CN114274801B - 一种三相动态无线供电***输出电压波动抑制方法 - Google Patents

一种三相动态无线供电***输出电压波动抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于短距接收线圈的三相动态无线供电***输出电压波动抑制方法，所述方法利用短距接收线圈来消除三相发射线圈产生的谐波行波磁场在接收线圈中产生的感应电压，从而有效地抑制三相动态无线供电***中输出电压的波动，实现输出电压的恒定。本发明所述的基于短距接收线圈的输出电压波动抑制方法同时适用于三相曲折型发射线圈和三相I型供电导轨等不同结构的无线供电发射端装置。

Description

一种三相动态无线供电***输出电压波动抑制方法
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，特别是涉及一种基于短距接收线圈的三相动态无线供电***输出电压波动抑制方法。
背景技术
动态无线供电技术可以实现电动汽车、轨道列车、工厂搬运设备和移动式便携设备的非接触式供电。相比于传统的有线供电方式，该技术可以具有安全性高、防水防尘、充电灵活等优点。在相同的传输距离下，三相动态无线供电***相比于单相***具有更高的输出功率，同时可以利用行波磁场来降低输出功率波动，因此被广泛应用于大功率的应用场合。
国内外各研究机构针对三相动态无线供电***进行了许多研究，文献[H.Matsumoto,Y.Shibako,Y.Shiihara,R.Nagata and Y.Neba,"Three-Phase Lines toSingle-Phase Coil Planar Contactless Power Transformer,"in IEEE Transactionson Industrial Electronics,vol.65,no.4,pp.2904-2914,April 2018,doi:10.1109/TIE.2017.2748049.]提出了一种三相曲折型无线供电***，该***发射端采用三相曲折型发射线圈，接收端采用单相圆形线圈。文献[S.Cui,B.Song,X.Gao and S.Dong,"A Narrow-Width Three Phase Magnetic Coupling Mechanism with Constant Output Power forElectric Vehicles Dynamic Wireless Charging,"2018IEEE PELS Workshop onEmerging Technologies:Wireless Power Transfer(Wow),Montréal,QC,2018,pp.1-6,doi:10.1109/WoW.2018.8450657.]提出了一种三相I型无线供电***，该***采用I型供电导轨，进一步增加了传输距离。专利[申请公布号CN 109660032 A]提出了一种三相接收端结构，解决了三相接收线圈由于叠放导致相电压不一致的问题。然而上述***具有一个共同的不足：存在输出功率波动。三相发射线圈产生的行波磁场中谐波分量会在接收线圈中产生谐波感应电压，在接收端移动的过程中，谐波感应电压和基波感应电压之间的相位差会随接收端位置发生变化。因此，行波磁场中谐波分量在接收线圈中产生谐波感应电压会使得接收端的输出电压的幅值随接收端位置发生变化，进而造成输出电压波动。在动态无线供电***中，为了实现车载电池的恒压/恒流充电，需要保证接收端的输出电压恒定。较大的输出电压波动不仅会增加接收端变换器的设计难度，还会降低了***的平均输出功率。