CN106295976A - 基于层次分析法和模糊综合评价的ipt系统电磁机构性能评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于层次分析法和模糊综合评价的IPT系统电磁机构性能评价方法，首先以能效特性指标Γ、空间特性指标ST及携能特性指标δ作为IPT系统电磁机构性能评判指标体系，然后利用层次分析法推导出具有目标权重的性能特性指标表述，最后结合模糊综合评价对IPT系统电磁耦合机构性能与应用场合的契合度进行评判，给出以数值方式评判电磁耦合机构性能优劣的方法，为耦合机构类型的选择提供了客观科学的参考依据。

Description

基于层次分析法和模糊综合评价的IPT系统电磁机构性能评 价方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体涉及一种基于层次分析法和模糊综合评价的IPT系统电磁机构性能评价方法。

背景技术

随着无线电能传输技术(wireless power transfer，WPT)的日益成熟，且与传统的物理传导供电方式相比，该技术具有安全、便捷、美观等优势，越来越多的用电设备对无物理连接线的电源系统提出了应用需求。感应式无线电能传输(inductive powertransfer，IPT)技术相对于其它类型的WPT技术，具有功率传输能力大、环境友好度高、控制简单等特点，因此在家用电器、生物植入医疗器械、电动汽车、水下设备等用电设备中得到了广泛的应用。

图1为IPT系统的基本框架，由图1可知，实现电能无线传输的环节为电磁耦合机构，因此电磁耦合机构为IPT系统的关键性以及标志性环节。为满足电能无线传输不同的应用环境，电磁耦合机构的结构具有多样性，这就造成了多个类型的电磁耦合机构能够满足同一个应用的现象。

国内、外科研机构对电动汽车无线供电应用的电磁耦合机构进行相关的研究，其中，针对偏移量的提升，韩国KAIST提出一种较大横向偏移容忍度的非对称电磁耦合机构，该机构还具备良好的电磁场屏蔽功能；重庆大学提出DLDD(Double Layer Double D)电磁耦合机构在拾取端位置发生偏移、偏转时具有良好的充电性能；为了解决能量效率提升的问题，韩国KAIST提出了含辅助线圈的电磁耦合机构，针对充电区域问题，新西兰奥克兰大学提出的DD型(或DDQ型)电磁耦合机构，台湾成功国立大学提出编织型电磁耦合机构用于解决供电均匀性问题，南京航空航天大学提出的一种双向矩阵扩展、平面U形非接触变压器，增加耦合机构耦合系数的同时提高了错位容忍度。针对现有的文献及研究进行分析，电磁耦合机构的设计目标一般集中在输出功率、耦合效率、可充电区域以及成本等某一个或几个方面，而没有综合考虑这些因素的约束下，耦合机构与系统的匹配程度。这是由于目前尚没有较为全面系统衡量IPT系统电磁耦合机构性能的指标体系，同时，电磁耦合机构的设计缺乏客观科学的性能依据。

发明内容

本申请通过提供一种基于层次分析法和模糊综合评价的IPT系统电磁机构性能评价方法，以解决目前感应式无线电能传输系统电磁耦合机构的设计准则往往只是追求输出功率、耦合效率、可充电区域或者成本等单目标或多随机目标，没有综合考虑这些因素约束下，耦合机构与系统的匹配程度，而导致电磁耦合机构设计的非全局性优化品质问题。

为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：

一种基于层次分析法和模糊综合评价的IPT系统电磁机构性能评价方法，包括如下步骤：

S1：以能效特性指标Γ、空间特性指标ST及携能特性指标δ作为IPT系统电磁机构性能评判指标体系；

S2：利用层次分析法对能效特性指标Γ、空间特性指标ST及携能特性指标δ的目标权重赋值，具体包括如下步骤：

S21：建立IPT系统电磁机构性能评价系统的递阶层次结构模型；

S22：构建两两比较的判断矩阵W，判断矩阵W中的元素w_ij表示权重w_i和权重w_j对能效特性指标Γ、空间特性指标ST或者携能特性指标δ的影响大小之比，1/w_ij表示权重w_j和权重w_i对能效特性指标Γ、空间特性指标ST或者携能特性指标δ的影响大小之比，采用1-9尺度对w_ij进行赋值；

