CN116742819A - 基于dsfs-dd线圈的强抗偏移无线电能传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线电能传输技术领域，具体公开了一种基于DSFS‑DD线圈的强抗偏移无线电能传输系统，该系统提出了一种具有强抗偏移特性的新型磁耦合机构，该耦合机构发射线圈为2个正向串联扁平螺线管线圈(Double forward series flat solenoid coils DSFS)，接收线圈为一组DD线圈。发射端正向串联的2个扁平螺线管线圈消除了DD型耦合机构垂直于中心线方向的互感零点，同时提高了平行于中心线方向的扁平螺线管耦合机构的抗偏移性能。系统通过耦合机构自身特性实现抗偏移，不需要通信及复杂的控制策略，无需对拓扑进行优化，减小了系统无功损耗。仿真实验验证了所提出耦合机构的强抗偏移特性。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种基于DSFS-DD线圈的强抗偏移无线电能传输系统。
背景技术
无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)依靠磁场、电场、激光及微波等传输介质，实现能量的非接触式传输，与传统接触式能量传输方式相比，其具有高安全性、灵活性、可靠性等优点。近年来无线电能传输技术发展飞速，无线电能传输技术已经应用于各行各业，如电动汽车无线充电、医疗电子设备、移动设备和水下应用，其中，在电动汽车领域应用最为广泛。
电动汽车无线充电主要分为静态无线充电和动态无线充电，在电动汽车静态无线充电应用中，由于人为停车的不准确性，导致发射端和接收端出现位置偏移，进而使系统的传输功率、效率降低及系统失谐等问题。不利于电动汽车静态无线充电。为实现电动汽车静态无线充电的高效性、稳定性和安全性，在一定范围位置偏移下，系统需有较大的容纳性。为解决WPT系统多偏移问题，很多方法都在尝试提高系统的抗偏移性能，主要包括耦合机构的研究、补偿拓扑的优化和控制方法的改进。
在耦合机构研究方面，J.Boys等人提出了一种Double D(DD)型耦合机构，该耦合机构在垂直于中心线方向具有很好的偏移容纳性，但在平行于中心线方向的偏移容纳性较差。为提高DD型耦合机构在平行中心线方向的偏移容纳性，M.Budhia等人在DD型耦合机构的基础上加入了一个正交线圈形成了DDQ型耦合机构，该耦合机构在两个方向上都具有很好的偏移容忍性，但在实际应用中，该耦合机构需要两个补偿网络，增加了系统的复杂性。
在补偿拓扑研究方面，Villa J L等人提出了一种SP-S型谐振网络及补偿元件参数设计方法，该拓扑综合了发射端串/并联两种拓扑的优点使系统具备较强的抗偏移性能，但该补偿网络参数设计复杂，不利于实际系统应用。之后Zhao Lei等人提出一种SS与LCC/LCC并联式混合拓扑，并采用BP线圈实现了两个方向上±150mm的偏移，但该拓扑在副边线圈远离原边线圈时，系统输出电流会急剧增加导致系统损坏。在此基础上，有文献提出了一种LCC-S和S-LCC拓扑原边串联，副边并联的混合型补偿拓扑，提高了系统的偏移容纳性，但该补偿拓扑结构复杂，不利于实际应用。
在控制方法研究方面，Chen Y等人提出了一种重构拓扑原边补偿电容切换法，该方法在一定程度上提高了系统的抗偏移性能，但该切换方法实现较为困难，不利于实际应用。为进一步提高系统实用性Gati E等人提出了闭环锁相环控制方法，通过调节逆变器开关频率，达到系统抗偏移的目的，但该方法需要外加通信模块，增加了系统成本及系统复杂度。有文献提出了一种基于移相控制的强抗偏移无线电能传输系统离散迭代建模方法，有效地提高了系统的抗偏移性能，但该方法极易增大系统损耗且控制稳定性不高。
