一种电动汽车动态无线充电系统拓扑结构的互感优化方法与流程

本发明涉及无线电能传输领域，尤其涉及一种电动汽车动态无线充电系统拓扑结构的互感优化方法。

背景技术：

充电系统是电动汽车的核心部件之一，其性能的好坏直接影响着电动汽车的安全性和便利性。当前，电动汽车的充电方式主要有两种：插拔式有线充电方式和无线充电方式。插拔式有线充电方式的主要问题如下：(1)由于充电插座和电缆的存在而极大地降低了电动汽车充电的灵活性；(2)较大的充电电流构成了漏电及电击的潜在危险，容易产生接触火花，安全性不强。无线充电方式主要是通过磁场来传输电能，供电端和负载端不需要导线的直接连接，进而可以省去插座和插头。负载端和供电端可以通过网络指令来进行智能连接，更容易实现智能供电。然而，在电动汽车停车充电时，发射线圈和接收线圈不可避免会产生偏移，导致线圈之间的互感发生变化，进而引起输出端电压剧烈波动及效率下降，危及电动汽车动态无线供电系统的安全性与稳定性。所以，如何保证线圈发生偏移时线圈之间互感的相对恒定率是一个难题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对以上问题，提供一种电动汽车动态无线充电系统拓扑结构的互感优化方法，可以实现当接收线圈与发射线圈发生偏移时，接收线圈与发射线圈之间总互感恒定。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：

一种电动汽车动态无线充电系统拓扑结构的互感优化方法，它包括以下步骤：

s1，建立单发射对四接收线圈结构系统模型：由一个大的发射线圈和四个小的接收线圈构成，四个小的接收线圈放置于同一平面，接收线圈平行于发射线圈；四个接收线圈的结构和大小都相同；

s2，设置线圈主要参数：包括铜线半径；谐振频率；发射线圈外径；发射线圈内径；发射线圈匝数；发射线圈之间的间距；接收线圈外径；接收线圈内径；接收线圈匝数；接收线圈之间的间距；

s3，总互感计算：在不同线圈偏移下，根据单发射对单接收线圈的互感公式（1）计算每个接收线圈与发射线圈之间的互感值；

公式（1）为：

其中：j0，j1分别是零阶和一阶贝赛尔函数；

根据单发射对四接收线圈结构的总互感公式（2）求出总互感值；

公式（2）为：m_n=m12+m13+m14+m15

其中：n为偏移距离；m12是发射线圈与第一个接收线圈之间的互感值；m13是发射线圈与第二个接收线圈之间的互感值；m14是发射线圈与第三个接收线圈之间的互感值；m15是发射线圈与第四个接收线圈之间的互感值；

s4，互感值标幺化：根据公式（3）对发射线圈与接收线圈之间的总互感值进行标幺化计算；

公式（3）为：ε=m_10/m_0

其中ε为当前标幺值；m_10是发射线圈与接收线圈偏移为10cm时的总互感值；m_0是发射线圈与接收线圈偏移为0cm时的总互感值；

s5，判断当前标幺值是否满足要求：将当前标幺值与设定值进行比较，若当前标幺值大于设定值，则将当前总互感值、当前标幺值、当前线圈主要参数保存为设定值；若当前标幺值小于设定值，则进一步调节线圈主要参数，直至当前标幺值大于设定值；

s6，重复上述步骤s2到步骤s5，直到当前标幺值大于或等于设定值。

本发明的进一步改进，线圈参数调节的先后顺序依次为：四个接收线圈的外径，四个接收线圈的内径和匝数，发射线圈的外径，发射线圈的内径、匝数和间距。

本发明的进一步改进，ε的值设定在0.90～0.99之间。

一种电动汽车动态无线充电系统拓扑结构，，它由一个大的发射线圈tx和四个小的接收线圈rx_1,rx_2,rx_3和rx_4组成；四个接收线圈的结构和大小都相同；rx_1和rx_3关于y轴对称，rx_2和rx_4关于y轴对称，rx_1和rx_2关于z轴对称，rx_1和rx_4关于z轴对称，四个接收线圈放置于同一个平面，接收线圈与发射线圈平行放置。

