CN117154961A - 基于隐极型发射导轨的两相动态无线供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出基于隐极型发射导轨的两相动态无线供电系统，所述系统包括原边系统即地面部分与副边系统即车载部分两大部分。本发明提供的隐极性双相无线供电发射导轨具有恒功率输出特性、磁耦合能力强、漏磁小、结构宽度小等优点，同时具有磁芯损耗小、对磁芯安装间隙敏感度低、供电稳定性强，分段模块化设计难度低，模块安装和密封易于实施等特点。

Description

基于隐极型发射导轨的两相动态无线供电系统
技术领域
本发明涉及动态无线供电技术领域，尤其涉及基于隐极型发射导轨的两相动态无线供电系统。
背景技术
动态无线供电技术来源于磁耦合谐振式无线电能传输技术，是指在道路下铺设发射装置，利用电磁变换原理，将电能变换为高频磁场，车载接收线圈和电力电子变换装置把高频磁场再变换为电能，对行驶中的电动汽车进行供电的技术。与有线充电相比，无线充电具有使用方便、无火花及触电危险、无机械磨损、可适应多种恶劣环境和天气、便于实现无人自动充电和移动式充电等优点，可能成为未来电动汽车充电的主流方式。
目前已有研究机构提出了多种可用于移动设备动态无线供电的供电轨道结构，按结构和工作方式可分为长线圈型、多小线圈阵列型、双极型三种。其中双极型相比另两类供电导轨，具有磁耦合能力强、漏磁小、结构宽度小等优点，典型结构包括I型、S型、N型等。
但是双极型导轨存在功率波动和功率零点，且单相系统在大功率的应用环境存在电压利用率较低、磁芯损耗大、对磁芯安装间隙敏感度高、供电稳定性差等缺点，且工程化应用中对供电轨道进行分段模块化设计难度较高，模块安装和密封产生的连接间隙会导致功率传输能力大幅下降。
发明内容
本发明针对现有技术中的问题，提出了基于隐极型发射导轨的两相动态无线供电系统。本发明提供的隐极型双相无线供电发射导轨具有恒功率输出特性、磁耦合能力强、漏磁小、结构宽度小等优点，同时具有磁芯损耗小、对磁芯安装间隙敏感度低、供电稳定性强，分段模块化设计难度低，模块安装和密封易于实施等特点。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出基于隐极型发射导轨的两相动态无线供电系统，所述系统包括原边系统即地面部分与副边系统即车载部分两大部分；所述动态无线供电系统的原边系统由逆变源、补偿拓扑和两相隐极型发射导轨组成，逆变源中两相的逆变模块分别与补偿拓扑和发射导轨依次串联，两相发射线圈绕制的绕组绕制在同一发射导轨的夹具上构成两相发射导轨；两相发射导轨模组在地面路段上顺次铺设成两相隐极型发射导轨构成无线供电线路；副边线圈与对应一组或相邻几组发射导轨耦合，进行能量传输。
进一步地，所述动态无线供电系统的磁耦合机构上方为挂载在移动设备上的接收端，下方为埋设在地面下或铺设在地面上的发射端导轨。
进一步地，在所述磁耦合机构中，磁极距离为T，接收线圈绕组最外匝外侧长度LS1，接收线圈绕组最内匝内侧长度LS2，接收线圈中间匝长度Ls＝(LS1+LS2)/2，接收端线圈的中间匝长度Ls＝2×m×T/3，传输距离即接收端磁芯下表面到发射端磁芯上表面距离A满足，0.1T≤A≤0.5T。
进一步地，所述两相隐极型发射导轨由两相式发射导轨模组顺次排布构成，每一个两相发射导轨上绕制有两相的线圈即两相的励磁绕组；
同一相的励磁绕组的进线和出线固定在模块的同一侧，对应侧具有回流线使电流由末端的发射导轨模组返回逆变源；当发射端导轨的两个相邻两相发射导轨模组的同一相的绕组分别处于两个相邻两相发射导轨夹具外侧时，其绕组旋向一致，当同一相的绕组分别处于两个相邻两相发射导轨夹具内侧时，其绕组旋向相反；
绕组绕制在夹具上，夹具起固定支撑励磁绕组的作用，夹具内部有铁氧体磁芯导磁材料或空心。
进一步地，所述逆变源中的低频整流模块通过不控整流或可控整流方式将电网电能整流为直流电，滤波模块采用C或RC滤波拓扑实现恒压输出，DCDC具备调整输出电压以实现调整输出功率的功能。