基于以上分析，补偿拓扑优化设计会增加系统的复杂性并引入了无功损耗，控制方法的优化会引入额外的通信模块并增加系统的控制复杂度和难度，对于电动汽车无线充电系统，高复杂性系统和高难度控制系统不利于电动汽车无线充电的实际应用，研究一种不需要增加补偿网络的强抗偏移磁耦合机构才是最优策略，但目前缺乏这样的强抗偏移磁耦合机构。
发明内容
本发明提供基于DSFS-DD线圈的强抗偏移无线电能传输系统，解决的技术问题在于：如何设计一种不需要增加补偿网络的强抗偏移磁耦合机构。
为解决以上技术问题，本发明提供基于DSFS-DD线圈的强抗偏移无线电能传输系统，设有磁耦合机构，所述磁耦合机构包括发射结构和接收结构，其关键在于：
所述发射结构包括发射线圈，所述发射线圈由相距L的第一发射子线圈(LP1)和第二发射子线圈(LP2)正向串联而成，所述第一子线圈(LP1)和所述第二子线圈(LP2)采用相同的扁平螺线管线圈即DSFS线圈；所述接收结构包括接收线圈(LS)，所述接收线圈(LS)采用DD线圈。
优选的，所述发射结构还包括方形的发射端磁芯，所述第一子线圈(LP1)和所述第二子线圈(LP2)对称地缠绕在所述发射端磁芯上。
优选的，所述DD线圈的两个D线圈的排布方向与所述扁平螺线管线圈的宽度方向相同。
优选的，所述第一子线圈(LP1)和所述第二子线圈(LP2)之间的距离L根据如下步骤确定：
S1、根据实际需求确定所述磁耦合机构除L以外的参数；
S2、根据步骤S1确定的参数得到L的设置范围；
S3、将所述发射端磁芯的几何中心作为三维直角坐标系的原点，将所述DSFS线圈的长度方向、宽度方向和高度方向分别作为x轴、y轴和z轴，获取在不同的x轴偏移距离时在L的设置范围内不同L时，以及在不同的y轴偏移距离时在L的设置范围内不同L时，所述发射线圈与所述接收线圈之间的互感；
S4、将随着偏移距离增大时互感变化趋势最平缓的L值作为设定的L值。
优选的，在所述步骤S4中，L值设定为0。
优选的，所述DD线圈的长度L2与所述发射端磁芯的边长L1也即所述扁平螺线管线圈的长度相同，所述DD线圈的宽度W2在至/>之间。
优选的，所述扁平螺线管线圈的绕线宽度W1在至/>之间，所述DD线圈中D线圈的绕线宽度W3在/>至W1之间。
优选的，所述扁平螺线管线圈的绕线匝数与所述DD线圈的绕线匝数相同。
优选的，所述接收结构还包括位于所述接收线圈(LS)上的接收端磁芯，所述接收端磁芯的长度LF和宽度WF相同，且与W2相等。
优选的，该系统采用LCC-S型谐振补偿网络。
本发明提供的基于DSFS-DD线圈的强抗偏移无线电能传输系统，提出了一种具有强抗偏移特性的新型磁耦合机构，该耦合机构发射线圈为2个正向串联扁平螺线管线圈(Double forward series flat solenoid coils DSFS)，接收线圈为一组DD线圈。发射端正向串联的2个扁平螺线管线圈消除了DD型耦合机构垂直于中心线方向的互感零点，同时提高了平行于中心线方向的扁平螺线管耦合机构的抗偏移性能。系统通过耦合机构自身特性实现抗偏移，不需要通信及复杂的控制策略，无需对拓扑进行优化，减小了系统无功损耗。仿真实验验证了所提出耦合机构的强抗偏移特性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于DSFS-DD线圈的磁耦合机构的结构图；
图2是本发明实施例提供的DSFS-DD线圈的电路图；
图3是本发明实施例提供的图2的等效电路图；
图4是本发明实施例提供的磁耦合机构在三个平面的磁场分布图；
图5是本发明实施例提供的磁耦合机构在三个平面的磁力线走势图；
图6是本发明实施例提供的LCC-S型谐振补偿网络的电路图；
图7是本发明实施例提供的不同L情况下互感随x方向偏移距离变化趋势图；
图8是本发明实施例提供的不同L情况下互感随y方向偏移距离变化趋势图；
图9是本发明实施例提供的正对情况逆变器输出波形图；
