CN107749675A - 基于磁谐振耦合的无线电能传输*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线电能传输***的线圈结构，具体地指一种基于磁谐振耦合的无线电能传输***。该结构核心在电能接受端的磁场分布均匀，辅助线圈还能够接收到一部分散落在主线圈四周的磁场，这样不仅能够减少损耗，而且可以抑制磁芯的局部过热。在整个无线电能传输***的结构中，耦合线圈部分所产生的损耗占整个***的一个很大的部分。该线圈结构可以很大程度上的减小损耗，达到提高无线电能的传输效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种使磁场均匀分布的关于磁谐振的无线电能传输***，属于无线电能传输领域。
背景技术
随着电力电子技术的发展和新能源广泛使用，电动汽车作为一种新型无污染的汽车得到了广泛普及。然而电动汽车的电池功率密度小及其充电时间长问题却制约着其进一步的发展和推广。目前使用较为广泛的一种充电方式是基于直流充电桩的有线充电方式，这些电线不仅限制了汽车的充电范围，而且限制了汽车使用的方便性，进而也产生了安全用电的隐患。所以，无线充电技术在电动汽车领域已经开始备受关注。
无线能量传输模式和机理大体分为磁感应耦合、电磁辐射和磁耦合谐振三种方式。和电磁辐射相比磁耦合谐振方式在安全性和传输效率上都具有优势；与磁感应耦合方式相比，它在传输距离上具有优势。目前已公开的基于磁耦合谐振方式的无线电能传输***的发射端和接收端均采用单个谐振线圈结构，通过收发端谐振线圈间的同频磁谐振耦合来实现电能的传输；这种线圈结构会造成接收端磁场分布不均匀，容易造成磁芯局部过热，损耗也会增加，效率会有所下降。且此类设计对线圈的摆放位置要求也比较高，即发送端和接收端要在一定范围内对应。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足而提出了一种基于磁场均匀分布线圈结构的磁谐振耦合的无线电能传输***，该***能够解决目前基于磁谐振耦合无线电能传输***中线圈结构所导致的接收端磁场分布不均匀问题，并且可以借助辅助线圈接受主线圈周围磁场的漏磁，解决无线电能传输效率低的问题。
实现本发明的技术方案是一种基于磁谐振耦合的无线电能传输***，该***包括：
电能发送模块，包括原边线圈，所述原边线圈为螺旋结构，且在平面呈圆形，并在紧挨着原边线圈的下方设有均匀分布的若干数量磁条；
电能接受模块，包括主线圈和辅助线圈，所述主线圈为螺旋结构，且在平面呈圆形，正对电能发送模块的原边圈，并在紧挨着主线圈的上方设有均匀分布的且与发送模块中相同数量的磁条；所述辅助线圈为螺旋结构，且在平面呈方形，辅助线圈均匀分布在主线圈的四周，且辅助线圈与所述主线圈上方的磁条处于同一平面位置上
所述电能发送模块与电能接收模块耦合。
在上述技术方案中，所述原边线圈下方设有均匀分布的8个磁条，磁条的长度大于原边线圈的线圈宽度；所述主线圈上方也设有均匀分布的8个磁条，磁条的长度大于主线圈的宽度。
在上述技术方案中，所述电能发送模块的原边线圈和电能接受模块和主线圈的宽度为60～80mm；所述电能发送模块中磁条长度为原边线圈宽度的1.5～2倍，宽度为30～35mm，厚度4～6mm；所述接受模块中磁条长度为主线圈宽度的1.5～2倍，宽度为30～35mm，厚度4～6mm。
进一步地，所述基于磁谐振耦合的无线电能传输***还包括：
电网；
整流电路，用于将所述电网的交流电整流为直流电；
BUCK电路，用于对所述整流后的直流电进行DC-DC变换；
逆变电路，用于将所述DC-DC变换得到的直流电转换为所需的交流电；