进一步地，逆变源由两个逆变模块构成，即两个H桥对应桥臂的控制信号相差90°的H桥逆变拓扑；或由一个模块即相邻桥臂的控制信号相差90°的三相H桥；或由单个H桥结合中点电容且两个桥臂的控制信号相差90°的H桥结构构成。
本发明具有的有益效果是：
本发明提供的隐极型双相无线供电发射导轨具有恒功率输出特性、磁耦合能力强、漏磁小、结构宽度小等优点，同时具有磁芯损耗小、对磁芯安装间隙敏感度低、供电稳定性强，分段模块化设计难度低，模块安装和密封易于实施等特点。
附图说明
图1为两相式动态无线供电系统的基本结构图；
图2为两相式动态无线供电磁耦合机构基本结构图；
图3为两相式动态无线供电磁耦合机构主要结构参数图；
图4为两相式发射导轨模组及绕组示意图；
图5为两相式发射导轨绕组方式示意图；
图6为两相式发射导轨绕组方式实施方式1总体图；
图7为两相式发射导轨绕组方式实施方式1三视图；
图8为两相式发射导轨绕组方式实施方式1-模块11三视图；
图9为两相式发射导轨绕组方式实施方式1-模块12三视图；
图10为两相式发射导轨绕组方式实施方式1-模块13三视图；
图11为两相式发射导轨绕组方式实施方式1-模块14三视图；
图12为两相式发射导轨绕组方式实施方式2总体图；
图13为两相式发射导轨绕组方式实施方式2三视图；
图14为两相式发射导轨绕组方式实施方式2-模块21三视图；
图15为两相式发射导轨绕组方式实施方式2-模块22三视图；
图16为两相式发射导轨绕组方式实施方式2-模块23三视图；
图17为两相式发射导轨绕组方式实施方式2-模块24三视图；
图18为逆变拓扑实施方式1：采用2个H桥结合T-S补偿拓扑的结构及对应开关及输出波形图；
图19为逆变拓扑实施方式2：采用2个H桥结合S-S补偿拓扑的结构及对应开关及输出波形图；
图20为逆变拓扑实施方式3：采用单个H桥与中点电容结合T-S补偿拓扑的结构及对应开关及输出波形图；
图21为逆变拓扑实施方式4：采用三相桥与中点电容结合T-S补偿拓扑的结构及对应开关及输出波形图。
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。
相关术语说明：
无线电能传输：采用无电力线缆、非接触的方式进行电能传输。
动态无线供电：在移动设备的移动过程中，使用无线电能传输技术，为设备进行无线供电；其供电对象为电池(充电)和电机(供电)。
磁耦合机构：产生磁场能量与接收磁场能量的一组结构，用以非接触的方式传输电能。
双相系统：采用两相激励的逆变源和两相的发射导轨的动态无线供电系统。
导轨/发射端导轨：埋设或铺设在地面下方的磁场能量产生装置。
双相发射导轨：具有两个传能通道，可分别供电以实现两相无线电能传输的磁场能量产生装置。
动态无线供电系统的基本结构如图1所示，本发明提出基于隐极型发射导轨的两相动态无线供电系统，所述系统包括原边系统即地面部分与副边系统即车载部分两大部分；所述动态无线供电系统的原边系统由逆变源、补偿拓扑和两相隐极型发射导轨组成，逆变源中两相的逆变模块分别与补偿拓扑和发射导轨依次串联，两相发射线圈绕制的绕组绕制在同一发射导轨的夹具上构成两相发射导轨；两相发射导轨模组在地面路段上顺次铺设成两相隐极型发射导轨构成无线供电线路；副边线圈与对应一组或相邻几组发射导轨耦合，进行能量传输。
如图2所示，所述动态无线供电系统的磁耦合机构上方为挂载在移动设备上的接收端，下方为埋设在地面下或铺设在地面上的发射端导轨。
如图3所示，为保证较优的恒功率特性和能量传输效果，在所述磁耦合机构中，磁极距离为T(一般为0.2-2m)，接收线圈绕组最外匝外侧长度LS1，接收线圈绕组最内匝内侧长度LS2，接收线圈中间匝长度Ls＝(LS1+LS2)/2，传输距离即接收端磁芯下表面到发射端磁芯上表面距离A满足，0.1T≤A≤0.5T，接收端线圈的中间匝长度Ls＝2×m×T/3，其中m为正整数。
绕组的实施方式如图4和图5所示，每一个两相发射导轨上绕制有两相的线圈即两相的励磁绕组。
同一相的励磁绕组的进线和出线固定在模块的同一侧，对应侧具有回流线使电流由末端的发射导轨模组返回逆变源。当所述发射端导轨的两个相邻两相发射导轨模组的同一相的绕组分别处于两个相邻两相发射导轨夹具外侧时，其绕组旋向一致，当同一相的绕组分别处于两个相邻两相发射导轨夹具内侧时，其绕组旋向相反。
