| 专利名称： | 可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置 | ||
| 专利名称(英文)： | Coupling coefficient can be effectively improved electric automobile wireless charging coil device | ||
| 专利号： | CN201610244214.2 | 申请时间： | 20160419 |
| 公开号： | CN105790448A | 公开时间： | 20160720 |
| 申请人： | 上海交通大学 | ||
| 申请地址： | 200240 上海市闵行区东川路800号 | ||
| 发明人： | 赵维娜; 姚辰; 唐厚君; 蔡位焜; 袁国栋 | ||
| 分类号： | H02J50/10; H01F38/14; H01F27/28 | 主分类号： | H02J50/10 |
| 代理机构： | 上海汉声知识产权代理有限公司 31236 | 代理人： | 郭国中 |
| 摘要： | 本发明提供了一种可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置，包括发射线圈、接收线圈、柔性导磁片，所述柔性导磁片的一端通过柔性导磁片固定装置紧固安装在接收线圈上，所述柔性导磁片的另一端悬空于发射线圈上方；所述接收线圈固定于电动汽车的底盘上并能够与安装在地面上的发射线圈相对。本发明能够有效提高发射线圈和接收线圈的耦合系数，从而能够显著地提高整个无线充电系统的传输效率；且整体结构简单，安装方便，不影响电动汽车的通过性和正常的行驶。 | ||
| 摘要(英文)： | The present invention provides a coupling coefficient can be effectively improved electric automobile wireless charging coil device, comprises a transmitting coil, receiving coil, flexible conductive magnetic sheet, the flexible conductive magnetic through one end of the flexible magnetic sheet-fixing device is installed in the receiving coil, the other of the flexible magnetic sheet hanging in above one end of the transmitting coil; the receiving coil is fixed on the chassis of the electric vehicle and capable of and the mounting on the ground relative to the transmitting coil. The invention can effectively improve the transmitting coil and a receiving coil with the coupling coefficient, thereby it is possible to significantly improve the whole wireless charging the transmission efficiency of the system; and the whole structure is simple, convenient installation, does not influence the passing of the electric automobile and normal driving. | ||
1.一种可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置，其特征在于，包括发 射线圈、接收线圈、柔性导磁片，所述柔性导磁片的一端通过柔性导磁片固定装置紧固 安装在接收线圈上，所述柔性导磁片的另一端悬空于发射线圈上方；所述接收线圈固定 于电动汽车的底盘上并能够与安装在地面上的发射线圈相对。
2.根据权利要求1所述的可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置，其 特征在于，所述发射线圈、接收线圈均为螺线平铺绕制，且发射线圈、接收线圈的内径 不为零，即线圈内部均有空心内层区。
3.根据权利要求2所述的可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置，其 特征在于，所述发射线圈、接收线圈之间的垂直距离在150mm-300mm之间，柔性导磁片 的底端在垂直方向上延伸至所述发射线圈的空心内层区或相邻于所述发射线圈；柔性导 磁片的宽度略小于接收线圈的空心内层宽度。
4.根据权利要求1所述的可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置，其 特征在于，所述柔性导磁片的法线方向与电动汽车行驶的方向一致。