因此，抑制输出功率波动是三相动态无线供电技术中的一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明目的是为了解决目前三相动态无线供电***中输出电压波动大的问题，提出一种基于短距接收线圈的三相动态无线供电***输出电压波动抑制方法。本发明所述方法利用短距接收线圈来消除三相发射线圈产生的谐波行波磁场在接收线圈中产生的感应电压，从而有效地抑制三相动态无线供电***中输出电压的波动，实现输出电压的恒定。本发明所述的基于短距接收线圈的输出电压波动抑制方法同时适用于三相曲折型发射线圈和三相I型供电导轨等不同结构的无线供电发射端装置。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种基于短距接收线圈的三相动态无线供电***输出电压波动抑制方法，所述方法具体包括以下步骤：
步骤1：所述三相动态无线供电***的发射端装置采用三相发射线圈，各相发射中通入三相对称的高频交流电流；通过磁场解析计算或有限元仿真的方式获得单相发射线圈在接收端平面产生的磁场分布；
步骤2：对单相发射线圈产生的磁场进行傅里叶分解，确定磁场中的基波分量和高次谐波分量，由于发射线圈产生的磁极沿行车方向是N极，S极交错分布的，因此谐波磁场中仅含有奇数次分量；
步骤3：基于单相发射线圈产生的磁场中的谐波分量来设计短距接收线圈的长度，通过设计短距接收线圈的长度，能够消除谐波磁场在接收线圈中产生的感应电压，从而实现抑制动态供电过程中输出电压波动的目的。
进一步地，所述短距接收线圈的设计原则具体为：
(1)由于三相发射线圈产生的3次谐波磁场会在空间中相互抵消，因此3次谐波磁场对输出电压波动没有影响；当单相发射线圈产生的磁场中仅含有5次谐波分量时，将短距接收线圈的长度设计为4τ/5，其中τ为发射端的极距，此时5次谐波磁场在接收线圈中产生的感应电压相互抵消，接收线圈中电压仅由基波磁场产生，在接收端移动过程中，由于基波磁场产生的感应电压幅值不变，***的输出电压恒定；
(2)当单相发射线圈产生的磁场中仅含有7次谐波分量时，将短距接收线圈的长度设计为6τ/7；同理，当单相发射线圈产生的磁场中仅含有i次谐波分量时，其中i＝5,7,9,11……，短距接收线圈的长度设计为此时i次谐波磁场在接收线圈中产生的感应电压相互抵消，接收线圈中感应电压仅由基波磁场产生，在接收端移动过程中***的输出电压恒定；
(3)当单相发射线圈产生的磁场中同时仅含有5次谐波分量和7次谐波分量时，将短距接收线圈的长度设计为5τ/6，此时短距接收线圈能够同时抑制5次谐波磁场和7次谐波磁场在接收线圈中产生的谐波感应电压，从而实现抑制***输出电压波动的目的；同理，当单相发射线圈产生的磁场中同时仅含有i次谐波分量和i+2次谐波分量时，将短距接收线圈的长度设计为此时短距接收线圈能够同时抑制i次谐波磁场和i+2次谐波磁场在接收线圈中产生的感应电压，实现抑制***输出电压波动的目的。
进一步地，所述的短距接收线圈为矩形线圈，矩形线圈长度为lcoil，矩形线圈宽度为wcoil，为了实现抑制输出电压波动的目的，矩形线圈长度lcoil根据单相发射线圈产生的磁场中的高次谐波分量而定；矩形线圈宽度wcoil仅影响接收线圈中感应电压的幅值，对抑制谐波磁场产生的感应电压没有作用，因此改变线圈宽度wcoil仅影响***输出电压的幅值，对***输出电压的波动没有影响；所述矩形线圈宽度wcoil根据***所需的传输功率来确定。
进一步地，所述的短距接收线圈均采用利兹线或各股间彼此绝缘的多股漆包线绕制，所述短距接收线圈的匝数均为NS，其中NS为正整数，根据***所需的传输功率确定。
进一步地，所述的短距接收线圈配合平板型接收端磁芯一起使用，所述平板型接收端磁芯为铁氧体材料，铺设于短距接收线圈的正上方，用于束缚磁力线方向同时屏蔽漏磁场；平板型接收端磁芯的尺寸大于等于短距接收线圈的尺寸。