S23：目标权重赋值：

(1)将判断矩阵W纵向进行归一化，得到判断矩阵W的归一化矩阵W′；

(2)将归一化矩阵W′的每一行数值相加，形成矩阵W″；

(3)将矩阵W″归一化，得到权向量集；

S24：一致性检验：

(1)首先计算一致性指标式中，n为判断矩阵的阶数，λ_max为判断矩阵特征向量中的极大值；

(2)查找对应阶数判断矩阵的一致性随机指标R_w；

(3)一致性判断，当一致性指标C_w与一致性随机指标R_w的比值小于0.1时，认为判断矩阵的取值合理；

S3：基于模糊综合评价对IPT系统电磁耦合机构的性能进行评判，具体包括如下步骤：

S31：以能效特性指标Γ、空间特性指标ST及携能特性指标δ作为评判项目，建立IPT系统电磁机构的性能评判因素集R及子项目集，其中，R＝[R₁,R₂,R₃]＝[R_Γ,R_ST,R_δ]，R_Γ、R_ST、R_δ分别表示对应因数的评判映射，子项目集合为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{\Γ}}=\[R_{I_p},R_f,R_{R_L}\]\\ R_{ST}=\[R_{l_M},R_{h_M},R_{{\mathrm{\θ}}_M}\]\\ R_{\mathrm{\δ}}=\[R_h,R_{l_o},R_{S_c},R_{l_p},R_{l_s},R_D,R_{V_{core}}\]\end{array}\right.;$

S32：建立评语集V：

将IPT系统电磁耦合机构对系统需求的适合度划分为4个等级{非常适合v₁，较适合v₂，一般适合v₃，不适合v₄},则对应的评语集表示为V＝[v₁,v₂,v₃,v₄]，其中，∑v_j＝1,j＝{1,2,3,4}，v_j表示对该等级发生的概率值；

S33：建立评判矩阵：

建立评判因素R_i，i＝{1,2,3}与评语R_i，j＝{1,2,3,4}之间的映射关系r_ij，r_ij表示评判因素R_i对评语V_j的隶属程度，

$R=\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{\Γ}}\\ R_{ST}\\ R_{\mathrm{\δ}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}& r_{14}\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}& r_{24}\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}& r_{44}\end{array}\right]$

同理建立子项目中各参数的评判矩阵；

S34：建立目标权重集：建立评判因素R_i的目标权重集W＝[w₁,w₂,w₃]，b_i对应的为评判因素R_i的目标权重，且w₁+w₂+w₃＝1；

S35：计算模糊合成值；

综合评价结果式中，s_j为评判对象对V_j的隶属程度。

进一步地，基于目标权重的能效特性指标Γ＝f(P_out,η,w_Γ)＝P_outηw_Γ,式中,P_out为电磁耦合机构的输出功率，η为IPT系统传输功率，目标权重目标权重w_Γ由三个决策变量：发射线圈激励电流I_p、系统工作频率f、负载R_L及其相应的二级目标权重组成，I_pN为发射线圈激励电流I_p的归一化值，f_N为系统工作频率f的归一化值，R_LN为负载R_L的归一化值；

基于目标权重的空间特性指标空间特性指标ST是在满足能效特性指标需求Γ≥Γ_q的前提下，关于电磁耦合机构最大可水平偏移距离l_M、最大可传输距离h_M及最大可偏转角度θ_M的函数，l_M的二级目标权重为h_M的二级目标权重为θ_M的二级目标权重为l_MN是电磁耦合机构最大可水平偏移距离l_M的归一化值，h_MN是最大可传输距离h_M的归一化值，θ_MN是最大可偏转角度θ_M的归一化值；

基于目标权重的携能特性指标是发射线圈激励电流I_p幅值及系统工作频率f恒定，且传能距离h、水平偏移距离l₀、偏转角度θ以及传能区域面积S_c一定时，单位体积携能介质能够提供的输出功率，

$\mathrm{\δ}=f(P_{os},h,l_o,S_c,l_p,l_s,D,V_{core},\mathrm{\θ})=\frac{P_{os}}{V_{coil}+V_{core}}{w}_{\mathrm{\δ}}$

其中，

式中，携能特性指标δ为关于输出功率P_os、绕线体积V_coil、磁芯体积V_core以及权重w_δ的函数；输出功率P_os为满足发射线圈激励电流I_p幅值及系统工作频率f恒定，且传能距离h、水平偏移距离l₀、偏转角度θ以及传能区域面积S_c一定时的输出功率；l_p为电磁耦合机构原边线圈绕线长度，l_s为电磁耦合机构副边线圈绕线长度，D为绕线线径，h、l_o、S_c、l_p、l_s、D、V_core、θ的二级目标权重分别为w_h、w_D、w_θ，h_N为传能距离h的归一化值，l_oN为水平偏移距离l₀的归一化值，S_cN为传能区域面积S_c的归一化值，l_pN为电磁耦合机构原边线圈绕线长度l_p的归一化值，l_sN为电磁耦合机构副边线圈绕线长度l_s的归一化值，D_N为绕线线径D的归一化值，V_coreN为磁芯体积V_core的归一化值，θ_N是偏转角度θ的归一化值。