图10是本发明实施例提供的输出电压Uo随x方向偏移距离变化趋势图；
图11是本发明实施例提供的输出电压Uo随y方向偏移距离变化趋势图。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
本发明实施例提供的基于DSFS-DD线圈的强抗偏移无线电能传输系统，设有磁耦合机构，如图1所示，磁耦合机构包括发射结构和接收结构，发射结构包括发射线圈，发射线圈由相距L的第一发射子线圈LP1和第二发射子线圈LP2正向串联而成(即流过发射线圈LP1和LP2的电流都从两个线圈的同名端流入)，第一子线圈LP1和第二子线圈LP2采用相同的扁平螺线管线圈即DSFS线圈；接收结构包括接收线圈LS，接收线圈LS采用DD线圈。NP和NS分别表示发射线圈LP1、LP2和接收线圈LS的匝数。发射结构还包括方形的发射端磁芯，第一子线圈LP1和第二子线圈LP2对称地缠绕在发射端磁芯上，DD线圈的两个D线圈的排布方向与扁平螺线管线圈的宽度方向相同。将发射端磁芯的几何中心作为三维直角坐标系的原点，将DSFS线圈的长度方向、宽度方向和高度方向分别作为x轴、y轴和z轴。磁耦合机构的参数定义如表1所示。
表1耦合机构的参数定义
扁平螺线管型耦合机构的抗偏移能力在x方向上远远强于在y方向上，同样，DD型耦合机构也具有该特点，为提高系统的抗偏移能力，本发明提出了DSFS-DD型耦合机构，发射端将两个同向绕制的扁平螺线管耦合机构正向串联，以提高其在y方向上的偏移容纳性。为便于分析，将DSFS-DD型耦合机构进行等效，其等效图如图2所示。在图2中，其参数定义见表1。根据基尔霍夫电压定律，系统方程可以表示为如下：
其中ω表示系统的工作角频率。
将(LP1+LP2+2MPP)和(M1+M2)分别用LPe和Me代替可以得到：
根据以上分析，将图2进行等效，等效模型如图3所示，其中LPe为发射线圈LP1和LP2等效自感，Me为发射线圈LP1和LP2与接收线圈LS的等效互感。
从以上分析可知，系统在一定范围内发生位置偏移后，保持等效互感Me稳定即可提高系统的抗偏移性能。在这种情况下，系统发生位置偏移后，几乎不受耦合变化的影响。
为了分析DSFS发射机构的磁场分布特性，建立了COMSOL有限元仿真模型，得到发射机构上方区域的磁场分布如图4所示，其中图4的(a)、(b)和(c)分别表示DSFS发射线圈在xz、yz、xy平面的磁场分布。可以看出，DSFS发射线圈产生的磁场在x和y方向都比较均匀，当接收线圈在x和y方向上发生偏移后，接收到的发射线圈产生的磁场会比较均匀，有利于提高系统的抗偏移性能。
发射线圈产生的磁场磁力线分布如图5所示，其中图5的(a)、(b)、(c)分别表示DSFS发射线圈在xz、yz、xy平面的磁力线分布图，可以看出DSFS发射线圈的磁力线主要沿着z轴和y轴方向分布，而DD线圈与y轴方向的磁场耦合，且DSFS发射线圈产生的磁场在x和y方向较为均匀，所以系统能够提高在x和y方向的抗偏移性能。
在WPT系统中，耦合机构是系统的重要组成部分，但WPT高传输效率的能量传输同样也离不开补偿网络的合理设计。目前MC-WPT系统中的谐振补偿网络主要有串联谐振、并联谐振以及复合型LCC-S、LCC-LCC等谐振网络。
对于应用于平面偏移的MC-WPT系统中谐振补偿网络，简单的串联谐振或者并联谐振不能满足实际应用需求，这是由于拾取机构的运动会使拾取线圈与发射线圈的互感发生变化，从而使反射阻抗发生变化。若原边采用串联谐振补偿方式，当互感较小时反射阻抗较小，从而会使原边线圈过流；若原边采用并联谐振补偿方式，当互感变化时需要动态调节原边并联补偿电容以维持谐振，这种方式也不可取。而原边采用LCC谐振补偿网络具有较好的恒流特性，原边线圈电流与互感和负载大小无关，副边采用串联型(S型)补偿网络，输出具有恒压特性，因此本实施例采用如图6所示的LCC-S型谐振补偿网络，包括原边谐振电感L1、原边并联补偿电容C1、原边串联补偿电容C2和副边串联补偿电容Cs，Ip表示原边电流，Uin、Iin分别表示逆变输出电压和电流，Rp表示Lp的等效串联电阻，Is表示副边电流，RL表示表示负载，Uo表示负载电压即系统输出电压。
