無線充電線圈的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種無線充電線圈，包括發(fā)射線圈及接收線圈，該發(fā)射線圈及該接收線圈的匝數(shù)相同，該發(fā)射線圈及該接收線圈在垂直于軸線方向的橫截面為尺寸相同的矩形，且該發(fā)射線圈及該接收線圈構(gòu)成的諧振拓?fù)渚哂邢嗤闹C振頻率，該發(fā)射線圈設(shè)于地面，該接收線圈設(shè)于汽車的底盤，該發(fā)射線圈與該接收線圈的軸線方向一致，且該接收線圈的軸線方向與該汽車的行駛方向一致。因此，本實(shí)用新型提供的無線充電線圈，通過設(shè)置兩個(gè)完全對(duì)稱的矩形線圈，并將兩個(gè)線圈分別安裝在地面及汽車底盤，使得兩個(gè)線圈的軸線方向與該汽車的行駛方向一致，從而減小了線圈的相對(duì)位移變化對(duì)線圈耦合系數(shù)的影響，提高了系統(tǒng)的充電效率。
【專利說明】
無線充電線圈
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及無線充電領(lǐng)域，尤其涉及一種無線充電線圈。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，家用汽車也從以前的奢侈品變成了百姓生活的必需品，但 是隨著石油燃料的枯竭和國家對(duì)未來低碳汽車的政策扶持，尤其目前電動(dòng)汽車作為未來替 換石油汽車的唯一選擇，發(fā)展電動(dòng)汽車是必然趨勢。而充電技術(shù)作為電動(dòng)汽車的核心配套 行業(yè)，它的技術(shù)預(yù)研對(duì)未來人們的生活、出行和工作也具有相當(dāng)?shù)挠绊懀虼嗽陔妱?dòng)汽車領(lǐng) 域需要一種安全可靠，占地資源小，能長久給予電動(dòng)汽車能量的技術(shù)。
[0003] 無線充電技術(shù)作為一個(gè)更方便、安全、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、占用空間資源小的電能供 給技術(shù)，是大力發(fā)展純電動(dòng)汽車之后的必經(jīng)之路。無線充電又被稱為無線電能傳輸技術(shù) (Wireless Power Transfer，WPT)，已經(jīng)熟練的應(yīng)用在電子產(chǎn)品中。目前的無線充電技術(shù)主 要以磁場共振式為主，采用了具有強(qiáng)耦合能力的兩個(gè)線圈通，并過加入合適的諧振補(bǔ)償電 容，以達(dá)到發(fā)射線圈（原邊)與接受線圈（副邊)諧振的目的。根據(jù)這一補(bǔ)償電容與線圈連接 關(guān)系，無線充電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為串-串、串-并、并-串及并-并四種拓?fù)?，主要是指原?線圈與副邊線圈的諧振拓?fù)洹?br>[0004] 然而，現(xiàn)有技術(shù)中無線充電系統(tǒng)由于電動(dòng)汽車底盤的高低不同及停車時(shí)車個(gè)人技 術(shù)的差異，導(dǎo)致發(fā)射線圈與車低的垂直距離和發(fā)射線圈與車的水平相對(duì)位移變化較大，使 得充電系統(tǒng)的充電效率隨著線圈位移的變化較大，降低了系統(tǒng)的充電效率與充電功率。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種無線充電線圈，解決了現(xiàn)有技術(shù)中無線充電系統(tǒng)效 率低的問題。
[0006] 本實(shí)用新型提供的無線充電線圈包括發(fā)射線圈及接收線圈，該發(fā)射線圈及該接收 線圈的匝數(shù)相同，該發(fā)射線圈及該接收線圈在垂直軸線方向的橫截面為尺寸相同的矩形， 且該發(fā)射線圈及該接收線圈構(gòu)成的諧振拓?fù)渚哂邢嗤闹C振頻率，該發(fā)射線圈設(shè)于地面， 該接收線圈設(shè)于汽車的底盤，該發(fā)射線圈與該接收線圈的軸線方向一致，且該接收線圈的 軸線方向與該汽車的行駛方向一致。
[0007] 綜上，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的無線充電線圈，通過設(shè)置兩個(gè)完全對(duì)稱的矩形線 圈，并將兩個(gè)線圈分別安裝在地面及汽車底盤，使得兩個(gè)線圈的軸線方向與該汽車的行駛 方向一致，從而減小了線圈相對(duì)位移變化對(duì)線圈耦合系數(shù)的影響，提高了系統(tǒng)的充電效率 與充電功率。
【附圖說明】
[0008] 圖1為無線充電系統(tǒng)的串-串拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的等效變壓器模型圖；
[0009] 圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的無線充電線圈的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010] 圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的無線充電線圈的耦合系數(shù)與線圈在Y方向的相對(duì) 位移的關(guān)系的仿真結(jié)果；
