一种集成式无线充电线圈及其电能传输系统的制作方法

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体地，涉及一种集成式无线充电线圈及其电能传输系统，可以消除主、副线圈间互感。

背景技术：

无线电能传输技术作为一种新兴的充电技术，是指在不发生物理接触的条件下，使用电磁场实现能量的远距离传输。由于无线充电技术适用性很强，在很多领域都得到广泛应用，其中一个主要应用领域为电动汽车。与传统的使用充电桩进行有线充电的充电方式相比，无线充电技术在电动汽车上的应用具有使用便捷、安全性高、不受环境影响及不占用空间资源等优势，可有力地推动电动汽车的普及。通过在地下铺设线圈发射端，在电动汽车底盘固定线圈接收端，驾驶员只需要将汽车停到指定位置即可进行充电。

实现无线电能传输有多种方式，其中通过一对耦合线圈实现的磁耦合式电能传输技术被证明可以很好地应用于电动汽车无线充电。普通结构的线圈一般为圆形或矩形，且发射端和接收端只包含单一线圈，如果相应的电路拓扑结构有两个电感或多个电感的话，需要额外制作电感，增加了系统的复杂性。此外，由于电动汽车在充电的过程中，汽车底盘上的接收线圈与铺在地下的发射线圈不容易对齐，容易发生偏移。这种情况下普通结构的线圈传输效率会进一步降低。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种集成式无线充电线圈及其电能传输系统，将同侧主线圈和副线圈集成在一起，且主线圈采用双矩形结构，能够提高线圈之间的耦合系数，同时最小化由于副线圈的引入对整个线圈结构运行功率所带来的负面影响。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

一种集成式无线充电线圈，其特征在于，包括发射端和接收端，其中所述发射端由下至上依次为发射端磁屏蔽层、发射端磁介质层、发射端支撑层、发射端副线圈层以及发射端主线圈层的五层结构；

所述接收端由下至上依次为接收端主线圈层、接收端支撑层、接收端副线圈层、接收端磁介质层以及接收端磁屏蔽层的五层结构；

耦合所述发射端副线圈层的发射端主线圈与所述接收端主线圈层的接收端主线圈进行能量无线传输。

上述技术方案中，所述发射端主线圈和所述接收端主线圈都按8字形缠绕形成双矩形结构。

所述发射端主线圈层的发射端主线圈和所述接收端主线圈层的接收端主线圈都按8字形缠绕形成双矩形结构。

上述技术方案中，所述发射端副线圈层的发射端副线圈按照8字形缠绕形成双矩形结构，且与所述发射端主线圈层的发射端主线圈呈90°放置，消除所述发射端副线圈层的发射端副线圈和发射端主线圈层的发射端主线圈之间的互感，所述发射端副线圈层的几何中心与所述发射端主线圈层的几何中心在同一竖直线上；所述接收端副线圈为单一矩形结构，其长边方向与所述接收端主线圈层的长边方向平行，且所述接收端副线圈层的几何中心与所述接收端主线圈层的几何中心在同一竖直线上。

上述技术方案中，所述发射端主线圈层紧固连接在所述发射端支撑层的正面，所述发射端副线圈层紧固连接在所述发射端支撑层的背面；所述接收端主线圈层紧固连接在接收端支撑层的正面，所述接收端副线圈层紧固连接在接收端支撑层的背面。

上述技术方案中，所述发射端磁介质层紧固粘贴在发射端磁屏蔽层的正面，所述接收端磁介质层紧固粘贴在接收端磁屏蔽层的正面。

上述技术方案中，所述发射端磁介质层和所述接收端磁介质层均由功率铁氧体组成，所述功率铁氧体的横截面呈长方形形状，所述功率铁氧体长边方向与所述双矩形结构的短边方向平行。

上述技术方案中，所述发射端和所述接收端的最外侧放置用铝板制成的屏蔽层。

本发明的一种集成式无线充电线圈的电能传输系统，其特征在于，包括上述的集成式无线充电线圈；

还包括直流电源、高频逆变器、整流滤波装置、负载，其中直流电源用于供给发射端电路稳定的电能，通过所述高频逆变器将直流电转化为高频交流电，进入由发射端主线圈和发射端副线圈所组成的回路，接收端主线圈与发射端主线圈发生磁耦合产生感应电流，进行能量的无线传输，随后，交流电流经整流滤波装置转化为直流电，最终向所述负载供电。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明主线圈采用了双矩形结构。由于双矩形结构的线圈磁场耦合程度较大，因而耦合系数较大，有效提高了线圈的传输效率。

本发明引入副线圈，可适用于复杂补偿电路，同时，消除了同侧主、副线圈间以及异侧副线圈间的互感。此时，发射端和接收端两个主线圈间的耦合系数对充电系统的运行功率起主要作用。

本发明将发射端主线圈和副线圈集成在一起，将接收端主线圈和副线圈集成在一起，避免线圈总体结构体积过大。

按磁场方向排列的条形功率铁氧体可以对线圈所产生磁场起到引导作用，增强了励磁电感，进一步提高了线圈的传输效率。

线圈结构最外侧放置用铝板制成的屏蔽层，用以屏蔽磁场辐射，降低对外界环境的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明的集成式无线充电线圈的立体结构示意图；

