CN107220446A - 一种单发射对四接收线圈电动汽车静态无线供电***的建模方法 - Google Patents

一种单发射对四接收线圈电动汽车静态无线供电***的建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种单发射对四接收线圈电动汽车静态无线供电***拓扑结构的设计与建模方法，其特征在于：所述拓扑结构是由一个大的发射线圈、四个小的接收线圈和四个整流桥构成，四个小的接收线圈放置于同一平面，并于发射线圈平行,四个整流桥输出端电压依次串联连接。单发射对四接收线圈结构的发射线圈和接收线圈是由圆形或方形多匝线圈构成；同时针对所述的拓扑结构，提出了相对应的数学建模方法。所述结构的优点是：当接收线圈与发射线圈发生偏移时，***的输出电压基本恒定。本发明的有益效果是：结构简单、可靠性强、***的输出电压基本恒定，适用于电动汽车静态无线充电。

Description

一种单发射对四接收线圈电动汽车静态无线供电***的建模 方法
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，尤其涉及单发射对四接收线圈电动汽车静态无线供电***拓扑结构的设计与建模方法。
背景技术
充电***是电动汽车的核心部件之一，其性能的好坏直接影响着电动汽车的安全性和便利性。当前，电动汽车的充电方式主要有两种：插拔式有线充电方式和无线充电方式。插拔式有线充电方式的主要问题如下：(1)由于充电插座和电缆的存在而极大地降低了电动汽车充电的灵活性；(2)较大的充电电流构成了漏电及电击的潜在危险，容易产生接触火花，安全性不强。无线充电方式主要是通过磁场来传输电能，供电端和负载端不需要导线的直接连接，进而可以省去插座和插头。负载端和供电端可以通过网络指令来进行智能连接，更容易实现智能供电。然而，在电动汽车停车充电时，发射线圈和接收线圈不可避免会产生偏移，导致线圈之间的磁场分布发生变化，进而引起输出端电压剧烈波动及效率下降，危及电动汽车动态无线供电***的安全性与稳定性。所以，如何保证线圈发生偏移时线圈之间磁场的相对均匀、维持输出电压的稳定及较高的效率是一个难题。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种单发射对四接收线圈电动汽车静态无线供电***的拓扑结构设计与建模方法。
一种单发射对四接收线圈电动汽车静态无线供电***的拓扑结构设计与建模方法，其特征在于：
1)一种电动汽车静态无线充电拓扑结构的设计与建模方法，其特征在于：所述拓扑结构是由一个大的发射线圈、四个小的接收线圈和四个整流桥构成，四个小的接收线圈放置于同一平面，并于发射线圈平行。四个小的接收线圈经整流桥后，其后端输出电压依次串联，给负载供电。
2)新型单发射对四接收后端级联型***的发射线圈是由圆形或方形多匝线圈构成，新型单发射对四接收后端级联型***的接收线圈也是由圆形或方形多匝线圈构成。
3)提出一种新型单发射对四接收后端级联型结构的数学建模方法。
本发明的有益效果是：结构简单、可靠性强、输出电压基本恒定、***效率高，非常适用于电动汽车静态无线充电。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
图1是新型电动汽车静止无线供电***的准均匀磁场拓扑结构；
图2是发生偏移时新型单发射对四接收型准均匀磁场拓扑结构；
图3是新型单发射对四接收后端级联型拓扑结构图；
图4是新型单发射对四接收后端级联型等效电路图；
图5接收线圈的前端输入电压波形图；
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
(1)新型单发射对四接收型拓扑结构
本发明一种单发射对四接收线圈电动汽车静态无线供电***的拓扑结构设计如图1所示，它由一个大的圆形(或方形多匝线圈)发射线圈(Tx)和四个小的圆形(或方形多匝线圈)接收线圈(Rx_1,Rx_2,Rx_3和Rx_4)组成。四个接收线圈的结构和大小都相同，Rx_1和Rx_3关于Y轴对称，Rx_2 和Rx_4也是关于Y轴对称，Rx_1和Rx_2关于Z轴对称，Rx_1和Rx_4也是关于Z轴对称，四个接收线圈放置于同一个平面，接收线圈与发射线圈平行放置。O’是接收线圈的中心，Oi(i＝1,2,3,4)分别是各个接收线圈的中心。Δ1是Rx_1的中心与Z轴的水平垂直距离，Δ2是Rx_2的中心与Z轴的水平垂直距离。a是发射线圈的半径，b是接收线圈的半径，D是接收线圈与发射线圈之间的距离。
