1.本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种全方向无线电能接收线圈及电动汽车无线充电系统。
背景技术：2.无线电能传输(wireless power transfer,wpt)通过磁场、电场、激光及微波等媒介，实现电能的非电气接触传输。该技术可以有效地解决传统有线取电方式引起的设备灵活性受限和安全隐患的问题。目前，在电动汽车、消费电子产品、家用电器等应用领域，国内外的专家学者对该技术已展开了研究并获得了较多的理论成果。
3.一般的磁耦合wpt系统耦合机构的发射线圈与接收线圈之间具有一定的方向性，当接收线圈进行任意旋转时存在能量接收死区，无法产生感应电压，这对于一些空间姿态不确定或随机变化的用电设备来说，其能量传输的稳定性极差，效率也会降低，急需技术改进。
4.现有技术中，中国专利201410304686.3公开了一种无线电能传输系统多自由度电能拾取机构，通过改变拾取机构的线圈分布形式和绕线方式，实现无线能量传输系统中的能量多自由度拾取；此外，中国专利201810168201.0也公开了基于三维偶极线圈的wpt系统及其参数设计方法，在拾取机构任意旋转的情况下，输出的功率和效率都比较稳定，实现了功率20w，效率70％的能量输出。
5.虽然现有技术能够实现多个自由度甚至全方向的无线电能接收，但是其耦合机构都是采用立体式结构设计，接收线圈占用的空间仍然较大。
技术实现要素：6.有鉴于此，本发明首先提出一种全方向无线电能接收线圈，通过采用扁平化的结构设计，使其能够节约耦合机构所需的立体空间，在保证全方向能量传输的前提下使得耦合机构的传输距离、传输功率、传输效率和传输稳定性有所提升。
7.为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
8.一种全方向无线电能接收线圈，其关键在于，包括“口”字形磁芯，在所述“口”字形磁芯四个边的磁芯结构上分别绕制有螺旋线圈，其中：上下相对的两个螺旋线圈绕向相反且相互串联作为第一绕组，左右相对的两个螺旋线圈绕向相反且相互串联作为第二绕组，沿着所述“口”字形磁芯的外围还密集绕制有平面线圈作为第三绕组。
9.可选地，所述第三绕组的高度与所述“口”字形磁芯的高度齐平。
10.可选地，所述“口”字形磁芯外轮廓呈正方形，且中间预留有正方形的空心区。
11.可选地，所述“口”字形磁芯每条边的宽度相同，且在每个边上绕制的螺旋线圈匝数相同。
12.可选地，所述“口”字形磁芯水平布置，在所述“口”字形磁芯的上方设置有屏蔽板。
13.可选地，所述第一绕组、所述第二绕组和所述第三绕组分别连接有补偿电容和整
流滤波电路。
14.可选地，三个整流滤波电路的输出端并联为负载供电。
15.可选地，三个整流滤波电路的输出端串联为负载供电。
16.基于上述全方向无线电能接收线圈，本发明还提出一种电动汽车无线充电系统，其关键在于：在电动汽车上采用了前文所述的全方向无线电能接收线圈。
17.可选地，在电动汽车无线充电系统中，发射端的发射线圈采用正方形平面密绕线圈。
18.本发明的效果是：
19.本发明提出的一种全方向无线电能接收线圈及电动汽车无线充电系统，结构趋于扁平化，体积大幅减小，同时耦合机构不仅具备全方向功率输出，而且比之现有的同类型耦合机构在性能上有所提升，耦合机构的互感更高，抗偏转性能和抗偏移性能更强。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
21.图1为本发明具体实施例中提供的全方向无线电能接收线圈结构示意图；
22.图2为本发明具体实施例中“口”字形磁芯的结构示意图；
23.图3为具体实施例中电动汽车无线充电系统耦合机构模型图；
24.图4为具体实施例中电动汽车无线充电系统电路原理图；
25.图5为对比实验中十字型磁芯耦合机构结构示意图；
26.图6为对比实验中单接收线圈耦合机构结构示意图；
27.图7为三种耦合机构的等效互感与旋转角度的关系曲线；
28.图8为三种耦合机构的等效互感与x方向平移距离的关系曲线。
29.附图标记：1
‑“
口”字形磁芯，2-第一绕组，3-第二绕组，4-第三绕组，5-屏蔽板。
具体实施方式
30.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
31.需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
32.如图1所示，本实施例提供一种全方向无线电能接收线圈，包括“口”字形磁芯1，在所述“口”字形磁芯1四个边的磁芯结构上分别绕制有螺旋线圈，其中：上下相对的两个螺旋线圈绕向相反且相互串联作为第一绕组2，左右相对的两个螺旋线圈绕向相反且相互串联作为第二绕组3，沿着所述“口”字形磁芯1的外围还密集绕制有平面线圈作为第三绕组4，具体实施是，“口”字形磁芯1水平布置，在“口”字形磁芯1的上方设置有屏蔽板5。
