三发射线圈耦合机构及其构成的磁耦合WPT系统技术方案

本发明专利技术提供一种三发射线圈耦合机构及其构成的磁耦合WPT系统，发射端包括第一线圈、第二线圈和第三线圈，第一线圈是由一根单独的导线绕制形成的多匝线圈，并构成外围充电区域，所述第二线圈和第三线圈是由另一根单独的导线在所述第一线圈内部未绕线区域内串联连接并分段绕制形成的多匝线圈，且构成中心充电区域，在所述第三线圈内部以及所述第三线圈与所述第二线圈之间均预留有未绕线区域，所述第一线圈与第一谐振补偿电路相连并工作在第一谐振频率上，所述第二线圈和所述第三线圈串联连接后与第二谐振补偿电路连接并工作在第二谐振频率上。其效果是：抗偏移能力得到提升，系统成本降低，可适用于不同功率等级的移动设备应用场合。

Three launch coil coupling mechanism and its magnetic coupling WPT system

【技术实现步骤摘要】
三发射线圈耦合机构及其构成的磁耦合WPT系统
本专利技术涉及无线电能传输技术，具体涉及一种三发射线圈耦合机构及其构成的磁耦合WPT系统。
技术介绍
纯电动汽车在运行过程中可以做到零污染，电动汽车的普及能够改善能源结构，但充电是电动汽车所面临的一大难题，传统插拔式充电方式具有安全隐患，例如雨天或雪天充电容易漏电，充电线老化，经常拔插易产生电火花等问题。无线电能传输技术(WPT，WirelessPowerTransferr)可以克服上述问题，而且具有充电便利性高，不受环境影响，充电设施可无人值守、后期维护成本低等优势。磁场耦合无线电能传输技术因具有传输距离大，效率较高等优点是电动汽车无线充电最主要的电能传输方式。在电动汽车WPT系统实际应用中，当汽车停驻到充电位置时，由于驾驶员人为操作的不确定性，存在车辆底盘内的拾取端和地面电能发射端发生偏移的情况，这会降低系统的输出功率和效率，延长充电时间并且增加损耗，情况严重时甚至会使系统无法正常工作，故需要提升耦合机构的抗偏移能力。目前，国内外的研究机构为了提升磁耦合机构的抗偏移能力做了许多研究，现有技术中有人提出了DDQ线圈结构，通过DD线圈和Q线圈正交，两线圈在发生偏移时输出叠加，以减少输出功率的降低，但是用铜量较大；也有人在其基础上提出了BP线圈，节省了25.71％的铜量，但相比于DDQ线圈的耦合性能略低，输出功率也较低。也有学者将4个D线圈串联，构成DLDD结构，为了减轻重量，将磁芯改为双“田”字结构，虽然具有很好的抗偏移能力，但线圈尺寸较大，用线量也较多，线圈多为密绕，内阻较大，且通过分析发现，以上三种结构在平面上各个角度抗偏移性能差别较大。
技术实现思路
基于上述缺陷，本专利技术提出了一种三发射线圈耦合机构，通过对电能发射端线圈结构进行改进，从而提升二维平面各角度的抗偏移能力。为了实现上述目的，本专利技术所采用的具体技术方案如下：一种三发射线圈耦合机构，其关键在于：发射端包括第一线圈、第二线圈和第三线圈，所述第一线圈是由一根单独的导线绕制形成的多匝线圈，并构成外围充电区域，所述第二线圈和第三线圈是由另一根单独的导线在所述第一线圈内部未绕线区域内串联连接并分段绕制形成的多匝线圈，且构成中心充电区域，在所述第三线圈内部以及所述第三线圈与所述第二线圈之间均预留有未绕线区域，所述第一线圈与第一谐振补偿电路相连并工作在第一谐振频率上，所述第二线圈和所述第三线圈串联连接后与第二谐振补偿电路连接并工作在第二谐振频率上。可选地，所述第一线圈、第二线圈以及第三线圈均为圆盘式线圈。可选地，接收端的电能拾取线圈采用圆盘式单线圈结构。可选地，所述第一线圈、所述第二线圈、所述第三线圈以及所述电能拾取线圈均为多层线圈。可选地，所述发射线圈设置有磁芯结构，所述磁芯结构包括多根端头凸起式磁条呈并环形均匀分布，在多根磁条两个端头之间围合形成的环形凹槽内依次绕制所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈。可选地，所述第二线圈的外径为最大磁通密度半径。基于上述三发射线圈耦合机构，本专利技术还提出了一种采用上述三发射线圈耦合机构构成的磁耦合WPT系统，其关键在于：发射端还设置有交流电源接口及初级能量变换装置，接收端设置有次级能量变换装置，所述初级能量变换装置包括整流电路和逆变电路，所述逆变电路输出高频交流电源送入所述第一线圈与第一谐振补偿电路相连构成的第一谐振回路中；或者送入所述第二线圈和所述第三线圈串联连接后与第二谐振补偿电路相连构成的第二谐振回路中。可选地，所述接收端设置有拾取电压检测模块，系统预先开通所述中心充电区域，当所述拾取电压检测模块检测到接收端的电能拾取线圈两端电压有效值Us小于预设的临界拾取电压us0时，系统开通所述外围充电区域。可选地，所述接收端设置在电动汽车上，接收端的电能拾取线圈通过所述次级能量变换装置为电动汽车的蓄电池充电。本专利技术的有益效果：本专利技术提出的三发射线圈耦合机构抗偏移能力得到提升，系统成本降低，其性能的提升本质来自于耦合机构磁场强度与磁场均匀性的提升，不依赖于补偿拓扑结构，所以适用于不同功率等级的移动设备应用场合，在系统没有抗震性的要求时，有磁芯耦合机构系统效率更高，成本更低；系统对抗震性有要求时，无磁芯耦合机构系统稳定性更高。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。图1为本专利技术的三发射线圈结构示意图；图2为无磁芯的三发射线圈耦合机构结构示意图；图3为有磁芯的三发射线圈耦合机构结构示意图；图4为磁芯结构中单根磁条的结构示意图；图5为三发射线圈多层设置的结构示意图；图6为线圈外径与耦合系数k变化曲线；图7为线圈内半径与耦合系数曲线；图8为无磁芯的三发射线圈耦合机构参数设计流程图；图9为采用三发射线圈耦合机构构成的磁耦合WPT系统结构图；图10为中心线圈和外围线圈效率与偏移距离曲线；图11为两种耦合机构偏移时M和k的变化曲线图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本专利技术所属领域技术人员所理解的通常意义。如图1所示，本实施例提供的一种三发射线圈耦合机构，发射端包括第一线圈(线圈Ⅰ)、第二线圈(线圈Ⅱ)和第三线圈(线圈Ⅲ)，所述第一线圈是由一根单独的导线绕制形成的多匝线圈，并构成外围充电区域，所述第二线圈和第三线圈是由另一根单独的导线在所述第一线圈内部未绕线区域内串联连接并分段绕制形成的多匝线圈，且构成中心充电区域，在所述第三线圈内部以及所述第三线圈与所述第二线圈之间均预留有未绕线区域，所述第一线圈与第一谐振补偿电路相连并工作在第一谐振频率上，所述第二线圈和所述第三线圈串联连接后与第二谐振补偿电路连接并工作在第二谐振频率上。耦合机构的性能直接受到线圈结构的影响，通过仿真发现，在线圈面积相同时，相对于矩-矩型、圆-矩型而言，圆-圆型线圈的互感值最大，且圆-圆型线圈在二维平面任意方向发生偏移时，互感变化一致，所以本实施例选择圆-圆型线圈作为基本线圈结构，因此，所述第一线圈、第二线圈以及第三线圈均为圆盘式线圈，接收端的电能拾取线圈采用圆盘式单线圈结构，从而可以根据拾取线圈偏移情况来开通不同的充电线圈区域。具体实施时，既可采用如图2所示的无磁芯的三发射线圈耦合机构，也可采用如图3所示的有磁芯的三发射线圈耦合机构，在所述发射线圈设置有磁芯结构时，所述磁芯结构包括多根端头凸起式磁条呈并环形均匀分布，在多根磁条两个端头之间围合形成的环形凹槽内依次绕制所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈，端头凸起式磁条结构如图4所示，图中a表示磁条总长度，q表示磁条凹槽长度，c为磁条底本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三发射线圈耦合机构，其特征在于：发射端包括第一线圈、第二线圈和第三线圈，所述第一线圈是由一根单独的导线绕制形成的多匝线圈，并构成外围充电区域，所述第二线圈和第三线圈是由另一根单独的导线在所述第一线圈内部未绕线区域内串联连接并分段绕制形成的多匝线圈，且构成中心充电区域，在所述第三线圈内部以及所述第三线圈与所述第二线圈之间均预留有未绕线区域，所述第一线圈与第一谐振补偿电路相连并工作在第一谐振频率上，所述第二线圈和所述第三线圈串联连接后与第二谐振补偿电路连接并工作在第二谐振频率上。/n