5.根据权利要求1所述的可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置，其 特征在于，通过改变所述柔性导磁片的宽度尺寸、长度尺寸、厚度、安装数量中的任一 个或者任多个参数均能够改变所述发射线圈和所述接收线圈的互感和耦合系数。
6.根据权利要求1所述的可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置，其 特征在于，所述柔性导磁片的长度尺寸小于所述发射线圈、接收线圈之间的垂直距离， 且柔性导磁片的长度越长，电动汽车在静止状态时发射线圈、接收线圈之间的互感和耦 合系数越大。
7.根据权利要求2所述的可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置，其 特征在于，所述柔性导磁片的宽度尺寸在所述接收线圈的空心内层区域内越宽，电动汽 车在静止状态时发射线圈和接收线圈之间的互感系数、耦合系数越大。
8.根据权利要求2所述的可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置，其 特征在于，所述柔性导磁片的数量在所述接收线圈的空心内层区域内分布越密集，电动 汽车在静止状态时发射线圈和所述接收线圈的互感系数、耦合系数越大。
9.根据权利要求1所述的可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置，其 特征在于，在所述柔性导磁片总体积相同的前提下，所述柔性导磁片越薄，电动汽车在 静止状态时发射线圈和所述接收线圈的互感和耦合系数越大。
10.根据权利要求1所述的可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置，其 特征在于，所述柔性导磁片为薄片状，且材质柔软，当电动汽车行驶时，所述柔性导磁 片能够被气流推动，即柔性导磁片的悬空端能够向电动汽车行驶反方向浮动。
1.一种可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置，其特征在于，包括发 射线圈、接收线圈、柔性导磁片，所述柔性导磁片的一端通过柔性导磁片固定装置紧固 安装在接收线圈上，所述柔性导磁片的另一端悬空于发射线圈上方；所述接收线圈固定 于电动汽车的底盘上并能够与安装在地面上的发射线圈相对。
2.根据权利要求1所述的可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置，其 特征在于，所述发射线圈、接收线圈均为螺线平铺绕制，且发射线圈、接收线圈的内径 不为零，即线圈内部均有空心内层区。
3.根据权利要求2所述的可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置，其 特征在于，所述发射线圈、接收线圈之间的垂直距离在150mm-300mm之间，柔性导磁片 的底端在垂直方向上延伸至所述发射线圈的空心内层区或相邻于所述发射线圈；柔性导 磁片的宽度略小于接收线圈的空心内层宽度。
4.根据权利要求1所述的可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置，其 特征在于，所述柔性导磁片的法线方向与电动汽车行驶的方向一致。
5.根据权利要求1所述的可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置，其 特征在于，通过改变所述柔性导磁片的宽度尺寸、长度尺寸、厚度、安装数量中的任一 个或者任多个参数均能够改变所述发射线圈和所述接收线圈的互感和耦合系数。
6.根据权利要求1所述的可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置，其 特征在于，所述柔性导磁片的长度尺寸小于所述发射线圈、接收线圈之间的垂直距离， 且柔性导磁片的长度越长，电动汽车在静止状态时发射线圈、接收线圈之间的互感和耦 合系数越大。
7.根据权利要求2所述的可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置，其 特征在于，所述柔性导磁片的宽度尺寸在所述接收线圈的空心内层区域内越宽，电动汽 车在静止状态时发射线圈和接收线圈之间的互感系数、耦合系数越大。
8.根据权利要求2所述的可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置，其 特征在于，所述柔性导磁片的数量在所述接收线圈的空心内层区域内分布越密集，电动 汽车在静止状态时发射线圈和所述接收线圈的互感系数、耦合系数越大。
9.根据权利要求1所述的可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置，其 特征在于，在所述柔性导磁片总体积相同的前提下，所述柔性导磁片越薄，电动汽车在 静止状态时发射线圈和所述接收线圈的互感和耦合系数越大。
10.根据权利要求1所述的可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置，其 特征在于，所述柔性导磁片为薄片状，且材质柔软，当电动汽车行驶时，所述柔性导磁 片能够被气流推动，即柔性导磁片的悬空端能够向电动汽车行驶反方向浮动。
翻译：技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，具体地，涉及一种可有效提高耦合系数的电动汽 车无线充电线圈装置。
