一种可切换的具备互操作性的线圈结构及其应用方法

1.本发明涉及线圈结构技术领域，特别是一种可切换的具备互操作性的线圈结构及其应用方法。


背景技术：

2.随着5g时代的到来，互联网与智能设备的协同关系愈发变得紧密，各种新兴的能源被逐渐应用到公路交通领域中去，新能源汽车已越来越受到欢迎，也正在朝着道路智能化方向发展。其中电动汽车 作为一种新兴交通工具，可以通过电力提供动力，对能源消耗有着积极的影响。电动汽车发展至今已经形成了较为成熟的产业体系，自其出现以来，其充电的方式主要利用充电桩进行有线充电，尽管这种充电方式传递方式简单，传递效率高，但仍然存在较大的局限性，如在接触头处可能存在接触火花，传输线可能出现裸露等问题。由此，如何解决上述安全问题变成了电动汽车所研究的热点。
3.无线电能传输(wireless power transfer，wpt)技术，主要包含磁场耦合、电场耦合、无线电波等多种方式。因其克服传统有线供电方式容易产生电接触火花、老化磨损和便捷性差等缺点，具有可靠性高、灵活性好等优点。当前电动汽车多采用电磁谐振式耦合方式，主要是由于该耦合方式能满足远距离能量传输，但是其效率稍有不足。影响充电效率的因素有许多，其中最重要的因素之一便是无线电能传输系统的线圈部分，总体传输效率的高低很大程度上取决于耦合线圈自身。电动汽车无线能量传输的互操作性是指在满足电动汽车相关规范的前提下，不同的发射端设备和接收端设备在磁场的作用下能够达到较高的安全性和传输效率的特性。
4.为了保证电动汽车的良好发展环境，使线圈组合相互匹配，满足无线能量传输的要求，需要对发射线圈和接收线圈的形状和尺寸进行一定的限制，使不同的线圈组合能够满足互操作性的要求。耦合线圈的互操作性是指在不同的线圈组合下，包括不同的线圈形状和尺寸，系统可以实现高效率的传输。常见的线圈主要分为单极型、双极型和田字形线圈三类，其结构示意图分别对应图1中的(a)、(b)-(c)和(d)，其中双极型线圈又被分为纵向和横向双极型线圈，分别对应图1中的(b)和(c)，线圈内部的电流流向如图中箭头所指。其中单极型又被称为q形线圈，双极型线圈又被称为dd形线圈，四极型线圈又称为田字形线圈。
5.目前电动汽车厂商所采用的线圈结构种类繁多，即厂商与厂商之间没有一致的线圈结构，对于图1中的四种线圈结构，在正对时线圈耦合很小或相互解耦，致使能量的传递效率降低或无法传输能量。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结构可切换的具备互操作性的线圈结构及其应用方法，具备纵向与单极型、双极型和四极型线圈的互操作性与抗偏移特性，可兼容性强，适用范围广。
7.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种结构可切换的具备互操作性的
线圈结构，包括接线部、铁氧体以及多个独立电感；所述电感包括第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感、第七电感、第八电感、第九电感、第十电感、第十一电感以及第十二电感；所述第一电感、第二电感、第三电感以及第四电感之间头尾通过接线部连接，该接线部分别为第一接线部、第二接线部、第三接线部以及第四接线部；还包括第五接线部；所述第五电感以及第六电感的两端分别连接第一接线部以及第五接线部，所述第七电感以及第八电感的两端分别连接第三接线部以及第五接线部，所述第九电感以及第十一的两端分别连接第四接线部以及第五接线部，所述第十电感以及第十二电感的两端分别连接第二接线部以及第五接线部；所述接线部直接穿过铁氧体进行双面绕制。
8.在一较佳的实施例中，所述所述独立电感为单匝电感或多匝电感。
9.在一较佳的实施例中，所述接线部具体为接线端子。
10.在一较佳的实施例中，所述接线部具体为接线柱。
11.本专利涵盖单匝电感和多匝电感主要表现为：采用类似螺线管的双面绕制方式时，根据不同的电感值，需要对线圈进行单匝或多匝绕制。
12.本专利不仅可以通过接线的方式进行“单面绕制”，还可以对导线进行传统的双面绕制，本专利涵盖不同种类的接线方式，此处不进行一一描述，仅以两种常见接线方式进行阐述，即接线端子和接线柱：若接线端为接线端子时，导线可以与端子焊接在一起，并不限制导线的接口方式。通过焊接的方式可以将二者牢牢固定在一起，并且可以通过改变导线在两端子间的走线路径实现互操作性。
13.若接线端为接线柱时，导线可以与接线柱通过插拔方式连接在一起，对于导线的接口进行了限制，但在后期维护方面，仅需更换导线便可完成修护，灵活性较高。
14.本发明还提供了一种结构可切换的具备互操作性的线圈结构的应用方法，采用了所述的一种结构可切换的具备互操作性的线圈结构；将第五电感、第六电感、第七电感、第八电感、第九电感、第十电感、第十一电感以及第十二电感断开，同时导通第一电感、第二电感、第三电感以及第四电感，形成垂直向外和垂直向内磁场的单极型线圈结构；将第九电感、第十电感、第十一电感以及第十二电感断开，同时导通第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感、第七电感以及第八电感，形成纵向双极型线圈结构；将第五电感、第六电感、第七电感以及第八电感断开，同时导通第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第九电感、第十电感、第十一电感以及第十二电感，形成横向双极型线圈结构；将第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感、第七电感、第八电感、第九电感、第十电感、第十一电感以及第十二电感都导通，形成四极型线圈结构。
