[發(fā)明專利]帶有可切換中繼線圈的電動(dòng)汽車無(wú)線充電磁耦合器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110103310.6
• 申請(qǐng)日: 2021-01-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112874331B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-01-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 葛佳蔚;楊富堯;劉坤;陳新;程少宇;劉洋;康錦萍;馮硯廳;馬光;趙海森
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華北電力大學(xué);全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司;國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院
• 主分類號(hào): B60L53/12
• 分類號(hào): B60L53/12;H02J50/10;H02J50/50
• 代理公司: 北京衛(wèi)平智業(yè)專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11392
• 代理人: 張新利;謝建玲

1.一種帶有可切換中繼線圈的電動(dòng)汽車無(wú)線充電磁耦合器，其特征在于，包括：原邊線圈、副邊線圈和中繼線圈，所述原邊線圈、副邊線圈和中繼線圈水平平行布置，所述中繼線圈置于原邊線圈內(nèi)，所述原邊線圈為發(fā)射線圈，副邊線圈為接收線圈，所述原邊線圈、中繼線圈和副邊線圈的纏繞方式為平面圓角矩形纏繞；中間沒(méi)有任何導(dǎo)磁金屬介質(zhì)，完全依靠空氣進(jìn)行能量傳遞，通過(guò)閉合和斷開(kāi)中繼線圈的開(kāi)關(guān)，使磁耦合器處于兩線圈或者三線圈運(yùn)行狀態(tài)，

所述發(fā)射線圈邊長(zhǎng)為：700mm，匝數(shù)為：17；所述中繼線圈邊長(zhǎng)為：400mm，匝數(shù)為：13；所述接收線圈邊長(zhǎng)為：700mm，匝數(shù)為17；所述發(fā)射線圈與接收線圈間垂直距離為200mm，所述發(fā)射線圈與中繼線圈間垂直距離為0mm；

所述中繼線圈結(jié)構(gòu)具體尺寸的確定方法包括：

步驟11首先確定發(fā)射線圈和接收線圈的間隔d，所述間隔d單位為mm；根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，d不小于200mm，因而發(fā)射線圈和接收線圈的間隔取為200mm；

步驟12確定發(fā)射線圈的外邊長(zhǎng)和接收線圈的外邊長(zhǎng)，考慮到實(shí)際的空間和成本，發(fā)射線圈和接收線圈尺寸不宜過(guò)大，當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈尺寸過(guò)小會(huì)導(dǎo)致效率過(guò)低，因而，發(fā)射線圈和接收線圈尺寸最小不小于600mm，故尺寸的取值范圍為600～800mm之間，最終確定發(fā)射線圈和接收線圈外邊長(zhǎng)為700mm；

步驟13中繼線圈的外邊長(zhǎng)和匝數(shù)的確定：

l≤x-6.5n₁ (1)

l≤6.5n₂ (2)

其中，l為中繼線圈的外邊長(zhǎng)，x為發(fā)射線圈和接收線圈的外邊長(zhǎng)，單匝線圈線徑為6.5mm，n₁為發(fā)射線圈和接收線圈的匝數(shù)，n₂為中繼線圈的匝數(shù)；

考慮設(shè)計(jì)要求的功效指標(biāo)與線圈互感參數(shù)有關(guān)，發(fā)射線圈與接收線圈互感與發(fā)射線圈與接收線圈匝數(shù)、外邊長(zhǎng)、發(fā)射線圈以及接收線圈間隔的關(guān)系式如下：

M＝M_l1la+M_l2lb+M_l3lc+M_l4ld+M_l1lc+M_lal3+M_l2ld+M_lbl4 (4)

其中，M為線圈之間總的互感，M_l1la為邊l₁與邊l_a之間的互感，M_l2lb為邊l₂與邊l_b之間的互感，M_l3lc為邊l₃與邊l_c之間的互感，M_l4ld為邊l₄與邊l_d之間的互感，M_l1lc為邊l₁與邊l_c之間的互感，M_lal3為邊l_a與邊l₃之間的互感，M_l2ld為邊l₂與邊l_d之間的互感，M_lbl4為邊l_b與邊l₄之間的互感，l₁、l₂、l₃、l₄為發(fā)射線圈的外邊長(zhǎng)，l_a、l_b、l_c、l_d為接收線圈的外邊長(zhǎng),l_Tx為發(fā)射線圈的每匝長(zhǎng)度，l_Rx為接收線圈的每匝長(zhǎng)度，N_Tx為發(fā)射線圈的匝數(shù)，N_Rx為接收線圈的匝數(shù)，R為發(fā)射線圈與接收線圈間距離；μ₀為空氣中的磁感應(yīng)系數(shù)，d為發(fā)射線圈與接收線圈間橫向距離，y₁、y₂分別為發(fā)射線圈與接收線圈的縱向距離，h為發(fā)射線圈與接收線圈間的垂直距離；