因为指标分为成本型、效益型及适中型三种类型，由于不同指标在量纲、取值方向、数量级等方面存在不同，所以，需要分情况进行指标的归一化。发射线圈激励电流I_p、系统工作频率f、传能区域面积S_c、电磁耦合机构原边线圈绕线长度l_p、电磁耦合机构副边线圈绕线长度l_s、绕线线径D以及磁芯体积V_core均为成本型指标，按照X_N＝(X_max-X)/(X_max-X_min)进行归一化，其中，发射线圈激励电流I_p及系统工作频率f与电磁耦合机构的输出功率P_out、IPT系统传输功率η成平方关系，归一化时，令X为和f²；最大可水平偏移距离l_M、最大可传输距离h_M、最大可偏转角度θ_M、传能距离h、水平偏移距离l₀以及偏转角度θ均为效益型指标，按照X_N＝(X-X_min)/(X_max-X_min)进行归一化；负载R_L为适中型指标，按照X_N＝|X-X₀|/(X_max-X_min)进行归一化；式中，X_N为指标归一化值，取值范围为[0,1]，无量纲，X_max与X_min分别为指标X系统所需的上、下界，X₀为指标X系统所需的适中值。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：以能效特性指标Γ、空间特性指标ST及携能特性指标δ作为IPT系统电磁机构性能评判指标体系，利用层次分析法推导出具有目标权重的性能特性指标表述，最后结合模糊综合评价对IPT系统电磁耦合机构性能与应用场合的契合度进行评判，给出以数值方式评判电磁耦合机构性能优劣的方法，为耦合机构类型的确定提供了客观科学的参考依据。

附图说明

图1为无线电能传输系统基本框架；

图2为递阶层次结构模型；

图3为评语集隶属度函数分布图；

图4为IPT系统主电路拓扑图；

图5为携能特性随水平偏移变化曲线图；

图6为携能特性随传能距离变化曲线图；

图7为SD型电磁耦合机构输入波形图；

图8为DLDD型电磁耦合机构输入波形图；

图9为电动汽车直流充电波形图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种基于层次分析法和模糊综合评价的IPT系统电磁机构性能评价方法，以解决目前感应式无线电能传输系统电磁耦合机构的设计准则往往是追求输出功率、耦合效率、可充电区域或者成本等单目标或多随机目标，没有综合考虑这些因素约束下，耦合机构与系统的匹配程度，而导致电磁耦合机构设计的非全局性优化品质问题。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

实施例

一种基于层次分析法和模糊综合评价的IPT系统电磁机构性能评价方法，包括如下步骤：

S1：以能效特性指标Γ、空间特性指标ST及携能特性指标δ作为IPT系统电磁机构性能评判指标体系；

电磁耦合机构能效特性指标是指反映电磁耦合机构电磁性能、传输能力等的综合性能指标，以电磁耦合机构的输出功率、传输效率作为能效特性的主要指标，基于目标权重的能效特性指标Γ＝f(P_out,η,w_Γ)＝P_outηw_Γ (1)式中,P_out为电磁耦合机构的输出功率，η为IPT系统传输功率，目标权重目标权重w_Γ由三个决策变量：发射线圈激励电流I_p、系统工作频率f、负载R_L及其相应的二级目标权重w_f、组成，I_pN为发射线圈激励电流I_p的归一化值，f_N为系统工作频率f的归一化值，R_LN为负载R_L的归一化值；

以SS补偿拓扑IPT系统为例，电磁耦合机构的输出功率P_out和IPT系统传输功率η可以表示为：

式中，M为电磁耦合机构原副边线圈的互感，R_p、R_s分别为原副边线圈的阻值；

电磁耦合机构能效特性指标Γ将直接影响IPT系统的性能，其主要决策变量均为系统的电气参数，它能够将电磁耦合机构的电气参数与IPT系统的性能进行关联。

电磁耦合机构空间特性指标是指满足能效特性指标要求的前提下，能够反映电磁耦合机构空间灵活性及拾取自由度等的性能指标。以最大可水平偏移距离l_M、最大可传输距离h_M及最大偏转角度θ_M作为主要指标，基于目标权重的空间特性指标空间特性指标ST是在满足能效特性指标需求Γ≥Γ_q的前提下，关于电磁耦合机构最大可水平偏移距离l_M、最大可传输距离h_M及最大可偏转角度θ_M的函数，l_M的二级目标权重为h_M的二级目标权重为θ_M的二级目标权重为l_MN是电磁耦合机构最大可水平偏移距离l_M的归一化值，h_MN是最大可传输距离h_M的归一化值，θ_MN是最大可偏转角度θ_M的归一化值；电磁耦合机构的空间特性指标将直接影响其能效特性指标，它将电磁耦合机构的空间参数与其能效特性进行关联。

