CN107394904A - 电动汽车无线充电用高容偏率耦合谐振器设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电动汽车无线充电用高容偏率耦合谐振器设计方法，包括以下步骤：确定谐振器中发射线圈的结构；选择发射线圈的尺寸；计算发射线圈中心位置处的传输效率η0，以及充电系统的容偏率T；容偏率T为最大偏移距离s0处的传输效率ηs0与中心位置传输效率η0的比值；通过赋予容偏率和中心位置传输效率不同的权值计算系统性能评价因子，如果系统性能评价因子小于设定阈值，则继续修改线圈的尺寸直至达到设定阈值。引入容偏率来衡量充电效率随位置偏移的变化趋势，权衡了容偏率和传输效率两个指标，为高容偏率耦合谐振器的设计提供了有效的指导，在电动汽车无线充电领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，具体涉及一种电动汽车无线充电系统中耦合谐振器设计方法。
背景技术
发展电动汽车是节能、环保和低碳经济的需求，对缓解环境污染、保障能源安全和供给具有重要的战略意义。与有线充电方式相比，无线充电方式可以有效避免有线充电接口机械摩擦带来的漏电问题，极大地提高电动汽车充电的便捷性，有利于促进电动汽车的进一步普及。
电动汽车的无线充电是通过分别在地面和汽车底盘安装一个线圈，两个线圈之间通过磁耦合谐振的方式进行能量的交换，进而为车载电池供电。无线充电效率是电动汽车无线充电系统设计的重要指标，而耦合谐振器的设计是左右无线充电效率的决定性因素，特别是在电动汽车汽车停车位置与充电车位有一定偏移的情况下，充电效率会出现一定程度的跌落。
为此，电动汽车用高容偏率耦合谐振器的设计方法被提出，该方法可以将位置偏移对效率的影响定量化，同时考虑了整体效率的优化，一方面可丰富电动汽车无线充电系统的评价体系，另一方面可以为工程实践提供有效的指导。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种电动汽车无线充电用高容偏率耦合谐振器设计方法，从传输效率和容偏率两个系统特性可以体现系统设计的不同要求。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种电动汽车无线充电用高容偏率耦合谐振器设计方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤S1，确定谐振器中发射线圈的结构；
步骤S2，选择发射线圈的尺寸；
步骤S3，计算发射线圈中心位置处的传输效率η0，以及充电系统的容偏率T；容偏率T为最大偏移距离s0处的传输效率ηs0与中心位置传输效率η0的比值；
步骤S4，通过赋予容偏率和中心位置传输效率不同的权值计算系统性能评价因子，如果系统性能评价因子小于设定阈值，则继续修改线圈的尺寸直至达到设定阈值。
进一步的，线圈的结构包括螺旋式、盘式和双极型。
进一步的，充电系统的传输效率可以表达为：
其中，Z1＝jωL1+1/jωC1+R1,Z2＝jωL2+1/jωC2+R2+RL；R1和R2分别代表发射线圈与接收线圈的内阻，RL代表接收线圈后端的等效电阻，L1和L2分别代表发射线圈与接收线圈的自感，C1和C2分别代表发射端和接收端的谐振补偿电容，M代表发射线圈与接收线圈间的互感。
进一步的，采用聂以曼公式计算最大偏移距离时对应的互感Ms0与中心位置时对应的互感M0。
进一步的，系统性能评价因子为PEF＝αT+βη0，权值α+β＝1。
进一步的，当设计需求偏向于重点考虑传输效率时，可将传输效率的权值β设置大于容偏率的权值α；当设计需求偏向于重点考虑容偏率时，可将传输效率的权值β设置小于容偏率的权值α。
进一步的，发射线圈为正方形，修改尺寸即修改正方形发射线圈的边长；当性能评价因子小于设定阈值时，缩小线圈边长。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明提出的高容偏率耦合谐振器设计方法，一方面可以保证系统工作在较高的效率，另一方面可以保证收发线圈存在一定偏移情况下的效率稳定，即获得高容偏率，为无线电能传输技术在电动汽车供电中的应用提供了一定的参考价值。
