CN208164783U - 一种高效率电动汽车无线充电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种高效率电动汽车无线充电装置，包括充电控制器、发射装置和接收装置，发射装置和充电控制器之间通过输电电缆连接，接收装置中的接收线圈和发射装置中的发射线圈和中继线圈组成WPT系统，使得接收线圈与发射线圈在非接触的条件下实现电能的无线传输，中继线圈的加入，增大了发射端的自感和收发线圈间的互感，提高了耦合系数，同时中继线圈的加入，使得系统在输出相同的功率时，与两线圈结构相比，原边的电流能够大幅度减小，使得系统在逆变器内阻和原线圈上的损耗降低，相应的提高了整个系统的传输效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电动汽车无线充电装置，特点是高效传输能量。
背景技术
无线电能传输(Wireless Power Transmission，WPT)技术渐渐应用到实际生活中。对于无线充电汽车，从节约资源的角度来看，石油是不可再生资源，如今燃油汽车越来越多，世界上石油的总量越来越少，随着无线充电技术的发展，电动汽车代替了部分燃料汽车的使用，大大较少了对石油的燃烧，同时也可以减少燃烧石油时排放的尾气对大气的污染，间接性的保护了生态环境。目前，电动汽车都是采用有线充电，但是电池的续航能力不够强，所以在使用中需要频繁充电，这就会频繁的插拔充电连接器，不但容易造成连接器部位的端子磨损氧化导致接触不好，而且在使用中常常会忘记充电，在需要使用时才发现电量不足，影响电动汽车的使用。这主要是因为电动汽车充电时，需要独立的充电装置并且要手动连接充电器，难免会遇到忘记充电的状况；另外现有的通过连接器进行连接充电的方式容易造成设备连接器的外壳部分出现裂痕，在雨雪天气中容易发生漏电存在安全隐患，容易造成内部电子原件的受潮或损坏，造成电动汽车的故障率增加，不利于电动汽车的稳定性和可靠性。
发明内容
本实用新型解决的技术问题是：为了解决上述的技术问题，设计一种高效率电动汽车无线充电装置，可以很好地解决了电动汽车需要频繁插拔充电器，并且避免了在雨雪天气下充电过程中发生漏电的危险。
本实用新型的技术方案是：一种高效率电动汽车无线充电装置，包括充电控制器2、发射装置4和接收装置5，所述发射装置4和充电控制器2之间通过输电电缆3连接；所述接收装置5中的接收线圈51、发射装置4中的发射线圈41和中继线圈42共同组成磁耦合谐振式WPT系统，实现接收线圈51和发射装置4在非接触的条件下电能的无线传输；所述发射线圈41由利兹线周向缠绕为圆盘状，其中部为中空结构，中继线圈42整体位于发射线圈41中心处，且与发射线圈41位于同一水平面，且轴线重合；接收线圈51为圆盘状，圈数与发射线圈41圈数相同，且轴线与发射线圈41轴线重合；磁耦合谐振式WPT系统使得接收线圈与发射线圈在非接触的条件下实现电能的无线传输。
本实用新型的进一步技术方案是：定义发射线圈谐振频率为f1，接收线圈频率为f2，中继线圈电感为L3，中继线圈谐振电容为C3，中继线圈谐振频率为三者之间关系满足f1＝f2且f3＝a·f1，逆变器工作频率f应满足：f＝b·f1，其中a＝1.2～1.5且1<b<a，a表示含义为中继线圈谐振频率与发射线圈谐振频率的倍数关系，b表示含义为逆变器工作频率与发射线圈谐振频率的倍数关系。
本实用新型的进一步技术方案是：所述发射装置4中包括工频整流滤波电路、高频逆变电路、发射线圈41和中继线圈42，经充电控制器2传出的交流电，经过工频整流滤波电路将交流电整流成直流电后，再经过高频逆变电路将直流电逆变为高频交流电，传给发射线圈41和中继线圈42；接收装置5包括接收线圈51、高频整流滤波电路和DC/DC变换单元电路；高频交流电经发射线圈41和中继线圈42产生高频变化的磁场，磁场通过空气介质传入接收线圈51；经接收线圈51的感应耦合作用，将变化的磁场再转变为交变的电压，传入高频整流滤波电路，经高频整流滤波电路将交流电变为直流电后传入DC/DC变换单元电路，经DC/DC变换单元电路转换为恒压电路后，传入负载，为汽车充电。
发明效果
本实用新型采用带有中继线圈的三线圈结构，中继线圈可以接收原边线圈的磁场，同时传输到接收端。中继线圈的加入，增大了发射端的自感和收发线圈间的互感，提高了耦合系数，同时中继线圈的加入，使得系统在输出相同的功率时，与两线圈结构相比，原边的电流能够大幅度减小，使得系统在逆变器内阻和原线圈上的损耗降低，相应的提高了整个系统的传输效率。
附图说明
图1是带有无线充电装置的电动汽车图。
图2是图1中耦合机构A的放大图。
图3是磁耦合谐振式WPT系统组成。
附图标记说明：1.电动汽车主体，2.充电控制器，3.输电线缆，4.发射装置，5.接收装置，41.发射线圈，42.中继线圈，51.接收线圈。
具体实施方式