15.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明面向传统的单极型、双极型和四极型线圈，通过对同一平面内十二个电感进行分段控制，实现单极型、双极型和四极型线圈的切换，进一步实现在面对非对称形线圈结构时，能够实现纵向与横向偏移效果的一致性。该线圈绕制方式简易，易于大范围推广。具备纵向与单极型、双极型和四极型线圈的互操作性与抗偏移特性。既可以用作发射端线圈也可作为接收端线圈使用。可兼容性强，适用范围广。
附图说明
16.图1为现有技术常见线圈结构示意图，其中（a）为单极型线圈；（b）为纵向双极型线圈；（c）为横向双极型线圈；（d）为四极型线圈；图2为本发明优选实施例中实际应用电路原理图；图3为本发明优选实施例中可切换线圈结构示意图，其中（a）为结构一，（b）为结构二；图4为本发明优选实施例中单极型线圈结构示意图；图5为本发明优选实施例中双极型线圈结构示意图，其中（a）为纵向；（b）为横向；图6为本发明优选实施例中四极型结构示意图。
具体实施方式
17.下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
18.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
19.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式；如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
20.一种结构可切换的具备互操作性的线圈结构，参考图2至6，包括接线部、铁氧体以及多个独立电感；所述电感包括第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感、第七电感、第八电感、第九电感、第十电感、第十一电感以及第十二电感；所述第一电感、第二电感、第三电感以及第四电感之间头尾通过接线部连接，该接线部分别为第一接线部、第二接线部、第三接线部以及第四接线部；还包括第五接线部；所述第五电感以及第六电感的两端分别连接第一接线部以及第五接线部，所述第七电感以及第八电感的两端分别连接第三接线部以及第五接线部，所述第九电感以及第十一的两端分别连接第四接线部以及第五接线部，所述第十电感以及第十二电感的两端分别连接第二接线部以及第五接线部；所述接线部直接穿过铁氧体进行双面绕制。
21.本发明所提方案不限制整体尺寸，同时不限制线圈匝数、绕制方式以及绕线材质，即既可以采用利兹线绕制而成，也可以集成为平面pcb板形式。本发明所提线圈结构如图3所示，基于铁氧体可以隔绝磁通的原理，将导线连接接线部直接穿过铁氧体进行双面绕制，从而在铁氧体的一面形成如图3的(a)的线圈结构，可以划分为l
t1-4
、l
1-8
十二个独立电感。铁氧体背面的线圈走线种类繁多，均在本发明专利包含范围内，以图3的(b)所示为示例图，后续结构变换时不进行赘述。通过控制l
t1-4
、l
1-8
十二个独立电感的连接与否、电流流向可以形成单极型、双极型(纵向\横向)和四极型线圈结构，由此可以在同一平面上完成线圈的互操作性。
22.基于其自身接线部分为接线端子的优势，导线可以和端子牢牢焊接在一起，并通过改变导线在两端子间的走线路径实现互操作性。
23.基于其自身接线部分为接线柱的优势，不仅可以实现接线端子的优势，还可以通
过插拔的方式实现线圈的互操作性。在后期维护方面，仅需更换导线便可完成修护，灵活性较高。
24.如图3所示，导线端连接接线柱/接线端子后，采用单匝或多匝的连接方式，可以满足不同大小的电感需求。同时本专利还包含将接线柱/接线端子等效替代为“过孔”的情况，即可以采用类似“螺线管”的方式进行正反面绕制，在正面形成单极型、双极型和四极型线圈结构，进而实现互操作性。
25.一种结构可切换的具备互操作性的线圈结构的应用方法，采用了上述的一种结构可切换的具备互操作性的线圈结构；将第五电感、第六电感、第七电感、第八电感、第九电感、第十电感、第十一电感以及第十二电感断开，同时导通第一电感、第二电感、第三电感以及第四电感，形成如图4所示的垂直向外和垂直向内磁场的单极型线圈结构；将第九电感、第十电感、第十一电感以及第十二电感断开，同时导通第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感、第七电感以及第八电感，形成如图5的(a）所示的纵向双极型线圈结构；将第五电感、第六电感、第七电感以及第八电感断开，同时导通第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第九电感、第十电感、第十一电感以及第十二电感，形成如图5的(b）所示的横向双极型线圈结构；将第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感、第七电感、第八电感、第九电感、第十电感、第十一电感以及第十二电感都导通，形成如图6所示的四极型线圈结构。
26.如图2所示为包含本发明所提的实际应用电路，本发明所提内容不局限于s-s拓扑，此处仅以s-s拓扑为例进行描述。通过将l
t1-4
、l
1-8
十二个电感视为单个发射端线圈l
t
后，通过相应的补偿网络可以实现线圈的互操作性和抗偏移性。