基于目标权重的携能特性指标是发射线圈激励电流I_p幅值及系统工作频率f恒定，且传能距离h、水平偏移距离l₀、偏转角度θ以及传能区域面积S_c一定时，单位体积携能介质(一般包括绕线和磁芯两部分)能够提供的输出功率，

$\mathrm{\δ}=f(P_{os},h,l_o,S_c,l_p,l_s,D,V_{core},\mathrm{\θ})=\frac{P_{os}}{V_{coil}+V_{core}}{w}_{\mathrm{\δ}}---\left(4\right)$

其中，

式中，携能特性指标δ为关于输出功率P_os、绕线体积V_coil、磁芯体积V_core以及权重w_δ的函数；输出功率P_os为满足发射线圈激励电流I_p幅值及系统工作频率f恒定，且传能距离h、水平偏移距离l₀、偏转角度θ以及传能区域面积S_c一定时的输出功率；l_p为电磁耦合机构原边线圈绕线长度，l_s为电磁耦合机构副边线圈绕线长度，D为绕线线径，h、l_o、S_c、l_p、l_s、D、V_core、θ的二级目标权重分别为w_h、w_D、w_θ，h_N为传能距离h的归一化值，l_oN为水平偏移距离l₀的归一化值，S_cN为传能区域面积S_c的归一化值，l_pN为电磁耦合机构原边线圈绕线长度l_p的归一化值，l_sN为电磁耦合机构副边线圈绕线长度l_s的归一化值，D_N为绕线线径D的归一化值，V_coreN为磁芯体积V_core的归一化值，θ_N是偏转角度θ的归一化值。电磁耦合机构的携能特性指标是当空间特性一定时，其结构参数(线圈尺寸、绕线长度以及绕线线径、磁芯结构)在能效特性指标中的体现，电磁耦合机构的携能特性指标也将直接影响其能效特性指标，它将电磁耦合机构的结构参数与能效特性指标进行关联。

发射线圈激励电流I_p、系统工作频率f、传能区域面积S_c、电磁耦合机构原边线圈绕线长度l_p、电磁耦合机构副边线圈绕线长度l_s、绕线线径D以及磁芯体积V_core均为成本型指标，按照X_N＝(X_max-X)/(X_max-X_min)进行归一化，其中，发射线圈激励电流I_p及系统工作频率f与电磁耦合机构的输出功率P_out、IPT系统传输功率η成平方关系，归一化时，令X为和f²；最大可水平偏移距离l_M、最大可传输距离h_M、最大可偏转角度θ_M、传能距离h、水平偏移距离l₀以及偏转角度θ均为效益型指标，按照X_N＝(X-X_min)/(X_max-X_min)进行归一化；负载R_L为适中型指标，按照X_N＝|X-X₀|/(X_max-X_min)进行归一化；式中，X_N为指标归一化值，取值范围为[0,1]，无量纲，X_max与X_min分别为指标X系统所需的上、下界，X₀为指标X系统所需的适中值。

综上，空间特性及携能特性为电磁耦合机构具备的自身性质，与系统的电气参数无关，且它们之间相互影响。而机构的能效特性与系统的电气参数相关，因此可以认为，携能特性及空间特性是电磁耦合机构能效特性的基础，而机构的能效特性实现了电磁耦合机构的自身性质与系统的电气品质相关联。

S2：利用层次分析法对能效特性Γ、空间特性ST及携能特性指标δ的目标权重赋值，即将目标权重的偏好值进行量化分析，并两两比较、决策，最终得出一组相对合理的权值。

由于携能特性指标δ与输出功率、空间特性相关，且决策变量较多，本实施例以δ为例推导其目标权重赋值。对于对称结构的电磁耦合机构，携能特性指标δ受偏转角度θ的影响较小，且大多数电磁耦合机构为对称结构，故忽略偏转角度θ的影响。

具体包括如下步骤：

S21：建立IPT系统电磁机构性能评价系统的递阶层次结构模型，如图2所示；

S22：构建两两比较的判断矩阵W，对影响携能特性指标δ的7个目标权重分别建立两两比较的矩阵，即建立一个W₇₇的判断矩阵，判断矩阵W₇₇中的元素w_ij表示权重w_i和权重w_j对携能特性指标δ的影响大小之比，即前者相比后者的重要程度，1/w_ij表示权重w_j和权重w_i对携能特性指标δ的影响大小之比，采用Satty等人提出的1-9尺度对w_ij进行赋值；

