CN107038323B - 一种用于电动汽车无线充电系统磁耦合结构优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于电动汽车无线充电系统磁耦合结构优化方法，针对电动汽车无线充电系统谐振线圈耦合系数较小、磁场泄露较大的特点，利用有限元仿真软件从系统谐振线圈自身参数和谐振磁链结构两方面进行综合优化分析，首先实现了无线充电系统在传输距离一定时同时具备高耦合系数、低磁场泄露以及较好鲁棒性的优化目标；其次，以实际电动汽车对充电装置体积和重量的限制为约束条件，通过该优化方法使磁耦合结构的重量在要求范围内。本方法一改传统谐振线圈参数的优化模式，对电动汽车磁耦合谐振式无线充电系统的优化设计具有重要的指导作用。

Description

一种用于电动汽车无线充电系统磁耦合结构优化方法

技术领域

本发明涉及无线充电系统磁耦合结构的优化设计方法，特别是涉及到一种磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统磁耦合结构的优化设计方法。

背景技术

磁耦合谐振式无线电能传输技术自2007年被MIT科学家首次提出后，由于其在体内医疗植入设备、便携式移动设备、电动汽车无线充电等领域具有巨大的市场潜力，得到了迅速地发展。

近年来，越来越多的科研人员将研究目光集中在磁耦谐振式无线充电电动汽车上。而电动汽车因其固有的特性，使耦合谐振线圈必须具有较大的距离，这会导致线圈耦合系数较小，漏感较大。较小的耦合系数势必会限制传输效率，产生较大的磁场泄露，对周围空间环境会造成一定的电磁干扰。因此，在磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统中，磁耦合结构的优化设计就显得极为重要。

发明内容

发明目的：为了克服现有谐振线圈优的化方案不足，针对电动汽车无线充电系统谐振线圈耦合系数较小、磁场泄露较大的特点，本发明提出一种用于电动汽车无线充电系统磁耦合结构优化方法。

技术方案：一种用于电动汽车无线充电系统磁耦合结构优化方法，其特征在于，所述电动汽车无线充电系统磁耦合结构包括发射线圈、接收线圈、铁氧体磁芯以及铝屏蔽层，车身底盘与地面距离固定为185mm；所述发射线圈和接收线圈均由利兹线绕制而成；所述优化目标为传输效率高于97％、磁芯重量低于1kg、磁场泄露低于ICNIRP最高标准；所述优化工具为有限元仿真软件ANSYS Maxwell；所述优化步骤为：

1)设定磁耦合结构的相关初始参数和设计约束条件；

2)基于初始单匝线圈模型，以取得最大强耦合系数K_Q为优化目标，利用有限元仿真软件对收发线圈外半径r_out进行优化；

3)在找到最优外半径的基础上，同理对收发线圈内半径r_in进行优化；

4)对收发线圈厚度t_w进行优化；

5)以不降低K_Q且满足系统对磁芯重量的要求和尽量节省磁芯材料为目的，利用Maxwell软件中的非线性顺序编程算法对铁氧体磁芯的相关参数进行优化；

6)判断优化后的铁氧体磁芯重量Z是否在限制范围内；

7)判断优化后的系统传输效率是否达到97％；

8)前面条件均满足后，通过N_1x确定收发线圈匝数；

其中，N_1x、N_2x发射和接收线圈匝数；L₂₀为收发线圈单匝电感；R_eq为最佳等效负载；k为收发线圈耦合系数；ω₀是系统工作角频率。

9)通过计算发射端电流I₁和接收电流I₂，使用有限元软件模拟磁场分布；

10)判断磁场泄露是否低于最高标准。

与现有的优化方案相比较，本发明的突出优点在于：本发明综合了耦合结构优化设计的两个方面，一是线圈自身参数的设计，包括线圈的形状、匝数、半径、材料等；二是谐振磁链结构的设计，包括引入磁芯、铝屏蔽层等，提出了一套完整的磁耦合结构优化设计方案，该方案不仅可以提高系统耦合系数、降低磁场泄露，同时还在满足磁耦合结构重量限制的基础上增加系统对水平偏移的容忍性。