原边谐振电路，与所述电能发送模块中的原边线圈连接，用于产生一个固定频率的电磁场，便于进行电能的传递。
更进一步地，所述基于磁谐振耦合的无线电能传输***还包括：
副边谐振电路，与所述副边主线圈以及并联补偿电容连接，用于将电能发送模块所产生的电磁场转换成固定频率的交流电，实现电能的传递。
副边整流电路，与所述副边谐振电路连接，用于将交流整流为直流后为电池供电。
更进一步地，，所述基于磁谐振耦合的无线电能传输***还包括：
副边辅助谐振电路，与所述辅助线圈连接，用于将电能发送模块所产生的电磁场转换成固定频率的交流电，实现电能的传递；
副边辅助整流电路，与所述副边辅助谐振电路连接，用于将交流整流为直流后为辅助电池供电。
本发明无线电能传输(WPT)***的核心在于电能接受端的磁场分布均匀，辅助线圈还能够接收到一部分散落在原边主线圈四周的磁场，这样不仅能够减少损耗，而且可以抑制磁芯的局部过热。在整个无线电能传输***的结构中，耦合线圈部分所产生的损耗占整个***的一个很大的部分。该线圈结构可以很大程度上的减小损耗，达到提高无线电能的传输效率。
附图说明
图1为本发明基于磁谐振耦合的无线电能传输***的结构框图。
图2为本发明无线电能传输***中电能发送模块示意图。
图3为本发明无线电能传输***中电能接受模块中示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明基于磁谐振耦合的无线电能传输***包括：电网301、整流电路302、BUCK电路、逆变电路304、原边谐振电路305、原边线圈306、副边主线圈307、副边主线圈谐振电路308、副边主线圈整流电路309、副边辅助线圈310、副边辅助线圈谐振电路311、副边辅助线圈整流电路312和辅助电池模块313、电池模块314。
本发明无线电能传输***的核心在于还包括电能发送模块(原边)，电能发送模块的结构如图2所示，包括：主线圈101和磁芯102，下面分别进行说明。
主线圈101为螺旋结构，且在平面呈圆形，主线圈101外接谐振电路305，线圈宽度在60～80mm之间。主线圈101和磁芯102构成的整体线圈结构原边线圈306与副边主线圈201、副边辅助线圈202和磁芯203构成的整体线圈结构307以及310所耦合。
磁芯102包括8条长方体磁条，按圆周排列均匀分布在电能发送线圈101上方，磁条长度为主线圈101宽度的1.5～2倍，宽度30～35mm，厚度5mm左右。
本发明无线电能传输***的核心在于还包括电能接收模块(副边)，如图3所示，电能接收模块包括：主线圈201、辅助线圈202和磁芯203，下面分别进行说明。
主线圈201为螺旋结构，且在平面呈圆形状，主线圈201作为副边主线圈307依次外接谐振电路308、整流电路309后与电池连接。主线圈201的线圈宽度在60～80mm之间。主线圈201、辅助线圈202和磁芯203构成的整体线圈结构与主线圈101和磁芯102构成的整体线圈结构原边线圈306所耦合。
辅助线圈202为螺旋结构，且在平面呈方形状，辅助线圈202线圈的外径25mm左右，宽度8mm左右，辅助线圈202与主线圈201一起构成电能接受线圈。辅助线圈202依次外接谐振电路311、整流电路312和辅助电池313。
磁芯203包括8条长方体磁条，按圆周排列均匀分布在电能发送线圈201下方，磁条203的长度为主线圈201宽度的1.5～2倍，宽度30～35mm，厚度5mm左右。磁条203与辅助线圈202处于同一水平面。
本发明基于磁谐振耦合的无线电能传输***的工作过程如下：
