一种3d+q型的无线能量发射线圈及参数设计方法
技术领域
1.本技术涉及电动汽车无线充电技术领域，尤其涉及一种3d+q型的无线能量发射线圈及参数设计方法。
背景技术：2.电动汽车无线充电(electric vehicle wireless power transfer，ev-wpt)一般采用磁耦合式无线充电技术(magnetic coupled wireless power transfer，mc-wpt)，在ev-wpt系统中存在着横向偏移(lateral misalignment，ltm)时导致输出功率下降的问题。
3.为解决这个问题，常见的方法有三种：一是采用双发射双拾取的系统，二是采用反向绕组的方式，三是将lcc-lcc结构中原、副边的补偿电感集成在功率线圈中作为能量通道。双发射双拾取的结构增加了系统的复杂性；反向绕组的方式不仅降低了原系统的输出功率，还使得耦合机构更加复杂，增加了的工艺难度；将补偿电感集成在功率线圈中作为能量通道的方法也增加耦合机构的复杂性，还会带来电磁辐射的问题。
技术实现要素：4.有鉴于此，本技术首先提供一种3d+q型的无线能量发射线圈，以提升电动汽车无线充电系统的横向抗偏移能力。
5.具体而言，本发明所采用的技术方案如下：
6.一种3d+q型的无线能量发射线圈，其关键在于，包括3d线圈和与所述3d线圈串联的q型线圈，所述3d线圈包括位于中间的内部线圈和位于同一平面且在所述内部线圈两侧分布的两个外部线圈，所述内部线圈与两侧的外部线圈反向连接，所述q型线圈设于所述3d线圈的下方且与所述内部线圈极性相反。
7.可选地，所述内部线圈与两侧的外部线圈匝数不同。
8.可选地，所述内部线圈与两侧的外部线圈均为矩形线圈，所述q型线圈也为矩形线圈且与所述3d线圈的外轮廓尺寸相同。
9.可选地，所述q型线圈的下方铺设有磁芯。
10.可选地，所述3d线圈和所述q型线圈均为单层线圈。
11.可选地，所述3d线圈和所述q型线圈采用单根利兹线绕制而成。
12.可选地，两个外部线圈在所述内部线圈的两侧对称设置。
13.此外，本发明还提出了一种如前文所述3d+q型的无线能量发射线圈的参数设计方法，其关键在于，包括以下步骤：
14.s1：根据应用场景确认工作频率f0且根据拾取线圈的参数确定q型线圈的尺寸、匝数以及原系统互感m
tqr
；
15.s2：将3d线圈设计与q型线圈等宽，并分为内部线圈和外部线圈；
16.s3：遍历内部线圈匝数与宽度，得出外部线圈的匝数和宽度以及3d线圈与拾取线圈之间的互感m
tdr
；
17.s4：计算等效互感m
ter
＝m
tqr
+m
tdr
，并判断是否在运行偏移范围内保持稳定，如果是则结束，否则返回s3重新计算。
18.可选地，采用maxwell工具确定3d型线圈的匝数和宽度分配关系。
19.本发明的显著效果是：
20.本技术提供的一种3d+q型的无线能量发射线圈及参数设计方法，大大地增加了系统的横向抗偏移能力。
附图说明
21.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
22.图1为3d型线圈的结构示意图；
23.图2为采用本发明提及的3d+q型的无线能量发射线圈构成的耦合机构结构示意图；
24.图3为带有3d+q型无线能量发射线圈的ev-wpt系统电路原理图；
25.图4为图3的等效电路模型图；
26.图5为本发明的参数设计流程图；
27.图6为互感曲线仿真图；
28.图7为发射线圈和拾取线圈正对情况下逆变器输出信号的仿真波形；
29.图8为发射线圈和拾取线圈偏移125mm情况下逆变器输出信号的仿真波形；
30.图9为两种耦合机构不同偏移情况下输出功率对比。
具体实施方式
31.下面以具体地实施例对本技术的技术方案以及本技术的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本技术的实施例进行描述。
32.以电动汽车无线充电系统为例，在电动汽车无线充电使用过程中，往往由于车辆停靠位置不准导致发射线圈和拾取线圈的偏移，从而影响无线充电的传输效率。因此，本实施例提供了一种3d+q型的无线能量发射线圈，具体如图1和图2所示，可以看出：