图2是本发明的集成式无线充电线圈的电能传输示意图；

图3是本发明的集成式无线充电线圈发射端主线圈绕线方式示意图；

图4是本发明的集成式无线充电线圈发射端副线圈绕线方式示意图；

图5是本发明的集成式无线充电线圈发射端磁介质层中功率铁氧体的一种优选排列示意图；

图6是本发明的集成式无线充电线圈接收端主线圈绕线方式示意图；

图7是本发明的集成式无线充电线圈接收端副线圈绕线方式示意图；

图8是本发明的集成式无线充电线圈接收端磁介质层中功率铁氧体的一种优选排列示意图；

附图中各部件的标记如下：

1-发射端主线圈层，2-发射端支撑层，3-发射端副线圈层，4-发射端磁介质层，5-发射端磁屏蔽层，6-接收端主线圈层，7-接收端支撑层，8-接收端副线圈层，9-接收端磁介质层，10-接收端磁屏蔽层，101-直流电源，102-逆变器，103-发射端副线圈，104-发射端主线圈，105-接收端主线圈，106-接收端副线圈，107-整流滤波装置，108-负载。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中需要理解的是，术语“上”“下”“左”“右”“正面”“背面”指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位和位置关系，仅仅是为了方便描述本发明的结构和操作方式，而不是指示或者暗示所指的部分必须具有特定的方位、以特定的方位操作，因而不能理解为对本发明的限制。

图1所示的是本发明提供的集成式无线充电线圈的立体结构图。如图1所示，本发明的一种集成式无线充电线圈，包括发射端和接收端，其中所述发射端由下至上依次为发射端磁屏蔽层5、发射端磁介质层4、发射端支撑层2、发射端副线圈层3以及发射端主线圈层1的五层结构；

接收端由下至上依次为接收端主线圈层6、接收端支撑层7、接收端副线圈层8、接收端磁介质层9以及接收端磁屏蔽层10的五层结构；

耦合所述发射端副线圈层1的发射端主线圈104与所述接收端主线圈层6的接收端主线圈105进行能量无线传输。

发射端主线圈层11固定在发射端支撑层2的正面，其上的电流流向示意图如图3所示。发射端副线圈层3固定在发射端支撑层2背面，其上的电流流向示意图如图4所示。发射端支撑层2与发射端磁屏蔽层5之间是发射端磁介质层4。发射端的磁介质层4上的铁氧体排布如图5所示，并紧固粘贴在发射端磁屏蔽层5的正面。除副线圈层外，接收端结构与发射端结构相似，接收端副线圈106为单一矩形，其长边与接收端主线圈长边平行，如图6-7。

发射端主线圈层1的线圈和接收端主线圈层6的线圈都按8字形缠绕形成双矩形结构。此外，发射端主线圈双矩形结构的中间部分绕线较为稀疏，以增大有效磁场高度。

发射端副线圈层3的发射端副线圈103按照8字形缠绕形成双矩形结构，且与所述发射端主线圈层1的发射端主线圈104呈90°放置，消除发射端副线圈层3的发射端副线圈103和发射端主线圈层1的发射端主线圈104之间的互感，发射端副线圈层3的几何中心与发射端主线圈层1的几何中心在同一竖直线上；接收端副线圈106为单一矩形结构，其长边方向与接收端主线圈层6的长边方向平行，且接收端副线圈层8的几何中心与接收端主线圈层6的几何中心在同一竖直线上。此时，主、附线圈间的互感和两个副线圈间的互感均得到有效消除。

发射端主线圈层1紧固连接在所述发射端支撑层2的正面，发射端副线圈层3紧固连接在所述发射端支撑层2的背面；接收端主线圈层6紧固连接在接收端支撑层7的正面，接收端副线圈层8紧固连接在接收端支撑层7的背面。

发射端磁介质层4和接收端磁介质层9分别紧固粘贴在各层磁屏蔽层的正面。发射端磁介质层4和接收端磁介质层9均由功率铁氧体组成，功率铁氧体的横截面呈长方形形状，所述功率铁氧体长边方向与所述双矩形结构的短边方向平行，如图5和图8所示。

本发明中的发射端和接收端的最外侧放置用铝板制成的屏蔽层。

图2是本发明的集成式无线充电线圈的电能传输示意图；本发明的一种集成式无线充电线圈的电能传输系统，包括上述的集成式无线充电线圈；

还包括直流电源101、高频逆变器102、整流滤波装置107、负载108，其中直流电源101用于供给发射端电路稳定的电能，通过所述高频逆变器102将直流电转化为高频交流电，进入由发射端主线圈104和发射端副线圈103所组成的回路，接收端主线圈105与发射端主线圈104发生磁耦合产生感应电流，进行能量的无线传输，随后，交流电流经整流滤波装置107转化为直流电，最终向所述负载108供电。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。