背景技术
无线电能传输技术由于其安全、方便、环保等特点，在人们的生活中越来越受到重 视。该技术涉及了电力电子电路、线圈电磁设计、自动控制、通信协议等多方面内容， 其中线圈电磁设计尤为重要。近年来，作为无线电能传输技术的一个重要应用——电动 汽车无线充电技术得到了极大的推动，国内外各大研究机构及汽车领域的企业都纷纷加 入到这项技术的研究中来。
电动汽车无线充电技术是对充电方式的一种革命性升级，采用无线充电技术的电动 汽车不再需要车主每次插拔充电器，从而使得充电过程更加便捷、安全。此外，采用无 线充电技术的充电装置减少了物理磨损从而能延长使用寿命，取消了金属触点从而避免 了触电风险。然而因发射线圈和接收线圈间存在较大的空气间隙，通常为150mm-300mm， 发射线圈和接收线圈的互感较小，耦合系数较低，限制了电动汽车无线充电系统的效率 提升。现有的研究多集中于线圈结构的优化设计，通过改变线圈结构增大发射线圈和接 收互感及耦合系数，然而采用该方法对互感的增强效果约为10％-20％，并且优化设计过 程复杂，需要根据特定的线圈结构进行仿真得到优化结果，线圈结构改变时需要重新进 行仿真设计以得到较好的增强效果。限制发射线圈和接收线圈的互感和耦合系数的原因 在于发射线圈和接收线圈间的空气间隙，若能在此空气间隙中填充磁性材料将会显著增 强互感和耦合系数。然而若像普通变压器一样，在发射线圈和接收线圈的空气间隙内放 置“硬性”的铁氧体磁芯作为导磁材料，则该硬性铁氧体磁芯需要固定于电动汽车底盘 或依靠地面机械装置实现磁芯的升降，前者会影响电动汽车的最小通过距离，影响汽车 的正常行驶，后者设计复杂且制造和维护成本较高。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种可有效提高耦合系数的电动 汽车无线充电线圈装置。
根据本发明提供的可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置，包括发射 线圈、接收线圈、柔性导磁片，所述柔性导磁片的一端通过柔性导磁片固定装置紧固安 装在接收线圈上，所述柔性导磁片的另一端悬空于发射线圈上方；所述接收线圈固定于 电动汽车的底盘上并能够与安装在地面上的发射线圈相对。
优选地，所述发射线圈、接收线圈均为螺线平铺绕制，且发射线圈、接收线圈的内 径不为零，即线圈内部均有空心内层区。
优选地，所述发射线圈、接收线圈之间的垂直距离在150mm-300mm之间，柔性导磁 片的底端在垂直方向上延伸至所述发射线圈的空心内层区或相邻于所述发射线圈；柔性 导磁片的宽度略小于接收线圈的空心内层宽度。
优选地，所述柔性导磁片的法线方向与电动汽车行驶的方向一致。
优选地，通过改变所述柔性导磁片的宽度尺寸、长度尺寸、厚度、安装数量中的任 一个或者任多个参数均能够改变所述发射线圈和所述接收线圈的互感和耦合系数。
优选地，所述柔性导磁片的长度尺寸小于所述发射线圈、接收线圈之间的垂直距离， 且柔性导磁片的长度越长，电动汽车在静止状态时发射线圈、接收线圈之间的互感和耦 合系数越大。
优选地，所述柔性导磁片的宽度尺寸在所述接收线圈的空心内层区域内越宽，电动 汽车在静止状态时发射线圈和接收线圈之间的互感系数、耦合系数越大。
优选地，所述柔性导磁片的数量在所述接收线圈的空心内层区域内分布越密集，电 动汽车在静止状态时发射线圈和所述接收线圈的互感系数、耦合系数越大。
优选地，在所述柔性导磁片总体积相同的前提下，所述柔性导磁片越薄，电动汽车 在静止状态时发射线圈和所述接收线圈的互感和耦合系数越大。
优选地，所述柔性导磁片为薄片状，且材质柔软，当电动汽车行驶时，所述柔性导 磁片能够被气流推动，即柔性导磁片的悬空端能够向电动汽车行驶反方向浮动。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供的电动汽车无线充电线圈装置中的柔性导磁片分布在接收线圈的空气 内层区域，柔性导磁片的宽度尽量接近所述接收线圈的空心内层宽度，所述柔性导磁片 的底端离所述发射线圈的垂直距离尽量小，有效提高发射线圈和接收线圈的耦合系数， 从而能够显著地提高整个无线充电系统的传输效率；且整体结构简单，安装方便，不影 响电动汽车的通过性和正常的行驶。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置的结构图；
图2为传统的电动汽车无线充电线圈装置的结构图；
图3为背面贴有导磁条的电动汽车无线充电线圈装置的结构图；
图中：
1-发射线圈；
2-接收线圈；
3-柔性导磁片；
4-柔性导磁片固定装置；
5-磁屏蔽材料。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于 本发明的保护范围。
根据本发明提供的可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置，包括发射 线圈、接收线圈、柔性导磁片(条)、柔性导磁片固定装置(固定插槽)，所述发射线圈 固定于地面，所述接收线圈固定于电动汽车的底盘之上，所述柔性导磁片固定装置(固 定插槽)固定于所述接收线圈，所述柔性导磁片通过所述柔性导磁片固定装置(固定插 槽)固定于所述接收线圈。
所述发射线圈和所述接收线圈均为螺线平铺绕制，线圈内部为空心内层区域。
所述发射线圈和所述接收线圈的垂直距离在150mm-300mm。