进一步地，多个所述的短距接收线圈串联使用；串联的多个短距接收线圈的尺寸完全相同，相邻的两个短距接收线圈可以紧贴在一起放置，也可以间隔一定距离放置。
本发明所述的基于短距接收线圈的三相动态无线供电***输出电压波动抑制方法具有以下有益效果：本发明所述的方法通过合理设计短距接收线圈的长度，可以消除三相发射线圈产生的谐波行波磁场在接收线圈中产生的感应电压，从而有效地抑制三相动态无线供电***中输出电压的波动，实现输出电压的恒定。一方面，本发明所述方法可以减小接收端DC/DC变换器输入电压的波动范围，有效地降低DC/DC变换器的设计难度。另一方面，该方法无需复杂的控制策略，仅需合理设计接收端装置中接收线圈的长度，即可实现车载电池的恒压/恒流充电，有效地提高了***的可靠性。同时，本发明所述的方法具有普适性，可以同时适用于三相曲折型发射线圈和三相I型供电导轨等不同发射端结构的动态无线供电***。
附图说明
图1为本发明所述三相动态无线供电***中输出电压波动的抑制方法流程图；
图2为本发明所述短距接收线圈的结构示意图；
图3为三相曲折型发射端与短距接收线圈配合时的结构示意图；
图4为图3的主视图；
图5为单相发射线圈在接收端平面产生的磁场分布示意图；
图6为基波行波磁场和谐波行波磁场在单根接收导体中产生的感应电压相量图；
图7为整距接收线圈中感应电压随接收端位置的变化曲线示意图；
图8为使用短距接收线圈抑制5次谐波感应电压的原理示意图；
图9为使用短距接收线圈抑制7次谐波感应电压的原理示意图；
图10为使用本发明所述输出电压波动抑制方法后输出电压有效值随接收端位置的变化曲线示意图；
图11为本发明所述应短距接收线圈与接收端磁芯配合使用时的结构示意图；
图12为多个短距接收线圈串联使用时的结构示意图；
图中标号对应的部件名称如下：
1——短距接收线圈；
2——三相发射线圈；
3——接收端平面；
4——整距接收线圈；
5——接收端平板磁芯；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1-12，本发明提出一种基于短距接收线圈的三相动态无线供电***输出电压波动抑制方法，所述方法具体包括以下步骤：
步骤1：所述三相动态无线供电***的发射端装置采用三相发射线圈，各相发射中通入三相对称的高频交流电流；通过磁场解析计算或有限元仿真的方式获得单相发射线圈在接收端平面产生的磁场分布；
步骤2：对单相发射线圈产生的磁场进行傅里叶分解，确定磁场中的基波分量和高次谐波分量，由于发射线圈产生的磁极沿行车方向是N极，S极交错分布的，因此谐波磁场中仅含有奇数次分量，即3次谐波分量，5次谐波分量，7次谐波分量…；
步骤3：基于单相发射线圈产生的磁场中的谐波分量来设计短距接收线圈的长度，通过设计短距接收线圈的长度，能够消除谐波磁场在接收线圈中产生的感应电压，从而实现抑制动态供电过程中输出电压波动的目的。
所述短距接收线圈的设计原则具体为：
(1)由于三相发射线圈产生的3次谐波磁场会在空间中相互抵消，因此3次谐波磁场对输出电压波动没有影响；当单相发射线圈产生的磁场中仅含有5次谐波分量时，将短距接收线圈的长度设计为4τ/5，其中τ为发射端的极距，此时5次谐波磁场在接收线圈中产生的感应电压相互抵消，接收线圈中电压仅由基波磁场产生，在接收端移动过程中，由于基波磁场产生的感应电压幅值不变，***的输出电压恒定；
(2)当单相发射线圈产生的磁场中仅含有7次谐波分量时，将短距接收线圈的长度设计为6τ/7；同理，当单相发射线圈产生的磁场中仅含有i次谐波分量时，其中i＝5,7,9,11……，短距接收线圈的长度设计为此时i次谐波磁场在接收线圈中产生的感应电压相互抵消，接收线圈中感应电压仅由基波磁场产生，在接收端移动过程中***的输出电压恒定；
