CN205670723U

CN205670723U - 无线充电线圈

Info

Publication number: CN205670723U
Application number: CN201620545053.6U
Authority: CN
Inventors: 付永升; 雷鸣; 雷志勇; 李静; 李翰山; 刘星; 王泽民; 高俊钗; 闫克丁; 刘敏
Original assignee: Xian Technological University
Current assignee: Xian University of Technology; Xian Technological University
Priority date: 2016-06-07
Filing date: 2016-06-07
Publication date: 2016-11-02
Anticipated expiration: 2026-06-07

Abstract

本实用新型公开了一种无线充电线圈，包括发射线圈及接收线圈，该发射线圈及该接收线圈的匝数相同，该发射线圈及该接收线圈在垂直于轴线方向的横截面为尺寸相同的矩形，且该发射线圈及该接收线圈构成的谐振拓扑具有相同的谐振频率，该发射线圈设于地面，该接收线圈设于汽车的底盘，该发射线圈与该接收线圈的轴线方向一致，且该接收线圈的轴线方向与该汽车的行驶方向一致。因此，本实用新型提供的无线充电线圈，通过设置两个完全对称的矩形线圈，并将两个线圈分别安装在地面及汽车底盘，使得两个线圈的轴线方向与该汽车的行驶方向一致，从而减小了线圈的相对位移变化对线圈耦合系数的影响，提高了系统的充电效率。

Description

无线充电线圈

技术领域

本实用新型涉及无线充电领域，尤其涉及一种无线充电线圈。

背景技术

目前，随着经济的发展，家用汽车也从以前的奢侈品变成了百姓生活的必需品，但是随着石油燃料的枯竭和国家对未来低碳汽车的政策扶持，尤其目前电动汽车作为未来替换石油汽车的唯一选择，发展电动汽车是必然趋势。而充电技术作为电动汽车的核心配套行业，它的技术预研对未来人们的生活、出行和工作也具有相当的影响，因此在电动汽车领域需要一种安全可靠，占地资源小，能长久给予电动汽车能量的技术。

无线充电技术作为一个更方便、安全、环境适应能力强、占用空间资源小的电能供给技术，是大力发展纯电动汽车之后的必经之路。无线充电又被称为无线电能传输技术(Wireless Power Transfer，WPT)，已经熟练的应用在电子产品中。目前的无线充电技术主要以磁场共振式为主，采用了具有强耦合能力的两个线圈通，并过加入合适的谐振补偿电容，以达到发射线圈(原边)与接受线圈(副边)谐振的目的。根据这一补偿电容与线圈连接关系，无线充电系统拓扑结构可分为串-串、串-并、并-串及并-并四种拓扑，主要是指原边线圈与副边线圈的谐振拓扑。

然而，现有技术中无线充电系统由于电动汽车底盘的高低不同及停车时车个人技术的差异，导致发射线圈与车低的垂直距离和发射线圈与车的水平相对位移变化较大，使得充电系统的充电效率随着线圈位移的变化较大，降低了系统的充电效率与充电功率。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种无线充电线圈，解决了现有技术中无线充电系统效率低的问题。

本实用新型提供的无线充电线圈包括发射线圈及接收线圈，该发射线圈及该接收线圈的匝数相同，该发射线圈及该接收线圈在垂直轴线方向的横截面为尺寸相同的矩形，且该发射线圈及该接收线圈构成的谐振拓扑具有相同的谐振频率，该发射线圈设于地面，该接收线圈设于汽车的底盘，该发射线圈与该接收线圈的轴线方向一致，且该接收线圈的轴线方向与该汽车的行驶方向一致。

综上，本实用新型实施例提供的无线充电线圈，通过设置两个完全对称的矩形线圈，并将两个线圈分别安装在地面及汽车底盘，使得两个线圈的轴线方向与该汽车的行驶方向一致，从而减小了线圈相对位移变化对线圈耦合系数的影响，提高了系统的充电效率与充电功率。

附图说明

图1为无线充电系统的串-串拓扑结构的等效变压器模型图；

图2为本实用新型实施例提供的无线充电线圈的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的无线充电线圈的耦合系数与线圈在Y方向的相对位移的关系的仿真结果；