附图说明
图1为电动汽车无线供电系统中收发线圈及充电车位的位置关系示意图；
图2为电动汽车无线供电系统的等效电路图；
图3为不同发射线圈尺寸下能量传输效率与偏移距离的关系；
图4为高容偏率耦合谐振线圈设计的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
图1代表电动汽车无线供电系统中能量收发线圈以及充电车位的位置关系示意图。如图1所示，在充电车位中心处设有发射线圈(矩形框a1-b1-c1-d1)，电动汽车停靠在充电车位相应位置以进行充电，电动汽车无线供电系统中接收线圈(矩形框a2-b2-c2-d2)靠近发射线圈，发射线圈是固定的，接收线圈的位置不确定，定义接收线圈中心位置与充电车位边界重合时的情形为充电的最大偏移距离s0(即接收线圈中心处距离发射线圈中心处距离)，最大偏移距离s0处的传输效率ηs0与中心位置传输效率η0的比值定义为容偏率。此中心位置是指当接收线圈中心与发射线圈中心重合时表示接收线圈在中心位置，即两个线圈同轴位置处。
图2为电动汽车无线供电系统的等效电路图，US代表发射线圈端的充电电压，R1和R2分别代表发射线圈与接收线圈的内阻，RL代表接收线圈后端的等效电阻，L1和L2分别代表发射线圈与接收线圈的自感，C1和C2分别代表发射端和接收端的谐振补偿电容，M代表发射线圈与接收线圈间的互感，M0代表中心位置处发射线圈与接收线圈的互感。
根据基尔霍夫定律，得：
式中，ω＝2πf，Z1＝jωL1+1/jωC1+R1,Z2＝jωL2+1/jωC2+R2+RL。
其中，f为系统工作频率。
由上式解得收发线圈中的电流分别为：
充电系统的传输效率可以表达为：
已知互感由收发线圈参数、收发线圈间的轴向距离和径向偏移距离共同决定。轴向距离是指收发线圈各自所在平面之间的距离，即垂直距离；径向偏移距离是指在水平面方向上的偏移距离；最大偏移距离s0是指该偏移距离的最大值。采用聂以曼公式计算两线圈之间的互感是无线电能传输技术领域常见的方法。也就是说，以上公式中的未知量M可以根据聂以曼公式推算出存在径向偏移时的互感公式来计算。此属于现有技术，具体计算过程此处不再赘述。
已知最大偏移距离s0处的传输效率ηs0与中心位置传输效率η0的比值定义为容偏率。假设容偏率为T，通过聂以曼公式计算最大偏移距离时对应的互感Ms0与中心位置时对应的互感M0，将Ms0和M0分别代入公式计算得到ηs0和η0，进而得到容偏率T。
利用MATLAB软件计算得到不同发射线圈尺寸下能量传输效率与偏移距离的关系，如图3所示。图3是以长度l这一维度为特例，研究不同发射线圈尺寸下能量传输效率与偏移距离的关系，长度和宽度都会影响。在图3中，各曲线的平顶部分高度不一样，长度l越小，对应曲线平顶部分越高，即效率越高。也就是说，发射线圈的尺寸越小，系统的容偏率越小，但中心区域所能取得的传输效率越大；相反，发射线圈的尺寸越大，系统的容偏率越大，中心区域所取得的传输效率越小。
由于接收线圈尺寸受到电动汽车空间限制，自由设计空间不大，因此本专利重点考虑在接收线圈尺寸固定的情况下，设计发射线圈。所以，需要根据具体的系统要求选取合适的发射线圈尺寸，基于此设计了如图4所示的谐振线圈设计流程图。具体设计步骤如下：
步骤S1，首先确定谐振器中线圈的结构，如螺旋式、盘式或双极型等。针对不同结构的线圈，采用聂以曼公式计算得到的线圈之间互感不同。
步骤S2，其次选择发射线圈的尺寸，将其尺寸设计在阈值以内，具体的阈值根据需求者所能够提供的场地等因素确定。
步骤S3，计算发射线圈中心位置处的传输效率，以及充电系统的容偏率。
步骤S4，通过赋予容偏率和中心位置传输效率不同的权值计算系统性能评价因子，如果系统性能评价因子小于设定阈值，则继续修改线圈的尺寸直至达到设定阈值。
系统性能评价因子假设为PEF，PEF＝αT+βη0，α+β＝1。从传输效率和容偏率两个系统特性可以体现系统设计的不同要求，当设计需求偏向于重点考虑传输效率时，可将传输效率的权值β设置为0.75，相应的容偏率的权值α设置为0.25；当设计需求偏向于重点考虑容偏率时，可将传输效率的权值β设置为0.25，相应容偏率的权值α设置为0.75。本实施例中性能评价因子的设定阈值为0.85。