在电动汽车无线充电系统中，w_ij的取值是由系统需求决定，对不同的系统，w_ij的取值存在一定的自由度。在携能特性指标δ的表达式中按照顺序令各二级目标权重h、l₀、S_c、l_p、l_s、D、V_core分别为w₁～w₇，根据当前研究项目的系统需求，“当前偏移距离l₀”最为重要，“当前传能距离h”次之，然后“传能区域面积S_c”、“原边线圈绕线长度l_p”和“副边线圈绕线长度l_s”，最后是“绕线线径D”和“磁芯体积V_core”，可得到目标权重赋值标度构建判断矩阵W₇₇，以w₁₆为例，w₁₆＝5表示“传能距离h”较“绕线线径D”显然重要。

$W_{77}=\left[\begin{array}{ccccccc}1& 6& 4& 4& 4& 5& 5\\ 1/6& 1& 1/3& 1/3& 1/3& 1/2& 1/2\\ 1/4& 3& 1& 1& 1& 3& 3\\ 1/4& 3& 1& 1& 1& 3& 3\\ 1/4& 3& 1& 1& 1& 3& 3\\ 1/5& 2& 1/3& 1/3& 1/3& 1& 1\\ 1/5& 2& 1/3& 1/3& 1/3& 1& 1\end{array}\right]$

S23：目标权重赋值：

(1)将判断矩阵W₇₇纵向进行归一化，得到判断矩阵W₇₇的归一化矩阵W′₇₇；

(2)将归一化矩阵W′₇₇的每一行数值相加，形成矩阵W″₇₁；

(3)将矩阵W″₇₁归一化，得到权向量集

W＝{0.3742 0.0476 0.145 0.145 0.145 0.0716 0.0716}；

S24：一致性检验：

(1)首先计算一致性指标

式中，n为判断矩阵的阶数，n＝7，λ_max为判断矩阵特征向量中的极大值，λ_max＝7.1956，因此，C_w＝0.0326；

(2)查找对应阶数判断矩阵的一致性随机指标R_w；

(3)一致性判断，当一致性指标C_w与一致性随机指标R_w的比值小于0.1时，认为判断矩阵的取值合理，在本实施例中，一致性指标C_w与一致性随机指标R_w的比值为0.0247，说明判断矩阵的取值较为合理，无需进行反复调整；

$\begin{array}{c}\mathrm{\δ}=\frac{P_{os}}{V_{coil}+V_{core}}(0.3742h_N+0.0476l_{oN}+0.145S_{cN}\\ +0.145l_{pN}+0.145l_{sN}+0.0716D_N+0.0176V_{coreN})\end{array}---\left(7\right)$

同理，能效特性以及空间特性也可通过层次分析法得到具体的函数表达式，根据变量与性能特性之间的函数关系，可得到含目标权重的能效特性及空间特性表述为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Γ}=P_{out}\mathrm{\η}(0.5936I_{pN}+0.2968f_N+0.1096R_{LN})\\ ST=(0.1843l_{MN}+0.7371h_{MN}+0.0786{\mathrm{\θ}}_{MN})|{|}_{\mathrm{\Γ}\≥{\mathrm{\Γ}}_q}\end{array}\right.---\left(8\right)$

以上的表述推导是基于电动汽车无线充电的性能需求偏好，而在其他应用中也可采用该方法进行相应的表述求解。此外，关于Г的推导是假定电磁耦合机构参数确定的前提下，只考虑了系统电气参数对Г的影响。

若要实现电磁耦合机构的3个特性指标作为其性能优劣的评判，需将3个特性指标进行定量分析。由图2可知，系统要考虑的指标较多，本实施例应建立二级模糊综合评判模型，首先对低层次的指标进行综合评判，然后对高层次的指标进行综合评判。特性性能评判需建立多层次的评判模型，模糊综合评判在多层次的评判中已有较多成功应用的案例。

S3：基于模糊综合评价对IPT系统电磁耦合机构的性能进行评判，具体包括如下步骤：

S31：以能效特性Γ、空间特性ST及携能特性指标δ作为评判项目，建立IPT系统电磁机构的性能评判因素集R及子项目集，其中，

R＝[R₁,R₂,R₃]＝[R_Γ,R_ST,R_δ] (9)

R_Γ、R_ST、R_δ分别表示对应因数的评判映射，子项目集合为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{\Γ}}=\[R_{I_p},R_f,R_{R_L}\]\\ R_{ST}=\[R_{l_M},R_{h_M},R_{{\mathrm{\θ}}_M}\]\\ R_{\mathrm{\δ}}=\[R_h,R_{l_o},R_{S_c},R_{l_p},R_{l_s},R_D,R_{V_{core}}\]\end{array}\right.---\left(10\right)$

S32：建立评语集V：

将IPT系统电磁耦合机构对系统需求的适合度划分为4个等级{非常适合v₁，较适合v₂，一般适合v₃，不适合v₄},则对应的评语集表示为V＝[v₁,v₂,v₃,v₄]，其中，∑v_j＝1,j＝{1,2,3,4}，v_j表示对该等级发生的概率值；

