CN109038842A - 带有移动式中间线圈的电动汽车无线充电磁耦合器及应用 - Google Patents

带有移动式中间线圈的电动汽车无线充电磁耦合器及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于电动汽车充电技术领域的一种带有移动式中间线圈的电动汽车无线充电磁耦合器及应用，该磁耦合器包括1号发射线圈、2号中间线圈和3号接收线圈，各线圈依次平行铺设在绝缘且不导磁的平板上；2号中间线圈与3号接收线圈之间的平行距离大于2号中间线圈与1号发射线圈之间的平行距离，承载2号中间线圈的平板可沿着滑轨移动；在磁耦合器能量传输线圈发生不同程度偏移时，通过对拟合出来的三线圈磁耦合器效率最大值曲线进行研究后发现，当中间线圈和接收线圈间的耦合系数不变时，磁耦合器的效率更容易达到最大值，因而本发明提出了一种新型电动汽车无线充电用磁耦合器，提高了无线充电***的抗偏移能力。

Description

带有移动式中间线圈的电动汽车无线充电磁耦合器及应用
技术领域
本发明属于电动汽车充电技术领域，特别涉及一种带有移动式中间线圈的电动汽车无线充电磁耦合器及应用。
背景技术
燃油汽车的尾气排放已经成为大型城市的重要污染源，而新能源电动汽车作为传统燃油车的替代品，能够很好解决由于尾气排放带来的污染问题，但是电动汽车自身仍然存在着续航里程短、充电设施不完备等问题。无线充电技术以其可实现无接触式静态充电以及行驶过程中动态充电的独特优势，成为解决上述问题的有效方案。
在现有的无线充电***中，感应式静态无线充电***以其自身充电距离远、充电效率高等优点，得到电动汽车行业的广泛青睐。但这类***仍存在着许多技术瓶颈有待突破，其中，***抗偏移能力差的问题尤为突出。所谓抗偏移能力，是指当无线充电***磁耦合器能量传输线圈间的相对位置出现偏差时，***效率的下降程度。***效率下降的少，***抗偏移能力强，反之，则较弱。由于电动汽车的车身宽度与车位之间的尺寸并不统一，通常会导致磁耦合器能量传输线圈之间产生不同程度的偏移，继而使得磁耦合器能量传输线圈之间的耦合程度降低，并最终导致整个无线充电***效率下降。
针对这一问题，目前通常采用DD型或DDQ型(如图4中所示，图中不同的线型代表不同的线圈)能量传输线圈来提高***的抗偏移能力，这类线圈结构可以有效地提高***在水平方向上的抗偏移能力，但由于无线充电***尺寸的限制，采用DD型或DDQ型线圈会减小单个线圈的有效电能发射或接受面积，从而使得***在垂直方向上的抗偏移能力较差。本发明通过对不同线圈位置关系下，线圈间耦合系数与***效率的变化情况的研究，提出了一种带有移动式中间线圈的电动汽车无线充电磁耦合器，该耦合器的结构可以有效地增强无线充电***的抗偏移能力，提高***效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种带有移动式中间线圈的电动汽车无线充电磁耦合器及应用，其特征在于，该电动汽车无线充电磁耦合器包括1号发射线圈、2号中间线圈和3号接收线圈；3号接收线圈平行铺设在绝缘且不导磁的3号平板支架4上；2号中间线圈铺设在绝缘且不导磁的2号平板5上，1号发射线圈铺设在绝缘且不导磁的1号平板6上，各线圈水平平行布置；3号接收线圈与2号中间线圈之间的平行距离大于2号中间线圈与1号发射线圈之间的平行距离；其中， 3号平板支架4固定在电动汽车底架上；在1号平板6上铺设两根平行滑轨7和固定支座8，2号平板5底面卡在滑轨7上，带动2号中间线圈沿着滑轨移动。