一种电动汽车动态无线充电系统拓扑结构的进一步改进，所述发射线圈为圆形或矩形；所述接收线圈为圆形或矩形。

本发明的有益效果：当接收线圈与发射线圈发生偏移时，虽然单个接收线圈与发射线圈的互感会发生变化，但是发射线圈和每个接收线圈之间的互感之和基本恒定，所以系统的输出电压和效率不受线圈偏移的影响。

附图说明

图1是单发射对四接收拓扑结构；

图2发生偏移时新型单发射对四接收型拓扑结构图；

图3发生偏移时两个线圈拓扑结构图；

图4是互感优化方法步骤图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

如图1-图4所示，本发明的具体结构为：

一种电动汽车动态无线充电系统拓扑结构的互感优化方法，它包括以下步骤：

s1，建立单发射对四接收线圈结构系统模型：由一个大的发射线圈和四个小的接收线圈构成，四个小的接收线圈放置于同一平面，接收线圈平行于发射线圈；四个接收线圈的结构和大小都相同；

s2，设置线圈主要参数：包括铜线半径；谐振频率；发射线圈外径；发射线圈内径；发射线圈匝数；发射线圈之间的间距；接收线圈外径；接收线圈内径；接收线圈匝数；接收线圈之间的间距；

s3，总互感计算：在不同线圈偏移下，根据单发射对单接收线圈的互感公式（1）计算每个接收线圈与发射线圈之间的互感值；

公式（1）为：

其中：j0，j1分别是零阶和一阶贝赛尔函数；

根据单发射对四接收线圈结构的总互感公式（2）求出总互感值；

公式（2）为：m_n=m12+m13+m14+m15

其中：n为偏移距离；m12是发射线圈与第一个接收线圈之间的互感值；m13是发射线圈与第二个接收线圈之间的互感值；m14是发射线圈与第三个接收线圈之间的互感值；m15是发射线圈与第四个接收线圈之间的互感值；

s4，互感值标幺化：根据公式（3）对发射线圈与接收线圈之间的总互感值进行标幺化计算；

公式（3）为：ε=m_10/m_0

其中ε为当前标幺值；m_10是发射线圈与接收线圈偏移为10cm时的总互感值；m_0是发射线圈与接收线圈偏移为0cm时的总互感值；

s5，判断当前标幺值是否满足要求：将当前标幺值与设定值进行比较，若当前标幺值大于设定值，则将当前总互感值、当前标幺值、当前线圈主要参数保存为设定值；若当前标幺值小于设定值，则进一步调节线圈主要参数，直至当前标幺值大于设定值；

s6，重复上述步骤s2到步骤s5，直到当前标幺值大于或等于设定值。

优选的一个实施例，线圈参数调节的先后顺序依次为：四个接收线圈的外径，四个接收线圈的内径和匝数，发射线圈的外径，发射线圈的内径、匝数和间距。

优选的一个实施例，，ε的值设定在0.90～0.99之间。

一种电动汽车动态无线充电系统拓扑结构，，它由一个大的发射线圈tx和四个小的接收线圈rx_1,rx_2,rx_3和rx_4组成；四个接收线圈的结构和大小都相同；rx_1和rx_3关于y轴对称，rx_2和rx_4关于y轴对称，rx_1和rx_2关于z轴对称，rx_1和rx_4关于z轴对称，四个接收线圈放置于同一个平面，接收线圈与发射线圈平行放置。

一种电动汽车动态无线充电系统拓扑结构的优选的实施例，所述发射线圈为圆形或矩形；所述接收线圈为圆形或矩形。

本发明具体原理如下：

（1）电动汽车动态无线充电系统拓扑结构

一种单发射对四接收线圈的电动汽车动态无线充电系统拓扑结构设计如附图1所示，它由一个大的圆形（或方形多匝线圈）发射线圈（tx）和四个小的圆形（或方形多匝线圈）接收线圈（rx_1,rx_2,rx_3和rx_4）组成。四个接收线圈的结构和大小都相同，rx_1和rx_3关于y轴对称，rx_2和rx_4也是关于y轴对称，rx_1和rx_2关于z轴对称，rx_1和rx_4也是关于z轴对称，四个接收线圈放置于同一个平面，接收线圈与发射线圈平行放置。o^’是接收线圈的中心，oi(i=1,2,3,4)分别是各个接收线圈的中心。δ1是rx_1的中心与z轴的水平垂直距离，δ2是rx_2的中心与z轴的水平垂直距离。a是发射线圈的半径，b是接收线圈的半径，d是接收线圈与发射线圈之间的距离，。