技术特征：
1.一种可切换的具备互操作性的线圈结构，其特征在于包括接线部、铁氧体以及多个独立电感；所述电感包括第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感、第七电感、第八电感、第九电感、第十电感、第十一电感以及第十二电感；所述第一电感、第二电感、第三电感以及第四电感之间头尾通过接线部连接，该接线部分别为第一接线部、第二接线部、第三接线部以及第四接线部；还包括第五接线部；所述第五电感以及第六电感的两端分别连接第一接线部以及第五接线部，所述第七电感以及第八电感的两端分别连接第三接线部以及第五接线部，所述第九电感以及第十一的两端分别连接第四接线部以及第五接线部，所述第十电感以及第十二电感的两端分别连接第二接线部以及第五接线部；所述接线部直接穿过铁氧体进行双面绕制。2.根据权利要求1所述的一种可切换的具备互操作性的线圈结构，其特征在于自身具备互操作性的优势，所述独立电感为单匝电感或多匝电感。3.根据权利要求1所述的一种可切换的具备互操作性的线圈结构，所述接线部具体为接线端子。4.根据权利要求1所述的一种可切换的具备互操作性的线圈结构，所述接线部具体为接线柱。5.一种可切换的具备互操作性的线圈结构的应用方法，其特征在于，采用了上述权利要求1至4中任意一项所述的一种结构可切换的具备互操作性的线圈结构；将第五电感、第六电感、第七电感、第八电感、第九电感、第十电感、第十一电感以及第十二电感断开，同时导通第一电感、第二电感、第三电感以及第四电感，形成垂直向外和垂直向内磁场的单极型线圈结构；将第九电感、第十电感、第十一电感以及第十二电感断开，同时导通第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感、第七电感以及第八电感，形成纵向双极型线圈结构；将第五电感、第六电感、第七电感以及第八电感断开，同时导通第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第九电感、第十电感、第十一电感以及第十二电感，形成横向双极型线圈结构；将第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感、第七电感、第八电感、第九电感、第十电感、第十一电感以及第十二电感都导通，形成四极型线圈结构。

技术总结
本发明提供了一种可切换的具备互操作性的线圈结构及其应用方法，包括接线部、铁氧体以及多个独立电感；第一电感、第二电感、第三电感以及第四电感之间头尾通过接线连接，该接线部分别为第一接线部、第二接线部、第三接线部以及第四接线部；还包括第五接线部；第五电感以及第六电感的两端分别连接第一接线部以及第五接线部，第七电感以及第八电感的两端分别连接第三接线部以及第五接线部，第九电感以及第十一的两端分别连接第四接线部以及第五接线部，第十电感以及第十二电感的两端分别连接第二接线部以及第五接线部；本技术方案具备与单极型、双极型和四极型线圈的互操作性与抗偏移特性，可兼容性强，适用范围广。适用范围广。适用范围广。


技术研发人员：张艺明 刘超 周明珠 潘文斌 吴元超
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/9/11