绕组绕制在夹具上，夹具起固定支撑励磁绕组的作用，夹具内部有铁氧体磁芯等导磁材料或空心。
实施例1
图6是两相式发射导轨绕组方式实施方式1总体图，其中1为一组发射导轨，每组结构完全相同，按行车方向依次排列。行车方向的左侧和右侧分别为两相发射线圈的励磁线圈和回流线，如左侧为D相发射线圈的励磁绕组线和回流线。则右侧为Q相发射线圈的励磁绕组线和回流线。磁芯和绕组的夹具由于并非主要结构，故被省略，一般为电木、尼龙、亚克力等材料，起固定、支撑、绝缘作用。
图7为两相式发射导轨绕组方式实施方式1三视图，其中11、12、13、14为构成一组发射导轨1的4个发射导轨模块，为保证传输效果，需依次沿行进方向排列。15为发射导轨模块间连接线，16为导轨末端到逆变源的回流线。构成发射导轨的分组也可依次递推，如12、13、14、11为1组，或13、14、11、12为一组，或14、11、12、13为一组。
图8为两相式发射导轨绕组方式实施方式1-模块11三视图，111、112、113为构成发射导轨模块11的3个主要结构，其中，111为一相发射线圈的励磁绕组线，112为另一相发射线圈的励磁绕组线。励磁绕组线和回流线一般为利兹线，也可为单股铜线、多股铜线、编织线、空心铜线、铜带等。113为铁磁性材料组成的磁芯，一般为锰锌铁氧体、镍锌铁氧体、纳米晶、非晶、硅钢等材料。
图9为两相式发射导轨绕组方式实施方式1-模块12三视图，121、122、123为构成发射导轨模块12的3个主要结构，其中，121为一相发射线圈的励磁绕组线，122为另一相发射线圈的励磁绕组线。123为铁磁性材料组成的磁芯。
图10为两相式发射导轨绕组方式实施方式1-模块13三视图，131、132、133为构成发射导轨模块13的3个主要结构，其中，131为一相发射线圈的励磁绕组线，132为另一相发射线圈的励磁绕组线。133为铁磁性材料组成的磁芯。
图11为两相式发射导轨绕组方式实施方式1-模块14三视图，141、142、143为构成发射导轨模块14的3个主要结构，其中，141为一相发射线圈的励磁绕组线，142为另一相发射线圈的励磁绕组线。143为铁磁性材料组成的磁芯。
如图6-11所示：
若定义111、122、131、142为D相发射线圈的励磁绕组线，则112、121、132、141为Q相发射线圈的励磁绕组线。
若定义111、122、131、142为Q相发射线圈的励磁绕组线，则112、121、132、141为D相发射线圈的励磁绕组线。
如图6-11所示：
若111、112、122、141左视图绕组旋向为逆时针，则121、131、132、142为顺时针。
若更改111、112、122、141左视图绕组旋向为顺时针，则121、131、132、142需对应更改为逆时针。
实施例2
图12为两相式发射导轨绕组方式实施方式2总体图，图13两相式发射导轨绕组方式实施方式2三视图，其中，21、22、23、24为构成一组发射导轨实施方式2的4个发射导轨模块，为保证传输效果，需依次沿行进方向排列。25为发射导轨模块间连接线，26为导轨末端到逆变源的回流线。构成发射导轨的分组也可依次递推，如22、23、24、21为1组，或23、24、21、22为一组，或24、21、22、23为一组。
图14为两相式发射导轨绕组方式实施方式2-模块21三视图，其中，211、212、213为构成发射导轨模块21的3个主要结构，其中，211为一相发射线圈的励磁绕组线，212为另一相发射线圈的励磁绕组线。213为铁磁性材料组成的磁芯。
图15为两相式发射导轨绕组方式实施方式2-模块22三视图，其中，221、222、223为构成发射导轨模块22的3个主要结构，其中，221为一相发射线圈的励磁绕组线，222为另一相发射线圈的励磁绕组线。223为铁磁性材料组成的磁芯。
图16为两相式发射导轨绕组方式实施方式2-模块23三视图，其中，231、232、233为构成发射导轨模块23的3个主要结构，其中，231为一相发射线圈的励磁绕组线，232为另一相发射线圈的励磁绕组线。233为铁磁性材料组成的磁芯。