33.本实施例提供的一种3d+q型的无线能量发射线圈，包括3d线圈和与所述3d线圈串联的q型线圈，所述3d线圈包括位于中间的内部线圈和位于同一平面且在所述内部线圈两侧分布的两个外部线圈，所述内部线圈与两侧的外部线圈反向连接，所述q型线圈设于所述3d线圈的下方且与所述内部线圈极性相反。
34.从图1和图2可以看出，内部线圈与两侧的外部线圈均为矩形线圈，且两个外部线圈在内部线圈的两侧对称设置，q型线圈也为矩形线圈且与所述3d线圈的外轮廓尺寸相同，在q型线圈的下方铺设有磁芯，对应的能量拾取线圈也设置为矩形，能量拾取线圈的上方也设置有磁芯。
35.利用本发明提出的3d+q型的无线能量发射线圈构成无线充电系统，其电路图如图3所示，可以看出，3d线圈的等效自感l
td
和q型线圈的等效自感l
tq
串联在一起共同作为发射线圈，因此发射线圈的等效电感l
te
可以表示为：
36.l
te
＝l
td
+l
tq
+2m
tdtq
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
37.且有2个互感影响功率传输，即m
tqr
和m
tdr
；因此系统可以等效为图4所示。
38.可以看出，发射线圈l
te
和拾取线圈lr之间的互感会影响功率传输。
39.在基波下，逆变器的电压相位表示为：
[0040][0041]
一次侧的谐振关系表示为：
[0042][0043][0044]
整流桥的等效电阻可以表示为：
[0045][0046]
通过对图4中的模型应用基尔霍夫定律，可以很容易地得到以下公式：
[0047]
其中：
[0048][0049]
将(3)和(4)带入(6)中，得出逆变器和发射线圈的电流：
[0050][0051]
类似地，对于拾取端，输出电流和线圈电流为：
[0052][0053]
进而，输出功率可以表示为：
[0054][0055]
根据(9)和(10)，当确定系统参数时，系统的输出电流和输出功率由等效互感确定。为了提高ltm抗偏移性，需要合理设计耦合器，以确保等效互感保持准恒定。
[0056]
具体实施时，3d线圈和所述q型线圈均为单层线圈，可以直接采用单根利兹线绕制而成，内部线圈与两侧的外部线圈匝数不同。
[0057]
考虑到ev-wpt的应用，在设计耦合机构时的工作频率为f＝85khz，拾取线圈和发射线圈之间的气隙为20cm。带有3d+q型的无线能量发射线圈所组成的耦合机构如图2所示，铁氧体板与线圈的长度和宽度一致，厚度为10mm。拾取线圈的匝数为8，尺寸选择为360mm*360mm*6.32m。对于发射线圈而言，q型线圈的匝数为7，尺寸设计为550mm*550mm*6.32mm。(fea)工具
–
maxwell用于确定3d型线圈的匝数和宽度，3d型线圈的设计流程如图5所示。
[0058]
一种3d+q型的无线能量发射线圈的参数设计方法，包括以下步骤：
[0059]
s1：根据应用场景确认工作频率f0且根据拾取线圈的参数确定q型线圈的尺寸、匝数以及原系统互感m
tqr
；
[0060]
s2：将3d线圈设计与q型线圈等宽，并分为内部线圈和外部线圈；
[0061]
s3：遍历内部线圈匝数与宽度，得出外部线圈的匝数和宽度以及3d线圈与拾取线圈之间的互感m
tdr
；
[0062]
s4：计算等效互感m
ter
＝m
tqr
+m
tdr
，并判断是否在运行偏移范围内保持稳定，如果是则结束，否则返回s3重新计算。
[0063]
按照上述方法，设计得出3d+q型无线能量发射线圈及其构成的耦合机构相关参数如表1所示：
[0064]
表1:线圈参数设计值
[0065][0066]
此外，图6显示了互感与错位的关系。在225mm的ltm内，等效互感仍然接近于对准时的互感。将设计结果带入到matlab simulink中进行仿真验证，其参数如表2所示，仿真结果如图7和图8所示。
[0067]
表2:系统参数配置
[0068][0069]
通过图7和图8可以看出，无论是在发射线圈和拾取线圈正对情况下，还是在发射线圈和拾取线圈偏离125mm的情况下，系统的输出电压和输出电流都相对比较稳定，具有一定的抗偏移能力。
[0070]