发射线圈为正方形，尺寸修改即修改正方形发射线圈的边长。当性能评价因子小于要求阈值时，缩小线圈边长；当性能评价因子大于设定阈值时，此线圈尺寸满足要求，结束线圈设计，此充电系统则使用该参数的谐振器。
本发明提出的高容偏率耦合谐振器设计方法，一方面可以保证系统工作在较高的效率，另一方面可以保证收发线圈存在一定偏移情况下的效率稳定，即获得高容偏率，为无线电能传输技术在电动汽车供电中的应用提供了一定的参考价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.电动汽车无线充电用高容偏率耦合谐振器设计方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤S1，确定谐振器中发射线圈的结构；
步骤S2，选择发射线圈的尺寸；
步骤S3，计算发射线圈中心位置处的传输效率η0，以及充电系统的容偏率T；容偏率T为最大偏移距离s0处的传输效率ηs0与中心位置传输效率η0的比值；
步骤S4，通过赋予容偏率和中心位置传输效率不同的权值计算系统性能评价因子，如果系统性能评价因子小于设定阈值，则继续修改线圈的尺寸直至达到设定阈值。
2.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电用高容偏率耦合谐振器设计方法，其特征是，线圈的结构包括螺旋式、盘式和双极型。
3.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电用高容偏率耦合谐振器设计方法，其特征是，充电系统的传输效率可以表达为：
<mrow>
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<mo>+</mo>
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<mi>&omega;</mi>
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</msup>
<msup>
<mi>M</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
<mo>|</mo>
</mrow>
其中，Z1＝jωL1+1/jωC1+R1,Z2＝jωL2+1/jωC2+R2+RL；R1和R2分别代表发射线圈与接收线圈的内阻，RL代表接收线圈后端的等效电阻，L1和L2分别代表发射线圈与接收线圈的自感，C1和C2分别代表发射端和接收端的谐振补偿电容，M代表发射线圈与接收线圈间的互感。
4.根据权利要求3所述的电动汽车无线充电用高容偏率耦合谐振器设计方法，其特征是，采用聂以曼公式计算最大偏移距离时对应的互感Ms0与中心位置时对应的互感M0。
5.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电用高容偏率耦合谐振器设计方法，其特征是，系统性能评价因子为PEF＝αT+βη0，权值α+β＝1。
6.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电用高容偏率耦合谐振器设计方法，其特征是，当设计需求偏向于重点考虑传输效率时，可将传输效率的权值β设置大于容偏率的权值α；当设计需求偏向于重点考虑容偏率时，可将传输效率的权值β设置小于容偏率的权值α。
7.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电用高容偏率耦合谐振器设计方法，其特征是，发射线圈为正方形，修改尺寸即修改正方形发射线圈的边长；当性能评价因子小于设定阈值时，缩小线圈边长。
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