本發明涉及無線電能傳輸領域，尤其涉及單發射對四接收線圈電動汽車靜態無線供電系統拓撲結構的設計與建模方法。

背景技術：

充電系統是電動汽車的核心部件之一，其性能的好壞直接影響著電動汽車的安全性和便利性。當前，電動汽車的充電方式主要有兩種：插拔式有線充電方式和無線充電方式。插拔式有線充電方式的主要問題如下：(1)由于充電插座和電纜的存在而極大地降低了電動汽車充電的靈活性；(2)較大的充電電流構成了漏電及電擊的潛在危險，容易產生接觸火花，安全性不強。無線充電方式主要是通過磁場來傳輸電能，供電端和負載端不需要導線的直接連接，進而可以省去插座和插頭。負載端和供電端可以通過網絡指令來進行智能連接，更容易實現智能供電。然而，在電動汽車停車充電時，發射線圈和接收線圈不可避免會產生偏移，導致線圈之間的磁場分布發生變化，進而引起輸出端電壓劇烈波動及效率下降，危及電動汽車動態無線供電系統的安全性與穩定性。所以，如何保證線圈發生偏移時線圈之間磁場的相對均勻、維持輸出電壓的穩定及較高的效率是一個難題。

技術實現要素：

針對現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種單發射對四接收線圈電動汽車靜態無線供電系統的拓撲結構設計與建模方法。

一種單發射對四接收線圈電動汽車靜態無線供電系統的拓撲結構設計與建模方法，其特征在于：

1)一種電動汽車靜態無線充電拓撲結構的設計與建模方法，其特征在于：所述拓撲結構是由一個大的發射線圈、四個小的接收線圈和四個整流橋構成，四個小的接收線圈放置于同一平面，并于發射線圈平行。四個小的接收線圈經整流橋后，其后端輸出電壓依次串聯，給負載供電。

2)新型單發射對四接收后端級聯型系統的發射線圈是由圓形或方形多匝線圈構成，新型單發射對四接收后端級聯型系統的接收線圈也是由圓形或方形多匝線圈構成。

3)提出一種新型單發射對四接收后端級聯型結構的數學建模方法。

本發明的有益效果是：結構簡單、可靠性強、輸出電壓基本恒定、系統效率高，非常適用于電動汽車靜態無線充電。

附圖說明

下面結合附圖對本發明作進一步的描述。

圖1是新型電動汽車靜止無線供電系統的準均勻磁場拓撲結構；

圖2是發生偏移時新型單發射對四接收型準均勻磁場拓撲結構；

圖3是新型單發射對四接收后端級聯型拓撲結構圖；

圖4是新型單發射對四接收后端級聯型等效電路圖；

圖5接收線圈的前端輸入電壓波形圖；

具體實施方式

以下結合附圖進一步說明本發明。

(1)新型單發射對四接收型拓撲結構

本發明一種單發射對四接收線圈電動汽車靜態無線供電系統的拓撲結構設計如圖1所示，它由一個大的圓形(或方形多匝線圈)發射線圈(tx)和四個小的圓形(或方形多匝線圈)接收線圈(rx_1,rx_2,rx_3和rx_4)組成。四個接收線圈的結構和大小都相同，rx_1和rx_3關于y軸對稱，rx_2和rx_4也是關于y軸對稱，rx_1和rx_2關于z軸對稱，rx_1和rx_4也是關于z軸對稱，四個接收線圈放置于同一個平面，接收線圈與發射線圈平行放置。o’是接收線圈的中心，oi(i＝1,2,3,4)分別是各個接收線圈的中心。δ1是rx_1的中心與z軸的水平垂直距離，δ2是rx_2的中心與z軸的水平垂直距離。a是發射線圈的半徑，b是接收線圈的半徑，d是接收線圈與發射線圈之間的距離。

圖2顯示了接收裝置向y軸方向移動的示意圖，δ是接收裝置向右移動的水平距離。當δ<2b，δ越大時，δ1越小，此時rx_1或rx_3與tx圓心的水平偏移越小，它們之間的互感會變大；δ越大時，δ2越小，此時rx_2或rx_4與tx圓心的水平偏移越大，它們之間的互感會變小。其總的互感基本不變。