所述柔性导磁片的表面方向与电动汽车的行驶方向垂直(导磁片表面的法线方向与 行驶方向一致)。
所述柔性导磁片具有厚度薄、柔软易弯曲的特点，因此，当汽车静止时，该柔性导 磁片在自重的作用下下垂，其底端靠近发射线圈，使得发射线圈与接收线圈之间被该柔 性导磁片所“填充”，相当于填充了磁性材料，从而大大提高了线圈之间的互感和耦合 系数；当汽车行驶时，在气流的作用下该柔性导磁片被向上吹起，即便是遇到障碍物， 该柔性导磁片也不会因碰撞而损坏，因此，该柔性导磁片可在不影响电动汽车正常行驶 的前提下提高所述接收线圈和所述发射线圈的互感和耦合系数。
所述柔性导磁片在车速较低或停车时，由于气流的吹动作用减弱直至消失，故柔性 导磁片的底端距固定于地面的所述发射线圈的垂直距离变小，故可有效提高(增强)所 述发射线圈和所述接收线圈的互感和耦合系数，但所述柔性导磁片离地距离太近可能会 影响电动汽车的正常行驶，故实际设计中应兼顾可行性和耦合系数增强效果选择柔性导 磁片的长度，亦即选择柔性导磁片的底端距离地面的高度。
所述柔性导磁片的宽度在所述接收线圈的空心内层区域内增大时，所述发射线圈和 所述接收线圈的互感和耦合系数显著增大，超过此范围继续增大柔性导磁片的宽度，互 感和耦合系数变化不大，实际设计中应将所述柔性导磁片的宽度限制在所述接收线圈的 空心内层区域内。
所述柔性导磁片在所述接收线圈的空心内层区域内分布越密集，所述发射线圈和所 述接收线圈的互感和耦合系数越大，但所述柔性导磁片分布过于密集可能会导致电动汽 车行驶时所述柔性导磁片间相互干扰，不能在气流的吹动作用下，由静止时的柔性导磁 片的垂直状态往上“漂浮”以增大柔性导磁片底端的离地距离，从而影响电动汽车的正 常行驶。
在所述柔性导磁片总体积相同的前提下，所述柔性导磁片越薄，所述发射线圈和所 述接收线圈的互感和耦合系数越大。
所述柔性导磁片在所述接收线圈的空心内层区域内个数越多，所述发射线圈和所述 接收线圈的互感和耦合系数越大，超过此区域继续增加所述柔性导磁片，所述发射线圈 和所述接收线圈的互感和耦合系数变化不大。
为提高所述发射线圈和所述接收线圈的互感和耦合系数，同时考虑到可行性和成本， 在实际设计中，所述柔性导磁片应分布在所述接收线圈的空气内层区域。在不影响电动 汽车正常行驶的前提下，所述柔性导磁片的宽度应尽量接近所述接收线圈的空气内层宽 度，所述柔性导磁片的底端离所述发射线圈的垂直距离应尽量小，所述柔性导磁片的厚 度应尽量薄和柔软以便于在较小的气流吹动作用下“漂浮”起来，分布应尽量密集。
如图1所示，本实施案例提供一种应用于电动汽车无线充电的线圈结构，包括发射 线圈、接收线圈、柔性导磁片、柔性导磁片固定装置(固定插槽)。其中发射线圈和接 收线圈的外边界尺寸均为400mm*400mm，内边界尺寸均为80mm*80mm，线圈厚度均为5mm, 线圈的匝数均为40,线圈之间的垂直距离为200mm，柔性导磁片的尺寸为 2mm*80mm*180mm，柔性导磁片的间距为10mm，个数为8片。
有限元仿真分析软件JMAG可以对实际系统中电磁元件进行仿真，该仿真软件已经 得到很多研究学者的认可和广泛使用。为了验证本发明提供的可有效提高耦合系数的电 动汽车无线充电线圈装置的效果，通过JMAG进行电磁仿真，计算发射线圈、接收线圈 的自感、互感及耦合系数。
针对上述参数，采用本发明提供的可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装 置，发射线圈的自感约为296uH，接收线圈的自感约为342uH，发射线圈和接收线圈间 的互感约为64.4uH，耦合系数约为0.2。
传统的电动汽车无线充电线圈装置的结构图如图2所示，为了验证本发明提供的可 有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置在提高互感和耦合系数上的显著效果， 保证发射线圈和接收线圈的参数与图1一致。采用该传统的电动汽车无线充电线圈装置， 其发射线圈的自感约为260uH，接收线圈的自感约为260uH，发射线圈和接收线圈间的 互感约为28.3uH，耦合系数约为0.1。
背面贴有导磁条的电动汽车无线充电线圈装置的结构图如图3所示，为了验证本 发明可有效提高耦合系数的电动汽车无线充电线圈装置在提高互感和耦合系数上的显 著效果，保证发射线圈和接收线圈的参数与图1一致，磁屏蔽材料的尺寸为 400mm*30mm*3mm，发射线圈和接收线圈处各放置4块磁屏蔽材料，磁屏蔽材料的总体积 与图1中的柔性导磁片的总体积相近。采用该背面贴有导磁条的电动汽车无线充电线 圈装置，发射线圈的自感约为324uH，接收线圈的自感约为324uH，发射线圈和接收线 圈间的互感约为38.5uH，耦合系数约为0.12。
背面贴有导磁条的电动汽车无线充电线圈装置较传统的电动汽车无线充电线圈装 置相比，发射线圈和接收线圈的耦合系数仅增大20％。而本发明给出的可有效提高耦 合系数的电动汽车无线充电线圈装置与传统的电动汽车无线充电线圈装置相比，发射线 圈和接收线圈的互感倍增，耦合系数增大为两倍，提高互感和耦合系数的效果非常显著， 因而可以显著地提高整个无线充电系统的传输效率。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改， 这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的 特征可以任意相互组合。
