CN108988503B - 用于双极无线充电系统的组合式中继线圈及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于双极无线充电系统的组合式中继线圈及其设计方法，所述组合式中继线圈设置于发射线圈与接收线圈之间，包括磁芯和多个绕设于所述磁芯上的分离绕组，多个所述分离绕组间隔设置。与现有技术相比，本发明不仅可以提升系统效率，并且增强了系统的抗偏移能力，扩大了系统的有效充电区域。

Description

用于双极无线充电系统的组合式中继线圈及其设计方法
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其是涉及一种用于双极无线充电系统的组合式中继线圈及其设计方法。
背景技术
中继线圈的使用可以极大提升无线电能传输系统的传输距离。由于平面环形线圈有效充电区域及相对传输高度的限制，新型的双极线圈，如double D pad(DDP)，广泛用于电动汽车无线充电。由于线圈之间的配合限制，平面环形中继线圈不能应用在双极线圈系统中。
目前的无线电能传输系统中继线圈还存在以下不足：
1、当前基于磁耦合原理的无线充电系统充电距离有限，无法满足许多工作环境对充电距离和效率的要求。
2、目前对无线电能传输中继线圈的研究主要集中于MRC系统，没有专门针对IPT系统中继结构的研究。
3、无线电能传输的大功率应用场合大多采用双极线圈，导致传统圆环形中继线圈中继作用的失效。
4、一般中继线圈结构仅能增大传输距离，对系统抗偏移性能没有提升。
5、一般的平板线圈在作为中继线圈时，为保证双侧磁通的利用，无法安装磁芯，中继作用不显著。
鉴于以上原因，传统的中继线圈研究的成果难以运用于电动汽车无线充电等大功率，高抗偏移能力要求的应用中。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于双极无线充电系统的组合式中继线圈及其设计方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于双极无线充电系统的组合式中继线圈，设置于发射线圈与接收线圈之间，包括磁芯和多个绕设于所述磁芯上的分离绕组，多个所述分离绕组间隔设置。
进一步地，所述磁芯为铁氧体磁芯。
进一步地，所述磁芯为H型磁芯。
本发明还提供一种组合式中继线圈的结构设计方法，该方法根据系统效率和抗偏移性能构造目标方程，并采用贝叶斯优化算法求解所述目标方程，获得组合式中继线圈的最优结构参数。
进一步地，所述结构参数包括分离绕组的绕组匝数和各分离绕组间的间距。
进一步地，所述目标方程为：
Figure GDA0003209010810000021
Figure GDA0003209010810000022
式中，f(n,d)为目标函数，n为绕组匝数，d为各分离绕组间的间距，nmin、nmax分别为n的最小值和最大值，dmin、dmax分别为d的最小值和最大值，k23为发射线圈和组合式中继线圈间的耦合系数，kN为特定组合的n、d值对应的无偏移耦合系数，α1、α2、α3为设定系数，mis为接收线圈中心相对中继线圈中心的偏移量。
本发明还提供一种双极无线电能传输系统，包括所述的组合式中继线圈。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明的组合式中继线圈绕设有绕组，具有双面磁通性质，可以充分利用其两侧的磁通，且这种性质不会因铁氧体磁芯的加入而改变。
2)本发明组合式中继线圈具有磁芯，可以显著提高中继线圈与发射及接收线圈之间的耦合，并且增大了中继线圈的等效电感，从而增大了其品质因数，非常适合作为大功率IPT系统的中继线圈。
3)本发明的多个分离绕组的匝数及绕组分离距离均可以方便调节，给系统性能优化提供了调节空间。
4)本发明磁芯采用H形磁芯，减轻了系统重量，降低了成本。
5)使用贝叶斯优化算法(BOA)减少了优化过程的采样数量，大大缩短了仿真计算时间。
6)本发明中继结构能够有效运用于目前采用极化线圈的大功率无线电能传输系统中，不仅可以提升系统效率，并且增强了系统的抗偏移能力，扩大了系统的有效充电区域。这对于电动汽车静态及动态无线充电的大范围应用均有显著意义
附图说明
图1为本发明组合式中继线圈结构及其在双极线圈系统中的耦合结构示意图；
图2为系统仿真模型，其中，(2a)为现有DDPR(DDP Repeater)系统，(2b) 为本发明的AR(Assembled Repeater)系统；
图3为系统等效电路；
图4为贝叶斯优化算法流程图；
图5为DDPR及AR系统耦合系数仿真结果示意图；
图6为AR绕组匝数n及分离距离d对系统耦合的影响分析示意图，其中，(6a) 中n＝7、d＝4mm，(6b)中n＝7、d＝40mm，(6c)中n＝14、d＝4mm；
图7为AR不同绕组匝数n及分离距离d下偏移量mis对耦合系数k23的影响示意图，其中，(7a)为耦合系数受绕组分离距离d和偏移量mis的影响，(7b)为耦合系数受绕组匝数n和偏移量mis的影响；
图8为AR铁氧体板中的磁感应强度分布示意图；
图9为AR及DDPR系统充电区域对比示意图，(9a)为AR系统，(9b)为 DDPR系统；
