本发明涉及无线电能传输技术，特别涉及一种传输距离高度自适应且可重构接收线圈。
背景技术：
为了节省传统能源并最大限度地减少环境污染的有害影响，各国推广了电动汽车(evs)和插电式混合动力汽车(phevs)。然而，由于电池成本高、重量大、容量低，以及充电基础设施的限制，充电问题已成为限制电动汽车发展的瓶颈。无线充电技术可以解决传统充电所面临的充电基础设施局限和安全问题，并引起研究者的高度重视，逐渐成为电动汽车充电的主要模式。
磁耦合谐振式无线电能传输技术凭借着较高的能量传输功率和效率，较远的传输距离，以及传输方向要求不严格等优势，成为电动汽车无线充电的主要方式。线圈结构是磁耦合谐振式无线电能传输技术的关键。盘式螺旋结构是目前应用在电动汽车无线充电的一种线圈结构，它具有较高的耦合系数和空载品质因数，更小的占用空间，但是当发射线圈和接收线圈传输距离改变时，穿过接收线圈的磁通会变化，影响线圈间的互感，导致传输功率变化，会影响充电效果和电池使用寿命。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种传输距离高度自适应且可重构接收线圈的构建方法，实现了线圈传输距离变化时接收线圈磁通恒定，改善了线圈传输距离变化时输出功率不稳定的情况。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种传输距离自适应且可重构接收线圈，在接收线圈的内侧或外侧对称设置若干螺线管结构的附加线圈，每个附加线圈以开关控制正反接的形式与接收线圈相连，当发射线圈和接收线圈之间的传输距离发生变化时，控制投切进接收线圈的附加线圈个数，保持接收线圈磁通不变。
作为一种优选实施方式，附加线圈的匝数n’满足如下关系：
其中，n为原先接收线圈的匝数；ropt-0.2表示传输距离为0.2m时的接收线圈为最优半径，φopt(0.2,ropt-0.2)为传输距离为0.2m、接收线圈半径为ropt-0.2时的磁通；φ(0.3,ropt-0.2)为传输距离增大到0.3m、接收线圈半径为ropt-0.2时的磁通；ropt-03表示传输距离为0.3m时的接收线圈为最优半径，φ(0.3,ropt-03)为传输距离增大到0.3m，接收线圈半径为ropt-03时的磁通；
附加线圈最大半径rmax和附加线圈每匝的半径r附加满足如下关系：
其中n’为附加线圈匝数。
作为一种优选实施方式，控制投切进接收线圈的附加线圈个数的具体方法为：
步骤1、测量发射线圈和接收线圈传输距离，以及接收线圈的输出电流(因为输出功率恒定体现在输出电流恒定)，作为后续比较的原输出电流；
步骤2、当发射线圈和接收线圈传输距离发生变化，控制投切进接收线圈的附加线圈个数，保持输出功率恒定；
若距离增大，将附加线圈以正接的形式接入接收线圈，控制接入的附加线圈个数，直至补偿后的输出电流和原输出电流的差值小于设定的阈值；
若距离减小，将附加线圈以反接的形式接入接收线圈，控制接入的附加线圈个数，直至削弱后的输出电流和原输出电流的差值小于设定的阈值。
作为一种优选实施方式，在接收线圈内侧或者外侧设置8个附加线圈。
本发明与现有线圈结构相比，其显著优点在于：本发明在发射线圈和接收线圈传输距离发生变化时，对接收线圈的磁通进行削弱或补偿，使磁通保持恒定，从而保证了收发线圈间互感的不变，系统传输功率的恒定。
附图说明
图1是本发明传输距离自适应且可重构接收线圈的设计流程图。
图2是收发线圈空间分布图。
图3是本发明接收线圈的磁通随接收线圈半径变化曲线图。
图4是本发明接收线圈结构图。
图5是本发明维持传输功率恒定的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。
