[实用新型]一种用于电动汽车无线充电系统的新型磁耦合结构

说明书

技术领域

本实用新型涉及无线充电系统磁耦合结构的优化设计方法，特别是涉及到一种用于磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统的新型磁耦合结构。

背景技术

磁耦合谐振式无线电能传输技术自2007年被MIT科学家首次提出后，由于其在体内医疗植入设备、便携式移动设备、电动汽车无线充电等领域具有巨大的市场潜力，得到了迅速地发展。

近年来，越来越多的科研人员将研究目光集中在磁耦谐振式无线充电电动汽车上。而电动汽车因其固有的特性，使耦合谐振线圈必须具有较大的距离，这会导致线圈耦合系数较小，漏感较大。较小的耦合系数势必会限制传输效率，产生较大的磁场泄露，对周围空间环境会造成一定的电磁干扰。因此，在磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统中，磁耦合结构的优化设计就显得极为重要。

发明内容

本实用新型的发明目的：为了克服现有谐振线圈优的化方案不足，针对电动汽车无线充电系统谐振线圈耦合系数较小、磁场泄露较大的特点，本实用新型公开了一种用于电动汽车无线充电系统的新型磁耦合结构。

本实用新型的技术方案：用于电动汽车无线充电系统的新型磁耦合结构，其特征在于，所述电动汽车无线充电系统磁耦合结构包括发射线圈、接收线圈、铁氧体磁芯以及铝屏蔽层，车身底盘与地面距离固定为185mm；所述发射线圈和接收线圈均由利兹线绕制而成；所述优化目标为传输效率高于97％、磁芯重量低于1kg、磁场泄露低于ICNIRP最高标准；所述新型磁耦合结构的优化设计工具为有限元仿真软件ANSYS Maxwell；所述优化步骤为：

1)设定磁耦合结构的相关初始参数和设计约束条件；

2)基于初始单匝线圈线圈模型，以取得最大强耦合系数K_Q为优化目标，利用有限元仿真软件对收发线圈外半径r_out进行优化；

3)在找到最优外半径的基础上，同理对收发线圈内半径r_in进行优化；

4)对收发线圈厚度t_w进行优化；

5)以不降低K_Q且满足系统对磁芯重量的要求和尽量节省磁芯材料为目的，利用Maxwell 软件中的非线性顺序编程算法对铁氧体磁芯的相关参数进行优化；

6)判断优化后的铁氧体磁芯重量Z是否在限制范围内；

7)判断优化后的系统传输效率是否达到97％；

8)前面条件均满足后，通过公式(11)确定收发线圈匝数；

9)通过计算发射端电流I₁和接收电流I₂，使用有限元软件模拟磁场分布；

10)判断磁场泄露是否低于最高标准。

与现有的优化方案相比较，本实用新型公开的方案其突出优点在于：本方案综合了耦合结构优化设计的两个方面，一是线圈自身参数的设计，包括线圈的形状、匝数、半径、材料等；二是谐振磁链结构的设计，包括引入磁芯、铝屏蔽层等，提出了一套完整的磁耦合结构优化设计方案，该方案不仅可以提高系统耦合系数、降低磁场泄露，同时还在满足磁耦合结构重量限制的基础上增加系统对水平偏移的容忍性。

附图说明

图1为电动汽车磁耦合谐振式无线充电系统结构图；

图2为为电动汽车MCR-WPT系统等效电路模型；

图3为电动汽车无线充电系统磁耦合结构优化设计流程图；

图4为电动汽车无线充电系统磁耦合结构仿真初始设计模型；

图5为发射侧磁芯参数优化示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明提出的磁耦合结构优化设计方案做更进一步的解释。需要说明的是，本方案仅以1kw级高尔夫电动汽车无线充电系统为例，而并非限制了本优化方案的范围及其应用。

如图1所示，一种用于电动汽车无线充电系统的磁耦合结构优化方法中，电动汽车磁耦合谐振式无线充电系统包括激励电源、功率放大器、磁耦合机构、整流滤波稳压电路和蓄电池组成，其中灰色矩形示意磁场泄露。其中，功率放大器用于将激励电源提供的200V/50HZ 交流电转换成高频高压的交流电输送给磁耦合结构；而磁耦合结构一般包括励磁线圈、发射线圈、接收线圈、负载线圈以及磁屏蔽层，它的工作过程是励磁线圈首先通过电磁感应将电能传递到发射线圈上，然后收发线圈因谐振进行高效的能量交换，最后负载线圈再通过电磁感应获取接收线圈上的电能；此后，负载线圈上的电压经整理滤波稳压电路后输送给蓄电池，从而完成整个充电过程。