动态无线供电系统分布磁芯交叠过渡式模块化发射导轨

1.本发明属于无线电能传输技术领域，特别是涉及动态无线供电系统分布磁芯交叠过渡式模块化发射导轨。


背景技术：

2.动态无线供电技术可以在电动汽车行驶过程中实时补充电能，因而可以增加续航里程，减少动力电池的配比，克服传统有线充电方式带来的弊端，具有重要的研究价值。目前正朝着大功率、远距离、长里程的方向不断发展。国内外对动态无线供电技术的研究主要围绕长导轨式和多线圈排布式磁耦合机构展开，就其本身的结构及特性、磁芯配置方式、耦合性能特点、横向偏移能力、谐振补偿拓扑、动态切换方法、行进过程中功率波动等问题进行了研究，取得了一系列成果。此外，一些动态无线供电项目已经开发出成套系统，建立了多条动态无线供电试验线，逐步投入实际运行当中，使得动态无线供电技术改变传统有线充电方式真正成为可能。
3.动态无线供电技术的工作原理是将发射导轨埋于路面下方，通以高频电流激励在空间中产生磁场，行驶中的车辆利用安装在底盘下方的接收线圈在磁场中感生电势，通过整流变换后适配负载供能。随着动态无线供电系统的功率等级提升和铺设距离拓展，其发射导轨的模块化趋势显著。发射导轨模块的结构设计、重量降低、成本节约，对动态无线供电技术具有重要的研究意义与实用价值。
4.传统的动态无线供电系统耦合机构及发射导轨模块如图1所示。其发射端磁芯呈连续排布形式，覆盖整段导轨，显著增加了导轨的重量和成本。此外，由于多个发射导轨模块在车辆行进方向上阵列排布，当接收端行驶在相邻两发射导轨的过渡区间时，由于耦合程度的降低存在互感的大范围波动，导致接收电压和传输功率不稳定，甚至存在功率零点，产生供电盲区。除此之外，多个发射导轨模块级联时，其谐振电压也成倍叠加，提高了对绝缘等级的要求，存在安全隐患。
5.综上可知，如何改进发射导轨模块的结构设计，降低重量和成本，提升拓展性，减少过渡区间输出功率波动，降低谐振电压应力提升安全性，是发射导轨模块化研究的关键问题。