所述磁耦合器的三个线圈只用多股电磁线，采用平面圆角矩形空心缠绕；中间没有任何导磁金属介质，完全依靠空气进行能量传递。
所述磁耦合器的三个线圈的结构尺寸按照下面的公式确定：
(1)确定磁耦合器尺寸，首先需要确定的是线圈的边长，根据公式(1)：
l≤4d13 (1)
其中，l为线圈边长，d13为1号发射线圈与3号接收线圈之间的间距，根据实际需要，将d13取为200mm，因而线圈边长需小于等于800mm，又因为线圈边长过小会导致磁耦合器耦合系数过小，从而导致效率过低，因而线圈边长最低应不小于600mm，故边长的取值范围为600～800mm之间。
(2)在确定好线圈边长之后，进而需要确定的是1号发射线圈与2号中间线圈间的间距d12，此d12间距应满足公式(2)：
在式(2)中，η表示***效率的百分值，式中Ai和αi在等距离增大d12的情况下，通过对离散的η值进行拟合后得到；当规定0≤d12≤100mm时，对公式 (2)求最大值后可以得到，当d12＝30mm时，***效率达到最大，因而取d12值为30mm。
所述电动汽车无线充电用磁耦合器的设计流程为：
(1)根据实际需要，设定磁耦合器所要达到的输出功率不小于3.3kW，效率不小于97％；
(2)由于所设计的磁耦合器不采用任何导磁金属介质，因此对于磁耦合器的设计主要集中在对于线圈匝数的设计上，在这一步需要设计线圈的匝数，并确定出线圈的排列及缠绕方式；
(3)在步骤(2)的基础上，搭建磁耦合器的3D仿真模型，并计算出磁耦合器各线圈自感及线圈间互感；
(4)将在步骤(3)中仿真得到的线圈自感及线圈间互感带入到三线圈磁耦合器输出功率和效率的计算公式中，计算得到磁耦合器的输出功率和效率值；三线圈磁耦合器输出功率Pout的计算公式为：
效率η的计算公式为：
其中，Up为发射端高频电源电压值；Zp为1号发射线圈的等效阻抗；Zs为 3号接收线圈的等效阻抗；Zi为2号中间线圈的等效阻抗；Mps为1号发射线圈和3号接收线圈间的互感；Mpi为1号发射线圈和2号中间线圈间的互感；Mis为2号中间线圈和3号接收线圈间的互感；Req为***等效负载电阻；ω为***角频率；
(5)判断在步骤(4)中计算得到的磁耦合器输出功率和效率是否满足步骤 (1)中的要求。如果满足，则进行下一步，反之，则返回到步骤(3)重新设计。
(6)在完成步骤(5)后，制作磁耦合器样机。
所述使用电动汽车无线充电磁耦合器的无线充电***的结构包括三相不可控整流器、高频逆变器、磁耦合器、单相不可控整流器和电池负载；其无线充电***结构由三相不可控整流器、高频逆变器、磁耦合器、单相不可控整流器和电池负载依次串联组成；其中：1号发射线圈的引线在串联一个电容之后接到单相高频逆变器的输出端，3号接收线圈的引线在串联一个电容之后接到单相不可控整流器的输入端，2号中间线圈在串联一个电容后构成一个回路；三相不可控整流器输入端与电网连接；来自电网的三相工频交流电经过三相不可控整流及高频逆变环节后，变换为频率为85kHz的单相交流电；随后，高频的交流电经过磁耦合器，将电能从电网一侧转移到负载一侧；1号发射线圈L1/、2号中间线圈L2、 3号接收线圈相互耦合，2号中间线圈L2沿着滑轨移动起调节3号接收线圈的耦合强度的作用；最后，接收线圈中感应到的高频交流电经过单相不可控整流后变为直流电为电池负载供电。
本发明的有益效果为：本发明提出的结构可以有效地增强电动汽车用无线充电***的抗偏移能力
附图说明
图1为带有移动式中间线圈的磁耦合器结构示意图。
