用于阵列式无线电能传输系统、3D磁场调控方法及应用

用于阵列式无线电能传输系统、3d磁场调控方法及应用
技术领域
1.本发明属于无线电能传输技术领域，尤其涉及一种用于阵列式无线电能传输系统的3d磁场调控方法、3d磁场调控方法的阵列式无线电能传输系统、在电动汽车充电上的应用。


背景技术：

2.目前，现阶段通过两个垂直正交的发射线圈，实现在二维平面上的任意方向上的磁场，实现了磁场的定向发射。相比于传统的双线圈无线电能传输系统，其传输效率提高了20％，传输距离增加了30％。同时还可通过对于发射线圈中电流控制磁场矢量的方法，调整输入磁场矢量的所有角度系数调整磁场大小和方向，进而实现磁场的定向控制。
3.三维无线电能传输技术由三个空间相互垂直正交的发射线圈组成，提高了接收线圈的空间自由度。通过对于发射线圈控制励磁电流的相位以及幅值的控制，可以实现对于空间内任意位置形成大小和方向可调三维全向磁场。进而有助于实现将磁场集中于目标位置，减小发射线圈间的互耦，且可以增加无线电能传输系统的传输效率与传输距离。
4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
5.(1)现阶段无线电能传输的应用中，大多数为单发射单接收线圈采用固定的接收线圈位置和方向。而当收发线圈间的垂直距离以及水平对准发生改变时，会导致线圈的漏磁通增加，进而降低传输效率。而为了解决双线圈式无线电能传输系统在空间自由度不高的问题，需要设计并控制收发线圈间的磁场，进而实现不同位置不同角度下目标负载的供电。
6.(2)现有技术无线电能传输的发射结构中，控制收发线圈间的磁场成型效果差。
7.(3)现有技术三维磁场调控方法中，控制相对复杂，且其磁场调制的范围较窄，不能满足多位置多角度多强度的磁场成型与控制。造成实用性差。
8.解决以上问题及缺陷的难度为：控制相对复杂，且其磁场调制的范围较窄，不能满足多位置多角度多强度的磁场成型与控制。造成实用性差。
9.解决以上问题及缺陷的意义为：有利于实现通过2d平面线圈结构上发射线圈电流大小以及相位的调整，实现对于发射线圈上方3d磁场的调控，进而有利于实现3d空间无线充电。


