本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种重叠式无线充电线圈及电能传输系统。
背景技术
无线能量传输技术是一种新兴技术，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。与传导式能量传输技术相比，无线能量传输技术具有工作便捷、安全性高、节省空间等优点。无线能量传输技术应用于电动汽车领域可部分解决车载电池容量过大，成本过高等问题，可有力推动电动汽车的普及。通过在地下铺设发射端线圈，电动汽车底盘装配接收端线圈，驾驶员仅需将汽车停到充电位置即可进行充电。
目前，通过一对耦合线圈实现的磁耦合式电能传输技术是一种主流的无线电能传输方案，广泛应用于电动汽车领域。但发射端线圈与接收端线圈间隙较大，耦合系数较低，为了提高能量传输效率，需要提高两侧线圈间的耦合系数。线圈形状和大小直接影响了线圈间的耦合系数，目前常用的线圈结构有圆形线圈、双联型矩形线圈和螺线管型线圈等，其漏感较大，耦合系数较低，因而能量传输效率较低。此外，在电动汽车停车充电的过程中，安装在汽车底盘上的接收端线圈与地面上的发射端线圈不容易严格对正，位置误差的发生会导致能量传输功率和效率的严重下降。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种重叠式无线充电线圈及电能传输系统，将两个双联型线圈以一定角度交叉重叠且以串联的方式连接构成发射端线圈和接收端线圈，能提高发射端线圈和接收端线圈间的耦合系数，同时当发射端线圈和接收端线圈没有准确对正时，使用该方案能获得较高的耦合系数和能量传输功效。
技术实现要素：
为实现上述目的，根据本发明的一方面，提供了一种重叠式无线充电线圈，包括发射端、接收端，所述发射端包括发射端磁屏蔽层、发射端导磁层、发射端线圈第一层、发射端支撑层、发射端线圈第二层；所述接收端包括接收端线圈第二层、接收端支撑层、接收端线圈第一层、接收端导磁层、接收端磁屏蔽层。
进一步地，所述发射端导磁层固定在所述发射端磁屏蔽层的上表面；所述发射端线圈第一层与所述发射端线圈第二层固定在所述发射端支撑层上；所述发射端线圈第一层和所述发射端线圈第二层以串联的方式连接构成发射端线圈；所述接收端线圈第二层与所述接收端线圈第一层固定在所述接收端支撑层上；所述接收端线圈第二层和所述接收端线圈第一层以串联的方式连接构成接收端线圈；所述接收端导磁层固定在所述接收端磁屏蔽层的下表面。
进一步地，所述发射端支撑层外廓范围不小于所述发射端线圈第一层与所述发射端线圈第二层的外廓包络范围；所述接收端支撑层外廓范围不小于所述接收端线圈第一层与所述接收端线圈第二层的外廓包络范围。
进一步地，所述发射端线圈第一层、所述发射端线圈第二层、所述接收端线圈第一层和所述接收端线圈第二层都按8字形缠绕形成双联型结构；所述发射端线圈第一层与所述发射端线圈第二层呈90°交叉放置，所述90°是指所述发射端线圈第一层的长边与所述发射端线圈第二层的长边垂直；所述接收端线圈第一层与所述接收端线圈第二层呈90°交叉放置，所述90°是指所述接收端线圈第一层的长边与所述接收端线圈第二层的长边垂直。
进一步地，所述发射端线圈第一层与所述发射端线圈第二层的几何中心在同一竖直线上；所述接收端线圈第一层与所述接收端线圈第二层的几何中心在同一竖直线上；所述发射端线圈第一层的长边与所述接收端线圈第一层的长边平行放置；所述发射端线圈第二层的长边与所述接收端线圈第二层的长边平行放置。
进一步地，所述发射端线圈的几何中心与所述接收端线圈的几何中心在同一竖直线上；所述发射端线圈第一层的长边方向、所述发射端线圈第二层的长边方向、所述接收端线圈第一层的长边方向、所述接收端线圈第二层的长边方向都与x轴、y轴呈45°放置，所述x轴和y轴是指以期望获得较高位置对正容错度的两个互相垂直且平行于所述发射端线圈的方向。
进一步地，所述发射端导磁层和所述接收端导磁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；所述发射端磁屏蔽层和所述接收端磁屏蔽层由铝板制成。
