[发明专利]带有移动式中间线圈的电动汽车无线充电磁耦合器及应用

权利要求书

1.一种带有移动式中间线圈的电动汽车无线充电磁耦合器，该电动汽车无线充电磁耦合器包括1号发射线圈、2号中间线圈和3号接收线圈；3号接收线圈平行铺设在绝缘且不导磁的3号平板支架(4)上；2号中间线圈铺设在绝缘且不导磁的2号平板(5)上，1号发射线圈铺设在绝缘且不导磁的1号平板(6)上，各线圈水平平行布置；所述磁耦合器的三个线圈只用多股电磁线，采用平面圆角矩形空心缠绕；中间没有任何导磁金属介质，完全依靠空气进行能量传递；其特征在于，3号接收线圈与2号中间线圈之间的平行距离大于2号中间线圈与1号发射线圈之间的平行距离；其中，3号平板支架(4)固定在电动汽车底架上；在1号平板(6)上铺设两根平行滑轨(7)和固定支座(8)，2号平板(5)底面卡在滑轨(7)上，带动2号中间线圈沿着滑轨移动；

所述磁耦合器的三个线圈的结构尺寸按照下面的公式确定，

(1)确定磁耦合器尺寸，首先需要确定的是线圈的边长，根据公式(1)：

l≤4d₁₃ (1)

其中，l为线圈边长，d₁₃为1号发射线圈与3号接收线圈之间的间距，根据实际需要，将d₁₃取为200mm，因而线圈边长需小于等于800mm，又因为线圈边长过小会导致磁耦合器耦合系数过小，从而导致效率过低，因而线圈边长最低应不小于600mm，故边长的取值范围为600～800mm之间；

(2)在确定好线圈边长之后，进而需要确定的是1号发射线圈与2号中间线圈间的间距d₁₂，此d₁₂间距应满足公式(2)：

在式(2)中，η系统效率的百分值，式中A_i和α_i在等距离增大d₁₂的情况下，通过对离散的η值进行拟合后得到；当规定0≤d₁₂≤100mm时，对公式(2)求最大值后可以得到，当d₁₂＝30mm时，系统效率达到最大，因而取d₁₂值为30mm。

2.一种权利要求1所述带有移动式中间线圈的电动汽车无线充电磁耦合器的设计方法，其特征在于，所述电动汽车无线充电磁耦合器的设计流程为：

(1)根据实际需要，设定磁耦合器所要达到的输出功率不小于3.3kW，效率不小于97％；

(2)由于所设计的磁耦合器不采用任何导磁金属介质，因此对于磁耦合器的设计主要集中在对于线圈匝数的设计上，在这一步需要设计线圈的匝数，并确定出线圈的排列及缠绕方式；

(3)在步骤(2)的基础上，搭建磁耦合器的3D仿真模型，并计算出磁耦合器各线圈自感及线圈间互感；

(4)将在步骤(3)中仿真得到的线圈自感及线圈间互感带入到三线圈磁耦合器输出功率和效率的计算公式中，计算得到磁耦合器的输出功率和效率值；三线圈磁耦合器输出功率P_out的计算公式为：

效率η的计算公式为：

其中，U_p为发射端高频电源电压值；Z_p为1号发射线圈的等效阻抗；Z_s为3号接收线圈的等效阻抗；Z_i为2号中间线圈的等效阻抗；M_ps为1号发射线圈和3号接收线圈间的互感；M_pi为1号发射线圈和2号中间线圈间的互感；M_is为2号中间线圈和3号接收线圈间的互感；R_eq为系统等效负载电阻；ω为系统角频率；

(5)判断在步骤(4)中计算得到的磁耦合器输出功率和效率是否满足步骤(1)中的要求；如果满足，则进行下一步，反之，则返回到步骤(3)重新设计；

(6)在完成步骤(5)后，制作磁耦合器样机。

3.一种权利要求1所述带有移动式中间线圈的电动汽车无线充电磁耦合器的应用，使用电动汽车无线充电磁耦合器的无线充电系统的结构包括三相不可控整流器、高频逆变器、磁耦合器、单相不可控整流器和电池负载；其无线充电系统结构由三相不可控整流器、高频逆变器、磁耦合器、单相不可控整流器和电池负载依次串联组成；其特征在于，1号发射线圈的引线在串联一个电容之后接到单相高频逆变器的输出端，3号接收线圈的引线在串联一个电容之后接到单相不可控整流器的输入端，2号中间线圈在串联一个电容后构成一个回路；三相不可控整流器输入端与电网连接；来自电网的三相工频交流电经过三相不可控整流及高频逆变环节后，变换为频率为85kHz的单相交流电；随后，高频的交流电经过磁耦合器，将电能从电网一侧转移到负载一侧；1号发射线圈、2号中间线圈、3号接收线圈相互耦合，2号中间线圈沿着滑轨移动起调节3号接收线圈的耦合强度的作用；最后，接收线圈中感应到的高频交流电经过单相不可控整流后变为直流电为电池负载供电。