U型无线电能传输耦合结构及其设计方法技术

本发明专利技术公开一种U型无线电能传输耦合结构及其设计方法，其特征在于：该结构包括第一线圈、第二线圈以及第三线圈，其中：第一线圈作为原级谐振回路线圈，第二线圈作为中继谐振回路线圈并与中继谐振电容固接，第三线圈作为负载谐振回路线圈，在进行无线电能传输时，所述第一线圈、第二线圈以及第三线圈的线圈端面构成U型结构，且第二线圈位于第一线圈和第三线圈之间。其效果是，改变了传统两线圈感应耦合结构，通过增设中继谐振回路来提高无线电能传输系统的传输效率，特别针对电动汽车无线充电系统而言，耦合结构的安装也比较方便。

【技术实现步骤摘要】
U型无线电能传输耦合结构及其设计方法
本专利技术涉及无线电能传输技术(WirelessPowerTransfer,WPT)，尤其涉及一种U型无线电能传输耦合结构及其设计方法。
技术介绍
无线电能传输技术是通过电磁耦合方式向负载传递能量的一项新技术，可实现电源到负载的无线供电。针对电感耦合型无线电能传输系统而言，耦合结构是实现电能无线传输的关键模块，其设计关系到WPT系统的传输距离、传输范围以及传输效率等多种指标。如图1所示，传统的无线电能传输系统通常由直流电源(Edc)、高频逆变模块(S1～S4)、原级谐振回路(Lp、Cp)、负载谐振回路(Ls、Cs)以及负载(RL)构成。以电动汽车无线充电为例，在电动汽车中安装拾取线圈，通过电能变换装置为电池和发动机供电，发射线圈埋设在路面下，电网输出的电能通过高频逆变后输送到发射线圈上，当汽车停在预设的充电区域，发射线圈与拾取线圈之间产生高频磁场，从而实现无线能量传输。在无线电能传输技术的研究过程中，大多学者的研究热点在于如何实现发射线圈与拾取线圈的精准定位，如何实现负载的自适应控制，而很少有人关注如何改进无线电能传输耦合结构来提升系统的传输效率，即使有人对无线电能传输耦合结构进行改进，往往也只局限于改变磁芯的形状和线圈的绕线方式，系统仍然由两个线圈耦合而成，传输效率仍然不够理想。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术首先提出了一种U型无线电能传输耦合结构，在传统的两线圈耦合结构的基础上进行改进，通过增设中继谐振回路来提升无线电能传输效率，具体的技术方案如下：一种U型无线电能传输耦合结构，其关键在于：包括第一线圈、第二线圈以及第三线圈，其中：第一线圈作为原级谐振回路线圈，第二线圈作为中继谐振回路线圈并与中继谐振电容固接，第三线圈作为负载谐振回路线圈，在进行无线电能传输时，所述第一线圈、第二线圈以及第三线圈的线圈端面构成U型结构，且第二线圈位于第一线圈和第三线圈之间。作为进一步描述，在进行无线电能传输时，所述第一线圈与第三线圈线圈的端面相互正对并同轴设置，第二线圈端面位于第一线圈和第三线圈的下边缘且与第一线圈和第三线圈的端面相互垂直，设第一线圈端面到第二线圈端面中心的距离为d1，第三线圈端面到第二线圈端面中心的距离为d2，则第一线圈端面与第三线圈端面之间距离d＝d1+d2，一方面便于安装和调试，另一方面也便于电路参数的设计。再进一步描述，所述第一线圈、第二线圈以及第三线圈为平面螺旋线圈或螺旋管状线圈。在实施过程中，所述第一线圈、第二线圈以及第三线圈均由直径为2.3mm的利兹线绕制而成。基于上述结构的改进思想，本专利技术还提出了一种U型无线电能传输耦合结构的设计方法，其关键在于按照以下步骤进行：S1：分别以利兹线绕制第一线圈、第二线圈以及第三线圈，将第一线圈作为原级谐振回路线圈，第二线圈作为中继谐振回路线圈并与中继谐振电容固接，第三线圈作为负载谐振回路线圈，并将第一线圈、第二线圈以及第三线圈的线圈端面构成U型结构，且第二线圈位于第一线圈和第三线圈之间；S2：将第一线圈与第三线圈线圈的端面相互正对并同轴设置，调整第二线圈端面使其位于第一线圈和第三线圈的下边缘且与第一线圈和第三线圈的端面相互垂直，设第一线圈端面到第二线圈端面中心的距离为d1，第三线圈端面到第二线圈端面中心的距离为d2，则第一线圈端面与第三线圈端面之间距离d＝d1+d2；S3：以A(Q1,Q2,Q3,κ12,κ23,κ13)＜1且：作为约束条件调整参数κ12、κ13、κ23、Q1、Q2以及Q3，其中：M12为第一线圈与第二线圈之间的互感，M13为第一线圈与第三线圈之间的互感；M23为第二线圈与第三线圈之间的互感，L1为第一线圈的自感值，L2为第二线圈的自感值，L3为第三线圈的自感值，Q1为原级谐振回路的品质因数，Q2为中继谐振回路的品质因数，Q3为负载谐振回路的品质因数，C1、C2、C3分别为原级谐振回路、中继谐振回路、负载谐振回路的调谐电容，R1、R2、R3分别为原级谐振回路、中继谐振回路、负载谐振回路的内阻，R为负载电阻。