CN111799895B - 一种磁耦合结构及无线电能传输*** - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种磁耦合结构及无线电能传输***，所述磁耦合结构包括原边磁能发射结构和副边磁能拾取结构：原边磁能发射结构为双面共芯结构，包括中间的第一磁芯层以及分别铺设于第一磁芯层正面和反面的第一线圈、第二线圈；副边磁能拾取结构有两个，分别为正面磁能拾取结构和反面磁能拾取结构，两个副边磁能拾取结构平行地设置于原边磁能发射结构两侧，且两个副边磁能拾取结构分别与原边磁能发射结构耦合连接。所述无线电能传输***应用所述磁耦合结构，仅利用一个磁芯层就可以实现对两路副边电能接收电路的电能传输，极大的减少了耦合机构上的磁芯用量，提高了磁芯的利用率和磁耦合效率。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，具体涉及一种磁耦合结构及无线电能传输***。
背景技术
无线电能传输技术作为一种借助于空间无形软介质(如磁场、电场、激光、微波等)，彻底摆脱电线或电缆束缚，实现完全意义上的电能无线传输与电源柔性接入的新模式，具有更大洁净性、灵活性和安全性，被视为实现能源洁净、灵活、高效利用的一条重要途径，受到了国际社会广泛关注和研究。传统的无线电能传输为单对单模式，整个***的输出功率和效率低，原边电能发射线圈中磁芯层不能被充分利用，耦合性能较差。
发明内容
发明目的：本发明旨在克服现有技术缺陷，提供一种能够双面传输电能的双面共芯磁耦合结构以及基于这个双面共芯磁耦合结构的无线电能传输***。
技术方案：本发明提出一种磁耦合结构及无线电能传输***，以解决现有无线电能传输***中采用单对单磁耦合结构的磁芯利用率低、耦合性能较差的技术问题。
第一方面，提出一种磁耦合结构，包括原边磁能发射结构和副边磁能拾取结构；所述原边磁能发射结构为双面共芯结构，包括中间的第一磁芯层以及分别铺设于第一磁芯层正面和反面的第一线圈、第二线圈；所述副边磁能拾取结构有两个，分别为正面磁能拾取结构和反面磁能拾取结构，两个副边磁能拾取结构对称且平行地设置于原边磁能发射结构两侧，且两个副边磁能拾取结构分别与原边磁能发射结构耦合连接。
所述磁耦合结构应用于无线电能传输***中，其中，原边磁能发射结构设置在无线电能传输***的原边电能发射电路中，而副边磁能拾取结构设置在副边电能接收电路中，因为副边磁能拾取结构有两个，则相应的副边电能接收电路也为两个。原边磁能发射结构将原边电能发射电路中的高频交流电加载到第一线圈和第二线圈，形成高频磁场，副边电能接收电路通过副边磁能拾取结构感应高频磁场并产生电能，再通过调制，将接收到的电能转化为所需电压，对负载进行供电。因此，所述磁耦合结构相对于单对单的磁耦合结构，减轻了磁耦合机构的体积、重量，减少了耦合机构上的磁芯用量，进而减少整个无线电能传输***的构建成本。
在一种可能的实现方式中，所述正面磁能拾取结构包括第二磁芯层和铺设于第二磁芯层任意一面上的第三线圈，第三线圈朝向所述第一线圈；所述反面磁能拾取结构包括第三磁芯层和铺设于第三磁芯层任意一面上的第四线圈，第四线圈朝向所述第二线圈。
通过与原边磁能发射结构的形状、结构高度适配的副边磁能拾取结构，能够更好的提升整个耦合结构的耦合效果。
在一种可能的实现方式中，所述第一线圈、第二线圈、第三线圈、第四线圈为DD型线圈。DD线圈具有传输电能效率高，抗偏移性能高等优点，被广泛用于各种类型无线充电装置的磁耦合机构中，但实现方式不局限于DD线圈，方形线圈、圆形线圈等等都可适用。
在一种可能的实现方式中，所述磁芯层由若干等间隔平行排布于同一平面上的铁氧体条组成。通过铁氧体棒代替板状磁芯的方法可以优化磁芯结构，便于在磁芯用量和耦合系数之间权衡。