进一步地，所述发射端导磁层和所述接收端导磁层的功率铁氧体呈网格状排列，构成所述发射端导磁层的功率铁氧体网格的横向和纵向分别与所述发射端线圈第一层的长边方向、所述发射端线圈第二层的长边方向平行；构成所述接收端导磁层的功率铁氧体网格的横向和纵向分别与所述接收端线圈第一层的长边方向、所述接收端线圈第二层的长边方向平行；构成所述发射端导磁层的功率铁氧体与构成所述接收端导磁层的功率铁氧体沿横向和纵向等间距排列。
根据本发明的另一方面，还提供了一种包括如上所述重叠式无线充电线圈的电能传输系统，包括发射端电路和接收端电路；所述发射端电路包括直流电源、高频逆变电路、发射端补偿电路、发射端线圈；所述接收端电路包括接收端线圈、接收端补偿电路、整流滤波电路和负载。
进一步地，所述发射端补偿电路和所述接收端补偿电路都由补偿电感和补偿电容连接组成。
本发明提供了一种重叠式无线充电线圈及其电能传输系统，从三个方面提升能量传输功率和效率：一是发射端线圈和接收端线圈的绕线方式，有效提高发射端线圈和接收端线圈间的耦合系数；二是呈网格状的功率铁氧体排列方式，对发射端线圈和接收端线圈所产生的磁场起引导作用，也增强了发射端线圈和接收端线圈的耦合程度；三是较优的装配位置关系，可降低两个主要方向上的对正位置误差对传输功率和效率的影响。并且绕线方式有效利用竖直方向空间，具有较小的水平占用面积。由铝板制成的发射端磁屏蔽层和接收端磁屏蔽层可有效屏蔽磁场辐射，降低高频磁场对外界的有害影响。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明提供的重叠式无线充电线圈一个较佳实施例的立体结构示意图；
图2是本发明提供的重叠式无线充电线圈的电能传输系统一个较佳实施例的示意图；
图3是本发明提供的重叠式无线充电线圈一个较佳实施例的发射端线圈的绕线方式和电流流向示意图；
图4是本发明提供的重叠式无线充电线圈一个较佳实施例的发射端导磁层的功率铁氧体网格排列示意图；
图5是本发明提供的重叠式无线充电线圈一个较佳实施例的接收端线圈的绕线方式和电流流向示意图；
图6是本发明提供的重叠式无线充电线圈一个较佳实施例的接收端导磁层的功率铁氧体网格排列示意图；
其中，1-发射端磁屏蔽层，2-发射端导磁层，3-发射端线圈第一层，4-发射端支撑层，5-发射端线圈第二层，6-接收端线圈第二层，7-接收端支撑层，8-接收端线圈第一层，9-接收端导磁层，10-接收端磁屏蔽层，101-直流电源，102-高频逆变电路，103-发射端补偿电路，104-发射端线圈，105-接收端线圈，106-接收端补偿电路，107-整流滤波电路，108-负载。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
实施例1
图1是本发明提供的重叠式无线充电线圈一个较佳实施例的立体结构示意图，如图1所示，本发明提供的一种重叠式无线充电线圈的较佳实施例，包括发射端、接收端，其中发射端由下至上依次为发射端磁屏蔽层1、发射端导磁层2、发射端线圈第一层3、发射端支撑层4、发射端线圈第二层5共五层结构；接收端由下至上依次为接收端线圈第二层6、接收端支撑层7、接收端线圈第一层8、接收端导磁层9、接收端磁屏蔽层10共五层结构。
发射端支撑层4和接收端支撑层7采用非导磁材料。发射端线圈第一层3紧密固定在发射端支撑层4的下表面，发射端线圈第二层5紧密固定在发射端支撑层4的上表面。接收端线圈第一层8紧密固定在接收端支撑层7的上表面，接收端线圈第二层6紧密固定在接收端支撑层7的下表面。发射端支撑层4的外廓范围不小于发射端线圈第一层3与发射端线圈第二层5的外廓包络范围；接收端支撑层7的外廓范围不小于接收端线圈第一层8与接收端线圈第二层6的外廓包络范围。
