提升WPT系统功率密度的磁集成耦合机构及WPT系统的制作方法

本发明涉及无线电能传输，尤其涉及一种提升wpt系统功率密度的磁集成耦合机构及应用该磁集成耦合机构的wpt系统。

背景技术：

1、随着经济和人口的迅速增长以及城市化的迅速发展，汽车持有量不断增加，传统能源短缺和环境污染问题日益突显，特别是传统燃油汽车对环境和资源的危害。因此，发展电动汽车(electric vehicles,ev)具有重大意义，然而，传统的ev有线充电存在着着许多局限性，如连接部分易损坏(老化、漏电)、插拔时容易产生火花存在安全隐患、占地面积大；动力电池存在成本高、续航里程短等问题。磁耦合无线充电技术为解决上述充电方式问题提供了思路，但随着电动汽车无线充电技术的发展，对于车载端输出功率的要求越来越高。

2、现有的提升电路拓扑输出功率的方式，主要有增加输入电压、电流等参数，或者增加电路元件等方法。增加输入参数并未从本质上提升车载端输出功率，而增加电路元件的方法会增加接收端的重量和体积，因此需要在提升输出功率的基础上满足接收端轻量化的要求。

技术实现思路

1、本发明提供提升wpt系统功率密度的磁集成耦合机构及wpt系统，解决的技术问题在于：如何在满足接收端轻量化要求的基础上提升系统输出功率。

2、为解决以上技术问题，本发明提供一种提升wpt系统功率密度的磁集成耦合机构，包括原边d型线圈lp、副边d型线圈ls，和位于所述副边d型线圈ls中空区域的倍流电感线圈lb，所述倍流电感线圈lb包括相同的第一倍流电感线圈l1和第二倍流电感线圈l2；所述第一倍流电感线圈l1和所述第二倍流电感线圈l2连接在wpt系统接收端的全桥整流电路中，能够保证所述第一倍流电感线圈l1和所述第二倍流电感线圈l2中的电流始终为正值之处。

3、优选的，所述全桥整流电路包括第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4，wpt系统的副边谐振网络的第一输出端连接所述第一倍流电感线圈l1后连接所述第一二极管d1的正极端，所述第一二极管d1的负极端连接负载电阻rl的一端，所述副边谐振网络的第二输出端连接所述第二倍流电感线圈l2后连接所述第二二极管d2的正极端，所述第二二极管d2的负极端连接所述负载电阻rl的一端，所述第三二极管d3正向连接在所述负载电阻rl的另一端和所述副边谐振网络的第一输出端之间，所述第四二极管d4正向连接在所述负载电阻rl的另一端和所述副边谐振网络的第二输出端之间。

4、优选的，所述第一倍流电感线圈l1的电感l1和所述第二倍流电感线圈l2的电感l2满足：

5、

6、其中，d为wpt系统的原边逆变占空比，ul为负载电压，c为连接在所述全桥整流电路与所述负载电阻rl之间的滤波电容的电容值，f为系统工作频率，△ul为输出电压纹波。

7、优选的，该磁集成耦合机构还包括与副边d型线圈ls层级设置的接收端磁芯，所述第一倍流电感线圈l1和所述第二倍流电感线圈l2螺旋管式缠绕在所述接收端磁芯的中央。

8、优选的，所述第一倍流电感线圈l1由相同的第一子线圈la和第二子线圈lb串联而成，所述第二倍流电感线圈l2由相同的第三子线圈lc和第四子线圈ld串联而成。

9、优选的，所述第一子线圈(la)、所述第二子线圈(lb)、所述第三子线圈(lc)或所述第四子线圈(ld)的电感根据以下原则设置：在保证输出功率不变的前提下，最大可能减少所述倍流电感线圈(lb)的体积及重量。

10、优选的，所述副边谐振网络采用lcc型补偿网络；所述原边d型线圈lp连接的原边谐振网络采用lcc型补偿网络。

11、本发明还提供一种wpt系统，其关键在于：采用上述的提升wpt系统功率密度的磁集成耦合机构。

12、具体的，该wpt系统包括发射端和接收端，所述发射端包括顺序连接的直流电源udc、高频逆变器、原边补偿网络、所述原边d型线圈lp，所述接收端包括顺序连接的所述副边d型线圈ls、副边谐振网络、所述倍流电感线圈lb、所述全桥整流电路、滤波电容c和负载电阻rl。

13、优选的，所述原边补偿网络和所述副边补偿网络均采用lcc型补偿网络。

14、本发明提供的提升wpt系统功率密度的磁集成耦合机构及wpt系统，通过对磁耦合机构进行磁集成设计，具体是在副边d型线圈ls中空区域设置一个倍流电感线圈lb，并对电路拓扑进行改进，具体是将该倍流电感线圈lb分成两个线圈第一倍流电感线圈l1和第二倍流电感线圈l2连接在wpt系统接收端的全桥整流电路中，能够保证这两个线圈中的电流始终为正值之处，从而达到对应的倍流效果，提升了系统的功率密度，减少了车载端重量，并通过设计倍流线圈电感值，在保证输出功率不变的前提下，可减小输出电压的纹波。本发明加入倍流电感线圈的倍流整流拓扑同样适用于其它电感过大问题的电路拓扑，具有无线传输中电路拓扑的普遍适用特性。

