[发明专利]一种阵列式无线电能传输发射线圈、设计方法及应用

说明书

本发明属于无线电能传输设备技术领域，公开了一种阵列式无线电能传输发射线圈、设计方法及应用。通过Maxwell计算出发射线圈在偏移过程中出现互感为零的距离；根据计算的距离设计出两线圈的重叠部分距离。本发明双线圈模型在重叠距离为62mm时，线圈间互感为零。根据此计算结果，设计2×2阵列线圈模型，并进一步设计出3×3阵列发射线圈模型。解决了现有技术多线圈的排布方式、连接方式以及切换控制策略尚未解决的关键技术问题。解决了现有技术减小阵列式发射线圈发射单元间的互耦，以及解决了实阵列式无线电能传输的关键问题。

技术领域

本发明属于无线电能传输设备技术领域，尤其涉及一种阵列式无线电能传输发射线圈、设计方法及应用。

背景技术

目前，磁耦合结构是实现无线电能传输必不可少的核心部件，其设计决定了系统的能量传输等级、传输效率以及抗偏移能力的强弱。磁耦合结构通常由高磁导率元件以及高电导率元件组成。其中高磁导率元件是磁场能的载体，用于归拢发射端与接收端之间的磁力线，提升耦合性能，同时降低磁场引起的涡流损耗；高电导率元件是电能的载体，通常用高频利兹线绕制线圈以减弱趋肤效应和临近效应。磁耦合结构的性能直接决定了系统的功率传输能力以及传输效率，同时还决定了系统的体积、总质量、功率密度、成本和磁场辐射等因素，进而影响无线电能传输系统的实用性、安全性。根据无线电能传输系统的接收端移动状态，可分为静态无线充电、动态无线充电。

(1)静态无线充电磁耦合机构

根据发射线圈的个数可分为双线圈、多线圈无线电能传输系统。常用的单发射线圈结构主要为圆形线圈和方形线圈，而方形线圈在一般情况下的抗偏移能力比圆形线圈更有优势。相比方形线圈，圆形线圈的耦合系数随偏移量的增加而减小较快。圆形线圈有效磁通路径仅为直径的四分之一，且圆形线圈的偏移量为其直径的38％，磁耦合结构的磁耦合系数约为零，且圆形线圈的耦合系数对偏移量的增加而减小较快。为提高能量传输距离，需要增加原边线圈的直径，此举将增加系统成本、质量以及损耗，同时减小了系统的功率密度。在此基础上，奥克兰大学的研究团队提出了DD线圈，其有效磁通路径为其线圈直径的二分之一，因此DD线圈相比于圆形线圈具有较大的耦合系数。但是当无线电能传输系统原副边均采用DD线圈，当X轴上偏移量为线圈长度的34％时，副边线圈的磁通为零，此时成为感应盲点。由此John教授提出一种DDQ的线圈，在DD线圈的基础上增加正交方形线圈，但是此举会增加制造成本，同时对补偿电路的数量要求也会增加。而BBP线圈具有DDQ线圈的消除感应盲点、耦合系数较高以及抗偏移的优点，同时相比于DDQ线圈减小了约25.17％的利兹线用量，减少了制造成本。对于多发射多接收系统是对传统单发射单接收系统的延伸，它能提供更大的充电平面，为更多的负载进行供电。但是对于每一个负载状态变化都会影响系统的工作性能。因此存在不同负载间的功率分配以及效率优化问题需要解决以及负载间的解耦控制问题，消除多负载间的相互干扰，使得每个负载都能稳定工作。对于多负载的无线电能传输系统可通过扩展电抗补偿法，消除接收线圈间的交叉耦合的影响，并通过提高接收器数量提高传输效率。对于多发射无线电能传输系统其发射端由多个发射线圈组合排布形成发射表面，进而实现对发射表面任意位置的负载进行无线电能传输。但是对于多发射型无线电能按传输系统，需要设计发射线圈的机构以及排布方式进而在发射表面形成均匀磁场，同时需要考虑发射线圈单元间的连接方式以及切换控制策略进而实现对于线圈的独立控制。

(2)动态无线充电磁耦合机构