(3)当单相发射线圈产生的磁场中同时仅含有5次谐波分量和7次谐波分量时，将短距接收线圈的长度设计为5τ/6，此时短距接收线圈能够同时抑制5次谐波磁场和7次谐波磁场在接收线圈中产生的谐波感应电压，从而实现抑制***输出电压波动的目的；同理，当单相发射线圈产生的磁场中同时仅含有i次谐波分量和i+2次谐波分量时，将短距接收线圈的长度设计为此时短距接收线圈能够同时抑制i次谐波磁场和i+2次谐波磁场在接收线圈中产生的感应电压，实现抑制***输出电压波动的目的。
所述的短距接收线圈为矩形线圈，矩形线圈长度为lcoil，矩形线圈宽度为wcoil，为了实现抑制输出电压波动的目的，矩形线圈长度lcoil根据单相发射线圈产生的磁场中的高次谐波分量而定；矩形线圈宽度wcoil仅影响接收线圈中感应电压的幅值，对抑制谐波磁场产生的感应电压没有作用，因此改变线圈宽度wcoil仅影响***输出电压的幅值，对***输出电压的波动没有影响；所述矩形线圈宽度wcoil根据***所需的传输功率来确定。
所述的短距接收线圈均采用利兹线或各股间彼此绝缘的多股漆包线绕制，所述短距接收线圈的匝数均为NS，其中NS为正整数，根据***所需的传输功率确定。
所述的短距接收线圈配合平板型接收端磁芯一起使用，所述平板型接收端磁芯为铁氧体材料，铺设于短距接收线圈的正上方，用于束缚磁力线方向同时屏蔽漏磁场；平板型接收端磁芯的尺寸大于等于短距接收线圈的尺寸。
所述的短距接收线圈可以多个串联在一起使用；当单个短距接收线圈的输出电压不能满足***的要求时，可以将多个所述的短距接收线圈串联使用；串联的多个短距接收线圈的尺寸完全相同，相邻的两个短距接收线圈可以紧贴在一起放置，也可以间隔一定距离放置。由于单个短距接收线圈已经消除了谐波磁场分量在线圈中产生的谐波感应电压，因此当多个短距接收线圈串联使用后，接收端的总输出电压中不会含有谐波感应电压分量，在接收端移动过程中，***的总输出电压可以保持恒定。
工作原理如下：
下面以三相曲折型发射端的动态无线供电***为例来说明本发明所述的基于短距接收线圈的输出电压波动抑制方法。
三相曲折型发射端的结构示意图如附图3和附图4所示，该结构由三相发射线缆组成。发射线缆埋于路面下方，平行于y轴方向铺设。单相发射线缆中，相邻的两根导体间的距离称为极距τ。为了产生行波磁场，各相发射线圈沿x轴方向相错2τ/3放置。
输入三相动态无线供电***的发射端结构参数后，通过有限元仿真的方式获得单相发射线圈在接收端平面产生的磁场分布，当A相发射线缆中通入恒定电流时，其在接收端平面产生的磁场Bz-A的分布情况如附图5所示。从图中可以看出，Bz-A中除了基波磁场外，还存在有3次，5次和7次谐波磁场。对于i次谐波磁场，其极距τi是基波极距τ的1/i。因此，Bz-A在接收端平面上的表达式满足：
Bz-AΣ(x,y)＝Bz-A1(x,y)+Bz-A3(x,y)+Bz-A5(x,y)+Bz-A7(x,y) (1)
其中，基波磁场分量Bz-A1的表达式满足：
而i次谐波分量的表达式满足：
当三相发射线圈中通入对称交流电流时，其在接收端平面产生的基波磁场分量Bz-A1，Bz-B1和Bz-C1满足下式：
式中，t为时间，ω为角速度，基波磁场的合成磁场Bz-∑1满足：
同理，可以得到谐波分量的合成磁场满足：
由上式可知，3次谐波分量的合成磁场为0。这表明各相发射线圈产生的3次谐波磁场在接收端平面是相互抵消的，对能量传输没有贡献。
对于接收线圈中单根宽度为wcoil的有效边，基波合成磁场和i次谐波合成磁场在该导体中产生的感应电压e1和ei满足：
式中f为频率，因此，导体中总的感应电压ec-∑为：
ec-∑＝e1+e5+e7 (8)
在相位差方面，e1和e5之间的相位差ψ5满足：
e1和e7之间的相位差ψ7满足：
由式(9)和(10)可知，ψ5和ψ7均与导体所在的位置有关。附图6给出了导体中感应电压e1，e5，e7和ec-∑的相量图随导***置x的变化关系。