【技术特征摘要】
1.一种三发射线圈耦合机构，其特征在于：发射端包括第一线圈、第二线圈和第三线圈，所述第一线圈是由一根单独的导线绕制形成的多匝线圈，并构成外围充电区域，所述第二线圈和第三线圈是由另一根单独的导线在所述第一线圈内部未绕线区域内串联连接并分段绕制形成的多匝线圈，且构成中心充电区域，在所述第三线圈内部以及所述第三线圈与所述第二线圈之间均预留有未绕线区域，所述第一线圈与第一谐振补偿电路相连并工作在第一谐振频率上，所述第二线圈和所述第三线圈串联连接后与第二谐振补偿电路连接并工作在第二谐振频率上。


2.根据权利要求1所述的三发射线圈耦合机构，其特征在于：所述第一线圈、第二线圈以及第三线圈均为圆盘式线圈。


3.根据权利要求1或2所述的三发射线圈耦合机构，其特征在于：接收端的电能拾取线圈采用圆盘式单线圈结构。


4.根据权利要求3所述的三发射线圈耦合机构，其特征在于：所述第一线圈、所述第二线圈、所述第三线圈以及所述电能拾取线圈均为多层线圈。


5.根据权利要求1或4所述的三发射线圈耦合机构，其特征在于：所述发射线圈设置有磁芯结构，所述磁芯结构包括多根端头凸起式磁条呈并环形均匀分布...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏玉刚，孙跃，王智慧，唐春森，戴欣，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50