附图说明

图1为电动汽车磁耦合谐振式无线充电系统结构图；

图2为电动汽车MCR-WPT系统等效电路模型；

图3为电动汽车无线充电系统磁耦合结构优化设计流程图；

图4为电动汽车无线充电系统磁耦合结构仿真初始设计模型；

图5为发射侧磁芯参数优化示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明提出的磁耦合结构优化设计方案做更进一步的解释。需要说明的是，本方案仅以1kw级高尔夫电动汽车无线充电系统为例，而并非限制了本优化方案的范围及其应用。

如图1所示，一种用于电动汽车无线充电系统磁耦合结构优化方法中，电动汽车磁耦合谐振式无线充电系统包括激励电源、功率放大器、磁耦合机构、整流滤波稳压电路和蓄电池组成，其中灰色矩形示意磁场泄露。其中，功率放大器用于将激励电源提供的200V/50HZ交流电转换成高频高压的交流电输送给磁耦合结构；而磁耦合结构一般包括励磁线圈、发射线圈、接收线圈、负载线圈以及磁屏蔽层，它的工作过程是励磁线圈首先通过电磁感应将电能传递到发射线圈上，然后收发线圈因谐振进行高效的能量交换，最后负载线圈再通过电磁感应获取接收线圈上的电能；此后，负载线圈上的电压经整理滤波稳压电路后输送给蓄电池，从而完成整个充电过程。

如图2所示为本发明实施的SS型电动汽车MCR-WPT系统简化后的等效耦合模型，其中，I₁、I₂为发射和接收线圈电流，U_S为励磁线圈反射到发射线圈上的等效电压，R_eq为负载线圈反射到接收线圈上的等效电阻；R₁和R₂为谐振线圈等效串联电阻；M为互感；ω₀是系统工作角频率。采用电路理论对模型进行分析，由KVL可得：