圖3顯示了新型單發射對四接收后端級聯型的拓撲結構圖，發射線圈是一個大的圓形或方形多匝線圈，接收線圈也是由圓形或方形多匝線圈構成。四個接收線圈經整流后以串聯方式依次聯接，rl是負載電阻。每個線圈都可以等效成rlc(電阻、電感、電容)電路，其等效電路圖如圖4所示。

新型單發射對四接收后端級聯型系統的等效電路由ac-ac模塊(1)和ac-dc模塊(2)構成。所述ac-ac模塊(1)由電源模塊(10)、發射線圈tx(11)、接收線圈rx_1(12)、接收線圈rx_2(13)、接收線圈rx_3(14)、接收線圈rx_4(15)組成；所述ac-dc模塊(2)由整流橋(21)、整流橋(22)、整流橋(23)、整流橋(24)、負載(25)構成。電源模塊(10)經電容c1與發射線圈(11)相連，發射線圈(11)經磁場耦合把電能傳輸給接收線圈rx_1(12)、接收線圈rx_2(13)、接收線圈rx_3(14)、接收線圈rx_4(15)。接收線圈rx_1(12)經電容c2與整流橋(21)相連；接收線圈rx_2(13)經電容c3與整流橋(22)相連；接收線圈rx_3(14)經電容c4與整流橋(23)相連；接收線圈rx_4(15)經電容c5與整流橋(24)相連。整流橋(21)、整流橋(22)、整流橋(23)、整流橋(24)依次串聯與負載(25)相連。

(2)新型單發射對四接收型拓撲結構建模方法

運用基爾霍夫電壓定律，可以得到新型單發射對四接收級聯型前端部分(ac-ac)的方程如下：

vo是負載電阻上的電壓，io是負載電阻上的電流，α2是v2和i2之間的相位角，α3是v3和i3之間的相位角，α4是v4和i4之間的相位角，α5是v5和i5之間的相位角。

當無線電線傳輸系統操作在諧振狀態時，可以得到以下式子：

α2＝α3＝α4＝α5＝0(3)

由于接收線圈經整流后是以串聯方式聯接，所以可以得到各個接收線圈上電流的關系式如下：

i2＝i3＝i4＝i5(4)

每個接收線圈的前端輸入電壓(v2,v3,v4,v5)是方波，圖5顯示了v2的波形圖。u2_m是方波的最大幅值，t是方波的周期，根據傅里葉級數，v2可以用如下式子表示：

式中ω是基波角頻率。

根據式(5)，可以得到每個整流橋前端輸入電壓的有效值與整流橋前端輸入電壓最大值的關系如下：

每個整流橋前端輸入電壓是方波，可以得到每個整流橋前端輸入電壓(v2,v3,v4,v5)與每個整流橋后端輸出電壓(vo2,vo3,vo4,vo5)的關系式如下：

根據式(1)-式(7)，可以得到接收線圈上的i2和負載電阻上的電流io的關系式如下：

|io|＝0.9|i2|(8)

根據式(1)-式(8)，新型系統的數學模型如下：

通過求解式(9)，可以得到發射線圈上電流i1和接收線圈上的電流i2如下：

式中a＝jωm12+jωm13+jωm14+jωm15，b＝z2+z3+z4+z5+0.81rl.

根據式(10)，可以得到負載電阻上的電壓表達式如下：

從式(11)中可以看出，當a和b不變時，輸出電壓vo也基本不變。因此，當接收線圈與發射線圈發生偏移時，運用提出的拓撲結構，無線充電系統的輸出電壓基本恒定，為新型結構的恒電壓輸出提供了理論依據。

在此說明了此發明的優選實施例，包括發明人用于實施本發明的已知最佳模式。優選實施例的變更對本領域普通技術人員而言在閱讀上述說明后是顯而易見的。發明人希望普通技術人員合理應用這樣的變更，并且發明人認為與在此明確說明不同的應用也可以實現本發明。因此，本發明包括隨附權利要求中所引用的主旨的所有修改及等效形式，這在適用的法律中是允許的。此外，上述要素的所有可能的變更的任何組合也被本發明所包含，除非在此另外指出或者在上下文中明顯矛盾。