图4为本实用新型实施例提供的无线充电线圈的耦合系数与线圈在X方向的相对位移的关系的仿真结果；

图5为本实用新型实施例提供的无线充电线圈的充电效率与线圈在Y方向的相对位移的关系的仿真结果；

图6为本实用新型实施例提供的无线充电线圈的充电效率与线圈在X方向的相对位移的关系的仿真结果。

附图标记说明：

100-发射线圈，200-接收线圈。

具体实施方式

下面结合本实用新型中的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本实用新型保护的范围。

应理解，无线充电技术主要原理是具有强耦合能力的两个线圈通过加入合适的谐振补偿电容，以达到发射线圈(原边)与接受线圈(副边)谐振的目的，其电能发射线圈与电能的接受线圈构成的谐振拓扑具有相同的谐振频率。图1所示为无线充电系统的串-串拓扑结构的等效变压器模型图。如图1所示，Cp、Lp分别是发射线圈的谐振电容及电感，Cs、Ls分别是接收线圈的谐振电容及电感，M是发射线圈Lp和接收线圈Ls的互感系数。电源为AC输入，L₁为原边线圈的漏感，L_m是发射线圈自感与接收线圈自感的互感，L₂为接收线圈的漏感。电阻R₁是发射线圈的内阻，R₂是接收线圈Ls的内阻，R_L为负载，w为角频率。则：

发射线圈的阻抗Z₁为：

Z_{1} = R_{1} + j * w * L p - \frac{j}{w * C p}

接收线圈的阻抗Z₂为：

Z_{2} = R_{2} + R L + j * w * L s - \frac{j}{w * C s}

X方向上的互感为：

X_m＝w*L_m

Z方向上的互感为：

Z_m＝j*w*L_m

因此，由变压器原理可知：

\{\begin{matrix} Z_{1} * I_{1} - Z_{m} * I_{2} = U_{i n} \\ I_{1} * Z_{m} - I_{2} * Z_{2} = 0 \end{matrix}

其中，I₁、I₂为发射线圈及接收线圈的输入电流，U_in为发射线圈的输入电压值。

由上述方程式可知：

\{\begin{matrix} I_{1} = \frac{U_{i n} * Z_{2}}{Z_{1} * Z_{2} + {(w * L_{m})}^{2}} \\ I_{2} = \frac{j * w * L_{m} * U_{i n}}{Z_{1} * Z_{2} + {(w * L_{m})}^{2}} \end{matrix}

则输入功率与输出功率可表示如下：

电路输入的总功率：

P_{i n} = Re (U_{i n} * I_{1}) = \frac{U_{i n}^{2} * | Z_{2} |}{| Z_{1} * Z_{2} + {(w * L_{m})}^{2} |} * c o s θ

电路输出的总功率：

P_{o u t} = | I_{2}^{2} | * R_{L} = \frac{U_{i n}^{2} * R_{L} * {(w * L_{i n})}^{2}}{| {[Z_{1} * Z_{2} + {(w * L_{m})}^{2}]}^{2} |}

所以电路的总效率：

η = \frac{P_{o u t}}{P_{i n}} = \frac{{(w * L_{m})}^{2} * R_{L}}{| Z_{2} * [Z_{1} * Z_{2} + {(w * L_{m})}^{2}] | * c o s θ}

如果改变系统的斩波频率使原边与副边同时谐振则:

Z₁＝R₁ Z₂＝R₂+R_L

此时电路由最大的传输效率：

η = \frac{{(w * L_{m})}^{2} * R_{L}}{(R_{2} + R_{L}) [R_{1} (R_{2} + R_{L}) + {(w * L_{m})}^{2}]} * 100 %

由上式可知当电路发生谐振并且负载与线圈一定的情况下电路的传输效率只与线圈的互感有关，互感越大传输效率越高。因此，需要找出在线圈面积和线圈间距一定的情况下耦合系数较大的线圈模型。本实用新型以纯电动公交汽车为目标设计了双框对称的高耦合系数耦合线圈。