技术实现要素：

6.本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了动态无线供电系统分布磁芯交叠过渡式模块化发射导轨。
7.本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出动态无线供电系统分布磁芯交叠过渡式模块化发射导轨，所述模块化发射导轨包括一号发射导轨1、二号发射导轨4、两相邻发射导轨的交叠过渡区域7和接收端8；所述一号发射导轨1包括一号发射导轨的线圈2和一号发射导轨的分布式磁芯3；所述二号发射导轨4包括二号发射导轨的线圈5和二号发射导轨的分布式磁芯6；所述接收端8包括接收端磁芯9和接收端线圈10；
8.发射导轨通以高频激励电流在空间中产生高频交变磁场，接收端8正对发射导轨并沿发射导轨中轴线运动，在磁场中感生交变电动势，实现能量的非接触传输；根据接收端8位置选择性开通对应的发射导轨，保证接收端8运动过程中获得持续的能量供给。
9.进一步地，定义磁芯相对用量k，用来表示采用分段方案后的磁芯用量与原连续方案磁芯用量之比；k的取值范围为0《k《1。
10.进一步地，两相邻发射导轨的交叠过渡区域7采用线圈的交叠式设计。
11.进一步地，单个发射导轨模块的线圈绕制方式中包括进线端、出线端、回线端1、回线端2共计4个端口。
12.进一步地，多段发射导轨进行模块化拓展时，每个模块的出线端口串联谐振电容进行分布式补偿。
13.本发明的有益效果为：
14.1、发射导轨采用分布式磁芯设计，在保证磁耦合特性的同时，降低了发射导轨的重量和成本。
15.2、相邻两个发射导轨模块过渡区域采用交叠式设计，减小接收端动态移动经过过渡区域时产生的电压跌落，提升传输功率的稳定性。
16.3、发射导轨采用模块化设计思想，有利于里程拓展和安装维护。
17.4、每个发射导轨模块分别配备谐振电容进行分布式补偿，减小了出线端的电压应力，提升了发射导轨的安全性和可靠性。
附图说明
18.图1为传统的动态无线供电系统耦合机构图，其中(a)为耦合机构，(b)为发射导轨模块。
19.图2为动态无线供电系统分布磁芯交叠过渡式模块化发射导轨图。
20.图3为单个发射导轨模块图，其中(a)为正视图，(b)为俯视图。
21.图4为相邻两段发射导轨过渡区间结构形式图，其中(a)为立体图，(b)为正视图，(c)为俯视图。
22.图5为单个发射导轨模块的线圈绕制方式示意图。
23.图6为多发射导轨模块化拓展线圈连接方式示意图。
24.图7为磁芯相对用量不同的发射导轨结构示意图，其中(a)k＝1，(b)k＝0.8，(c)k＝0.5，(d)k＝0.2。
25.图8为磁芯相对用量对互感、耦合系数、磁芯重量的影响规律示意图；其中(a)为磁芯相对用量与互感的变化规律，(b)为磁芯相对用量与耦合系数的变化规律，(c)为磁芯相对用量与磁芯重量的变化规律。
26.图9为磁芯相对用量k＝0.5时设计结果示意图，其中(a)为磁耦合机构尺寸，(b)为发射导轨磁芯尺寸。
27.图10为两相邻发射导轨间的交叠式设计示意图，其中(a)为正视图，(b)为俯视图。
28.图11为接收端相对发射导轨位置示意图，其中(a)为接收端位于-1m处，(b)为接收端位于0m处。
29.图12为过渡区间不同接收端位置下互感变化曲线图，其中(a)为发射导轨与接收
端互感曲线，(b)为两相邻发射导轨交叉耦合互感曲线。
30.图13为五段发射导轨模块化拓展图，其中(a)为结构图，(b)为线圈绕制图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.结合图1-图13，本发明提出的动态无线供电系统分布磁芯交叠过渡式模块化发射导轨如图2所示。其中1为一号发射导轨，2为一号发射导轨的线圈，3为一号发射导轨的分布式磁芯，4为二号发射导轨，5为二号发射导轨的线圈，6为二号发射导轨的分布式磁芯，7为两相邻发射导轨的交叠过渡区域，8为接收端，9为接收端磁芯，10为接收端线圈。
33.发射导轨通以高频激励电流在空间中产生高频交变磁场，接收端正对发射导轨并沿发射导轨中轴线运动，在磁场中感生交变电动势，实现能量的非接触传输。根据接收端位置选择性开通对应的发射导轨，保证接收端运动过程中获得持续的能量供给。