图10为AR及DDPR系统效率对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明提供一种用于双极无线充电系统的组合式中继线圈，设置于发射线圈与接收线圈之间，包括磁芯1和多个绕设于所述磁芯1上的分离绕组2，多个所述分离绕组2间隔设置，磁芯1侧面面积A为有效面积。
在某些实施例中，磁芯1可为铁氧体磁芯。
在某些实施例中，磁芯1可为H型磁芯，以减轻系统重量，降低成本，铁氧体板中的磁感应强度分布如图8所示。
基于上述组合式中继线圈，可以实现一种有效的双极无线电能传输系统(AR 系统)，系统等效电路如图3所示，图中，TX为发射线圈，RE为中继线圈，RX 为接收线圈，Vs为高频电源，L1、L2、L3分别为发射线圈、中继线圈和接收线圈的线圈自感，r1、r2、r3分别为发射线圈、中继线圈和接收线圈的线圈电阻，C1、C2、 C3为补偿电容，Rs为电源内阻，RL为负载电阻，k12、k13、k23为线圈之间的耦合系数。
系统回路电流方程：
Figure GDA0003209010810000041
其中
Figure GDA0003209010810000042
Figure GDA0003209010810000043
由于发射线圈与接收线圈之间的耦合远小于相邻线圈之间的耦合，即k13<<k12且k13<<k23，可以忽略发射线圈与接收线圈之间的交叉耦合。
解(1)得
Figure GDA0003209010810000044
其中
Figure GDA0003209010810000045
若系统工作于谐振频率，则系统输出功率为：
Figure GDA0003209010810000046
其中
Figure GDA0003209010810000047
系统效率为
Figure GDA0003209010810000051
其中，
Figure GDA0003209010810000052
表示线圈品质因数。
由式(5)及式(6)，系统输出功率主要受耦合系数k12，k23影响，而系统效率主要受耦合系数k12，k23及系统各线圈的品质因数影响。由于中继线圈一般置于发射与接收线圈间隙的中部附近，k12与k23对系统的影响特性基本相同。发射及接收线圈参数固定，中继线圈品质因数主要受尺寸参数影响。因此，通过提高并稳定耦合系数k23及改变中继线圈尺寸参数(主要是匝数)提高Q2可以提高系统效率及抗偏移能力。
本发明提供一种组合式中继线圈的结构设计方法，该方法根据系统效率和抗偏移性能构造目标方程，并采用贝叶斯优化算法求解所述目标方程，获得组合式中继线圈的最优结构参数，包括分离绕组的绕组匝数n和各分离绕组间的间距d。
AR结构的优化：
优化目标函数：
Figure GDA0003209010810000053
其中kN为特定(n,d)值对应的中继与接收线圈之间的无偏移(mis＝0)耦合系数。
本实施例中，实验系统参数如表1所示，贝叶斯优化算法(BOA)的优化流程图如图4所示，优化获得绕组匝数n＝9和各分离绕组间的间距d＝124mm。
不同绕组匝数n及分离距离d对系统耦合的影响如图6所示。不同绕组匝数n 及分离距离d下偏移量mis对耦合系数k23的影响如图7所示。
表1实验系统参数
Figure GDA0003209010810000054
Figure GDA0003209010810000061
本实施例中，将本发明的AR系统与现有的DDPR系统做比较，耦合系数k23仿真结果如图5所示，充电区域对比结果如图9所示，系统效率对比结果如图10 所示，线圈重量及成本对比结果如表2所示。
表2中继线圈重量及成本对比
Figure GDA0003209010810000062
优化后的基于AR系统与传统DDPR系统相比，由于前者耦合的增强及抗偏移性能的提升，不仅使得系统的有效充电区域扩大为后者的三倍，且在存在较大偏移的情况下，系统效率有了显著提高(偏移200mm时，效率提升7.6％)。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种组合式中继线圈的结构设计方法，其特征在于，所述组合式中继线圈设置于发射线圈与接收线圈之间，包括磁芯和多个绕设于所述磁芯上的分离绕组，多个所述分离绕组间隔设置，
该方法根据系统效率和抗偏移性能构造目标方程，并采用贝叶斯优化算法求解所述目标方程，获得组合式中继线圈的最优结构参数，包括分离绕组的绕组匝数和各分离绕组间的间距；
所述目标方程为：
Figure FDA0003209010800000011
Figure FDA0003209010800000012
式中，f(n,d)为目标函数，n为绕组匝数，d为各分离绕组间的间距，nmin、nmax分别为n的最小值和最大值，dmin、dmax分别为d的最小值和最大值，k23为组合式中继线圈间和接收线圈的耦合系数，kN为特定组合的n、d值对应的无偏移耦合系数，α1、α2、α3为设定系数，mis为接收线圈中心相对中继线圈中心的偏移量。
2.根据权利要求1所述的组合式中继线圈的结构设计方法，其特征在于，所述磁芯为铁氧体磁芯。
3.根据权利要求1所述的组合式中继线圈的结构设计方法，其特征在于，所述磁芯为H型磁芯。
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