技术实现要素：

10.为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种用于阵列式无线电能传输系统的3d磁场调控方法、3d磁场调控方法的阵列式无线电能传输系统、在电动汽车充电上的应用。
11.所述技术方案如下：一种用于阵列式无线电能传输系统的3d磁场调控方法，包括：
12.对不同工作模式下阵列发射线圈对应的逆变器的调控实现对应阵列线圈上电流大小与相位的控制，在阵列发射线圈上方形成不同磁场调节空间范围以及磁场强度的磁
场；利用形成的磁场，对不同空间层面上不同位置的接收线圈进行充电。
13.在本发明中，对应于不同大小与相位的阵列发射线圈电流会导致阵列发射线圈上方形成的磁场的空间大小与磁场强度不同，通过调整对应阵列线圈上的阵列发射线圈电流大小与相位，实现对于其上方磁场范围以及强度的修正与调控。
14.在一个实施例中，所述不同工作模式包括单线圈工作模式、双线圈工作模式、以及四线圈工作模式。
15.在一个实施例中，所述阵列发射线圈为单线圈、双线圈、四线圈中的一种。
16.在一个实施例中，对不同工作模式下阵列发射线圈对应的逆变器的调控实现对应阵列线圈上电流大小与相位的控制中工作模式为：通过对应阵列线圈的dsp进行程序控制，调整不同的发射线圈电流大小与相位；多发射线圈单元电流同方向，同相位，电流大小为10a；多发射线圈包括双线圈、四线圈中的一种。
17.在一个实施例中，对不同工作模式下阵列发射线圈对应的逆变器的调控实现对应阵列线圈上电流大小与相位的控制中工作模式为：改变中间线圈电流相位为180
°
。
18.在一个实施例中对不同工作模式下阵列发射线圈对应的逆变器的调控实现对应阵列线圈上电流大小与相位的控制中工作模式为：改变对角线上线圈电流相位为180
°
。
19.在一个实施例中，所述对不同空间层面上不同位置的接收线圈进行充电中不同空间层面包括：在水平层面上不同位置的接收线圈进行充电。
20.在一个实施例中，所述对不同空间层面上不同位置的接收线圈进行充电中不同空间层面包括：在垂直层面上对不同垂直高度上的接收线圈进行不同工作模式下的充电。
21.本发明的另一目的在于提供一种实施所述的用于阵列式无线电能传输系统的3d磁场调控方法的阵列式无线电能传输系统。
22.在一个实施例中，所述阵列式无线电能传输系统为2
×
2的阵列式无线电能传输系统。
23.本发明的另一目的在于提供一种用于阵列式无线电能传输系统的3d磁场调控方法在电动汽车充电上的应用。
24.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
25.本发明可通过阵列式无线电能传输的发射结构，改变其中发射单元上的线圈电流大小以及相位，控制收发线圈间的磁场成型。该方法相比于传统的三维磁场调控方法，其控制相对简单，且其磁场调制的范围较广，可满足多位置多角度多强度的磁场成型与控制。
26.当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。
附图说明
27.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
28.图1是本发明实施例提供的用于阵列式无线电能传输系统的3d磁场调控方法流程图。
29.图2是本发明实施例提供的典型的单线圈工作模式下发射线圈磁场分布与控制的仿真效果图，图中图2(a)不同工作模式下的示意图一，即不同电流大小与不同的电流相位；
图2(b)不同工作模式下的示意图二，即不同电流大小与不同的电流相位。
30.图3是本发明实施例提供的典型的双线圈工作模式下发射线圈磁场分布与控制的仿真效果图；其中图3(a)不同工作模式下的示意图一，即不同电流大小与不同的电流相位；图3(b)不同工作模式下的示意图二，即不同电流大小与不同的电流相位。
31.图4是本发明实施例提供的典型的四线圈工作模式下发射线圈磁场分布与控制的仿真图。其中图4(a)不同工作模式下的示意图一，即不同电流大小与不同的电流相位；图4(b)不同工作模式下的示意图二，即不同电流大小与不同的电流相位。
32.图5是本发明实施例提供的不同线圈电流下发射线圈的电流密度与磁场分布中，发射线圈单元电流同方向，同相位，电流大小为10a的仿真示意图，图5(a)不同线圈电流下发射线圈的电流密度与磁场分布图一；图5(b)不同线圈电流下发射线圈的电流密度与磁场分布图二。
33.图6是本发明实施例提供的不同线圈电流下发射线圈的电流密度与磁场分布中，改变中间线圈电流相位为180
°
的仿真示意图，图6(a)不同线圈电流下发射线圈的电流密度与磁场分布图一；图6(b)不同线圈电流下发射线圈的电流密度与磁场分布图二。
34.图7是本发明实施例提供的不同线圈电流下发射线圈的电流密度与磁场分布中，改变对角线上线圈电流相位为180
°
的仿真示意图；图7(a)不同线圈电流下发射线圈的电流密度与磁场分布图一；图7(b)不同线圈电流下发射线圈的电流密度与磁场分布图二。
具体实施方式
35.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
36.本发明实施例提供的用于阵列式无线电能传输系统的3d磁场调控方法包括：对不同工作模式下阵列发射线圈对应的逆变器的调控实现对应阵列线圈上电流大小与相位的控制，在阵列发射线圈上方形成不同磁场调节空间范围以及磁场强度的磁场；利用形成的磁场，对不同空间层面上不同位置的接收线圈进行充电。