技术特征：

1.提升wpt系统功率密度的磁集成耦合机构，其特征在于，包括原边d型线圈(lp)、副边d型线圈(ls)，和位于所述副边d型线圈(ls)中空区域的倍流电感线圈(lb)，所述倍流电感线圈(lb)包括相同的第一倍流电感线圈(l1)和第二倍流电感线圈(l2)；所述第一倍流电感线圈(l1)和所述第二倍流电感线圈(l2)连接在wpt系统接收端的全桥整流电路中，能够保证所述第一倍流电感线圈(l1)和所述第二倍流电感线圈(l2)中的电流始终为正值之处。

2.根据权利要求1所述的提升wpt系统功率密度的磁集成耦合机构，其特征在于：所述全桥整流电路包括第一二极管(d1)、第二二极管(d2)、第三二极管(d3)、第四二极管(d4)，wpt系统的副边谐振网络的第一输出端连接所述第一倍流电感线圈(l1)后连接所述第一二极管(d1)的正极端，所述第一二极管(d1)的负极端连接负载电阻(rl)的一端，所述副边谐振网络的第二输出端连接所述第二倍流电感线圈(l2)后连接所述第二二极管(d2)的正极端，所述第二二极管(d2)的负极端连接所述负载电阻(rl)的一端，所述第三二极管(d3)正向连接在所述负载电阻(rl)的另一端和所述副边谐振网络的第一输出端之间，所述第四二极管(d4)正向连接在所述负载电阻(rl)的另一端和所述副边谐振网络的第二输出端之间。

3.根据权利要求2所述的提升wpt系统功率密度的磁集成耦合机构，其特征在于，所述第一倍流电感线圈(l1)的电感l1和所述第二倍流电感线圈(l2)的电感l2满足：

4.根据权利要求2所述的提升wpt系统功率密度的磁集成耦合机构，其特征在于：该磁集成耦合机构还包括与副边d型线圈(ls)层级设置的接收端磁芯，所述第一倍流电感线圈(l1)和所述第二倍流电感线圈(l2)螺旋管式缠绕在所述接收端磁芯的中央。

5.根据权利要求4所述的提升wpt系统功率密度的磁集成耦合机构，其特征在于：所述第一倍流电感线圈(l1)由相同的第一子线圈(la)和第二子线圈(lb)串联而成，所述第二倍流电感线圈(l2)由相同的第三子线圈(lc)和第四子线圈(ld)串联而成。

6.根据权利要求5所述的提升wpt系统功率密度的磁集成耦合机构，其特征在于，所述第一子线圈(la)、所述第二子线圈(lb)、所述第三子线圈(lc)或所述第四子线圈(ld)的电感根据以下原则设置：在保证输出功率不变的前提下，最大可能减少所述倍流电感线圈(lb)的体积及重量。

7.根据权利要求6所述的提升wpt系统功率密度的磁集成耦合机构，其特征在于：所述副边谐振网络采用lcc型补偿网络；所述原边d型线圈(lp)连接的原边谐振网络采用lcc型补偿网络。

8.wpt系统，其特征在于：采用权利要求1～7任意一项所述的提升wpt系统功率密度的磁集成耦合机构。

9.根据权利要求8所述的wpt系统，其特征在于：包括发射端和接收端，所述发射端包括顺序连接的直流电源(udc)、高频逆变器、原边补偿网络、所述原边d型线圈(lp)，所述接收端包括顺序连接的所述副边d型线圈(ls)、副边谐振网络、所述倍流电感线圈(lb)、所述全桥整流电路、滤波电容(c)和负载电阻(rl)。

10.根据权利要求9所述的提升wpt系统功率密度的磁集成耦合机构，其特征在于：所述原边补偿网络和所述副边补偿网络均采用lcc型补偿网络。

技术总结
本发明涉及无线电能传输技术领域，具体公开了一种提升WPT系统功率密度的磁集成耦合机构及WPT系统，通过对磁耦合机构进行磁集成设计，具体是在副边D型线圈L<subgt;S</subgt;中空区域设置一个倍流电感线圈L<subgt;B</subgt;，并对电路拓扑进行改进，具体是将该倍流电感线圈L<subgt;B</subgt;分成两个线圈连接在WPT系统接收端的全桥整流电路中，能够保证这两个线圈中的电流始终为正值之处，从而达到对应的倍流效果，提升了系统的功率密度，减少了车载端重量，并通过设计倍流线圈电感值，在保证输出功率不变的前提下，可减小输出电压的纹波。本发明加入倍流电感线圈的倍流整流拓扑同样适用于其它电感过大问题的电路拓扑，具有无线传输中电路拓扑的普遍适用特性。

技术研发人员：莫宇鸿,肖静,唐春森,吴晓锐,王建新,周柯,龚文兰,韩帅,卓浩泽,陈卫东
受保护的技术使用者：广西电网有限责任公司电力科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15