CN109765504B - 一种无线充电系统参数对多组系统间共存影响的测试评判方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线充电系统参数对多组系统间共存影响的测试评判方法，包括：选取无线充电系统自身的参数和多组系统间的参数，分析参数的测试范围；通过控制变量法和改变测量点与无线充电系统的距离，测试无线充电系统在一定范围内的磁场强度变化、无线充电系统自身的原副边线圈的自感互感参数和测试系统间距离变化时磁场的变化；通过磁场强度与无线系统自身的耦合系数组合得出的新系数Q，判断参数对于系统间共存的影响大小；选取Q值较低的参数作为优势参数，确定对多组系统间共存影响最小的无线充电系统。本发明可以评判出哪种无线充电系统更适合系统间的共存，为未来多个无线充电系统或大型无线充电区域的修建提供模型借鉴和方法基础。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电系统参数的共存评判方法，具体涉及一种无线充电系统参数对多组系统间共存影响的测试评判方法，属于无线充电系统技术领域中多套无线充电系统装配时的共存影响问题。
背景技术
目前的电动汽车的充电方式主要有有线充电和无线充电(Wireless PowerTransmission，WPT)两类。适用于电动汽车的无线充电技术主要有电磁感应式和磁耦合谐振式。与电磁感应式相比，磁耦合谐振式无线能量传输(Magnetically-Coupled ResonantWire-less Power Transmission，MCR-WPT)在传输距离和传输效率方面比较有优势，可依托感应、磁耦合谐振等技术可实现传输距离为几厘米至几米，传输功率几瓦至几十千瓦，且其对横向偏移的适应性更强，故更适用于电动汽车的无线充电。
MCR-WPT技术在实际应用中，由于应用到磁耦合技术，必然涉及到磁场问题，散射的磁场可能会对其他电磁系统产生干扰，在未来可能修建的大型无线充电停车场中，必然有多个无线充电系统，如果互相之间存在干扰，无法同时进行充电，那么建设就将失去意义，要确保多个系统的共存性，确定影响最小的线圈建设方案，才能保障无线充电系统未来无限的可能性。在目前的建设工作中，有多种线圈设计方案，这些众多线圈设计中，尚未有考虑到其设计对其他无线充电系统共存影响大小的问题，因此目前需要提取线圈设计中的诸多参数，选定合适测试范围，通过控制变量法，通过合适的评判标准判断共存影响大小，为实际中多个无线充电系统区域化集中化建设提供模型借鉴和理论基础。
发明内容
发明目的：提供一种无线充电系统参数对多组系统间共存影响的测试评判方法，包括测试方案和测试评判方法，用于指导多个无线充电系统建设，通过评判方法选取最适宜的系统参数，减小系统内部和外部参数对于系统间共存的磁场影响。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种无线充电系统参数对多组系统间共存影响的测试评判方法，包括以下步骤：
(1)选取无线充电系统自身的参数和多组系统间的参数，并分析参数的测试范围；
(2)通过控制变量法改变无线充电系统自身的参数中某一参数的值，测试无线充电系统在一定范围内的磁场强度变化情况和无线充电系统自身的原副边线圈的自感互感参数；
(3)通过改变测量点与无线充电系统的距离，测试系统间距离变化时磁场的变化情况；
(4)通过磁场强度与无线系统自身的耦合系数组合得出的新系数Q，判断参数对于系统间共存的影响大小；
(5)选取Q值较低的参数作为优势参数，确定对多组系统间共存影响最小的无线充电系统。
进一步的，步骤(1)中无线充电系统自身的参数为系统内参数，包括谐振线圈的种类、尺寸和传能距离，多组系统间的参数为系统间参数，包括系统间距。