图2为无线充电***充电原理接线图。
图3为磁耦合器的设计流程图。
图4为DD型和DDQ型线圈。
图5为发生水平偏移时不同磁耦合器效率对比。
图6为发生水平偏移时不同***效率对比。
图7为发生垂直偏移时不同磁耦合器效率对比。
图8为发生垂直偏移时不同***效率对比。
具体实施方式
本发明提供一种带有移动式中间线圈的电动汽车无线充电磁耦合器，下面结合附图予以说明。
图1为带有移动式中间线圈的磁耦合器结构示意图。图中，该电动汽车无线充电磁耦合器包括1号发射线圈、2号中间线圈和3号接收线圈，3号接收线圈平行铺设在绝缘且不导磁的3号平板支架4上；2号中间线圈铺设在绝缘且不导磁的2号平板5上，1号发射线圈铺设在绝缘且不导磁的1号平板6上，各线圈水平平行布置；3号接收线圈与2号中间线圈之间的平行距离大于2号中间线圈与1号发射线圈之间的平行距离；其中，3号平板支架4固定在电动汽车底架上；在1号平板6上铺设两根平行滑轨7和固定支座8；2号平板5底面卡在滑轨7上，带动2号中间线圈沿着滑轨移动。
所述磁耦合器的三个线圈只采用了多股电磁线，采用平面圆角矩形缠绕；中间没有任何导磁金属介质，完全依靠空气进行能量传递；
所述磁耦合器的三个线圈的结构尺寸按照下面的公式确定：
(1)确定磁耦合器尺寸，首先需要确定的是线圈的边长，根据公式(1)：
l≤4d13 (1)
其中，l为线圈边长，d13为1号发射线圈与3号接收线圈之间的间距，根据实际需要，将d13取为200mm，因而线圈边长需小于等于800mm，又因为线圈边长过小会导致磁耦合器耦合系数过小，从而导致效率过低，因而线圈边长最低应不小于600mm，故边长的取值范围为600～800mm之间。
(2)在确定好线圈边长之后，进而需要确定的是1号发射线圈与2号中间线圈间的间距d12，此d12间距应满足公式(2)：
在式(2)中，η表示***效率的百分值，式中Ai和αi在等距离增大d12的情况下，通过对离散的η值进行拟合后得到；当规定0≤d12≤100mm时，对公式 (2)求最大值后可以得到，当d12＝30mm时，***效率可以达到最大，因而取 d12值为30mm。
所述电动汽车无线充电用磁耦合器的设计流程如图3所示，其具体步骤为：
(1)根据实际需要，设定磁耦合器所要达到的输出功率不小于3.3kW，效率不小于97％；
(2)由于所设计的磁耦合器不采用任何导磁金属介质，因此对于磁耦合器的设计主要集中在对于线圈匝数的设计上，本案例所设计的磁耦合器线圈采用紧密排列的方式，线圈匝数和材质如表1和表2中所示；
(3)在步骤(2)的基础上，搭建磁耦合器的3D仿真模型，并计算出磁耦合器各线圈自感及线圈间互感；
(4)将在步骤(3)中仿真得到的线圈自感及线圈间互感带入到三线圈磁耦合器输出功率和效率的计算公式中，计算得到磁耦合器的输出功率和效率值；三线圈磁耦合器输出功率Pout的计算公式为：
效率η的计算公式为：
其中，Up为发射端高频电源电压值；Zp为1号发射线圈的等效阻抗；Zs为 3号接收线圈的等效阻抗；Zi为2号中间线圈的等效阻抗；Mps为1号发射线圈和3号接收线圈间的互感；Mpi为1号发射线圈和2号中间线圈间的互感；Mis为2号中间线圈和3号接收线圈间的互感；Req为***等效负载电阻；ω为***角频率；
(5)经过计算，本发明中所设计的磁耦合结构的输出功率为3.53kW，效率为98.71％，均满足步骤(1)中的要求，因而进行下一步。
(6)在完成上述步骤(5)后，制作磁耦合器样机。
