本發(fā)明涉及無線充電系統(tǒng)磁耦合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，特別是涉及到一種磁耦合諧振式電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)磁耦合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)自2007年被mit科學(xué)家首次提出后，由于其在體內(nèi)醫(yī)療植入設(shè)備、便攜式移動(dòng)設(shè)備、電動(dòng)汽車無線充電等領(lǐng)域具有巨大的市場(chǎng)潛力，得到了迅速地發(fā)展。

近年來，越來越多的科研人員將研究目光集中在磁耦諧振式無線充電電動(dòng)汽車上。而電動(dòng)汽車因其固有的特性，使耦合諧振線圈必須具有較大的距離，這會(huì)導(dǎo)致線圈耦合系數(shù)較小，漏感較大。較小的耦合系數(shù)勢(shì)必會(huì)限制傳輸效率，產(chǎn)生較大的磁場(chǎng)泄露，對(duì)周圍空間環(huán)境會(huì)造成一定的電磁干擾。因此，在磁耦合諧振式電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)中，磁耦合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得極為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有諧振線圈優(yōu)的化方案不足，針對(duì)電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)諧振線圈耦合系數(shù)較小、磁場(chǎng)泄露較大的特點(diǎn)，本發(fā)明提出一種用于電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)磁耦合結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。

技術(shù)方案：用于電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)磁耦合結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，其特征在于，所述電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)磁耦合結(jié)構(gòu)包括發(fā)射線圈、接收線圈、鐵氧體磁芯以及鋁屏蔽層，車身底盤與地面距離固定為185mm；所述發(fā)射線圈和接收線圈均由利茲線繞制而成；所述優(yōu)化目標(biāo)為傳輸效率高于97％、磁芯重量低于1kg、磁場(chǎng)泄露低于icnirp最高標(biāo)準(zhǔn)；所述優(yōu)化工具為有限元仿真軟件ansysmaxwell；所述優(yōu)化步驟為：

1)設(shè)定磁耦合結(jié)構(gòu)的相關(guān)初始參數(shù)和設(shè)計(jì)約束條件；

2)基于初始單匝線圈線圈模型，以取得最大強(qiáng)耦合系數(shù)kq為優(yōu)化目標(biāo)，利用有限元仿真軟件對(duì)收發(fā)線圈外半徑rout進(jìn)行優(yōu)化；

3)在找到最優(yōu)外半徑的基礎(chǔ)上，同理對(duì)收發(fā)線圈內(nèi)半徑rin進(jìn)行優(yōu)化；

4)對(duì)收發(fā)線圈厚度tw進(jìn)行優(yōu)化；

5)以不降低kq且滿足系統(tǒng)對(duì)磁芯重量的要求和盡量節(jié)省磁芯材料為目的，利用maxwell軟件中的非線性順序編程算法對(duì)鐵氧體磁芯的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；

6)判斷優(yōu)化后的鐵氧體磁芯重量z是否在限制范圍內(nèi)；

7)判斷優(yōu)化后的系統(tǒng)傳輸效率是否達(dá)到97％；

8)前面條件均滿足后，通過公式(11)確定收發(fā)線圈匝數(shù)；

9)通過計(jì)算發(fā)射端電流i1和接收電流i2，使用有限元軟件模擬磁場(chǎng)分布；

10)判斷磁場(chǎng)泄露是否低于最高標(biāo)準(zhǔn)。

與現(xiàn)有的優(yōu)化方案相比較，本發(fā)明的突出優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明綜合了耦合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的兩個(gè)方面，一是線圈自身參數(shù)的設(shè)計(jì)，包括線圈的形狀、匝數(shù)、半徑、材料等；二是諧振磁鏈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括引入磁芯、鋁屏蔽層等，提出了一套完整的磁耦合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，該方案不僅可以提高系統(tǒng)耦合系數(shù)、降低磁場(chǎng)泄露，同時(shí)還在滿足磁耦合結(jié)構(gòu)重量限制的基礎(chǔ)上增加系統(tǒng)對(duì)水平偏移的容忍性。

附圖說明

圖1為電動(dòng)汽車磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2為為電動(dòng)汽車mcr-wpt系統(tǒng)等效電路模型；

圖3為電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)磁耦合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖；

圖4為電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)磁耦合結(jié)構(gòu)仿真初始設(shè)計(jì)模型；

圖5為發(fā)射側(cè)磁芯參數(shù)優(yōu)化示意圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提出的磁耦合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案做更進(jìn)一步的解釋。需要說明的是，本方案僅以1kw級(jí)高爾夫電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)為例，而并非限制了本優(yōu)化方案的范圍及其應(yīng)用。