其中，ω₀是系统工作角频率，X₁和X₂是发射线圈和接收线圈的等效电抗；

当电源发射信号的频率与收发线圈的固有频率相同时，系统完全谐振，此时有X₁＝X₂＝0，通过求解电路方程可得系统传输效率为公式：

如图3所示，一种用于电动汽车无线充电系统磁耦合结构优化方法，其优化步骤为：

1)设定磁耦合结构的相关初始参数和设计约束条件；

2)基于初始单匝线圈模型，以取得最大强耦合系数K_Q为优化目标，利用有限元仿真软件对收发线圈外半径r_out进行优化；

3)在找到最优外半径的基础上，同理对收发线圈内半径r_in进行优化；

4)对收发线圈厚度t_w进行优化；

5)以不降低K_Q且满足系统对磁芯重量的要求和尽量节省磁芯材料为目的，利用Maxwell软件中的非线性顺序编程算法对铁氧体磁芯的相关参数进行优化；

6)判断优化后的铁氧体磁芯重量Z是否在限制范围内；

7)判断优化后的系统传输效率是否达到97％；

8)前面条件均满足后，通过N_1x确定收发线圈匝数；

其中，N_1x、N_2x发射和接收线圈匝数；L₂₀为收发线圈单匝电感；R_eq为最佳等效负载；k为收发线圈耦合系数；ω₀是系统工作角频率。

9)通过计算发射端电流I₁和接收电流I₂，使用有限元软件模拟磁场分布；

10)判断磁场泄露是否低于最高标准。

上述步骤1)中需首先根据系统线圈最大半径小于245mm、线圈最大厚度18mm、车底盘距地面距离185mm、磁芯重量低于1kg、输出电压150V、输出功率1kw等约束条件，选定相关初始参数在有限元仿真软件Maxwell中建立磁耦合结构的初始模型，如图4所示，其中，初始参数包括谐振线圈外半径r_out、内半径r_in、线圈厚度t_w以及线圈的宽度w；另择型号为PL-13铁氧体磁芯作为磁屏蔽层，初始形状为半径245mm、厚度为4mm的圆柱。另选择电导率为33.9MS/m的铝片作为导体屏蔽层，其形状为半径290mm、厚度为1mm的圆柱。此外，为了尽量减少铝屏蔽层的涡流损耗，使铝屏蔽层和铁氧体磁芯具有5mm的间距。需要说明的是，在利用Maxwell对线圈进行优化时，可以建立单匝线圈模型，使用绞线电流传输路径模拟实际理想利兹线，同时忽略线圈的趋附效应和邻近效应以及导线内部的位移电流。

上述步骤2)中的强耦合系数K_Q由下列公式推导而来：

先由[0024]知系统传输效率公式为：

设收发线圈耦合系数为k，品质因数为Q₁、Q₂，另设接收线圈外部品质因数为Q_e，则：

将公式(2)代入到公式(1)可得：

通过公式(1)和公式(2)求解dη/dR_eq＝0，可知当取得最佳等效负载R_eq,opt时可得最大传输效率η_max，即：

引入强耦合系数K_Q＝k²Q₁Q₂，则式(4)可表示为：

由公式(5)可知，最大传输效率仅由强耦合系数K_Q所决定，K_Q越大，传输效率越高。

上述步骤2)中以强耦合系数K_Q为优化目标，对收发线圈外半径r_out进行优化的具体方法为令线圈宽度w和线圈厚度t_w均为10mm，利用Maxwell软件的参数扫描功能对线圈外半径进行扫描，同时计算得出每一个外半径下的强耦合系数，由此可得出收发线圈外半径与强耦合系数关系的等高线图，而得到取最大K_Q时的最优收发线圈外半径r_out。

上述步骤3)对收发线圈内半径优化、步骤4)对收发线圈厚度优化方法与步骤2)对收发线圈外半径优化方法一致。

上述步骤5)对铁氧体磁芯进行，由于铁氧体磁滞损耗P_core＝C_mf^aB_max ^β，C_m、α、β一般为常数，当工作频率f给定时，磁滞损耗仅取决去B_max。通过对磁耦合结构进行有限元仿真，在后处理中可求得收发端磁芯磁感应强度分布图，从图中可知故大部分铁氧体磁芯未得到充分利用。为了使磁芯磁场分布均匀，尽量减少磁芯磁滞损耗和磁芯重量。基于磁芯磁感应强度与磁芯横截面积的大小成反比，提出磁芯厚度随半径方向逐渐减小且减小趋势与前磁感应强度幅值变化趋势相同的方案。但是出于对磁芯加工工艺复杂度的考虑，同时为简化优化过程，最终将磁芯厚度非线性变化设计用多段线性变化的厚度来代替，如图5所示，接收端与其相似，其中t₁、t₂、t₃、L₁、L₂是根据优化目标需要确定的磁芯参数。此外，本发明通过对磁芯结构进行优化设计不仅能够降低磁芯磁滞损耗、达到磁芯重量限制的条件，还能增加系统对水平偏移的容忍性。

所述步骤6)中，基于磁芯重量与体积成线性关系，根据系统自身对磁芯重量的限制，设定磁芯重量低于Z_max＝1kg，通过对体积的优化即可达到对重量的约束条件。

所述步骤7)中，判断传输效率是否高于97％。由公式(2)和(3)可得：

其中，a＝R₂/R_eq，从式(6)可知，当a一定时，可得取理想传输效率时的最小强耦合系数。当等效负载为22.5Ω，接收线圈等效串联电阻约为50-100mΩ时，如果要求η为97％以上，则K_Q必须大于15750。