图2显示了接收装置向Y轴方向移动的示意图，Δ是接收装置向右移动的水平距离。当Δ<2b，Δ越大时，Δ1越小，此时Rx_1或Rx_3与Tx圆心的水平偏移越小，它们之间的互感会变大；Δ越大时，Δ2越小，此时Rx_2或Rx_4 与Tx圆心的水平偏移越大，它们之间的互感会变小。其总的互感基本不变。
图3显示了新型单发射对四接收后端级联型的拓扑结构图，发射线圈是一个大的圆形或方形多匝线圈，接收线圈也是由圆形或方形多匝线圈构成。四个接收线圈经整流后以串联方式依次联接，RL是负载电阻。每个线圈都可以等效成RLC(电阻、电感、电容)电路，其等效电路图如图4所示。
新型单发射对四接收后端级联型***的等效电路由AC-AC模块(1)和 AC-DC模块(2)构成。所述AC-AC模块(1)由电源模块(10)、发射线圈Tx(11)、接收线圈Rx_1(12)、接收线圈Rx_2(13)、接收线圈Rx_3(14)、接收线圈Rx_4(15)组成；所述AC-DC模块(2)由整流桥(21)、整流桥(22)、整流桥(23)、整流桥(24)、负载(25)构成。电源模块(10)经电容C1与发射线圈(11)相连，发射线圈(11)经磁场耦合把电能传输给接收线圈Rx_1(12)、接收线圈Rx_2(13)、接收线圈Rx_3(14)、接收线圈Rx_4(15)。接收线圈 Rx_1(12)经电容C2与整流桥(21)相连；接收线圈Rx_2(13)经电容C3与整流桥(22)相连；接收线圈Rx_3(14)经电容C4与整流桥(23)相连；接收线圈Rx_4(15)经电容C5与整流桥(24)相连。整流桥(21)、整流桥 (22)、整流桥(23)、整流桥(24)依次串联与负载(25)相连。
(2)新型单发射对四接收型拓扑结构建模方法
运用基尔霍夫电压定律，可以得到新型单发射对四接收级联型前端部分 (AC-AC)的方程如下：
Vo是负载电阻上的电压，Io是负载电阻上的电流，α2是V2和I2之间的相位角，α3是V3和I3之间的相位角，α4是V4和I4之间的相位角，α5是V5和 I5之间的相位角。
当无线电线传输***操作在谐振状态时，可以得到以下式子：
α2＝α3＝α4＝α5＝0 (3)
由于接收线圈经整流后是以串联方式联接，所以可以得到各个接收线圈上电流的关系式如下：
I2＝I3＝I4＝I5 (4)
每个接收线圈的前端输入电压(V2,V3,V4,V5)是方波，图5显示了V2的波形图。U2_m是方波的最大幅值，T是方波的周期，根据傅里叶级数，V2可以用如下式子表示：
式中ω是基波角频率。
根据式(5)，可以得到每个整流桥前端输入电压的有效值与整流桥前端输入电压最大值的关系如下：
每个整流桥前端输入电压是方波，可以得到每个整流桥前端输入电压(V2, V3,V4,V5)与每个整流桥后端输出电压(Vo2,Vo3,Vo4,Vo5)的关系式如下：
根据式(1)-式(7)，可以得到接收线圈上的I2和负载电阻上的电流Io的关系式如下：
|Io|＝0.9|I2| (8)
根据式(1)-式(8)，新型***的数学模型如下：
通过求解式(9)，可以得到发射线圈上电流I1和接收线圈上的电流I2如下：
式中A＝jωM12+jωM13+jωM14+jωM15，B＝Z2+Z3+Z4+Z5+0.81RL.
根据式(10)，可以得到负载电阻上的电压表达式如下：
从式(11)中可以看出，当A和B不变时，输出电压Vo也基本不变。因此，当接收线圈与发射线圈发生偏移时，运用提出的拓扑结构，无线充电***的输出电压基本恒定，为新型结构的恒电压输出提供了理论依据。
在此说明了此发明的优选实施例，包括发明人用于实施本发明的已知最佳模式。优选实施例的变更对本领域普通技术人员而言在阅读上述说明后是显而易见的。发明人希望普通技术人员合理应用这样的变更，并且发明人认为与在此明确说明不同的应用也可以实现本发明。因此，本发明包括随附权利要求中所引用的主旨的所有修改及等效形式，这在适用的法律中是允许的。此外，上述要素的所有可能的变更的任何组合也被本发明所包含，除非在此另外指出或者在上下文中明显矛盾。