如圖1所示，一種用于電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)磁耦合結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法中，電動(dòng)汽車磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)包括激勵(lì)電源、功率放大器、磁耦合機(jī)構(gòu)、整流濾波穩(wěn)壓電路和蓄電池組成，其中灰色矩形示意磁場(chǎng)泄露。其中，功率放大器用于將激勵(lì)電源提供的200v/50hz交流電轉(zhuǎn)換成高頻高壓的交流電輸送給磁耦合結(jié)構(gòu)；而磁耦合結(jié)構(gòu)一般包括勵(lì)磁線圈、發(fā)射線圈、接收線圈、負(fù)載線圈以及磁屏蔽層，它的工作過程是勵(lì)磁線圈首先通過電磁感應(yīng)將電能傳遞到發(fā)射線圈上，然后收發(fā)線圈因諧振進(jìn)行高效的能量交換，最后負(fù)載線圈再通過電磁感應(yīng)獲取接收線圈上的電能；此后，負(fù)載線圈上的電壓經(jīng)整理濾波穩(wěn)壓電路后輸送給蓄電池，從而完成整個(gè)充電過程。

如圖2所示為本發(fā)明實(shí)施的ss型電動(dòng)汽車mcr-wpt系統(tǒng)簡(jiǎn)化后的等效耦合模型，其中，i1、i2為發(fā)射和接收線圈電流，us為勵(lì)磁線圈反射到發(fā)射線圈上的等效電壓，req為負(fù)載線圈反射到接收線圈上的等效電阻；r1和r2為諧振線圈等效串聯(lián)電阻；m為互感；ω0是系統(tǒng)工作角頻率。采用電路理論對(duì)模型進(jìn)行分析，由kvl可得：

其中，ω0是系統(tǒng)工作角頻率，x1和x2是發(fā)射線圈和接收線圈的等效電抗；

當(dāng)電源發(fā)射信號(hào)的頻率與收發(fā)線圈的固有頻率相同時(shí)，系統(tǒng)完全諧振，此時(shí)有x1＝x2＝0，通過求解電路方程可得系統(tǒng)傳輸效率為公式：

如圖3所示，一種用于電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)磁耦合結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，其優(yōu)化步驟為：

1)設(shè)定磁耦合結(jié)構(gòu)的相關(guān)初始參數(shù)和設(shè)計(jì)約束條件；

2)基于初始單匝線圈線圈模型，以取得最大強(qiáng)耦合系數(shù)kq為優(yōu)化目標(biāo)，利用有限元仿真軟件對(duì)收發(fā)線圈外半徑rout進(jìn)行優(yōu)化；

3)在找到最優(yōu)外半徑的基礎(chǔ)上，同理對(duì)收發(fā)線圈內(nèi)半徑rin進(jìn)行優(yōu)化；

4)對(duì)收發(fā)線圈厚度tw進(jìn)行優(yōu)化；

5)以不降低kq且滿足系統(tǒng)對(duì)磁芯重量的要求和盡量節(jié)省磁芯材料為目的，利用maxwell軟件中的非線性順序編程算法對(duì)鐵氧體磁芯的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；

6)判斷優(yōu)化后的鐵氧體磁芯重量z是否在限制范圍內(nèi)；

7)判斷優(yōu)化后的系統(tǒng)傳輸效率是否達(dá)到97％；

8)前面條件均滿足后，通過公式(11)確定收發(fā)線圈匝數(shù)；

9)通過計(jì)算發(fā)射端電流i1和接收電流i2，使用有限元軟件模擬磁場(chǎng)分布；

10)判斷磁場(chǎng)泄露是否低于最高標(biāo)準(zhǔn)。

上述步驟1)中需首先根據(jù)系統(tǒng)線圈最大半徑小于245mm、線圈最大厚度18mm、車底盤距地面距離185mm、磁芯重量低于1kg、輸出電壓150v、輸出功率1kw等約束條件，選定相關(guān)初始參數(shù)在有限元仿真軟件maxwell中建立磁耦合結(jié)構(gòu)的初始模型，如圖4所示，其中，初始參數(shù)包括諧振線圈的優(yōu)化參數(shù)包括外半徑rout、內(nèi)半徑rin、線圈厚度tw以及線圈的寬度w；另?yè)裥吞?hào)為pl-13鐵氧體磁芯作為磁屏蔽層，初始形狀為半徑245mm、厚度為4mm的圓柱。另選擇電導(dǎo)率為33.9ms/m的鋁片作為導(dǎo)體屏蔽層，其形狀為半徑290mm、厚度為1mm的圓柱。此外，為了盡量減少鋁屏蔽層的渦流損耗，使鋁屏蔽層和鐵氧體磁芯具有5mm的間距。需要說明的是，在利用maxwell對(duì)線圈進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，可以建立單匝線圈模型，使用絞線電流傳輸路徑模擬實(shí)際理想利茲線，同時(shí)忽略線圈的趨附效應(yīng)和鄰近效應(yīng)以及導(dǎo)線內(nèi)部的位移電流。