S33：建立评判矩阵：

建立评判因素R_i，i＝{1,2,3}与评语R_i，j＝{1,2,3,4}之间的映射关系r_ij，r_ij表示评判因素R_i对评语V_j的隶属程度，取值范围为[0,1]，且

$R=\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{\Γ}}\\ R_{ST}\\ R_{\mathrm{\δ}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}& r_{14}\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}& r_{24}\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}& r_{44}\end{array}\right]---\left(11\right)$

同理建立子项目中各参数的评判矩阵；

隶属度的确定一般有模糊统计试验法及指派法两种，结合因数集的数据特点，本实施例采用指派法中的半梯形和三角形分布函数，评语集的函数分布如图3所示。v₁为降半梯形隶属函数，v₂、v₃择三角形隶属函数，选择升半梯形函数。

图3的x为IPT系统电磁耦合机构的各个指标(因素)经过归一化处理后的值，范围为[0,1]，结合因数集的数据特点，并设定相应的a₀～a₁₀各层标度值，得到各个指标对4个评判等级的可能性r_ij。

S34：建立目标权重集：建立评判因素R_i的目标权重集W＝[w₁,w₂,w₃]，b_i对应的为评判因素R_i的目标权重，且w₁+w₂+w₃＝1；

S35：计算模糊合成值；

加权平均型模糊运算将多个对象因素依照其重要度进行排序运算，综合考虑了主要与非主要因素对结果的影响，常用于模糊综合评判结果运算，其运算公式为：

综合评价结果

式中，s_j为评判对象对V_j的隶属程度。

通过上述方法，可以实现对IPT系统电磁耦合机构性能特性的评判，该判方法，能够结合设计人员的主观经验与客观的验证标准，最终得到直观评判结果。且评判过程中需要的参数为系统电气参数需求以及耦合机构结构参数仿真值，无需绕制实际线圈，为设计提供了较为合理的参考。为了进一步验证本发明的显著效果，接下来进行做如下验证：

首先对IPT系统电磁耦合机构的性能特性的数学表述进行验证。针对电动汽车无线充电系统的应用，提出SD型和DLDD型电磁耦合机构。IPT系统主电路拓扑如图4所示，系统原、副边均采用串联补偿拓扑，令工作频率f为40kHZ，原边采用恒流控制，副边输出的等效负载为电动汽车电池组，其阻值R_L＝12.5Ω，传输距离h＝0.3m，满足电动汽车无线充电需求的各个参数的实际取值以及归一化值域转化如表1所示，归一化的标准为系统设计目标需求，其中，R_L的适中值取12Ω，互感值M的范围为[44μH,68μH]，由Ansys Maxwell 16.0软件仿真，可得到能效特性指标的决策变量l_M、h_M及θ_M归一化处理的最大值，依次约为200mm、400mm和30°。

表1参数值域归一化

参数	最小	最大	参数	最小	最大
						Ip/A	10	100	lo/mm	0	200
f/kHz	20	80	Sc/m2	0.5	1
						RL/Ω	10	14	lp/m	9.6	161.1
lM/mm	0	200	ls/m	9.6	161.6
						hM/mm	0	400	D/m	0.001	0.02
θM/(°)	0	30	Vcore/m3	0	0.0128
						h/mm	0	400	—	—	—

SD型和DLDD型两种电磁耦合机构线圈线径D＝0.01m，V_core＝0.0018m³，其他线圈参数取值如表2所示。

表2电磁耦合机构线圈参数

以携能特性为例，检测电磁耦合机构性能特性表述的合理性。测量两种类型线圈构成的电磁耦合机构在不同高度、偏移距离时的互感值，由式(2)中的输出功率表达式可知，f、I_p、R_L和h已知时，P_out仅与M²相关，由此可通过式(7)得到两种类型电磁耦合机构的携能特性随空间位置变化(考虑拾取线圈发生传能距离变化、水平偏移及旋转角度变化)的分布曲线，如图5、6所示。图5为携能特性随水平偏移变化曲线图，图6为携能特性随传能距离变化曲线图。

由图5可知，在偏移距离为0时，由于DLDD线圈的绕线用量大于SD线圈，因此其携能特性相对较小。随着横、纵向偏移距离的增加，DLDD线圈的M值衰减速度较小，其携能特性衰减速度小于SD线圈，因此在偏移距离较大时，DLDD型电磁耦合机构的携能特性要优于SD电磁耦合机构。以上实验数据符合实际系统的应用，即DLDD线圈更加适用于偏移距离需求较大的电动汽车无线充电系统，这也证明了携能特性解析解的合理性。电磁耦合机构的另外两个特性解析解的合理性也可以通过类似方法证明。