由图中可以看出，每当导体沿x轴方向平移过τ/3的距离，导体中总感应电压的有效值E∑脉动一次。当x＝kτ/3时(k为自然数)，E∑达到最大值：
EΣ-max＝E1+E5+E7 (11)
而当x＝kτ/3+τ/6时，E∑达到最小值：
EΣ-min＝E1-E5-E7 (12)
因此，在接收端移动的过程中，5次和7次谐波磁场将会在接收线圈中产生感应电压会使得接收端的输出电压幅值随接收端位置发生变化，进而造成输出电压波动。单根导体中感应电压随接收端位置的变化关系如附图7所示。
对于长度为τ的整距接收线圈来说，线圈的感应电压等于两根有效边中感应电压/>和/>的和，即：
因此，长度为τ的整距接收线圈中感应电压的波动因数与单根导体中的电压波动是完全相同的。综上所述，为了抑制动态无线供电***的输出电压波动，需要消除谐波磁场在接收线圈中产生的谐波感应电压。
由于三相发射线圈产生的3次谐波磁场会在空间中相互抵消，因此3次谐波磁场对输出电压波动没有影响。当单相发射线圈产生的磁场中仅含有5次谐波分量时，将短距接收线圈的长度设计为4τ/5，其中τ为发射端的极距。此时线圈中左右两条有效边总是处于5次谐波磁场中相同的磁场位置下，如附图8所示。因此，5次谐波磁场在两条有效边中产生的感应电压完全相同。对于接收线圈来说，两条有效边中的5次谐波感应电压总是相互抵消，接收线圈中感应电压仅由基波磁场产生，在接收端移动过程中，由于基波磁场产生的感应电压幅值不变，***的输出电压恒定，从而可以达到抑制输出电压波动的目的。使用短距接收线圈后，***输出电压有效值随接收端位置的变化曲线如附图10所示。
当单相发射线圈产生的磁场中仅含有7次谐波分量时，将短距接收线圈的长度设计为6τ/7，此时线圈中左右两条有效边总是处于7次谐波磁场中相同的磁场位置下，如附图9所示。因此7次谐波磁场在两条有效边中产生的感应电压完全相同。对于接收线圈来说，两条有效边中的7次谐波感应电压总是相互抵消，接收线圈中电压仅由基波磁场产生，在接收端移动过程中，由于基波磁场产生的感应电压幅值不变，***的输出电压恒定，从而可以达到抑制输出电压波动的目的。
同理，当单相发射线圈产生的磁场中仅含有i次谐波分量时，其中i＝5,7,9,11…，短距接收线圈的长度应设计为此时i次谐波磁场在接收线圈中产生的感应电压相互抵消，接收线圈中电压仅由基波磁场产生，在接收端移动过程中***的输出电压恒定。
而当单相发射线圈产生的磁场中同时仅含有5次谐波分量和7次谐波分量时，将短距接收线圈的长度设计为5τ/6，此时短距接收线圈可以同时抑制5次谐波磁场和7次谐波磁场在接收线圈中产生的感应电压，从而实现抑制***输出电压波动的目的；同理，当单相发射线圈产生的磁场中同时仅含有i次谐波分量和i+2次谐波分量时，将短距接收线圈的长度设计为此时短距接收线圈可以同时抑制i次谐波磁场和i+2次谐波磁场在接收线圈中产生的感应电压，实现抑制***输出电压波动的目的。
本发明所述的短距接收线圈可以配合接收端平板磁芯一起使用，如附图11所示。平板型接收端磁芯为铁氧体材料，铺设于短距接收线圈的正上方，用于束缚磁力线方向同时屏蔽漏磁场；平板型接收端磁芯的尺寸应大于等于短距接收线圈的尺寸。
本发明所述的短距接收线圈可以多个串联在一起使用，如附图12所示。当单个短距接收线圈的输出电压不能满足***的要求时，可以将多个短距接收线圈串联后一起使用，其中多个短距接收线圈的尺寸完全相同，相邻的两个短距接收线圈可以紧贴在一起放置，也可以间隔一定距离放置；由于单个短距接收线圈已经消除了谐波磁场分量在线圈中产生的感应电压，因此当多个短距接收线圈串联使用后，接收端的总输出电压中不会含有谐波感应电压分量，在接收端移动过程中，***的总输出电压可以保持恒定。