33.具体实施时，选择锰锌铁氧体中应用最为广泛的pc40作为耦合接收机构的磁芯材料，结合图2可以看出，“口”字形磁芯外轮廓呈正方形，且中间预留有正方形的空心区，d1和d2表示磁芯的边形成的两个正方形的边长，分别称之为外边长和和内边长，两个正方形的
中心点相同，并以内外边长之差的二分之一作为磁芯的有效宽度，简称宽度，四条边的宽度相等，为了实现对称化设计，在每个边上绕制的螺旋线圈匝数也相同，为了不增加接收机构的厚度，第三绕组的高度与所述“口”字形磁芯的高度齐平。
34.结合具体应用场景，所述第一绕组、所述第二绕组和所述第三绕组分别连接有补偿电容和整流滤波电路，三个整流滤波电路的输出端可以并联为负载供电，也可以串联为负载供电。
35.对于线圈整流之后串联的方式，由于线圈线经过整流电路，因此无需考虑每组线圈感应电动势的正负方向，不存在电压抵消的问题，总输出电压：
36.u
out
＝|u
s1
|+|u
s2
|+|u
s3
|
37.每一组线圈的感应电动势都对输出电压有增益作用，此时耦合机构的等效互感m
eq
正好为各接收线圈互感的绝对值之和，不过该方式由于电流需要经过三个整流桥，在实际的低功率电路当中会产生一个较为明显的整流压降，输出电压会稍有降低。
38.对于线圈整流之后并联的方式，由于整流桥的作用，使得线圈之间的输出电压无法相互影响，给到负载的输出电压就是三组线圈中感应电动势的值最大的一个，即：
39.u
out
＝max{u
s1
，u
s2
，u
s3
}
40.同时，这种方式由于每次电流只流过一个整流桥和线圈，整流压降和线圈损耗都较小，不过，缺点就是统同一时刻只有一个线圈能作为输出，另外两个线圈的都被闲置，输出功率与线圈整流之后串联的方式相对较小。
41.基于上述全方向无线电能接收线圈，本实施例还提出了一种电动汽车无线充电系统，结合图3和图4可以看出，在电动汽车上采用了前文所述的全方向无线电能接收线圈，且发射端的发射线圈采用正方形平面密绕线圈，图4中，发射端还设置有直流电源u
dc
，q1～q4构成的全桥逆变电路以及原边谐振电容c
p
，其中原边谐振电容c
p
与发射线圈l
p
构成串联谐振回路，i
dc
为输入电流，l
s1
、l
s2
、l
s3
对应为三个绕组构成的能量接收线圈，r
s1
、r
s2
、r
s3
对应为各个接收线圈的内阻，i
s1
、i
s2
、i
s3
为是三个接收线圈电流，bridge1、bridge2、bridge3为三个整流桥，u
out
和i
out
分别为整流桥并联之后的输出电压和输出电流，cf为直流滤波电容，r
l
为负载电阻。
42.由于第一绕组和第二绕组相互垂直分布，通过仿真验证得出二者之间互感为零，同时第一绕组和第二绕组分别是由两个对称设置的反向线圈串联而成，因此针对第三绕组而言，其互感也几乎为零，使得本系统中，4个线圈之间的有效互感只考虑图4所示的m1、m2、m3，即发射线圈与三个绕组之间的互感。
43.为了进一步验证本发明的效果，下面通过设计对比实验进行仿真分析，对比过程中，将本发明提出的图3所示的全方位无线电能接收线圈构成的d字型耦合机构于图5所示的十字型耦合机构和图6所示的单接收线圈耦合机构进行对比。
44.三种耦合机构仿真模型的发射机构完全相同，发射线圈外边长为15cm，内边长10cm，即绕线宽度2.5cm，厚度2mm，匝数设置为20匝。d字型磁芯耦合机构与十字型磁芯耦合机构的最外圈接收线圈与单接收线圈耦合机构的接收线圈尺寸一样，外边长为8cm，内边长为6.2cm，前两种耦合机构的最外圈接收线圈匝数均为10匝，单接收线圈耦合机构的接收线圈匝数为11匝。d字型磁芯耦合机构与十字型磁芯耦合机构的另外两组接收线圈匝数相同，均为16匝。d字型磁芯的外边长为6cm，内边长为3cm，宽度为1.5cm。十字型磁芯也是一个对
称结构，两种磁芯的平面面积相等，因此当两种磁芯的厚度相同时，体积也相等，厚度设为5mm。
45.仿真时，耦合机构的输出方式是三个接收线圈是整流之后串联输出，其等效互感m
eq
为每个接收线圈与发射线圈之间的互感之和。对于同样是三线圈结构的十字型磁芯耦合机构，其等效互感与本发明设计的d字型磁芯耦合机构互感计算方法相同，而单接收线圈耦合机构的等效互感则直接取发射线圈与接收线圈互感的绝对值。令仿真模型发射线圈的电流为2a，频率为150khz，接收机构位于发射线圈正上方5cm。