第二方面，提出一种无线电能传输***，包括：连接电网的原边电能发射电路和副边电能接收电路；所述原边电能发射电路包括两个原边谐振补偿电路，分别为第一原边谐振补偿电路和第二原边谐振补偿电路；所述副边电能接收电路有两个，两个副边电能接收电路通过所述的磁耦合结构与所述原边电能发射电路耦合连接；其中，所述原边磁能发射结构的第一线圈与第一原边谐振补偿电路相连，通过第一原边谐振补偿电路将原边的高频交流电加载到第一线圈；所述原边磁能发射结构的第二线圈与第二原边谐振补偿电路相连，通过第二原边谐振补偿电路将原边的高频交流电加载到第二线圈；
所述两个副边磁能拾取结构分别作为两个副边电能接收电路的接收线圈，并与对应的原边线圈耦合连接。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
本发明可提高无线电能传输***中原边磁能发射结构的磁芯利用率，仅利用一个磁芯层就可以实现对两路副边电能接收电路的电能传输，极大的减少了耦合机构上的磁芯用量，整个***的建设成本也随之减少。
附图说明
图1为实施例1涉及的磁耦合结构的示意图；
图2为实施例2涉及的无线电能传输***的结构图；
图3为实施例2涉及的无线电能传输***的等效电路图；
图4为实施例2涉及的无线电能传输***中磁耦合结构参数扫描结果；
图5为实施例2涉及的采用不同铁氧体棒作为磁芯层的磁耦合结构的示意图；
图6为实施例2涉及的无线电能传输***中，采用不同铁氧体棒作为磁芯层的磁耦合结构的耦合系数变化图；
图7为实施例2涉及的闭环控制原理示意图；
图8为实施例2涉及的无线电能传输***中，原边磁能发射结构正面和反面在负载扰动下输出的等效电压、等效电流波形图；
图9为实施例2涉及的无线电能传输***中，原边磁能发射结构正面和反面在模态变化下输出的等效电压、等效电流波形图。
具体实施方式
在本申请以下各实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨
在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
需要注意的是，本申请实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本申请实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。
现有无线电能传输***中，通常采用单对单模式磁耦合结构，即原边发射垫仅有一面与副边接收垫之间耦合，这种结构的磁芯利用率低、磁耦合效果差。
有鉴于此，本申请实施例提供了一种磁耦合结构及无线电能传输***，能够解决上述技术问题。
实施例1
图1示出了实施例1提出的磁耦合结构，包括：包括原边磁能发射结构和副边磁能拾取结构；所述原边磁能发射结构为双面共芯结构，包括中间的第一磁芯层以及分别铺设于第一磁芯层正面和反面的第一线圈、第二线圈；所述副边磁能拾取结构有两个，分别为正面磁能拾取结构和反面磁能拾取结构，两个副边磁能拾取结构平行地设置于原边磁能发射结构两侧，且两个副边磁能拾取结构分别与原边磁能发射结构耦合连接；所述正面磁能拾取结构包括第二磁芯层和铺设于第二磁芯层任意一面上的第三线圈，第三线圈朝向所述第一线圈；所述反面磁能拾取结构包括第三磁芯层和铺设于第三磁芯层任意一面上的第四线圈，第四线圈朝向所述第二线圈。
本实施例提出的磁耦合结构中，第一线圈、第二线圈共用一个磁芯层，第一线圈与第三线圈耦合，第二线圈与第四线圈耦合。通过这样的设计，原边磁能发射结构仅利用一个磁芯层就可以实现对两个副边磁能拾取结构的电能传输，充分提高了磁芯利用率。
上述第一线圈、第二线圈、第三线圈、第四线圈为DD型线圈，所述DD型线圈由两个矩形线圈组成，所述两个矩形线圈由利兹线绕制而成，且两个矩形线圈的利兹线绕向相同。需要注意的是，本实施例中采用DD型线圈仅为优选实施方式，采用其他形状的线圈也可适用于本发明。