Claims (4)

1.一种单发射对四接收线圈电动汽车静态无线供电***的拓扑结构设计与建模方法，其特征在于：所述拓扑结构是由一个大的发射线圈、四个小的接收线圈和四个整流桥构成，四个小的接收线圈放置于同一平面，并于发射线圈平行。四个小的接收线圈经整流桥后，其后端输出电压依次串联，给负载供电。
2.针对所述的新型拓扑结构，提出了相对应的数学建模方法。数学建模如下：
运用基尔霍夫电压定律，可以得到新型单发射对四接收级联型前端部分(AC-AC)的方程如下：
Vo是负载电阻上的电压，Io是负载电阻上的电流，α2是V2和I2之间的相位角，α3是V3和I3之间的相位角，α4是V4和I4之间的相位角，α5是V5和I5之间的相位角。
当无线电线传输***操作在谐振状态时，可以得到以下式子：
α2＝α3＝α4＝α5＝0 (3)
由于接收线圈经整流后是以串联方式联接，所以可以得到各个接收线圈上电流的关系式如下：
I2＝I3＝I4＝I5 (4)
每个接收线圈的前端输入电压(V2,V3,V4,V5)是方波，参考图5，U2_m是方波的最大幅值，T是方波的周期，根据傅里叶级数，V2可以用如下式子表示：
式中ω是基波角频率。
根据式(5)，可以得到每个整流桥前端输入电压的有效值与整流桥前端输入电压最大值的关系如下：
每个整流桥前端输入电压是方波，可以得到每个整流桥前端输入电压(V2,V3,V4,V5)与每个整流桥后端输出电压(Vo2,Vo3,Vo4,Vo5)的关系式如下：
根据式(1)-式(7)，可以得到接收线圈上的I2和负载电阻上的电流Io的关系式如下：
|Io|＝0.9|I2| (8)
根据式(1)-式(8)，新型***的数学模型如下：
通过求解式(9)，可以得到发射线圈上电流I1和接收线圈上的电流I2如下：
式中A＝jωM12+jωM13+jωM14+jωM15，B＝Z2+Z3+Z4+Z5+0.81RL.
根据式(10)，可以得到负载电阻上的电压表达式如下：
。
3.新型单发射对四接收后端级联型***的等效电路由AC-AC模块(1)和AC-DC模块(2)构成。所述AC-AC模块(1)由电源模块(10)、发射线圈Tx(11)、接收线圈Rx_1(12)、接收线圈Rx_2(13)、接收线圈Rx_3(14)、接收线圈Rx_4(15)组成；所述AC-DC模块(2)由整流桥(21)、整流桥(22)、整流桥(23)、整流桥(24)、负载(25)构成。其特征在于：电源模块(10)经电容C1与发射线圈(11)相连，发射线圈(11)经磁场耦合把电能传输给接收线圈Rx_1(12)、接收线圈Rx_2(13)、接收线圈Rx_3(14)、接收线圈Rx_4(15)。接收线圈Rx_1(12)经电容C2与整流桥(21)相连；接收线圈Rx_2(13)经电容C3与整流桥(22)相连；接收线圈Rx_3(14)经电容C4与整流桥(23)相连；接收线圈Rx_4(15)经电容C5与整流桥(24)相连。整流桥(21)、整流桥(22)、整流桥(23)、整流桥(24)依次串联与负载(25)相连。
4.新型单发射对四接收后端级联型***的发射线圈是由圆形或方形多匝线圈构成，新型单发射对四接收后端级联型***的接收线圈也是由圆形或方形多匝线圈构成。
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