所述步骤8)中公式(11)是由如下公式推导所得：

为了尽可能减小接收端整流器产生电流I₂的谐波分量，需满足下面公式：

为了达到电流I₁的低谐波分量，需满足：

由公式(2)、(7)和(8)可得：

通常，谐振线圈的自感、互感和等效串联电阻可以进行如下表示：

L₁＝N_1x ²L₁₀ L₂＝N_2x ²L₂₀ M＝N_1xN_1xM₀ R₁＝N_1x ²R₁₀ R₂＝N_2x ²R₂₀ (10)

其中，N_1x、N_2x发射和接收线圈匝数，L₁₀和L₂₀为收发线圈单匝电感，R₁₀和R₂₀为收发线圈单匝电阻。

此外，将L₂＝N_2x ²L₂₀代入公式(9)可得：

所述步骤9)和步骤10)可通过计算法算出收发端电流，然后在有限元软件Maxwell中模拟磁场分布，从而判断磁场泄露是否低于国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)导则的标准。

另外，本发明提出的磁耦合结构优化方法仅仅是以1kw级高尔夫电动汽车无线充电系统为例进行了说明，本领域技术人员还可以在本发明原理的前提下做出其他改变，当然，依据本发明原理所做出的变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于电动汽车无线充电系统磁耦合结构优化方法，其特征在于：所述电动汽车无线充电系统磁耦合结构包括发射线圈、接收线圈、铁氧体磁芯以及铝屏蔽层，车身底盘与地面距离固定为185mm；所述发射线圈和接收线圈均由利兹线绕制而成；所述优化目标为传输效率高于97％、磁芯重量低于1kg、磁场泄露低于ICNIRP最高标准；所述优化工具为有限元仿真软件ANSYS Maxwell；所述优化步骤为：

1)设定磁耦合结构的相关初始参数和设计约束条件；

2)基于初始单匝线圈模型，以取得最大强耦合系数K_Q(定义K_Q＝k²Q₁Q₂)为优化目标，利用有限元仿真软件对收发线圈外半径r_out进行优化；

3)在找到最优外半径的基础上，同理对收发线圈内半径r_in进行优化；

4)对收发线圈厚度t_w进行优化；

5)以不降低K_Q且满足系统对磁芯重量的要求和尽量节省磁芯材料为目的，利用Maxwell软件中的非线性顺序编程算法对铁氧体磁芯的相关参数进行优化；

6)判断优化后的铁氧体磁芯重量Z是否在限制范围内；

7)判断优化后的系统传输效率是否达到97％；

8)前面条件均满足后，通过N_1x确定收发线圈匝数；

其中，N_1x、N_2x发射和接收线圈匝数；L₂₀为收发线圈单匝电感；R_eq为最佳等效负载；k为收发线圈耦合系数；ω₀是系统工作角频率；

9)通过计算发射端电流I₁和接收电流I₂，使用有限元软件模拟磁场分布；

10)判断磁场泄露是否低于最高标准。

2.如权利要求1所述的电动汽车无线充电系统磁耦合结构优化方法，其特征在于：所述步骤5)中，对磁芯的优化方法是基于磁芯磁感应强度与磁芯横截面积的大小成反比，因此提出磁芯厚度随半径方向逐渐减小且减小趋势与前磁感应强度幅值变化趋势相同的方案，但是出于对磁芯加工工艺复杂度的考虑，同时为简化优化过程，最终将磁芯厚度非线性变化设计用多段线性变化的厚度来代替；此外，基于磁芯重量与体积成线性关系，所述步骤6)中，根据系统自身对磁芯重量的限制，设定磁芯重量低于Z_max＝1kg，通过对体积的优化即可达到对重量的约束条件。

3.如权利要求1所述的电动汽车无线充电系统磁耦合结构优化方法，其特征在于：所述步骤7)中，判断传输效率是否高于97％，由下列公式：

可知，其中a＝R₂/R_eq，当a一定时，可得取理想传输效率时的最小强耦合系数；当等效负载为22.5Ω，接收线圈等效串联电阻约为50-100mΩ时；如果要求η为97％以上，则K_Q必须大于15750。