进一步分析模糊综合评判方法在电磁耦合机构性能评判应用中的合理性。SD和DLDD型两种电磁耦合机构的模糊综合评判结果为：

W′_SD＝[0.2252,0.592,0.0167,0.1661]

W′_DLDD＝[0.6247,0.3753,0,0]

由上式可知，SD型对4个评语等级的隶属度依次为0.2252、0.592、0.0167和0.1661，DLDD型“非常适合”与“较适合”的隶属度分别为0.6247和0.3753，而“一般适合”与“不适合”的隶属度分别均为0；根据最大隶属度原则，DLDD型电磁耦合机构“非常适合”电动汽车无线充电应用，SD型“一般适合”电动汽车无线充电应用，可以得到DLDD型较SD型具有较好的评判结果。

图7为SD型电磁耦合机构的输入波形，SD型电磁耦合机构的输入电压为381V，输入电流为36.1A；图8为DLDD型电磁耦合机构的输入波形，DLDD型电磁耦合机构的输入电压为457V，输入电流为29A。

图9为IPT系统的直流输出波形，电磁耦合机构的输出经过整流及稳压后为电动汽车充电，稳压设置为390V，电动汽车的充电功率(即IPT系统的输出功率)为12kW。SD型电磁耦合机构的耦合效率约为88.7％，DLDD型电磁耦合机构的耦合效率约为92％。SD型和DLDD型两种电磁耦合机构的实验结果表明后者类型的IPT系统电磁耦合机构较前者更适合于电动汽车无线充电应用，与本实施例提出的模糊综合评判结果一致。

本申请的上述实施例中，通过提供一种基于层次分析法和模糊综合评价的IPT系统电磁机构性能评价方法，首先以能效特性指标Γ、空间特性指标ST及携能特性指标δ作为IPT系统电磁机构性能评判指标体系，然后利用层次分析法推导出具有目标权重的性能特性指标表述，最后结合模糊综合评价对IPT系统电磁耦合机构性能与应用场合的契合度进行评判，给出以数值方式评判电磁耦合机构性能优劣的方法，为耦合机构类型的确定提供了客观科学的参考依据。

应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于层次分析法和模糊综合评价的IPT系统电磁机构性能评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：以能效特性指标Γ、空间特性指标ST及携能特性指标δ作为IPT系统电磁机构性能评判指标体系；

S2：利用层次分析法对能效特性指标Γ、空间特性指标ST及携能特性指标δ的目标权重赋值，具体包括如下步骤：

S21：建立IPT系统电磁机构性能评价系统的递阶层次结构模型；

S22：构建两两比较的判断矩阵W，判断矩阵W中的元素w_ij表示权重w_i和权重w_j对能效特性指标Γ、空间特性指标ST或者携能特性指标δ的影响大小之比，1/w_ij表示权重w_j和权重w_i对能效特性指标Γ、空间特性指标ST或者携能特性指标δ的影响大小之比，采用1-9尺度对w_ij进行赋值；

S23：目标权重赋值：

(1)将判断矩阵W纵向进行归一化，得到判断矩阵W的归一化矩阵W′；

(2)将归一化矩阵W′的每一行数值相加，形成矩阵W″；

(3)将矩阵W″归一化，得到权向量集；

S24：一致性检验：

(1)首先计算一致性指标式中，n为判断矩阵的阶数，λ_max为判断矩阵特征向量中的极大值；

(2)查找对应阶数判断矩阵的一致性随机指标R_w；

(3)一致性判断，当一致性指标C_w与一致性随机指标R_w的比值小于0.1时，认为判断矩阵的取值合理；

S3：基于模糊综合评价对IPT系统电磁耦合机构的性能进行评判，具体包括如下步骤：

S31：以能效特性指标Γ、空间特性指标ST及携能特性指标δ作为评判项目，建立IPT系统电磁机构的性能评判因素集R及子项目集，其中，R＝[R₁,R₂,R₃]＝[R_Γ,R_ST,R_δ]，R_Γ、R_ST、R_δ分别表示对应因数的评判映射，子项目集合为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{\Γ}}=\[R_{I_p},R_f,R_{R_L}\]\\ R_{ST}=\[R_{l_M},R_{h_M},R_{{\mathrm{\θ}}_M}\]\\ R_{\mathrm{\δ}}=\[R_h,R_{l_o},R_{S_c},R_{l_p},R_{l_s},R_D,R_{V_{core}}\]\end{array}\right.;$

S32：建立评语集V：

将IPT系统电磁耦合机构对系统需求的适合度划分为4个等级{非常适合v₁，较适合v₂，一般适合v₃，不适合v₄},则对应的评语集表示为V＝[v₁,v₂,v₃,v₄]，其中，∑v_j＝1,j＝{1,2,3,4}，v_j表示对该等级发生的概率值；