制作的带有移动式中间线圈的磁耦合器样机如图1所示，其中2号间线圈随 3号接收线圈接收效率而在1号平板6上的两根平行滑轨7移动，该结构的具体参数如表1所示，构成该磁耦合器能量传输线圈的多股电磁线参数如表2所示。
表1磁耦合器的具体参数
表2多股电磁线参数
所述使用电动汽车无线充电磁耦合器的无线充电***的结构包括三相不可控整流器、高频逆变器、磁耦合器、单相不可控整流器和电池负载(如图2所示)，其无线充电***结构由三相不可控整流器、高频逆变器、磁耦合器、单相不可控整流器和电池负载依次串联组成；其中：1号发射线圈的引线在串联一个电容之后接到单相高频逆变器的输出端，3号接收线圈的引线在串联一个电容之后接到单相不可控整流器的输入端，2号中间线圈在串联一个电容后构成一个回路；三相不可控整流器输入端与电网连接；其充电原理为：首先，来自电网的三相工频交流电经过三相不可控整流及高频逆变环节后，变换为频率为85kHz的单相交流电；随后，高频的交流电经过磁耦合器，将电能从电网一侧转移到负载一侧；1 号发射线圈L1/、2号中间线圈L2、3号接收线圈相互耦合，2号中间线圈L2沿着滑轨移动起调节3号接收线圈的耦合强度的作用；最后，接收线圈中感应到的高频交流电经过单相不可控整流后变为直流电为电池负载供电。
通过对两线圈磁耦合器、普通三线圈磁耦合器和带有移动式中间线圈的磁耦合器在发射线圈与接收线圈产生不同方向、不同程度的偏移时，磁耦合器及带有该磁耦合器的无线充电***的效率的分析，可以得到对比结果如图5-8所示。
在图5和图6中，当磁耦合器的发射线圈和接收线圈发生水平偏移时(偏移范围为0-300mm)，两线圈磁耦合器、普通三线圈磁耦合器和带有移动式中间线圈的磁耦合器的抗偏移能力分别如图中虚线、点画线和实线三条曲线所示，可以看出，这三条曲线的起点基本一致，而实线的终点高于点画线，点画线的终点高于虚线，从而说明，带有移动式中间线圈的磁耦合器的水平抗偏移能力最高，其次是普通三线圈磁耦合器，再次是两线圈磁耦合器。
同样地，图7和图8表示的是，当磁耦合器的发射线圈和接收线圈发生垂直偏移时(偏移范围为0-100mm)，两线圈磁耦合器、普通三线圈磁耦合器和带有移动式中间线圈的磁耦合器的抗偏移能力，分别如图中虚线、点画线和实线三条曲线所示。从图中可以看出，带有移动式中间线圈的磁耦合器的垂直抗偏移能力最高，其次是普通三线圈磁耦合器，再次是两线圈磁耦合器。
综上所述，带有移动式中间线圈的磁耦合器可以有效地提升自身及整套无线充电***的抗偏移能力，从而实现了设计目的。

Claims (5)

1.一种带有移动式中间线圈的电动汽车无线充电磁耦合器，其特征在于，该电动汽车无线充电磁耦合器包括1号发射线圈、2号中间线圈和3号接收线圈；3号接收线圈平行铺设在绝缘且不导磁的3号平板支架(4)上；2号中间线圈铺设在绝缘且不导磁的2号平板(5)上，1号发射线圈铺设在绝缘且不导磁的1号平板(6)上，各线圈水平平行布置；3号接收线圈与2号中间线圈之间的平行距离大于2号中间线圈与1号发射线圈之间的平行距离；其中，3号平板支架(4)固定在电动汽车底架上；在1号平板(6)上铺设两根平行滑轨(7)和固定支座(8)，2号平板(5)底面卡在滑轨(7)上，带动2号中间线圈沿着滑轨移动。
2.根据权利要求1所述带有移动式中间线圈的电动汽车无线充电磁耦合器，其特征在于，所述磁耦合器的三个线圈只用多股电磁线，采用平面圆角矩形空心缠绕；中间没有任何导磁金属介质，完全依靠空气进行能量传递。