图17为两相式发射导轨绕组方式实施方式2-模块24三视图，其中，241、242、243为构成发射导轨模块24的3个主要结构，其中，241为一相发射线圈的励磁绕组线，242为另一相发射线圈的励磁绕组线。243为铁磁性材料组成的磁芯。
如图12-17所示：
若定义211、221、231、241为D相发射线圈的励磁绕组线，则212、222、232、242为Q相发射线圈的励磁绕组线。
若定义211、221、231、241为Q相发射线圈的励磁绕组线，则212、222、232、242为D相发射线圈的励磁绕组线。
如图12-17所示：
若211、221、222、232左视图绕组旋向为逆时针，则212、231、241、242为顺时针。
若211、221、222、232左视图绕组旋向改为顺时针，则212、231、241、242需对应更改为逆时针。
所述逆变源中的低频整流模块通过不控整流或可控整流方式将电网电能整流为直流电，滤波模块采用C或RC滤波拓扑实现恒压输出，DCDC具备调整输出电压以实现调整输出功率的功能。
逆变源由两个逆变模块构成，即两个H桥对应桥臂的控制信号相差90°的H桥逆变拓扑；或由一个模块即相邻桥臂的控制信号相差90°的三相H桥；或由单个H桥结合中点电容且两个桥臂的控制信号相差90°的H桥结构构成。
补偿拓扑可采用SS、LCC-S、S-LCC、LCC-LCC、T-S补偿等拓扑。
如图18是采用2个H桥结合T-S补偿拓扑的结构。如图19是采用2个H桥结合S-S补偿拓扑的结构。逆变拓扑替换为单个H桥与中点电容且两个桥臂的控制信号相差90°的H桥，如图20所示。逆变拓扑替换为三相桥，如图21所示。

Claims (6)

1.基于隐极型发射导轨的两相动态无线供电系统，其特征在于，所述系统包括原边系统即地面部分与副边系统即车载部分两大部分；所述动态无线供电系统的原边系统由逆变源、补偿拓扑和两相隐极型发射导轨组成，逆变源中两相的逆变模块分别与补偿拓扑和发射导轨依次串联，两相发射线圈绕制的绕组绕制在同一发射导轨的夹具上构成两相发射导轨；两相发射导轨模组在地面路段上顺次铺设成两相隐极型发射导轨构成无线供电线路；副边线圈与对应一组或相邻几组发射导轨耦合，进行能量传输。
2.根据权利要求1所述的动态无线供电系统，其特征在于：所述动态无线供电系统的磁耦合机构上方为挂载在移动设备上的接收端，下方为埋设在地面下或铺设在地面上的发射端导轨。
3.根据权利要求2所述的动态无线供电系统，其特征在于：在所述磁耦合机构中，磁极距离为T，接收线圈绕组最外匝外侧长度LS1，接收线圈绕组最内匝内侧长度LS2，接收线圈中间匝长度Ls＝(LS1+LS2)/2，接收端线圈的中间匝长度Ls＝2×m×T/3，传输距离即接收端磁芯下表面到发射端磁芯上表面距离A满足，0.1T≤A≤0.5T。
4.根据权利要求1所述的动态无线供电系统，其特征在于：所述两相隐极型发射导轨由两相式发射导轨模组顺次排布构成，每一个两相发射导轨上绕制有两相的线圈即两相的励磁绕组；
同一相的励磁绕组的进线和出线固定在模块的同一侧，对应侧具有回流线使电流由末端的发射导轨模组返回逆变源；当发射端导轨的两个相邻两相发射导轨模组的同一相的绕组分别处于两个相邻两相发射导轨夹具外侧时，其绕组旋向一致，当同一相的绕组分别处于两个相邻两相发射导轨夹具内侧时，其绕组旋向相反；
绕组绕制在夹具上，夹具起固定支撑励磁绕组的作用，夹具内部有铁氧体磁芯导磁材料或空心。
5.根据权利要求1所述的动态无线供电系统，其特征在于：所述逆变源中的低频整流模块通过不控整流或可控整流方式将电网电能整流为直流电，滤波模块采用C或RC滤波拓扑实现恒压输出，DCDC具备调整输出电压以实现调整输出功率的功能。
6.根据权利要求1所述的动态无线供电系统，其特征在于：逆变源由两个逆变模块构成，即两个H桥对应桥臂的控制信号相差90°的H桥逆变拓扑；或由一个模块即相邻桥臂的控制信号相差90°的三相H桥；或由单个H桥结合中点电容且两个桥臂的控制信号相差90°的H桥结构构成。
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