另外，本实施例中的磁性层由若干等间隔平行排布于同一平面上的铁氧体条组成。通过铁氧体棒代替板状磁芯的方法可以优化磁芯结构，便于在磁芯用量和耦合系数之间权衡。磁芯层的数量可根据需求设置，例如4根、5根、6根、7根、8根、9根等，本实施例中优选为6根。
实施例2
本发明还提出一种无线电能传输***，本实施例中代入电动汽车充电背景，提出一种用于电动汽车充电的无线电能传输***，如图2所示，包括：电网接入端、原边AC-DC整流装置、原边DC-AC高频逆变装置、原边谐振补偿电路、实施例1所述的磁耦合机构、副边谐振补偿电路、副边AC-DC整流装置、DC-DC变换器及电池负载，其中原边AC-DC整流装置、原边DC-AC高频逆变装置可统称为原边电能变换装置，副边AC-DC整流和DC-DC变换器统称为副边电能变换装置。
本实施例中，所述原边DC-AC高频逆变装置由四个全控型开关管及其反并联二极管组成，也可采用其他结构的原边DC-AC高频逆变装置。
本实施例中，原边谐振补偿电路有两个，分别为第一原边谐振补偿电路和第二原边谐振补偿电路；副边谐振补偿电路也有两个，分别为第一副边谐振补偿电路和第二副边谐振补偿电路。其中，第一原边谐振补偿电路由电感L11、原边补偿电容Cp1和第一线圈的自感Lp1组成；第二原边谐振补偿电路由电感L21、原边补偿电容Cp2和第二线圈的自感Lp2组成；第一副边谐振补偿电路由第三线圈的自感Ls1和副边补偿电容Cs1组成；第二副边谐振补偿电路由第四线圈的自感Ls2和副边补偿电容Cs2组成。
副边AC-DC整流装置有两个，第一、第二两个副边AC-DC整流装置分别连接第一副边谐振补偿电路和第二副边谐振补偿电路；DC-DC变换器也有两个，第一DC-DC变换器连接第一副边AC-DC整流装置，第二DC-DC变换器连接第二副边AC-DC整流装置。第一DC-DC变换器包括第一buck变换器，第一buck变换器包括开关管S1，电感L1和电容C1；第二DC-DC变换器包括第二buck变换器，buck变换器包括开关管S2，电感L2和电容C2。
本实施例能够为两辆电动汽车的电池同时充电，记两辆电动汽车的电池分别为第一电池负载和第二电池负载，则第一电池负载连接第一DC-DC变换器的输出端，第二电池负载连接第二DC-DC变换器的输出端。
本实施例中，原边AC-DC整流装置，用于把电网接入端输入的交流电压整流成直流电压；原边DC-AC高频逆变装置将接收的直流电压变成高频交流电，原边DC-AC高频逆变装置的输出端通过第一原边谐振补偿电路述高频交流电加载到第一射线圈，通过第一线圈产生高频磁场；通过第三线圈感应所述高频磁场后产生电能，第三线圈将电能依次通过第一副边谐振补偿电路和第一副边AC-DC整流电路输出至第一DC-DC变换器进行调压，最后根据需要调节变成稳定的直流电压给第一电池负载进行供电。原边DC-AC高频逆变装置的另一输出端通过第二原边谐振补偿电路将高频交流电加载到第二线圈，通过第二线圈产生高频磁场；第四线圈感应高频磁场后产生电能，第四线圈将电能依次通过第二副边谐振补偿电路和第二副边AC-DC整流电路输出至第二DC-DC变换器进行调压，最后根据需要调节变成稳定的直流电压给第二电池负载进行供电。
本实施例中，第一原边谐振补偿电路、第二原边谐振补偿电路和原边磁能发射结构共用一套DC-AC高频逆变装置，当然，此处也可采用不同的高频逆变装置。
本实施例所述的无线电能传输***的参数设计过程如下：
步骤1、构建本实施例中无线电能传输***的等效电路，如图3所示，其中，a面即原边磁能发射结构正面，a面等效电路即为第一线圈与第三线圈耦合的等效电路；b面即原边磁能发射结构反面，b面等效电路即为第二线圈与第四线圈耦合的等效电路。
步骤2、基于KVL定理，可以得出图2所示无线电能传输***的输出功率和效率表达式，根据输出功率和效率表达式，可确定原边磁能发射结构正、反面线圈(第一线圈、第二线圈)和副边磁能拾取结构的线圈之间的期望互感；其中，原边磁能发射结构正面的功率输出和效率表达式如下：