电能发送模块首先将电网301中的三相交流电通过三相整流电路302电流得到单相的直流电，然后再将该直流电通过BUCK电路303进行降压处理得到降压后的单相直流电，再将得到的直流电通过逆变电路304得到单相交流电，最后再经过谐振电路305和原边主线圈306得到一定频率的交变磁场，这样就实现了电能向磁能的转换。
电能接受模块首先通过副边主线圈307和辅助线圈310以及各自的谐振电路，实现磁耦合谐振，能够将原边线圈306产生的磁场能转换成电能，最后再经过整流电路得到能够给电池充电所需要的直流电。
电能接受模块中的副边辅助线圈310主要是将原边主线圈306所产生的没有被副边主线圈307利用的那部分漏磁通，通过谐振技术将其转换成能够辅助电池充电的直流电，该直流电的电压通常较小，适合给充电电压较小的电池充电。
该线圈结构不仅能够实现电能和磁场能之间的高效率转换，并且通过辅助线圈对漏磁的加以利用，同时也使得磁条上的磁场分布更加均匀，磁条在工作时不会出现局部过热的情况。此外这种电路的拓扑结构也能实现真正意义上的软开关。经实验测试，本发明所用线圈结构下的无线电能传输***的效率更高，能够达到96％以上。
Claims (6)
1.一种基于磁谐振耦合的无线电能传输***，其特征在于，包括：
电能发送模块，包括原边线圈，所述原边线圈为螺旋结构，且在平面呈圆形，并在紧挨着原边线圈的下方设有均匀分布的若干数量磁条；
电能接受模块，包括主线圈和辅助线圈，所述主线圈为螺旋结构，且在平面呈圆形，正对接受模块的原边线圈，并在紧挨着主线圈的上方设有均匀分布的且与发送模块中相同数量的磁条；所述辅助线圈为螺旋结构，且在平面呈方形，辅助线圈均匀分布在主线圈的四周，且辅助线圈与所述主线圈上方的磁条处于同一平面位置上；
所述电能发送模块与电能接收模块耦合,距离为15-25cm。
2.根据权利要求1所述基于磁谐振耦合的无线电能传输***，其特征在于：所述原边线圈下方设有均匀分布的8个磁条，磁条的长度大于原边线圈的线圈宽度；所述主线圈上方也设有均匀分布的8个磁条，磁条的长度大于主线圈的宽度。
3.根据权利要求2所述的基于磁谐振耦合的无线电能传输***，其特征在于，所述电能发送模块的原边线圈和电能接受模块和主线圈的宽度为60～80mm；所述电能发送模块中磁条长度为主线圈宽度的1.5～2倍，宽度为30～35mm，厚度4～6mm；所述接受模块中磁条长度为主线圈宽度的1.5～2倍，宽度为30～35mm，厚度4～6mm。
4.根据权利要求1～3任一项所述基于磁谐振耦合的无线电能传输***，其特征在于，还包括：
电网；
整流电路，用于将所述电网的交流电整流为直流电；
BUCK电路，用于对所述整流后的直流电进行DC-DC变换；
逆变电路，用于将所述DC-DC变换得到的直流电转换为所需的交流电；
原边谐振电路，与所述电能发送模块中的原边线圈连接，用于产生一个固定频率的电磁场，便于进行电能的传递。
5.根据权利要求4所述基于磁谐振耦合的无线电能传输***，其特征在于，还包括：
副边谐振电路，与所述副边主线圈以及并联补偿电容连接，用于将电能发送模块所产生的电磁场转换成固定频率的交流电，实现电能的传递。
副边整流电路，与所述副边谐振电路连接，用于将交流整流为直流后为电池供电。
6.根据权利要求5所述基于磁谐振耦合的无线电能传输***，其特征在于，还包括：
副边辅助谐振电路，与所述辅助线圈连接，用于将电能发送模块所产生的电磁场转换成固定频率的交流电，实现电能的传递；
副边辅助整流电路，与所述副边辅助谐振电路连接，用于将交流整流为直流后为辅助电池供电。
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