步驟14當(dāng)輸出電壓與負(fù)載確定時(shí)，磁耦合器輸出的功率和效率只和互感參數(shù)有關(guān)，公式(6)(7)為磁耦合器的輸出功率和效率公式，通過(guò)輸出功率和效率指標(biāo)確定中繼線圈的具體參數(shù)；

其中，U_p是高頻電壓源，L_p、L_s、L_i分別是發(fā)射線圈、接收線圈和中繼線圈的自感，ω為角頻率，R_p、R_s、R_i分別是發(fā)射線圈、接收線圈和中繼線圈的系統(tǒng)電阻，C_p、C_s、C_i分別是發(fā)射線圈、接收線圈和中繼線圈的補(bǔ)償電容，M_ps是發(fā)射線圈和接收線圈之間的互感，M_pi是發(fā)射線圈和中繼線圈之間的互感，M_is是中繼線圈和接收線圈之間的互感，R_eq是系統(tǒng)等效負(fù)載電阻,Z_p、Z_s、Z_i分別是發(fā)射線圈、接收線圈和中繼線圈的等效阻抗，P_out為三線圈磁耦合器的輸出功率，η為三線圈磁耦合器的效率；

所述中繼線圈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法具體包括如下步驟：

步驟21首先根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)定無(wú)線充電磁耦合器要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)：輸出功率≥3kW，效率≥90％；

步驟22根據(jù)步驟21中所要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，確定相應(yīng)的磁耦合器的工作參數(shù)，所述工作參數(shù)包括：發(fā)射線圈、接收線圈和中繼線圈的繞制方式，發(fā)射線圈和接收線圈尺寸、匝數(shù)，磁耦合器的補(bǔ)償參數(shù)和工作頻率；

步驟23在步驟22確定發(fā)射線圈和接收線圈尺寸和匝數(shù)的基礎(chǔ)上，選擇合適中繼線圈的尺寸和匝數(shù)；

步驟24在步驟23的基礎(chǔ)上，建耦合器仿真模型，計(jì)算發(fā)射線圈、接收線圈以及中繼線圈的自感和線圈間的互感，根據(jù)公式(6)計(jì)算接收線圈的輸出功率，根據(jù)公式(7)計(jì)算效率：

步驟25判斷步驟24得到的輸出功率和效率是否滿足步驟21中所設(shè)置的技術(shù)指標(biāo)，如果滿足，進(jìn)行下一步，如果不滿足，返回到步驟23重新確定中繼線圈尺寸和匝數(shù)；

步驟26在完成步驟21～步驟25后，確定中繼線圈參數(shù)。

2.如權(quán)利要求1所述的帶有可切換中繼線圈的電動(dòng)汽車無(wú)線充電磁耦合器，其特征在于，所述中繼線圈的切換方法包括如下具體步驟：

步驟31首先斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，中繼線圈斷路，使帶有可切換中繼線圈的電動(dòng)汽車無(wú)線充電磁耦合器以兩線圈的狀態(tài)運(yùn)行，得到兩線圈磁耦合器的具體參數(shù)，所述參數(shù)包括：發(fā)射線圈和接收線圈的自感、發(fā)射線圈和接收線圈間互感、發(fā)射線圈和接收線圈的電壓、電流；

步驟32根據(jù)兩線圈磁耦合器的效率公式(15)，得到兩線圈運(yùn)行時(shí)的磁耦合器效率；

其中，為原邊電流相量，是高頻電壓源電壓相量，為副邊線圈電流相量，為副邊線圈電壓相量，L_p和L_s分別是原邊線圈和副邊線圈的自感，R_p和R_s分別是原邊線圈和副邊線圈的系統(tǒng)電阻，C_p和C_s分別是原邊線圈和副邊線圈的補(bǔ)償電容，M_ps是原邊線圈和副邊線圈之間的互感，R_eq是系統(tǒng)等效負(fù)載電阻，η₃為兩線圈磁耦合器的效率；

步驟33閉合開(kāi)關(guān)，中繼線圈電路導(dǎo)通，帶有可切換中繼線圈的電動(dòng)汽車無(wú)線充電磁耦合器以三線圈的狀態(tài)運(yùn)行，得到三線圈磁耦合器的具體參數(shù)；

步驟34根據(jù)三線圈磁耦合器的效率公式(7)，得到三線圈運(yùn)行時(shí)的磁耦合器效率；

步驟35判斷兩線圈磁耦合器效率是否大于三線圈磁耦合器效率，如果滿足，進(jìn)行下一步，如果不滿足，則進(jìn)行步驟37；

步驟36斷開(kāi)中繼線圈的開(kāi)關(guān)，使磁耦合器處于兩線圈運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)束；

步驟37閉合中繼線圈的開(kāi)關(guān)，使磁耦合器處于三線圈運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)束。