[0011] 圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的無線充電線圈的耦合系數(shù)與線圈在X方向的相對(duì) 位移的關(guān)系的仿真結(jié)果；
[0012] 圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的無線充電線圈的充電效率與線圈在Y方向的相對(duì) 位移的關(guān)系的仿真結(jié)果；
[0013] 圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的無線充電線圈的充電效率與線圈在X方向的相對(duì) 位移的關(guān)系的仿真結(jié)果。
[0014] 附圖標(biāo)記說明：
[0015] 100-發(fā)射線圈，200-接收線圈。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合本實(shí)用新型中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整 的描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本實(shí)用新型的一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例?；诒?實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有 其他實(shí)施例，都應(yīng)屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0017] 應(yīng)理解，無線充電技術(shù)主要原理是具有強(qiáng)耦合能力的兩個(gè)線圈通過加入合適的諧 振補(bǔ)償電容，以達(dá)到發(fā)射線圈（原邊)與接受線圈（副邊)諧振的目的，其電能發(fā)射線圈與電 能的接受線圈構(gòu)成的諧振拓?fù)渚哂邢嗤闹C振頻率。圖1所示為無線充電系統(tǒng)的串-串拓?fù)?結(jié)構(gòu)的等效變壓器模型圖。如圖1所示，Cp、Lp分別是發(fā)射線圈的諧振電容及電感，Cs、Ls分 別是接收線圈的諧振電容及電感，M是發(fā)射線圈Lp和接收線圈Ls的互感系數(shù)。電源為AC輸 入，L 1為原邊線圈的漏感，Lm是發(fā)射線圈自感與接收線圈自感的互感，L2為接收線圈的漏感。 電阻R 1是發(fā)射線圈的內(nèi)阻，R2是接收線圈Ls的內(nèi)阻，Rl為負(fù)載，w為角頻率。則：
[0018] 發(fā)射線圈的阻抗&為：
[0019]
[0020]
[0021]
[0022]
[0023]
[0024]
[0025]
[0026]
[0027]
[0028] 其中，h、I2為發(fā)射線圈及接收線圈的輸入電流，Uin為發(fā)射線圈的輸入電壓值。 [0029]由上述方程式可知：
[0030]
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]
[0035]
[0036]
[0037]
[0038]
[0039]
[0040]
[0041]
[0042] 由上式可知當(dāng)電路發(fā)生諧振并且負(fù)載與線圈一定的情況下電路的傳輸效率只與 線圈的互感有關(guān)，互感越大傳輸效率越高。因此，需要找出在線圈面積和線圈間距一定的情 況下耦合系數(shù)較大的線圈模型。本實(shí)用新型以純電動(dòng)公交汽車為目標(biāo)設(shè)計(jì)了雙框?qū)ΨQ的高 耦合系數(shù)耦合線圈。
[0043] 圖2所示為本實(shí)用新型提供的無線充電線圈結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，該無線充電 線圈包括:發(fā)射線圈100及接收線圈200,發(fā)射線圈100及接收線圈200的匝數(shù)相同，發(fā)射線圈 100及接收線圈200在垂直軸線方向的橫截面為尺寸相同的矩形，且發(fā)射線圈100及接收線 圈200構(gòu)成的諧振拓?fù)渚哂邢嗤闹C振頻率，發(fā)射線圈100設(shè)于地面，接收線圈200設(shè)于汽車 的底盤，發(fā)射線圈100與接收線圈200的軸線方向一致，且接收線圈200的軸線方向與汽車的 行駛方向一致。