图2所示为本实用新型提供的无线充电线圈结构示意图，如图2所示，该无线充电线圈包括：发射线圈100及接收线圈200，发射线圈100及接收线圈200的匝数相同，发射线圈100及接收线圈200在垂直轴线方向的横截面为尺寸相同的矩形，且发射线圈100及接收线圈200构成的谐振拓扑具有相同的谐振频率，发射线圈100设于地面，接收线圈200设于汽车的底盘，发射线圈100与接收线圈200的轴线方向一致，且接收线圈200的轴线方向与汽车的行驶方向一致。

具体的，在实际应用中，首先可以制作两个完全对称的矩形线圈，然后可以将发射线圈100即发射线圈安装在地面，接收线圈200即接收线圈安装在汽车的底盘，且使得两个线圈的轴线方向与汽车的行驶方向一致。在实际操作中。当发射线圈100的交流输入电压通电后，由于发射线圈100及接收线圈200具有相同的谐振频率，可以使得发射线圈100与接收线圈200之间发生谐振，并产生由上到下的闭合磁力线，从而在接收线圈200内产生电压。

可选的，为了便于理解和说明，本实用新型采用直径80cm圆形线圈，并使用Ansys/Maxwell有限元分析软件设置线间距、导线直径、线圈距离等参数，对本实用新型提供的线圈模型进行模拟分析，发现当耦合线圈垂直距离为15cm时，其耦合系数为29.5％。

进一步的，本实用新型在汽车底盘与地面距离确定时线圈之间产生的相对位移来源于X方向位移与Y方向位移。应理解，该Y方向为两个线圈的轴线方向，该X方向为平行于地面，且垂直两个线圈的轴线的方向。由于停车位置的差异，发射线圈与接收端线圈不能完整无误的对准，因此在实际中发射端线圈与接收端线圈会产生相对的位移，此时耦合线圈的耦合系数将随着相对位移的作用而发生变化。图3为本实用新型实施例提供的无线充电线圈的耦合系数与线圈在Y方向的相对位移的关系的仿真结果，图4为本实用新型实施例提供的无线充电线圈的耦合系数与线圈在X方向的相对位移的关系的仿真结果。由图3及图4可知，其仿真结果为无偏移时有最大耦合系数29.5％，当偏移15cm时X方向的耦合系数减小至13％，而Y方向上的耦合系数仅减少至20％。

进一步的，图5为本实用新型实施例提供的无线充电线圈的充电效率与线圈在Y方向的相对位移的关系的仿真结果，图6为本实用新型实施例提供的无线充电线圈的充电效率与线圈在X方向的相对位移的关系的仿真结果。由图5及图6可知，相应的，线圈在X方向上的相对位移对充电效率的影响较大，而线圈在Y方向上的相对位移对充电效率的影响较小。

因此，在谐振式无线充电系统中，系统传输效率与传输功率主要的影响因数为线圈的耦合系数。由于停车时产生耦合线圈之间的相对位移主要来自Y方向，而Y方向的线圈耦合系数受到的线圈相对位移影响较小，因此在实际应用中具有较好的使用价值。

综上所述，本实用新型实施例提供的无线充电线圈，通过设置两个完全对称的矩形线圈，并将两个线圈分别安装在地面及汽车底盘，使得两个线圈的轴线方向与该汽车的行驶方向一致，从而减小了线圈相对位移的变化对线圈耦合系数的影响，提高了系统的充电效率与充电功率。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是，本实用新型实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种无线充电线圈，其特征在于，包括：发射线圈(100)及接收线圈(200)，所述发射线圈(100)及所述接收线圈(200)的匝数相同，所述发射线圈(100)及所述接收线圈(200)在垂直于轴线方向的横截面为尺寸相同的矩形，且所述发射线圈(100)及所述接收线圈(200)构成的谐振拓扑具有相同的谐振频率，所述发射线圈(100)设于地面，所述接收线圈(200)设于汽车的底盘，所述发射线圈(100)与所述接收线圈(200)的轴线方向一致，且所述接收线圈(200)的轴线方向与所述汽车的行驶方向一致。