图9给出了不同情况下ltm的仿真输出功率。其中传统系统耦合机构采用普通的d型发射线圈和d型拾取线圈构成，可以看出，随着ltm的增加，传统系统的输出功率明显下降，在225mm的ltm下只有1.2kw。然而，采用本发明提出的3d+q(简称tdq)无线能量发射线圈构成的无线充电系统，输出功率可以保持在6.7kw-8.7kw之间。而最大的ltm是225mm，是拾取线圈尺寸的62.5％。ltm百分比被定义为拾取线圈宽度的百分比。而在ltm范围内的输出功率甚至高于对中时的输出功率，这是由于在ltm范围内比在对中时更高。因此，该tdq线圈具有良好的ltm容忍特性。此外，由于tdq线圈是横向对称的，该系统在+x和-x方向都有ltm容忍度。
[0071]
综上可以看出，本发明提出的一种3d+q型的无线能量发射线圈及参数设计方法，
大大地增加了系统的横向抗偏移能力，实现了最大的横向抗偏移范围225mm，偏移距离可以达到拾取线圈尺寸的62.5％。
[0072]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本技术的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。
[0073]
应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求书来限制。
技术特征：1.一种3d+q型的无线能量发射线圈，其特征在于，包括3d线圈和与所述3d线圈串联的q型线圈，所述3d线圈包括位于中间的内部线圈和位于同一平面且在所述内部线圈两侧分布的两个外部线圈，所述内部线圈与两侧的外部线圈反向连接，所述q型线圈设于所述3d线圈的下方且与所述内部线圈极性相反。2.根据权利要求1所述的3d+q型的无线能量发射线圈，其特征在于，所述内部线圈与两侧的外部线圈匝数不同。3.根据权利要求1所述的3d+q型的无线能量发射线圈，其特征在于，所述内部线圈与两侧的外部线圈均为矩形线圈，所述q型线圈也为矩形线圈且与所述3d线圈的外轮廓尺寸相同。4.根据权利要求1-3任一所述的3d+q型的无线能量发射线圈，其特征在于，所述q型线圈的下方铺设有磁芯。5.根据权利要求1-3任一所述的3d+q型的无线能量发射线圈，其特征在于，所述3d线圈和所述q型线圈均为单层线圈。6.根据权利要求5所述的3d+q型的无线能量发射线圈，其特征在于，所述3d线圈和所述q型线圈采用单根利兹线绕制而成。7.根据权利要求1所述的3d+q型的无线能量发射线圈，其特征在于，两个外部线圈在所述内部线圈的两侧对称设置。8.一种如权利要求1-7任一所述3d+q型的无线能量发射线圈的参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：根据应用场景确认工作频率f0且根据拾取线圈的参数确定q型线圈的尺寸、匝数以及原系统互感m
tqr
；s2：将3d线圈设计与q型线圈等宽，并分为内部线圈和外部线圈；s3：遍历内部线圈匝数与宽度，得出外部线圈的匝数和宽度以及3d线圈与拾取线圈之间的互感m
tdr
；s4：计算等效互感m
ter
＝m
tqr
+m
tdr
，并判断是否在运行偏移范围内保持稳定，如果是则结束，否则返回s3重新计算。9.根据权利要求8所述3d+q型的无线能量发射线圈的参数设计方法，其特征在于：采用maxwell工具确定3d型线圈的匝数和宽度分配关系。
技术总结本申请提供一种3D+Q型的无线能量发射线圈及参数设计方法，线圈结构中包括3D线圈和与所述3D线圈串联的Q型线圈，所述3D线圈包括位于中间的内部线圈和位于同一平面且在所述内部线圈两侧分布的两个外部线圈，所述内部线圈与两侧的外部线圈反向连接，所述Q型线圈设于所述3D线圈的下方且与所述内部线圈极性相反。其效果是：大大地增加了系统的横向抗偏移能力。力。力。
技术研发人员：龚文兰 邓志鹏 苏玉刚 肖静 吴晓锐 唐春森 韩帅 吴宁 莫宇鸿 陈绍南 陈卫东 郭敏 郭小璇 张龙飞 王智慧 李小飞
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2022.07.21
技术公布日：2022/11/1