其中，I3表示流过第一线圈的电流有效值，ω为***工作的角频率，M13为第一线圈和第三线圈之间的互感值，L11为a面电路中原边串联的补偿电感，Uin为原边AC-DC整流装置输出的直流电压，Zs为正面磁能拾取结构的等效阻抗，Zin为等效电路的输入阻抗，Zr为正面磁能拾取结构在原边电能发射端一侧的反映阻抗，R1为第一线圈自感的寄生电阻，RL1为第一电池负载的等效电阻，I11为流过第一原边谐振补偿电路中串联补偿电感的电流有效值。
类似的，可推出反面的功率输出和传递效率：
其中，I4表示流过第四线圈上的电流有效值，ω为***工作的角频率，M24为反面第二线圈和第四线圈之间的互感值，L21为b面电路中原边侧串联的补偿电感，Zs为反面磁能拾取结构的等效阻抗，Zin为等效***的输入阻抗，Zr为反面磁能拾取结构一侧电路在原边发射端的反映阻抗，R2为第二线圈自感的寄生电阻，RL2为第二电池负载的等效电阻，I21为流过第二原边谐振补偿电路中串联补偿电感的电流有效值。
根据上述分析，可以得到整个***的总传输效率：
步骤3、根据需要达到的总传输效率设计磁耦合结构的线圈尺寸、磁芯尺寸等具体参数：
基于流经原边发射线圈的电流大小选择DD线圈的线径；
控制所有DD线圈的外径相同，结合线圈尺寸确定初始线圈尺寸；
基于线圈外景配置条状铁氧体，其长边方向与DD线圈的磁通方向同向，长度等于与DD线圈的磁通方向同向的外径长度，宽度和厚度以及铁氧体的条数的设计则不具有唯一性；
控制原边发射线圈和副边拾取线圈的匝数以达到期望的互感值M13和M24；
若通过控制线圈匝数无法达到期望互感，则扩大线圈尺寸，重复以上步骤，重新配置。
本实施例中，在配置磁耦合结构的过程中，还运用控制变量法对双面共芯无线电能传输耦合机构做进一步优化。
图4为Maxwell对磁芯尺寸进行细微调整后参数扫描的结果。当磁芯长度取420mm，宽度取250mm时，可获得最高的耦合系数。在ICPT***设计的过程中，常用铁氧体棒代替板状磁芯的方法来优化磁芯结构，这需要在磁芯用量和耦合系数之间权衡。本实施例采用的铁氧体棒长度为420mm、宽度为20mm、厚度为10mm。图5中为不同铁氧体条数的仿真模型示意图，所对应的仿真结果在图6中给出。该结果表明铁氧体棒条数越多，耦合系数越大。但其关系并不是线性的，随着铁氧体条数增加，耦合系数k的提升逐渐变小，。本实施例中选取6条铁氧体棒作为原边磁能发射结构的磁芯层。虽然放置更多的铁氧体可获得更高的耦合系数，但这是不必要的，在实践中铁氧体的体积、成本必须与性能相平衡。
于开环***而言，其本身控制精度有限且易受带外界干扰的影响，显然不能满足***输出稳定的要求，因此必须引入反馈环节进行闭环控制。本实施例中的Buck电路采用PID控制器构成闭环控制***，图7为闭环***的***框图，在实际工程应用中所述无线电能传输***的工作环境并没有那么理想，电动汽车的型号多种多样，大多情况下a、b面的负载并不相同，因此同时给不同大小负载稳定供电的能力是***所必需的。图8可以看出在a、b面有不同功率的负载条件下，该***依靠副边的Buck变换器依然可以输出稳定的电压和电流。闭环控制效果较为理想，输出电压达到设计所要求的。实际过程中双面***的正反面的充电往往不是同步开始的，因此就涉及到了模式切换的问题。正面正在为电动汽车充电，此时反面前来一辆汽车，即***从单工作模式切换为双工作模式；或是正反面正同时在为汽车充电，而后反面的车辆充电完成并离开，即***从双工作模式切换为单工作模式。上述两种情况必然广泛存在于双面共芯无线充电***的整个运行过程中，因此对该种模式切换的仿真研究必不可少，如若模式切换时***的稳定性达不到要求，将严重影响一面或两面负载的安全性。图9表示了模式切换时的输出电流电压模型，仿真在0.025s时完成正常启动，由图9可以看出此时***进入单工作模式。