对图6的LCC-S型补偿结构采用KVL、KCL分析可得：
Zref表示反射阻抗。
当副边工作在谐振状态时，即：
式(4)中的反射阻抗Zref可表示为：
由式(3)可知，当L1和C1处于谐振状态时，原边线圈电流可表示为：
由上式可知，当系统谐振频率以及C1确定后，原边线圈电流只与输入电压有关，与互感和负载无关。系统输出电压可以表示为：
由上式可知，系统在谐振时，输出电压Uo与输入电压Uin、互感Me和补偿电感L1有关，与输出负载电阻RL大小无关，系统为恒压输出特性，当系统设计完成时，Uin、L1为定值，系统发生偏移后只有Me在变化，所以研究系统的抗偏移性能时，只需研究系统偏移距离与互感Me的变化关系即可。
为提高系统的抗偏移性能，需要对耦合机构进行合理设计，本实施例所提出的DSFS耦合机构其抗偏移的主要原理为：将两个扁平螺线管线圈正向串联，以提高y方向的偏移容纳性，而扁平螺线管线圈在x方向本身具有很强的偏移容忍性，影响DSFS耦合机构y方向偏移能力的参数为L，合理设计L的值，即可提高系统y方向的偏移容纳性，因此，之后的设计中不考虑其他参数的影响，仅考虑L值的变化对系统偏移容纳性的影响。具体的设计步骤包括：
S1、根据实际需求确定磁耦合机构除L以外的参数；
S2、根据步骤S1确定的参数得到L的设置范围；
S3、获取在不同的x轴偏移距离时在L的设置范围内不同L时，以及在不同的y轴偏移距离时在L的设置范围内不同L时，发射线圈与接收线圈之间的互感；
S4、将随着偏移距离增大时互感变化趋势最平缓的L值作为设定的L值。
在步骤S1中，具体的，为实现在耦合机构未对准偏移的情况下系统输出电压和功率稳定，DD线圈的长度L2与发射端磁芯的边长L1也即扁平螺线管线圈的长度相同，DD线圈的宽度W2在至/>之间，扁平螺线管线圈的绕线宽度W1在/>至/>之间，DD线圈中D线圈的绕线宽度W3在/>至W1之间，扁平螺线管线圈的绕线匝数与DD线圈的绕线匝数相同，接收结构还包括位于接收线圈(LS)上的接收端磁芯，接收端磁芯的长度LF和宽度WF相同，且与W2相等。本实施例设计的耦合机构除了L以外的其他尺寸参数见如下表2。
表2耦合机构尺寸参数
在步骤S2中，L的设置范围为[0,110]mm。
在步骤S3中，当接收端发生偏移时，互感会随之发生变化，且L不同时，互感的变化也是不同的，在不同L情况下，接收端在x方向发生偏移时，互感变化趋势如图7所示。从图7中可以看出，随着L值变大，在x方向上发生偏移时，互感变化范围变大。接收端在y方向发生偏移时，互感变化趋势如图8所示，从图8中可以看出，随着L值变大，在y方向发生偏移时，互感的变化范围也在变大。为提高系统的偏移容纳性，本实施例选取L＝0mm。在L＝0mm，系统在x方向和y方向上发生偏移时，互感变化最平缓。
综上所述，本发明实施例提供的基于DSFS-DD线圈的强抗偏移无线电能传输系统，提出了一种具有强抗偏移特性的新型磁耦合机构，该耦合机构发射线圈为2个正向串联扁平螺线管线圈(Double forward series flat solenoid coils DSFS)，接收线圈为一组DD线圈。发射端正向串联的2个扁平螺线管线圈消除了DD型耦合机构垂直于中心线方向的互感零点，同时提高了平行于中心线方向的扁平螺线管耦合机构的抗偏移性能。系统通过耦合机构自身特性实现抗偏移，不需要通信及复杂的控制策略，无需对拓扑进行优化，减小了系统无功损耗。