37.具体地，如图1所示，本发明实施例提供的用于阵列式无线电能传输系统的3d磁场调控方法包括：
38.s101，通过调整不同工作模式下阵列发射线圈上电流大小与相位，在发射线圈上方形成所需的磁场。
39.s102，对不同空间层面上不同位置的接收线圈进行充电，防止效率跌落以及提供更大功率的能量传输。
40.作为一优选实施例，步骤s102中对水平层面上不同位置的接收线圈进行充电，防止效率跌落以及提供更大功率的能量传输。
41.作为一优选实施例，步骤s102中还可在垂直层面上对不同垂直高度上的接收线圈进行不同工作模式下的充电，进而实现能量的稳定传输。
42.作为一优选实施例，同时结合2
×
2的阵列式无线电能传输系统，可以通过阵列周围线圈的磁场叠加，对目标磁场进行增强控制，有助于提高传输效率以及增大传输功率。
43.作为一优选实施例，本发明中可对单线圈、双线圈、四线圈同时发射线圈电流与相位，进而增大了相应的磁场调节空间范围以及磁场强度的调节。
44.作为一优选实施例，本发明中不同线圈电流下发射线圈的电流密度与磁场分布中，通过对应阵列线圈的dsp进行程序控制，调整不同的发射线圈电流大小与相位。多发射线圈单元电流同方向，同相位，电流大小为10a同时实现发射线圈电流与相位调控，进而增大了相应的磁场调节空间范围以及磁场强度的调节。
45.作为一优选实施例，本发明中不同线圈电流下发射线圈的电流密度与磁场分布中，改变中间线圈电流相位为180
°
同时实现发射线圈电流与相位调控，进而增大了相应的磁场调节空间范围以及磁场强度的调节。
46.作为一优选实施例，本发明中不同线圈电流下发射线圈的电流密度与磁场分布中，改变对角线上线圈电流相位为180
°
同时实现发射线圈电流与相位调控，进而增大了相应的磁场调节空间范围以及磁场强度的调节。
47.下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
48.实施例
49.通过二维的发射线圈结构，调控其发射线圈单元上的电流大小与相位实现其发射线圈上方的磁场定向发射。如下图2-图4展示的为集中典型的线圈电流大小与相位分布以及不同工作模式下线圈的电流分布以及磁场情况。并可以选择多种工作模式，如单线圈、双线圈、四线圈工作模式。
50.图2是本发明实施例提供的典型的单线圈工作模式下发射线圈磁场分布与控制的仿真效果图，图中图2(a)不同工作模式下的示意图一，即不同电流大小与不同的电流相位；图2(b)不同工作模式下的示意图二，即不同电流大小与不同的电流相位。
51.图3是本发明实施例提供的典型的双线圈工作模式下发射线圈磁场分布与控制的仿真效果图；其中图3(a)不同工作模式下的示意图一，即不同电流大小与不同的电流相位；图3(b)不同工作模式下的示意图二，即不同电流大小与不同的电流相位。
52.图4是本发明实施例提供的典型的四线圈工作模式下发射线圈磁场分布与控制的仿真图。其中图4(a)不同工作模式下的示意图一，即不同电流大小与不同的电流相位；图4(b)不同工作模式下的示意图二，即不同电流大小与不同的电流相位。
53.在本发明中，提供一种可同时实现所有的线圈单元同时发射线圈电流与相位，进而增大了相应的磁场调节空间范围以及磁场强度的调节。下面选择几组典型的所有发射线圈单元均发射相关的电流以及相位为例，分析其电流以及磁场强度分布如下图5-图7不同线圈电流下发射线圈的电流密度与磁场分布所示。同时还可以根据接收线圈位置的不同调整其不同方位的发射单元的线圈电流大小以及相位，实现对于接收线圈目标位置处磁场的调控，实现传输功率以及传输效率的提升，并在一定程度上提升抗偏移性能。
54.其中，图5是本发明实施例提供的不同线圈电流下发射线圈的电流密度与磁场分布中，发射线圈单元电流同方向，同相位，电流大小为10a的仿真示意图，图5(a)不同线圈电流下发射线圈的电流密度与磁场分布图一；图5(b)不同线圈电流下发射线圈的电流密度与磁场分布图二。
55.图6是本发明实施例提供的不同线圈电流下发射线圈的电流密度与磁场分布中，改变中间线圈电流相位为180
°
的仿真示意图，图6(a)不同线圈电流下发射线圈的电流密度
与磁场分布图一；图6(b)不同线圈电流下发射线圈的电流密度与磁场分布图二。
56.图7是本发明实施例提供的不同线圈电流下发射线圈的电流密度与磁场分布中，改变对角线上线圈电流相位为180
°
的仿真示意图；图7(a)不同线圈电流下发射线圈的电流密度与磁场分布图一；图7(b)不同线圈电流下发射线圈的电流密度与磁场分布图二。
57.通过调整不同工作模式下阵列发射线圈上电流大小与相位，可以在发射线圈上方形成所需的磁场，进而对水平面上不同位置的接收线圈进行充电，防止效率跌落以及提供更大功率的能量传输；还可在垂直位置上对不同垂直高度上的接收线圈进行不同工作模式下的充电，进而实现能量的稳定传输。同时相比于2
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2的阵列式无线电能传输系统，可以通过阵列周围线圈的磁场叠加，对目标磁场进行增强控制，有助于提高传输效率以及增大传输功率。
58.本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。