[0044] 具體的，在實(shí)際應(yīng)用中，首先可以制作兩個(gè)完全對(duì)稱的矩形線圈，然后可以將發(fā)射 線圈100即發(fā)射線圈安裝在地面，接收線圈200即接收線圈安裝在汽車的底盤，且使得兩個(gè) 線圈的軸線方向與汽車的行駛方向一致。在實(shí)際操作中。當(dāng)發(fā)射線圈100的交流輸入電壓通 電后，由于發(fā)射線圈100及接收線圈200具有相同的諧振頻率，可以使得發(fā)射線圈100與接收 線圈200之間發(fā)生諧振，并產(chǎn)生由上到下的閉合磁力線，從而在接收線圈200內(nèi)產(chǎn)生電壓。 [00 45] 可選的，為了便于理解和說明，本實(shí)用新型采用直徑80cm圓形線圈，并使用Ansys/ Maxwell有限元分析軟件設(shè)置線間距、導(dǎo)線直徑、線圈距離等參數(shù)，對(duì)本實(shí)用新型提供的線 圈模型進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)耦合線圈垂直距離為15cm時(shí)，其耦合系數(shù)為29.5%。
[0046]進(jìn)一步的，本實(shí)用新型在汽車底盤與地面距離確定時(shí)線圈之間產(chǎn)生的相對(duì)位移來 源于X方向位移與Y方向位移。應(yīng)理解，該Y方向?yàn)閮蓚€(gè)線圈的軸線方向，該X方向?yàn)槠叫杏诘?面，且垂直兩個(gè)線圈的軸線的方向。由于停車位置的差異，發(fā)射線圈與接收端線圈不能完整 無誤的對(duì)準(zhǔn)，因此在實(shí)際中發(fā)射端線圈與接收端線圈會(huì)產(chǎn)生相對(duì)的位移，此時(shí)耦合線圈的 耦合系數(shù)將隨著相對(duì)位移的作用而發(fā)生變化。圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的無線充電線 圈的耦合系數(shù)與線圈在Y方向的相對(duì)位移的關(guān)系的仿真結(jié)果，圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例提供 的無線充電線圈的耦合系數(shù)與線圈在X方向的相對(duì)位移的關(guān)系的仿真結(jié)果。由圖3及圖4可 知，其仿真結(jié)果為無偏移時(shí)有最大親合系數(shù)29.5%，當(dāng)偏移15cm時(shí)X方向的親合系數(shù)減小至 13%，而Y方向上的耦合系數(shù)僅減少至20%。
[0047] 進(jìn)一步的，圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的無線充電線圈的充電效率與線圈在Y方 向的相對(duì)位移的關(guān)系的仿真結(jié)果，圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的無線充電線圈的充電效 率與線圈在X方向的相對(duì)位移的關(guān)系的仿真結(jié)果。由圖5及圖6可知，相應(yīng)的，線圈在X方向上 的相對(duì)位移對(duì)充電效率的影響較大，而線圈在Y方向上的相對(duì)位移對(duì)充電效率的影響較小。
[0048] 因此，在諧振式無線充電系統(tǒng)中，系統(tǒng)傳輸效率與傳輸功率主要的影響因數(shù)為線 圈的耦合系數(shù)。由于停車時(shí)產(chǎn)生耦合線圈之間的相對(duì)位移主要來自Y方向，而Y方向的線圈 耦合系數(shù)受到的線圈相對(duì)位移影響較小，因此在實(shí)際應(yīng)用中具有較好的使用價(jià)值。
[0049] 綜上所述，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的無線充電線圈，通過設(shè)置兩個(gè)完全對(duì)稱的矩 形線圈，并將兩個(gè)線圈分別安裝在地面及汽車底盤，使得兩個(gè)線圈的軸線方向與該汽車的 行駛方向一致，從而減小了線圈相對(duì)位移的變化對(duì)線圈耦合系數(shù)的影響，提高了系統(tǒng)的充 電效率與充電功率。
[0050] 以上公開的僅為本實(shí)用新型的幾個(gè)具體實(shí)施例，但是，本實(shí)用新型實(shí)施例并非局 限于此，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員能思之的變化都應(yīng)落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種無線充電線圈，其特征在于，包括:發(fā)射線圈（100)及接收線圈（200)，所述發(fā)射 線圈（100)及所述接收線圈（200)的匝數(shù)相同，所述發(fā)射線圈（100)及所述接收線圈（200)在 垂直于軸線方向的橫截面為尺寸相同的矩形，且所述發(fā)射線圈（100)及所述接收線圈（200) 構(gòu)成的諧振拓?fù)渚哂邢嗤闹C振頻率，所述發(fā)射線圈（100)設(shè)于地面，所述接收線圈（200) 設(shè)于汽車的底盤，所述發(fā)射線圈（100)與所述接收線圈（200)的軸線方向一致，且所述接收 線圈（200)的軸線方向與所述汽車的行駛方向一致。
【文檔編號(hào)】H02J7/00GK205670723SQ201620545053
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年6月7日
【發(fā)明人】付永升, 雷鳴, 雷志勇, 李靜, 李翰山, 劉星, 王澤民, 高俊釵, 閆克丁, 劉敏
【申請人】西安工業(yè)大學(xué)