附图2显示了接收装置向y轴方向移动的示意图，δ是接收装置向右移动的水平距离。当δ<2b，δ越大时，δ1越小，此时rx_1或rx_3与tx圆心的水平偏移越小，它们之间的互感会变大；δ越大时，δ2越小，此时rx_2或rx_4与tx圆心的水平偏移越大，它们之间的互感会变小。

（2）单发射对四接收型的电动汽车动态无线充电系统拓扑结构的互感优化方法

附图3显示了两个线圈偏移时拓扑结构图，d是传输距离，a是loop_1的半径，b是loop_2的半径，δ是它们之间的偏移距离，μ0表示真空中的磁导率。

当两个线圈发生偏移时，它们之间的互感计算公式如下：

公式（1）：

式中j0，j1分别是零阶和一阶贝赛尔函数。

一种单发射对四接收线圈电动汽车静态无线供电系统拓扑结构的互感优化方法，该方法包括以下步骤：

s1，建立单发射对四接收线圈结构系统模型：由一个大的发射线圈和四个小的接收线圈构成，四个小的接收线圈放置于同一平面，接收线圈平行于发射线圈；四个接收线圈的结构和大小都相同；

s2，设置主要参数范围：设置铜线的半径；谐振频率；发射线圈的外径；发射线圈的内径；发射线圈的匝数；发射线圈之间的间距；接收线圈的外径；接收线圈的内径；接收线圈的匝数；接收线圈之间的间距；

s3，总互感计算：在不同线圈偏移下，根据单发射对单接收线圈的互感公式（1）计算每个接收线圈与发射线圈之间的互感值；

公式（1）为：

其中：j0，j1分别是零阶和一阶贝赛尔函数；

根据单发射对四接收线圈结构的总互感公式（2）求出总的互感值；

公式（2）为：m_n=m12+m13+m14+m15

当偏移距离发生变化时，m12，m13，m14，m15也会发生变化，一般来说，发射线圈与接收线圈偏移距离越大，它们之间的互感越小。

其中：n为偏移距离，单位为厘米；m12是发射线圈与第一个接收线圈之间的互感值；m13是发射线圈与第二个接收线圈之间的互感值；m14是发射线圈与第三个接收线圈之间的互感值；m15是发射线圈与第四个接收线圈之间的互感值；

s4，互感值标幺化：利用公式（3）对发射线圈与接收线圈之间总的互感值进行标幺化计算；

公式（3）为：ε=m_10/m_0

其中ε为当前标幺值；m_10是发射线圈与接收线圈偏移为10cm时的互感总值；m_0是发射线圈与接收线圈偏移为0cm时的互感总值；

s5，判断当前互感标幺化是否满足要求：将当前互感标幺值与设定值进行比较，如满足要求，保存当前互感值和主要参数；

s6，根据互感结果调节发射与接收线圈参数；

s7，重复上述步骤s2到步骤s5，直到总的互感达到最优值。

在此说明了此发明的优选实施例，包括发明人用于实施本发明的已知最佳模式。优选实施例的变更对本领域普通技术人员而言在阅读上述说明后是显而易见的。发明人希望普通技术人员合理应用这样的变更，并且发明人认为与在此明确说明不同的应用也可以实现本发明。因此，本发明包括随附权利要求中所引用的主旨的所有修改及等效形式，这在适用的法律中是允许的。此外，上述要素的所有可能的变更的任何组合也被本发明所包含，除非在此另外指出或者在上下文中明显矛盾。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

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，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。