为了验证本实施例提出的新型WPT系统的抗偏移性能，本实施例搭建了Simulink仿真实验平台。电路的参数如表3所示，其中，Up为输入电压，Us为整流后系统输出电压，S1～S4是4个MOSFET管，形成全桥逆变电路，L1是滤波电感，C1和C2是谐振电容，RL是负载，f是系统的工作频率，CC3是连接负载的滤波电容，Me,0表示系统在正对时刻发射端与接收端的等效互感。
表3仿真实验参数
仿真实验中，系统的直流输入电压为200V，逆变器的工作频率为85kHz，负载为阻值为13Ω、16Ω和20Ω的电阻。逆变器在正对情况下某些时段的输出电压波形如图9所示。仿真实验测得本实施例所提出的DSFS型耦合机构在x和y方向上发生偏移时，系统输出电压变化情况分别如图10和图11所示。
从图10、11中可以看出，在负载RL分别为13Ω、16Ω和20Ω条件下，系统的输出电压基本相同，说明本系统可以实现恒压输出。系统在正对时输出电压为200V，在x方向，偏移距离为80mm时，系统输出电压为190V，与正对时刻输出电压相比，降低了5％，偏移距离占接收线圈x方向长的比例为26.7％；偏移距离为100mm时，系统输出电压为180V，与正对时刻输出电压相比，降低了10％，偏移距离占接收线圈x方向长的比例为33.3％。在y方向，偏移距离为95mm时，系统输出电压为190V，与正对时刻输出电压相比，降低了5％，偏移距离占接收线圈y方向长度的比例为23.75％；在偏移距离为130mm时，系统输出电压为180V，与正对时刻输出电压相比，降低了10％，偏移距离占接收线圈y方向长度的比例为32.5％。
上述仿真实验结果证明了本实施例采用DSFS-DD耦合机构实现x和y方向偏移下无线电能传输的有效性。
综上，本实施例提供的一种基于DSFS-DD线圈的强抗偏移无线电能传输系统，提出了一种基于DSFS-DD线圈的磁耦合机构，分析了所提出耦合机构的自身固有特性及磁场分布和磁力线分布情况，采用具有恒压输出特性的LCC-S补偿网络实现系统的恒压输出，分析了DSFS间距对耦合性能的影响，最后通过仿真实验验证了系统的有效性和可行性，仿真证明本实施例所提出的DSFS-DD型耦合机构实现了在x方向和y方向上的强偏移容纳性，在电压变化范围为10％的区间内，x方向偏移距离可达到接收端线圈长度的33.3％，x方向偏移距离可达到接收端线圈长度的32.5％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于DSFS-DD线圈的强抗偏移无线电能传输系统，设有磁耦合机构，所述磁耦合机构包括发射结构和接收结构，其特征在于：
所述发射结构包括发射线圈，所述发射线圈由相距L的第一发射子线圈(LP1)和第二发射子线圈(LP2)正向串联而成，所述第一子线圈(LP1)和所述第二子线圈(LP2)采用相同的扁平螺线管线圈即DSFS线圈；所述接收结构包括接收线圈(LS)，所述接收线圈(LS)采用DD线圈。
2.根据权利要求1所述的基于DSFS-DD线圈的强抗偏移无线电能传输系统，其特征在于：所述发射结构还包括方形的发射端磁芯，所述第一子线圈(LP1)和所述第二子线圈(LP2)对称地缠绕在所述发射端磁芯上。
3.根据权利要求3所述的基于DSFS-DD线圈的强抗偏移无线电能传输系统，其特征在于：所述DD线圈的两个D线圈的排布方向与所述扁平螺线管线圈的宽度方向相同。
4.根据权利要求2所述的基于DSFS-DD线圈的强抗偏移无线电能传输系统，其特征在于，所述第一子线圈(LP1)和所述第二子线圈(LP2)之间的距离L根据如下步骤确定：
S1、根据实际需求确定所述磁耦合机构除L以外的参数；
S2、根据步骤S1确定的参数得到L的设置范围；
S3、将所述发射端磁芯的几何中心作为三维直角坐标系的原点，将所述DSFS线圈的长度方向、宽度方向和高度方向分别作为x轴、y轴和z轴，获取在不同的x轴偏移距离时在L的设置范围内不同L时，以及在不同的y轴偏移距离时在L的设置范围内不同L时，所述发射线圈与所述接收线圈之间的互感；