在0.08秒时将反面负载投入，模拟***从单工作模式切换到双工作模式的过程，可以看到反面迅速达到正常输出电压，且正面输出电压仅有极其微小的波动，说明***在进行该种模式切换时依然有较好的稳定性；在0.15s时断开反面负载来模拟***从双工作模式切换到单工作模式的过程，根据图9在切换后反面输出电压迅速跌落到0V，表示反面车辆完成充电并离开，而正面输出电压几乎没有波动，说明该***从双工作模式切换到单工作模式时对***影响很小，满足实际应用要求。综上，该***可以在模式切换时保持良好的工作状态，这表明闭环buck变换器拥有良好的调节性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种磁耦合结构，包括原边磁能发射结构和副边磁能拾取结构，其特征在于：
所述原边磁能发射结构为双面共芯结构，包括中间的第一磁芯层以及分别铺设于第一磁芯层正面和反面的第一线圈、第二线圈；
所述副边磁能拾取结构有两个，分别为正面磁能拾取结构和反面磁能拾取结构，两个副边磁能拾取结构平行地设置于原边磁能发射结构两侧，且两个副边磁能拾取结构分别与原边磁能发射结构耦合连接；
所述正面磁能拾取结构包括第二磁芯层和铺设于第二磁芯层任意一面上的第三线圈，第三线圈朝向所述第一线圈；所述反面磁能拾取结构包括第三磁芯层和铺设于第三磁芯层任意一面上的第四线圈，第四线圈朝向所述第二线圈；
原边磁能发射结构正面的功率输出和效率表达式如下：
其中，Pout-正表示原边磁能发射结构正面的功率输出，η正表示原边磁能发射结构正面的传递效率，I3表示流过第三线 圈的电流有效值，ω为***工作的角频率，M13为第一线圈和第三线圈之间的互感值，L11为正 面电路中原边串联的补偿电感，Uin为原边AC-DC整流装置输出的直流电压，Zs为正面磁能拾取结构的等效阻抗，Zin为等效电路的输入阻抗，Zr为正面磁能拾取结构在原边电能发射端一侧的反映阻抗，R1为第一线圈自感的寄生电阻，RL1为第一电池负载的等效电阻，I11为流过第一原边谐振补偿电路中串联补偿电感的电流有效值；
原边磁能发射结构反面的功率输出和效率表达式如下：
其中，Pout-反表示原边磁能发射结构反面的功率输出，η反表示原边磁能发射结构反面的传递效率，I4表示流过第四线圈上的电流有效值，ω为***工作的角频率，M24为反面第二线圈和第四线圈之间的互感值，L21为反 面电路中原边侧串联的补偿电感，Zs为反面磁能拾取结构的等效阻抗，Zin为等效***的输入阻抗，Zr为反面磁能拾取结构一侧电路在原边发射端的反映阻抗，R2为第二线圈自感的寄生电阻，RL2为第二电池负载的等效电阻，I21为流过第二原边谐振补偿电路中串联补偿电感的电流有效值；
总传输效率：
其中，η正反表示总传输效率。
2.根据权利要求1所述的磁耦合结构，其特征在于：所述第一线圈、第二线圈、第三线圈、第四线圈为DD型线圈。
3.根据权利要求2所述的磁耦合结构，其特征在于：所述DD型线圈由两个矩形线圈组成，所述两个矩形线圈由利兹线绕制而成，且两个矩形线圈的利兹线绕向相同。
4.根据权利要求3所述的磁耦合结构，其特征在于：所述磁芯层由若干等间隔平行排布于同一平面上的铁氧体条组成。
5.一种无线电能传输***，包括：连接电网的原边电能发射电路和副边电能接收电路，其特征在于：
所述原边电能发射电路包括两个原边谐振补偿电路，分别为第一原边谐振补偿电路和第二原边谐振补偿电路；
所述副边电能接收电路有两个，两个副边电能接收电路通过权利要求1至4任一一项所述的磁耦合结构与所述原边电能发射电路耦合连接；其中，所述原边磁能发射结构的第一线圈与第一原边谐振补偿电路相连，通过第一原边谐振补偿电路将原边的高频交流电加载到第一线圈；所述原边磁能发射结构的第二线圈与第二原边谐振补偿电路相连，通过第二原边谐振补偿电路将原边的高频交流电加载到第二线圈；
所述两个副边磁能拾取结构分别作为两个副边电能接收电路的接收线圈，并与对应的原边线圈耦合连接。
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