本发明传输距离自适应且可重构接收线圈，在接收线圈的内侧或者外侧对称设置若干螺线管结构的附加线圈，每个附加线圈以开关控制正反接的形式与接收线圈相连，当发射线圈和接收线圈之间的传输距离发生变化时，控制投切进接收线圈的附加线圈个数，保持接收线圈磁通不变。在对接收线圈尺寸无严格要求时，可以采用外侧连接附加线圈的形式，其优势在于调节磁通的能力较大；内侧连接附加线圈的形式可以节省接收线圈空间，通过控制连接个数与接线形式也可以实现磁通恒定。
下面介绍保持输出功率恒定的相关理论。
本发明将发射线圈设计为盘式螺旋结构，接收线圈设计为空间螺旋结构，收发线圈空间分布如图2所示。盘式螺旋线圈，可以近似看成由多个同心且半径等间距变化的圆环组成。首先计算出单匝环形线圈在空间上方某区域所产生的磁通，再利用叠加算法计算整个盘式螺旋线圈在空间上方某区域所产生的磁通。
设发射线圈最外环为第1个圆环，半径为r，依次向内存在n个同心圆即线圈匝数为n，考虑线圈匝间距为d，忽略线径的大小，最内侧环半径为r-(n-1)d，线圈通入电流为i，μ0为真空磁导率。以环心o为原点，将发射线圈置于xoy平面，以环中心轴为z轴建立坐标系如图2所示。在第i个圆环上任取一点a(xi,yi,0)，β为a点与x轴正方向的夹角，
当发射线圈半径r＝0.2、传输距离h为0.2m、发射线圈匝数为10匝时，用mathcad软件作出公式(1)的函数图像，可以发现存在一个接收线圈最优半径ropt，使得穿过的磁通达到最大值φopt，如图3所示。实际应用中可以根据设计的发射线圈参数，调整接收线圈的最优半径ropt和对应的磁通最大值φopt。
在电动汽车无线充电系统中，发射线圈和接收线圈传输距离即对应地面充电装置和车底之间的距离h变化范围为0.1m-0.3m。经过计算可以发现，随着传输距离的增大，最大磁通φopt对应的接收线圈最优半径ropt逐渐增大。取传输距离h＝0.2m为默认位置，此时的最优半径为ropt-0.2；传输距离h＝0.3m为最远位置，此时的最优半径为ropt-0.3。接收线圈每匝的最优半径大致存在如下关系：
ropt＝ropt-0.2+0.01(i-1)(i＝1,2,3…n)(2)
式中n为接收线圈的匝数。
下面根据磁链守恒，计算附加线圈的匝数n’。
磁链公式表示为：
ψ(h,ropt)＝nφopt(h,ropt)(3)
当h＝0.2m时：
ψ(0.2,ropt-0.2)＝nφopt(0.2,ropt-0.2)(4)
假设线圈传输距离h增大到0.3，在原先接收线圈的基础上继续增加n’匝附加线圈，相当于增大接收线圈的半径，设半径增大到ropt-0.2+2rmax，附加线圈最大半径rmax以及附加线圈与原先接收线圈产生的磁链和公式如下：
ψ(0.3,ropt-0.3)＝n'[φ(0.3,ropt-0.3)-φ(0.3,ropt-0.2)]+nφ(0.3,ropt-0.2)(6)
根据磁链守恒，式(4)与式(6)相等，可以推出附加线圈匝数n’满足如下关系：
根据式(7)可以计算附加线圈匝数n’。
附加线圈每匝的半径r附加按如下公式设计：
r附加＝rmax-0.0005(j-1)j∈(1,2,3…n')(8)
图4为本发明设计的接收线圈和附加线圈结构，利用上述结构，保持磁通恒定，进而保证输出功率恒定的具体方法为：
步骤1、测量发射线圈和接收线圈传输距离，以及接收线圈的输出电流(因为输出功率恒定体现在输出电流恒定)，作为后续比较的原输出电流；
步骤2、当发射线圈和接收线圈传输距离发生变化，控制投切进接收线圈的附加线圈个数，保持输出功率恒定；
若距离增大，将附加线圈以正接的形式接入接收线圈，控制接入的附加线圈个数，直至补偿后的输出电流和原输出电流的差值小于设定的阈值；
若距离减小，将附加线圈以反接的形式接入接收线圈，控制接入的附加线圈个数，直至削弱后的输出电流和原输出电流的差值小于设定的阈值。