S4、将随着偏移距离增大时互感变化趋势最平缓的L值作为设定的L值。
5.根据权利要求4所述的基于DSFS-DD线圈的强抗偏移无线电能传输系统，其特征在于：在所述步骤S4中，L值设定为0。
6.根据权利要求5所述的基于DSFS-DD线圈的强抗偏移无线电能传输系统，其特征在于：所述DD线圈的长度L2与所述发射端磁芯的边长L1也即所述扁平螺线管线圈的长度相同，所述DD线圈的宽度W2在至/>之间。
7.根据权利要求5所述的基于DSFS-DD线圈的强抗偏移无线电能传输系统，其特征在于：所述扁平螺线管线圈的绕线宽度W1在至/>之间，所述DD线圈中D线圈的绕线宽度W3在/>至W1之间。
8.根据权利要求7所述的基于DSFS-DD线圈的强抗偏移无线电能传输系统，其特征在于：所述扁平螺线管线圈的绕线匝数与所述DD线圈的绕线匝数相同。
9.根据权利要求8所述的基于DSFS-DD线圈的强抗偏移无线电能传输系统，其特征在于：所述接收结构还包括位于所述接收线圈(LS)上的接收端磁芯，所述接收端磁芯的长度LF和宽度WF相同，且与W2相等。
10.根据权利要求1所述的基于DSFS-DD线圈的强抗偏移无线电能传输系统，其特征在于：该系统采用LCC-S型谐振补偿网络。
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| CN202310799328.3A CN116742819A (zh) | 2023-07-03 | 2023-07-03 | 基于dsfs-dd线圈的强抗偏移无线电能传输系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310799328.3A CN116742819A (zh) | 2023-07-03 | 2023-07-03 | 基于dsfs-dd线圈的强抗偏移无线电能传输系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116742819A true CN116742819A (zh) | 2023-09-12 |
Family
ID=87914972
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202310799328.3A Pending CN116742819A (zh) | 2023-07-03 | 2023-07-03 | 基于dsfs-dd线圈的强抗偏移无线电能传输系统 |
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| Country | Link |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117669455A (zh) * | 2024-02-02 | 2024-03-08 | 中国人民解放军陆军装甲兵学院 | 一种无人地面车辆高适应性耦合线圈及其优化方法 |
-
2023
- 2023-07-03 CN CN202310799328.3A patent/CN116742819A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117669455A (zh) * | 2024-02-02 | 2024-03-08 | 中国人民解放军陆军装甲兵学院 | 一种无人地面车辆高适应性耦合线圈及其优化方法 |
| CN117669455B (zh) * | 2024-02-02 | 2024-04-19 | 中国人民解放军陆军装甲兵学院 | 一种无人地面车辆高适应性耦合线圈及其优化方法 |
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