46.首先对三种耦合机构的接收机构进行旋转仿真，令接收机构绕x轴定点旋转，等效互感与旋转角度的关系曲线如图7所示。由于三种耦合机构都是对称的，因此接收机构绕x轴旋转和绕y轴的旋转时，其结果是相同的。从图7可以看出，无论接收机构处于什么旋转角度，d字型磁芯耦合机构和十字型磁芯耦合机构的等效电感始终不为零，而单接收线圈耦合机构在旋转时等效电感波动较大且在旋转角为90
°
和270
°
时降为零，由此可以验证d字型磁芯耦合机构和十字型磁芯耦合机构能够全方向无线传输电能，而单接收线圈耦合机构不具备这种性能。同时，当处于同样的旋转角时，d字型磁芯耦合机构的等效互感始终比十字型磁芯耦合机构更大，说明本发明提出的d字型磁芯耦合机构的抗偏转性能更好。
47.此外，由于三种耦合机构都是关于x轴和y轴对称的，因此接收机构向x轴负方向和y轴的正负方向平移时，其仿真结果是相同的。从图8可以看出，在接收机构平移的过程中，具备全方向电能无线传输能力的耦合机构的等效互感值有一个先上升然后下降的过程，单接收线圈耦合机构的等效互感则是直接下降且衰减速度更快，说明全方向耦合机构对系统的抗偏移性能有所增强，能够增大无线电能传输系统的有效充电区域。而d字型磁芯耦合机构虽然与十字型磁芯耦合机构的等效互感变化趋势一致，但是d字型磁芯耦合机构的等效互感始终比十字型磁芯耦合机构更大，说明d字型磁芯耦合机构的抗偏移性能要更好些。
48.从图7和图8的分析结果可知，d字型磁芯耦合机构不仅能够实现全方向无线电能传输，而且在一定空间范围内，当发射条件一样，各接收线圈的匝数等也相同时，无论是平移还是旋转，d字型磁芯接收机构的等效互感始终比十字型磁芯接收机构要高。此外，在接收线圈匝数相同时，由于d字型磁芯接收机构有两组线圈的绕线截面比十字型磁芯接收机构更小，只有其一半，所以线圈用线量更少。因此，可以认为本文设计的耦合机构不仅可全方向输出功率，而且各方面性能都优于已有的十字型磁芯耦合机构。因此，利用本发明提出的全方向无线电能接收线圈构成耦合机构，能够很好的用于电动车无线充电系统中，解决电动车充电位置偏移所引起的功率下降问题。
49.最后需要说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，这样的变换均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
技术特征：1.一种全方向无线电能接收线圈，其特征在于，包括“口”字形磁芯，在所述“口”字形磁芯四个边的磁芯结构上分别绕制有螺旋线圈，其中：上下相对的两个螺旋线圈绕向相反且相互串联作为第一绕组，左右相对的两个螺旋线圈绕向相反且相互串联作为第二绕组，沿着所述“口”字形磁芯的外围还密集绕制有平面线圈作为第三绕组。2.根据权利要求1所述的全方向无线电能接收线圈，其特征在于，所述第三绕组的高度与所述“口”字形磁芯的高度齐平。3.根据权利要求1或2所述的全方向无线电能接收线圈，其特征在于，所述“口”字形磁芯外轮廓呈正方形，且中间预留有正方形的空心区。4.根据权利要求3所述的全方向无线电能接收线圈，其特征在于，所述“口”字形磁芯每条边的宽度相同，且在每个边上绕制的螺旋线圈匝数相同。5.根据权利要求3所述的全方向无线电能接收线圈，其特征在于，所述“口”字形磁芯水平布置，在所述“口”字形磁芯的上方设置有屏蔽板。6.根据权利要求3所述的全方向无线电能接收线圈，其特征在于，所述第一绕组、所述第二绕组和所述第三绕组分别连接有补偿电容和整流滤波电路。7.根据权利要求6所述的全方向无线电能接收线圈，其特征在于，三个整流滤波电路的输出端并联为负载供电。8.根据权利要求6所述的全方向无线电能接收线圈，其特征在于，三个整流滤波电路的输出端串联为负载供电。9.一种电动汽车无线充电系统，其特征在于：在电动汽车上采用权利要求1-8任一所述的全方向无线电能接收线圈。10.根据权利要求9所述的电动汽车无线充电系统，其特征在于：发射端的发射线圈采用正方形平面密绕线圈。
技术总结本发明提供一种全方向无线电能接收线圈及电动汽车无线充电系统，其中，全方向无线电能接收线圈包括“口”字形磁芯，在“口”字形磁芯四个边的磁芯结构上分别绕制有螺旋线圈，其中：上下相对的两个螺旋线圈绕向相反且相互串联作为第一绕组，左右相对的两个螺旋线圈绕向相反且相互串联作为第二绕组，沿着所述“口”字形磁芯的外围还密集绕制有平面线圈作为第三绕组。其效果是：结构趋于扁平化，体积大幅减小，同时耦合机构不仅具备全方向功率输出，而且比之现有的同类型耦合机构在性能上有所提升，耦合机构的互感更高，抗偏转性能和抗偏移性能更强。性能更强。性能更强。
技术研发人员：肖静 孙跃 唐春森 吴宁 莫宇鸿 龚文兰 吴晓锐 韩帅 陈绍南 陈卫东 郭敏 郭小璇 王智慧 左志平 李小飞 潘佳佳
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2022.07.18
技术公布日：2022/11/1