3.根据权利要求1所述带有移动式中间线圈的电动汽车无线充电磁耦合器，其特征在于，磁耦合器的三个线圈的结构尺寸按照下面的公式确定，
(1)确定磁耦合器尺寸，首先需要确定的是线圈的边长，根据公式(1)：
l≤4d13 (1)
其中，l为线圈边长，d13为1号发射线圈与3号接收线圈之间的间距，根据实际需要，将d13取为200mm，因而线圈边长需小于等于800mm，又因为线圈边长过小会导致磁耦合器耦合系数过小，从而导致效率过低，因而线圈边长最低应不小于600mm，故边长的取值范围为600～800mm之间。
(2)在确定好线圈边长之后，进而需要确定的是1号发射线圈与2号中间线圈间的间距d12，此d12间距应满足公式(2)：
在式(2)中，η表示***效率的百分值，式中Ai和αi在等距离增大d12的情况下，通过对离散的η值进行拟合后得到；当规定0≤d12≤100mm时，对公式(2)求最大值后可以得到，当d12＝30mm时，***效率达到最大，因而取d12值为30mm。
4.一种权利要求1所述带有移动式中间线圈的电动汽车无线充电磁耦合器的的设计方法，其特征在于，所述电动汽车无线充电用磁耦合器的设计流程为：
(1)根据实际需要，设定磁耦合器所要达到的输出功率不小于3.3kW，效率不小于97％；
(2)由于所设计的磁耦合器不采用任何导磁金属介质，因此对于磁耦合器的设计主要集中在对于线圈匝数的设计上，在这一步需要设计线圈的匝数，并确定出线圈的排列及缠绕方式；
(3)在步骤(2)的基础上，搭建磁耦合器的3D仿真模型，并计算出磁耦合器各线圈自感及线圈间互感；
(4)将在步骤(3)中仿真得到的线圈自感及线圈间互感带入到三线圈磁耦合器输出功率和效率的计算公式中，计算得到磁耦合器的输出功率和效率值；三线圈磁耦合器输出功率Pout的计算公式为：
效率η的计算公式为：
其中，Up为发射端高频电源电压值；Zp为1号发射线圈的等效阻抗；Zs为3号接收线圈的等效阻抗；Zi为2号中间线圈的等效阻抗；Mps为1号发射线圈和3号接收线圈间的互感；Mpi为1号发射线圈和2号中间线圈间的互感；Mis为2号中间线圈和3号接收线圈间的互感；Req为***等效负载电阻；ω为***角频率；
(5)判断在步骤(4)中计算得到的磁耦合器输出功率和效率是否满足步骤(1)中的要求。如果满足，则进行下一步，反之，则返回到步骤(3)重新设计。
(6)在完成步骤(5)后，制作磁耦合器样机。
5.一种权利要求1所述带有移动式中间线圈的电动汽车无线充电磁耦合器的应用，其特征在于，使用电动汽车无线充电磁耦合器的无线充电***的结构包括三相不可控整流器、高频逆变器、磁耦合器、单相不可控整流器和电池负载；其无线充电***结构由三相不可控整流器、高频逆变器、磁耦合器、单相不可控整流器和电池负载依次串联组成；其中：1号发射线圈的引线在串联一个电容之后接到单相高频逆变器的输出端，3号接收线圈的引线在串联一个电容之后接到单相不可控整流器的输入端，2号中间线圈在串联一个电容后构成一个回路；三相不可控整流器输入端与电网连接；来自电网的三相工频交流电经过三相不可控整流及高频逆变环节后，变换为频率为85kHz的单相交流电；随后，高频的交流电经过磁耦合器，将电能从电网一侧转移到负载一侧；1号发射线圈L1、2号中间线圈L2、3号接收线圈相互耦合，2号中间线圈L2沿着滑轨移动起调节3号接收线圈的耦合强度的作用；最后，接收线圈中感应到的高频交流电经过单相不可控整流后变为直流电为电池负载供电。
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