以上对本发明所提出的一种基于短距接收线圈的三相动态无线供电***输出电压波动抑制方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种基于短距接收线圈的三相动态无线供电***输出电压波动抑制方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
步骤1：所述三相动态无线供电***的发射端装置采用三相发射线圈，各相发射中通入三相对称的高频交流电流；通过磁场解析计算或有限元仿真的方式获得单相发射线圈在接收端平面产生的磁场分布；
步骤2：对单相发射线圈产生的磁场进行傅里叶分解，确定磁场中的基波分量和高次谐波分量，由于发射线圈产生的磁极沿行车方向是N极，S极交错分布的，因此谐波磁场中仅含有奇数次分量；
步骤3：基于单相发射线圈产生的磁场中的谐波分量来设计短距接收线圈的长度，通过设计短距接收线圈的长度，能够消除谐波磁场在接收线圈中产生的感应电压，从而实现抑制动态供电过程中输出电压波动的目的；
所述短距接收线圈的设计原则具体为：
(1)由于三相发射线圈产生的3次谐波磁场会在空间中相互抵消，因此3次谐波磁场对输出电压波动没有影响；当单相发射线圈产生的磁场中仅含有5次谐波分量时，将短距接收线圈的长度设计为4τ/5，其中τ为发射端的极距，此时5次谐波磁场在接收线圈中产生的感应电压相互抵消，接收线圈中电压仅由基波磁场产生，在接收端移动过程中，由于基波磁场产生的感应电压幅值不变，***的输出电压恒定；
(2)当单相发射线圈产生的磁场中仅含有7次谐波分量时，将短距接收线圈的长度设计为6τ/7；同理，当单相发射线圈产生的磁场中仅含有i次谐波分量时，其中i＝5,7,9,11……，短距接收线圈的长度设计为此时i次谐波磁场在接收线圈中产生的感应电压相互抵消，接收线圈中感应电压仅由基波磁场产生，在接收端移动过程中***的输出电压恒定；
(3)当单相发射线圈产生的磁场中同时仅含有5次谐波分量和7次谐波分量时，将短距接收线圈的长度设计为5τ/6，此时短距接收线圈能够同时抑制5次谐波磁场和7次谐波磁场在接收线圈中产生的谐波感应电压，从而实现抑制***输出电压波动的目的；同理，当单相发射线圈产生的磁场中同时仅含有i次谐波分量和i+2次谐波分量时，将短距接收线圈的长度设计为此时短距接收线圈能够同时抑制i次谐波磁场和i+2次谐波磁场在接收线圈中产生的感应电压，实现抑制***输出电压波动的目的；
所述的短距接收线圈为矩形线圈，矩形线圈长度为lcoil，矩形线圈宽度为wcoil，为了实现抑制输出电压波动的目的，矩形线圈长度lcoil根据单相发射线圈产生的磁场中的高次谐波分量而定；矩形线圈宽度wcoil仅影响接收线圈中感应电压的幅值，对抑制谐波磁场产生的感应电压没有作用，因此改变线圈宽度wcoil仅影响***输出电压的幅值，对***输出电压的波动没有影响；所述矩形线圈宽度wcoil根据***所需的传输功率来确定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的短距接收线圈均采用利兹线或各股间彼此绝缘的多股漆包线绕制，所述短距接收线圈的匝数均为NS，其中NS为正整数，根据***所需的传输功率确定。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的短距接收线圈配合平板型接收端磁芯一起使用，所述平板型接收端磁芯为铁氧体材料，铺设于短距接收线圈的正上方，用于束缚磁力线方向同时屏蔽漏磁场；平板型接收端磁芯的尺寸大于等于短距接收线圈的尺寸。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：多个所述的短距接收线圈串联使用；串联的多个短距接收线圈的尺寸完全相同，相邻的两个短距接收线圈可以紧贴在一起放置，也可以间隔一定距离放置。
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