路包括顺序串联在逆变电源两侧的发射补偿电容、发射电感以及一次侧总电阻。

8.根据权利要求7所述的具有强抗侧移性能的动态无线充电用耦合机构，其特征在于，所述接收电路包括顺序串联在二次侧等效负载电阻两侧的接收主电感、第一从电感以及第二从电感，所述第一从电感与所述第二从电感反向串联，所述接收主电感两侧串联有第一补偿电容与第一滤波电容，所述第一从电感与所述第二从电感两侧串联有第二补偿电容、第三补偿电容以及第二滤波电容，且所述二次侧等效负载电阻、所述第一滤波电容与所述第二滤波电容串联。

9.根据权利要求8所述的具有强抗侧移性能的动态无线充电用耦合机构，其特征在于，各电感与电容在数值上满足：

ω²L_sC_s＝ω²L_2mC_m＝ω²L_2lC_l＝ω²L_2rC_r＝1

其中，ω为对应角频率，L_s为发射电感的电感值，C_s为发射补偿电容的电容值，L_2m为接收主电感的电感值，C_m为第一补偿电容的电容值，L_2l为第一从电感的电感值，C_l为第二补偿电容的电容值，L_2r为第二从电感的电感值，C_r为第三补偿电容的电容值。