S33：建立评判矩阵：

建立评判因素R_i，i＝{1,2,3}与评语R_i，j＝{1,2,3,4}之间的映射关系r_ij，r_ij表示评判因素R_i对评语V_j的隶属程度，

$R=\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{\Γ}}\\ R_{ST}\\ R_{\mathrm{\δ}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}& r_{14}\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}& r_{24}\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}& r_{44}\end{array}\right]$

同理建立子项目中各参数的评判矩阵；

S34：建立目标权重集：建立评判因素R_i的目标权重集W＝[w₁,w₂,w₃]，b_i对应的为评判因素R_i的目标权重，且w₁+w₂+w₃＝1；

S35：计算模糊合成值；

综合评价结果式中，s_j为评判对象对V_j的隶属程度。

2.根据权利要求1所述的基于层次分析法和模糊综合评价的IPT系统电磁机构性能评价方法，其特征在于，

基于目标权重的能效特性指标Γ＝f(P_out,η,w_Γ)＝P_outηw_Γ,式中,P_out为电磁耦合机构的输出功率，η为IPT系统传输功率，目标权重目标权重w_Γ由三个决策变量：发射线圈激励电流I_p、系统工作频率f、负载R_L及其相应的二级目标权重w_f、组成，I_pN为发射线圈激励电流I_p的归一化值，f_N为系统工作频率f的归一化值，R_LN为负载R_L的归一化值；

基于目标权重的空间特性指标

空间特性指标ST是在满足能效特性指标需求Γ≥Γ_q的前提下，关于电磁耦合机构最大可水平偏移距离l_M、最大可传输距离h_M及最大可偏转角度θ_M的函数，l_M的二级目标权重为h_M的二级目标权重为θ_M的二级目标权重为l_MN是电磁耦合机构最大可水平偏移距离l_M的归一化值，h_MN是最大可传输距离h_M的归一化值，θ_MN是最大可偏转角度θ_M的归一化值；

基于目标权重的携能特性指标是发射线圈激励电流I_p幅值及系统工作频率f恒定，且传能距离h、水平偏移距离l₀、偏转角度θ以及传能区域面积S_c一定时，单位体积携能介质能够提供的输出功率，

$\mathrm{\δ}=f(P_{os},h,l_o,S_c,l_p,l_s,D,V_{core},\mathrm{\θ})=\frac{P_{os}}{V_{coil}+V_{core}}{w}_{\mathrm{\δ}}$

其中，

式中，携能特性指标δ为关于输出功率P_os、绕线体积V_coil、磁芯体积V_core以及权重w_δ的函数；输出功率P_os为满足发射线圈激励电流I_p幅值及系统工作频率f恒定，且传能距离h、水平偏移距离l₀、偏转角度θ以及传能区域面积S_c一定时的输出功率；l_p为电磁耦合机构原边线圈绕线长度，l_s为电磁耦合机构副边线圈绕线长度，D为绕线线径，h、l_o、S_c、l_p、l_s、D、V_core、θ的二级目标权重分别为w_h、w_D、w_θ，h_N为传能距离h的归一化值，l_oN为水平偏移距离l₀的归一化值，S_cN为传能区域面积S_c的归一化值，l_pN为电磁耦合机构原边线圈绕线长度l_p的归一化值，l_sN为电磁耦合机构副边线圈绕线长度l_s的归一化值，D_N为绕线线径D的归一化值，V_coreN为磁芯体积V_core的归一化值，θ_N是偏转角度θ的归一化值。

3.根据权利要求2所述的基于层次分析法和模糊综合评价的IPT系统电磁机构性能评价方法，其特征在于，发射线圈激励电流I_p、系统工作频率f、传能区域面积S_c、电磁耦合机构原边线圈绕线长度l_p、电磁耦合机构副边线圈绕线长度l_s、绕线线径D以及磁芯体积V_core均为成本型指标，按照X_N＝(X_max-X)/(X_max-X_min)进行归一化，其中，发射线圈激励电流I_p及系统工作频率f与电磁耦合机构的输出功率P_out、IPT系统传输功率η成平方关系，归一化时，令X为和f²；最大可水平偏移距离l_M、最大可传输距离h_M、最大可偏转角度θ_M、传能距离h、水平偏移距离l₀以及偏转角度θ均为效益型指标，按照X_N＝(X-X_min)/(X_max-X_min)进行归一化；负载R_L为适中型指标，按照X_N＝|X-X₀|/(X_max-X_min)进行归一化；式中，X_N为指标归一化值，取值范围为[0,1]，无量纲，X_max与X_min分别为指标X系统所需的上、下界，X₀为指标X系统所需的适中值。