图2是本发明提供的重叠式无线充电线圈的电能传输系统一个较佳实施例的示意图，图3是本发明提供的重叠式无线充电线圈一个较佳实施例的发射端线圈的绕线方式和电流流向示意图，图5是发明提供的重叠式无线充电线圈一个较佳实施例的接收端线圈的绕线方式和电流流向示意图，如图1、图2、图3和图5所示，发射端线圈第一层3和发射端线圈第二层5以串联的方式连接构成发射端线圈104，接收端线圈第一层8和接收端线圈第二层6以串联的方式连接构成接收端线圈105。其中，发射端线圈第一层3、发射端线圈第二层5、接收端线圈第一层8、接收端线圈第二层6都按8字形缠绕形成双联型结构。发射端线圈第一层3、发射端线圈第二层5具有相同的绕线匝数和相同的绕线范围，接收端线圈第一层8、接收端线圈第二层6具有相同的绕线匝数和相同的绕线范围。发射端线圈第一层3、发射端线圈第二层5呈90°交叉放置，接收端线圈第一层8、接收端线圈第二层6呈90°交叉放置，所述90°是指一端线圈第一层的长边与同端线圈第二层的长边垂直。发射端线圈第一层3与发射端线圈第二层5的几何中心在同一竖直线上；接收端线圈第一层8与接收端线圈第二层6的几何中心在同一竖直线上。
发射端线圈第一层3的长边与接收端线圈第一层8的长边平行放置；发射端线圈第二层5的长边与接收端线圈第二层6的长边平行放置。发射端线圈104的几何中心与接收端线圈105的几何中心在同一竖直线上放置。在电动汽车无线充电系统的应用场景下，以汽车前进的方向为y轴，垂直于前进的方向为x轴，发射端线圈第一层3的长边方向、发射端线圈第二层5的长边方向、接收端线圈第一层8的长边方向、接收端线圈第二层6的长边方向都与x轴、y轴呈45°放置。
图4是本发明提供的重叠式无线充电线圈一个较佳实施例的发射端导磁层的功率铁氧体网格排列示意图，图6是本发明提供的重叠式无线充电线圈一个较佳实施例的接收端导磁层的功率铁氧体网格排列示意图，如图1、图4和图6所示，发射端导磁层2紧密固定在发射端磁屏蔽层1的上表面；接收端导磁层9紧密固定在接收端磁屏蔽层10的下表面。发射端导磁层2和接收端导磁层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。构成发射端导磁层2和接收端导磁层9的功率铁氧体都呈网格状排列；如图4所示，构成发射端导磁层2的功率铁氧体网格的横向和纵向分别与发射端线圈第一层3的长边方向、发射端线圈第二层5的长边方向平行；如图6所示，构成接收端导磁层9的功率铁氧体网格的横向和纵向分别与接收端线圈第一层8的长边方向、接收端线圈第二层6的长边方向平行。构成发射端导磁层2的功率铁氧体与构成接收端导磁层9的功率铁氧体沿横向和纵向等间距排列。
发射端磁屏蔽层1和接收端磁屏蔽层10都由铝板制成。发射端磁屏蔽层1的外廓范围不小于发射端线圈104、发射端支撑层4、发射端导磁层2的外廓包络范围；接收端磁屏蔽层10外廓范围不小于接收端线圈105、接收端支撑层7、接收端导磁层9的外廓包络范围。
实施例2
图2是本发明提供的重叠式无线充电线圈的电能传输系统一个较佳实施例的示意图，如图2所示，本发明提供了一种重叠式无线充电线圈的电能传输系统一个较佳实施例，包括发射端电路和接收端电路，发射端线圈104和接收端线圈105发生磁耦合进行能量无线传输。发射端电路包括直流电源101、高频逆变电路102、发射端补偿电路103、发射端线圈104；接收端电路包括接收端线圈105、接收端补偿电路106、整流滤波电路107和负载108；发射端补偿电路103和接收端补偿电路106都由补偿电感和补偿电容连接组成。其中直流电源101为无线充电系统提供稳定的电能，高频逆变电路102将直流电转化为高频交流电，高频交流电进入发射端补偿电路103与发射端线圈104组成的回路，在发射端线圈104中激发产生高频交变磁场，接收端线圈105与发射端线圈104发生磁耦合效应产生感应电流，感应电流流经接收端补偿电路106后由整流滤波电路107转化为直流电，直接向负载108供电。
本发明公开的重叠式无线充电线圈及其电能传输系统，与现有的无线电能传输技术相比，具有以下优势：1)将两个双联型线圈以一定角度交叉重叠且以串联的方式连接构成发射端线圈和接收端线圈，可有效提高发射端线圈和接收端线圈间的耦合系数，同时提出的呈网格状的功率铁氧体排列方式，对发射端线圈和接收端线圈所产生的磁场起引导作用，也可增强发射端线圈和接收端线圈的耦合程度，进而提高了能量传输功率和效率；2)较优的装配位置关系，可降低两个主要方向上的对正位置误差对传输功率和效率的影响，同时可有效利用竖直方向空间，具有较小的水平占用面积；3)由铝板制成的发射端磁屏蔽层和接收端磁屏蔽层可有效屏蔽磁场辐射，降低高频磁场对外界的有害影响。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。