34.单个发射导轨模块如图3所示。与传统发射端相比，通过采用分布式磁芯设计，在保证磁耦合特性基本不变的前提下，显著降低了发射导轨的重量和成本。
35.相邻两段发射导轨过渡区间的结构形式如图4所示。通过采用线圈的交叠式设计，保证两发射导轨交叉耦合没有显著提升的前提下，减小过渡区域内发射导轨与接收端之间的互感波动，抑制接收端动态移动过程中的电压跌落，提升传输功率的稳定性。
36.单个发射导轨模块的多匝线圈(以3匝为例)绕制方式如图5所示。每个模块包括进线端、出线端、回线端1、回线端2共计4个端口。多段发射导轨进行模块化拓展时，线圈连接方式如图6所示，每个模块的出线端口串联谐振电容进行补偿。可见采用图5的线圈绕制方式，方便多个相同模块的连接与拓展。且采用分布式补偿设计，减小了出线端的电压应力，提升了发射导轨的安全性和可靠性。
37.定义磁芯相对用量k，用来表示采用分段方案后的磁芯用量与原连续方案磁芯用量之比，k的取值范围为0《k《1。对相同长度的发射导轨而言，k取不同值时，发射导轨结构如图7所示。
38.通过仿真作出磁芯相对用量k与发射导轨和接收端间互感、耦合系数、发射导轨磁芯重量的变化关系如图8所示，可以发现当磁芯相对用量k≥0.5时，互感值提升缓慢，耦合系数基本不变，因此可将k设定为0.5，此时相对连续磁芯方案互感仅下降了10％，而磁芯重量下降了50％。
39.取磁芯相对用量k＝0.5，设计出磁耦合机构尺寸及发射导轨磁芯尺寸如图9所示。两相邻发射导轨间的交叠式设计如图10所示。
40.在接收端位于过渡区间-1m～0m范围内(如图11)，仿真得到发射导轨与接收端互感、两相邻发射导轨交叉耦合互感分别如图12所示。可见采用发射导轨交叠式设计，保证交叉耦合互感很小的前提下，抑制了过渡区间的互感波动。
41.五段发射导轨的模块化拓展如图13所示，每段发射导轨长度为3m，五段拓展后整条导轨长15m，且在每段发射导轨的进线口进行分布式补偿。
42.以上对本发明所提出的动态无线供电系统分布磁芯交叠过渡式模块化发射导轨进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.动态无线供电系统分布磁芯交叠过渡式模块化发射导轨，其特征在于：所述模块化发射导轨包括一号发射导轨(1)、二号发射导轨(4)、两相邻发射导轨的交叠过渡区域(7)和接收端(8)；所述一号发射导轨(1)包括一号发射导轨的线圈(2)和一号发射导轨的分布式磁芯(3)；所述二号发射导轨(4)包括二号发射导轨的线圈(5)和二号发射导轨的分布式磁芯(6)；所述接收端(8)包括接收端磁芯(9)和接收端线圈(10)；发射导轨通以高频激励电流在空间中产生高频交变磁场，接收端(8)正对发射导轨并沿发射导轨中轴线运动，在磁场中感生交变电动势，实现能量的非接触传输；根据接收端(8)位置选择性开通对应的发射导轨，保证接收端(8)运动过程中获得持续的能量供给。2.根据权利要求1所述的模块化发射导轨，其特征在于，定义磁芯相对用量k，用来表示采用分段方案后的磁芯用量与原连续方案磁芯用量之比；k的取值范围为0<k<1。3.根据权利要求1所述的模块化发射导轨，其特征在于，两相邻发射导轨的交叠过渡区域(7)采用线圈的交叠式设计。4.根据权利要求3所述的模块化发射导轨，其特征在于，单个发射导轨模块的线圈绕制方式中包括进线端、出线端、回线端1、回线端2共计4个端口。5.根据权利要求4所述的模块化发射导轨，其特征在于，多段发射导轨进行模块化拓展时，每个模块的出线端口串联谐振电容进行分布式补偿。

技术总结
本发明提出动态无线供电系统分布磁芯交叠过渡式模块化发射导轨。所述模块化发射导轨包括一号发射导轨、二号发射导轨、两相邻发射导轨的交叠过渡区域和接收端；所述一号发射导轨包括一号发射导轨的线圈和一号发射导轨的分布式磁芯；所述二号发射导轨包括二号发射导轨的线圈和二号发射导轨的分布式磁芯；所述接收端包括接收端磁芯和接收端线圈。发射导轨采用分布式磁芯设计，在保证磁耦合特性的同时，降低了发射导轨的重量和成本。相邻两个发射导轨模块过渡区域采用交叠式设计，减小接收端动态移动经过过渡区域时产生的电压跌落，提升传输功率的稳定性。输功率的稳定性。输功率的稳定性。


技术研发人员：高鑫 张百川 周星健 朱春波
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/7/6