参见图1-图3，为了提高系统的传输效率，设计一种新型的带有中继线圈的三线圈WPT系统。这种结构有别于传统三线圈系统，传统的中继线圈都是加在发射线圈与接收线圈之间，以提高系统的传输距离，但是这种结构的有效隔空距离只是中继线圈到接收线圈的距离，在电动汽车的使用环境中并不适用。因此本采用设计一种中继线圈与发射线圈处于同一个平面的三线圈结构，如图2所示。系统采用磁耦合谐振的传输技术，发射线圈与薄膜电容串联谐振，发射线圈电感为L1，发射线圈谐振电容为C1，原边谐振频率为接收线圈与薄膜电容串联谐振，接收线圈电感为L2，接收线圈谐振电容为C2，接收端谐振频率为中继线圈与薄膜电容串联谐振，中继线圈电感为L3，中继线圈谐振电容为C3，中继线圈谐振频率为本发明对于三个线圈的谐振频率设计为：f1＝f2，f3＝1.2·f1，工作频率为f，f应满足：f＝1.1·f1。
请参照图1、图2和图3，所述的发射线圈41的直径与接收线圈51的直径相同，中继线圈42的直径小于发射线圈41的内直径，并且中继线圈42与发射线圈41在同一平面,所有线圈采用利兹线制作。当电动汽车停在无线充电区域，接收线圈51位于发射线圈41的正上方，发射装置4由220V/50Hz的交流市电供电，后经过工频整流滤波电路将交流电整流成直流，再经过高频逆变单元将直流电逆变为频率数百kHz的高频交流电，谐振电容与发射线圈串联连接，将高频电磁波通过空气介质传输到接收端，接收线圈51后级连接一个高频整流单元，将接收到的交流电整流成直流，由于此直流电压随着传输距离等参数的改变将很难稳定，因此又通过DC/DC变换单元将输出变成恒压的直流电传输到负载。本实施例中，发射装置中的工频整流滤波电路采用了型号为DF100AA160的现有模块，高频逆变单元采用了型号为A6-TX-V39的现有产品，接收电路采用了型号为B3H-RX-V37A的现有产品，本专利对其中的线圈进行了改进。
通过仿真实验，改进后的三线圈结构与传统的三线圈和两线圈进行了比较，得出三线圈结构的传输效率比两线圈结构的传输效率在不同驱动频率时均提高了2％左右，且改进后的三线圈结构比传统的三线圈结构的传输效率略高。两线圈结构的输出功率最大，改进后的三线圈结构的输出功率居中，传统三线圈结构的输出功率最小，本实验设计的系统输出功率为3.7kW，改进后的三线圈结构能够满足系统输出功率的要求。因此通过仿真可以看出，本文设计的改进后的三线圈结构能够同时满足最高的传输效率和较高的输出功率，具有出色的性能表现(发射端与接收端的谐振频率都为100kHz，中继线圈的谐振频率为120kHz,当充电功率为3.7kW时，线圈传输效率在94.2％，线圈输出功率在3kW)。同时改进后的三线圈结构在应用到电动汽车无线充电中，接收装置和发射装置之间的距离比采用传统的三线圈结构的有效隔空距离要长，因为传统的三线圈的中继线圈是放在发射线圈与接收线圈之间，这种结构的有效隔空距离只是中继线圈到接收线圈的距离。
Claims (3)
1.一种高效率电动汽车无线充电装置，其特征在于，包括充电控制器(2)、发射装置(4)和接收装置(5)，所述发射装置(4)和充电控制器(2)之间通过输电电缆(3)连接；所述接收装置(5)中的接收线圈(51)、发射装置(4)中的发射线圈(41)和中继线圈(42)共同组成磁耦合谐振式WPT系统，实现接收线圈(51)和发射装置(4)在非接触的条件下电能的无线传输；所述发射线圈(41)由利兹线周向缠绕为圆盘状，其中部为中空结构，中继线圈(42)整体位于发射线圈(41)中心处，且与发射线圈(41)位于同一水平面，且轴线重合；接收线圈(51)为圆盘状，圈数与发射线圈(41)圈数相同，且轴线与发射线圈(41)轴线重合；磁耦合谐振式WPT系统使得接收线圈与发射线圈在非接触的条件下实现电能的无线传输。
2.如权利要求1所述的一种高效率电动汽车无线充电装置，其特征在于，定义发射线圈谐振频率为f1，接收线圈频率为f2，中继线圈电感为L3，中继线圈谐振电容为C3，中继线圈谐振频率为三者之间关系满足f1＝f2且f3＝a·f1，逆变器工作频率f应满足：f＝b·f1，其中a＝1.2～1.5且1<b<a，a表示含义为中继线圈谐振频率与发射线圈谐振频率的倍数关系，b表示含义为逆变器工作频率与发射线圈谐振频率的倍数关系。
3.如权利要求1所述的一种高效率电动汽车无线充电装置，其特征在于，所述发射装置(4)中包括工频整流滤波电路、高频逆变电路、发射线圈(41)和中继线圈(42)，经充电控制器(2)传出的交流电，经过工频整流滤波电路将交流电整流成直流电后，再经过高频逆变电路将直流电逆变为高频交流电，传给发射线圈(41)和中继线圈(42)；接收装置(5)包括接收线圈(51)、高频整流滤波电路和DC/DC变换单元电路；高频交流电经发射线圈(41)和中继线圈(42)产生高频变化的磁场，磁场通过空气介质传入接收线圈(51)；经接收线圈(51)的感应耦合作用，将变化的磁场再转变为交变的电压，传入高频整流滤波电路，经高频整流滤波电路将交流电变为直流电后传入DC/DC变换单元电路，经DC/DC变换单元电路转换为恒压电路后，传入负载，为汽车充电。
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