本专利技术的显著效果是：改变了传统两线圈感应耦合结构，通过增设中继谐振回路来提高无线电能传输系统的传输效率，特别针对电动汽车无线充电系统而言，耦合结构的安装也比较方便。附图说明图1是传统WPT系统的电路原理图；图2是本专利技术提出的U型无线电能传输系统的原理图；图3是耦合结构中各个线圈端面的位置关系图；图4是平面螺旋线圈的结构示意图；图5是U型无线电能传输系统的电路结构模型；图6是中继线圈位于系统中心位置时的电能传输效率曲线；图7是中继线圈位于系统不同位置时的电能传输效率曲线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。如图2-图3所示，一种U型无线电能传输耦合结构，包括第一线圈、第二线圈以及第三线圈，其中：第一线圈作为原级谐振回路线圈，第二线圈作为中继谐振回路线圈并与中继谐振电容固接，第三线圈作为负载谐振回路线圈，在进行无线电能传输时，所述第一线圈、第二线圈以及第三线圈的线圈端面构成U型结构，且第二线圈位于第一线圈和第三线圈之间。结合图3可以看出，所述第一线圈与第三线圈线圈的端面相互正对并同轴设置，第二线圈端面位于第一线圈和第三线圈的下边缘且与第一线圈和第三线圈的端面相互垂直，设第一线圈端面到第二线圈端面中心的距离为d1，第三线圈端面到第二线圈端面中心的距离为d2，则第一线圈端面与第三线圈端面之间距离d＝d1+d2。在实施过程中，第一线圈、第二线圈以及第三线圈均由直径为2.3mm的利兹线绕制而成，可以绕制为平面螺旋线圈或螺旋管状线圈，在本例中采用的是平面螺旋线圈，其绕线方式如图4所示。作为上述U型无线电能传输耦合结构的设计方法，具体的步骤如下：S1：分别以利兹线绕制第一线圈、第二线圈以及第三线圈，将第一线圈作为原级谐振回路线圈，第二线圈作为中继谐振回路线圈并与中继谐振电容固接，第三线圈作为负载谐振回路线圈，并将第一线圈、第二线圈以及第三线圈的线圈端面构成U型结构，且第二线圈位于第一线圈和第三线圈之间；S2：将第一线圈与第三线圈线圈的端面相互正对并同轴设置，调整第二线圈端面使其位于第一线圈和第三线圈的下边缘且与第一线圈和第三线圈的端面相互垂直，设第一线圈端面到第二线圈端面中心的距离为d1，第三线圈端面到第二线圈端面中心的距离为d2，则第一线圈端面与第三线圈端面之间距离d＝d1+d2；S3：以A(Q1,Q2,Q3,κ12,κ23,κ13)＜1且：作为约束条件调整参数κ12、κ13、κ23、Q1、Q2以及Q3，其中：M12为第一线圈与第二线圈之间的互感，M13为第一线圈与第三线圈之间的互感；M23为第二线圈与第三线圈之间的互感，L1为第一线圈的自感值，L2为第二线圈的自感值，L3为第三线圈的自感值，Q1为原级谐振回路的品质因数，Q2为中继谐振回路的品质因数，Q3为负载谐振回路的品质因数，C1、C2、C3分别为原级谐振回路、中继谐振回路、负载谐振回路的调谐电容，R1、R2、R3分别为原级谐振回路、中继谐振回路、负载谐振回路的内阻，R为负载电阻。下面将对上述结构的工作原理和效果进行详细分析：如图5所示，基于上述U型无线电能传输耦合结构构成的无线电能传输系统，以下简本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种U型无线电能传输耦合结构，其特征在于：包括第一线圈、第二线圈以及第三线圈，其中：第一线圈作为原级谐振回路线圈，第二线圈作为中继谐振回路线圈并与中继谐振电容固接，第三线圈作为负载谐振回路线圈，在进行无线电能传输时，所述第一线圈、第二线圈以及第三线圈的线圈端面构成U型结构，且第二线圈位于第一线圈和第三线圈之间。

【技术特征摘要】
1.一种U型无线电能传输耦合结构的设计方法，其特征在于按照以下步骤进行：S1：分别以利兹线绕制第一线圈、第二线圈以及第三线圈，将第一线圈作为原级谐振回路线圈，第二线圈作为中继谐振回路线圈并与中继谐振电容固接，第三线圈作为负载谐振回路线圈，并将第一线圈、第二线圈以及第三线圈的线圈端面构成U型结构，且第二线圈位于第一线圈和第三线圈之间；S2：将第一线圈与第三线圈线圈的端面相互正对并同轴设置，调整第二线圈端面使其位于第一线圈和第三线圈的下边缘且与第一线圈和第三线圈的端面相互垂直，设第一线圈端面到第二线圈端面中心的距离为d1，第三线圈端面到第二线圈端面中心的距离为d2，则第一线圈端面与第三线圈端面之间距离d＝d1+d2；S3：以A(Q1,Q2,Q3,κ12,κ23,κ13)＜1且：

【专利技术属性】
技术研发人员：孙跃，叶兆虹，唐春森，王智慧，戴欣，苏玉刚，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85