上述步驟2)中的強(qiáng)耦合系數(shù)kq由下列公式推導(dǎo)而來：

先由[0024]知系統(tǒng)傳輸效率公式為：

設(shè)收發(fā)線圈耦合系數(shù)為k，品質(zhì)因數(shù)為q1、q2，另設(shè)接收線圈外部品質(zhì)因數(shù)為qe，則：

將公式(2)代入到公式(1)可得：

通過公式(1)和公式(2)求解dη/dreq＝0，可知當(dāng)取得最佳等效負(fù)載req,opt時(shí)可得最大傳輸效率ηmax，即：

引入強(qiáng)耦合系數(shù)kq＝k²q1q2，則式(4)可表示為：

由公式(5)可知，最大傳輸效率僅由強(qiáng)耦合系數(shù)kq所決定，kq越大，傳輸效率越高。

上述步驟2)中以強(qiáng)耦合系數(shù)kq為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)收發(fā)線圈外半徑rout進(jìn)行優(yōu)化的具體方法為令線圈寬度w和線圈厚度tw均為10mm，利用maxwell軟件的參數(shù)掃描功能對(duì)線圈外半徑進(jìn)行掃描，同時(shí)計(jì)算得出每一個(gè)外半徑下的強(qiáng)耦合系數(shù)，由此可得出收發(fā)線圈外半徑與強(qiáng)耦合系數(shù)關(guān)系的等高線圖，而得到取最大kq時(shí)的最優(yōu)收發(fā)線圈外半徑rout。

上述步驟3)對(duì)收發(fā)線圈內(nèi)半徑優(yōu)化、步驟4)對(duì)收發(fā)線圈厚度優(yōu)化方法與步驟2)對(duì)收發(fā)線圈外半徑優(yōu)化方法一致。

上述步驟5)對(duì)鐵氧體磁芯進(jìn)行，由于鐵氧體磁滯損耗pcore＝cmf^abmax^β，cm、α、β一般為常數(shù)，當(dāng)工作頻率f給定時(shí)，磁滯損耗僅取決去bmax。通過對(duì)磁耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真，在后處理中可求得收發(fā)端磁芯磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖，從圖中可知故大部分鐵氧體磁芯未得到充分利用。為了使磁芯磁場(chǎng)分布均勻，盡量減少磁芯磁滯損耗和磁芯重量?；诖判敬鸥袘?yīng)強(qiáng)度與磁芯橫截面積的大小成反比，提出磁芯厚度隨半徑方向逐漸減小且減小趨勢(shì)與前磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值變化趨勢(shì)相同的方案。但是出于對(duì)磁芯加工工藝復(fù)雜度的考慮，同時(shí)為簡(jiǎn)化優(yōu)化過程，最終將磁芯厚度非線性變化設(shè)計(jì)用多段線性變化的厚度來代替，如圖5所示，接收端與其相似，其中t1、t2、t3、l1、l2是根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)需要確定的磁芯參數(shù)。此外，本發(fā)明通過對(duì)磁芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅能夠降低磁芯磁滯損耗、達(dá)到磁芯重量限制的條件，還能增加系統(tǒng)對(duì)水平偏移的容忍性。

所述步驟6)中，基于磁芯重量與體積成線性關(guān)系，根據(jù)系統(tǒng)自身對(duì)磁芯重量的限制，設(shè)定磁芯重量低于zmax＝1kg，通過對(duì)體積的優(yōu)化即可達(dá)到對(duì)重量的約束條件。

所述步驟7)中，判斷傳輸效率是否高于97％。由公式(2)和(3)可得：

其中，a＝r2/req，從式(6)可知，當(dāng)a一定時(shí)，可得取理想傳輸效率時(shí)的最小強(qiáng)耦合系數(shù)。當(dāng)?shù)刃ж?fù)載為22.5ω，接收線圈等效串聯(lián)電阻約為50-100mω時(shí)，如果要求η為97％以上，則kq必須大于15750。

所述步驟8)中公式(11)是由如下公式推導(dǎo)所得：

為了盡可能減小接收端整流器產(chǎn)生電流i2的諧波分量，需滿足下面公式：

為了達(dá)到電流i1的低諧波分量，需滿足：

由公式(2)、(7)和(8)可得：

通常，諧振線圈的自感、互感和等效串聯(lián)電阻可以進(jìn)行如下表示：

l1＝n1x²l10l2＝n2x²l20m＝n1xn1xm0r1＝n1x²r10r2＝n2x²r20(10)

其中，n1x、n2x發(fā)射和接收線圈匝數(shù)，l10和l20為收發(fā)線圈單匝電感，r10和r20為收發(fā)線圈單匝電阻。

此外，將l2＝n2x²l20代入公式(9)可得：

所述步驟9)和步驟10)可通過計(jì)算法算出收發(fā)端電流，然后在有限元軟件maxwell中模擬磁場(chǎng)分布，從而判斷磁場(chǎng)泄露是否低于國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)(icnirp)導(dǎo)則的標(biāo)準(zhǔn)。

另外，本發(fā)明提出的磁耦合結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法僅僅是以1kw級(jí)高爾夫電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)為例進(jìn)行了說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以在本發(fā)明原理的前提下做出其他改變，當(dāng)然，依據(jù)本發(fā)明原理所做出的變化也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。