进一步的，步骤(1)中参数的测试范围参考SAE协会标准，选定其中1至2种线圈种类，自主设定与标准中类似的线圈尺寸，设定标准中已框定的传能距离变化范围。
进一步的，步骤(2)中包括以下几种情况：
情况一：当线圈种类改变时，保持其尺寸与所参考尺寸一致，传能距离不变；
情况二：在改变线圈尺寸时，仅仅将线圈最外圈往外扩大/往里缩小相同的尺寸，其他圈线圈相应变化，不改变尺寸中其他变量和线圈种类、传能距离；
情况三：在改变线圈传能距离时只等距离改变距离，不改变尺寸和线圈种类；
然后在相应的测试点使用磁场测量仪进行磁场强度测试，使用LCR分析仪测试自感并用正接反接法测试互感参数；公式为：
L正＝L1+L2+2M；
L反＝L1+L2-2M；
其中，L正为将两个线圈的接线两端正接(入线端接入线端，出线端接出线端)时LCR分析仪测试得到的自感值，L1为无线充电系统原边线圈自感，L2为无线充电系统副边线圈自感，L反为将两个线圈的接线两端反接时LCR分析仪测试得到的自感值，M为无线充电系统线圈互感。
进一步的，步骤(3)中通过参照磁场干扰(EMC)测试法中的3m、10m测试法，设置距离线圈中心点左右n处作为测试点，最远测试点设置距离线圈中心点为10m，然后需要等距离涵盖3m距离测试点，共n个点，包括线圈中心点在内共n+1个点，而从线圈中心点出发一共有3个方向(x，y，z)，每个方向都分布相同距离的n+1个测试点。
进一步的，步骤(4)中新系数Q的计算公式为：
其中，Q为单位耦合磁场强度，Q值越小，无线充电系统参数对多组系统间共存影响越小；H为磁场强度，k为耦合系数，M为无线充电系统线圈互感，L1为无线充电系统原边线圈自感，L2为无线充电系统副边线圈自感。
进一步的，步骤(5)中选取Q值较低的参数作为优势参数的方法为：
在得到多组Q参数后，对x，y，z轴的Q值沿着相应轴的距离从-10m到10m作出曲线图，并且将同一参数不同变化条件下的x，y，z轴曲线画入一张图中，在绘制出曲线图后，一个轴图中的曲线有多个，每一个曲线对应一个改变后的参数，由于Q值越低越好，分析每张图中分布最低的曲线，如果曲线不是每个点都分布最低，则选择出分布值低的点较多的曲线，其对应参数为优化参数，最终选取在三个轴中两个轴或全部都占优的优化参数作为此类参数的优化参数。
有益效果：与现有技术相比，本发明的评判方法从实际的无线充电系统设计参数出发，涵盖了线圈类型、线圈尺寸等各方面，更具体和全面的考虑线圈方案对系统间共存可能的影响，为电动汽车谐振线圈的绕制提供具体的指导。本发明的评判方法具有更强的精确性，可以精确指导实际无线充电系统的装配。本发明的评判方法具有更强的工程指导意义，可为未来多个无线充电系统区域化集中化建设提供模型借鉴和理论基础。
附图说明
图1为评判方法的流程图；
图2为评判方法中所使用到的圆形线圈参考图及实际图；
图3为评判方法中所使用到的盘式线圈参考图及实际图；
图4为评判方法中所使用到的测试点方案示意图；
图5为评判方法中改变线圈尺寸示意图；
图6为单位耦合磁场强度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明的设计方法做进一步说明。
如图1所示，一种无线充电系统参数对多组系统间共存影响的测试评判方法，包括以下步骤：
a、选取评判参数：选取无线充电系统自身的参数和多组系统间的参数，对于无线电能传输系统，其系统自身的参数(系统内参数)主要有：(1)谐振线圈的种类，如螺旋线形，盘式，圆形；(2)谐振线圈的尺寸，包括线圈的半径，线圈的匝间距，线圈的外径尺寸，线圈的内径尺寸，线圈的匝数等；(3)线圈的传能距离；对于其同频邻频系统，由于系统类型和结构未定，可以评估的物理参数(系统间参数)只有其与其他无线电能传输系统的距离，即系统间距。
b、设定评判参数测试范围：参考已经发布的SAE协会标准设定评判参数的测试范围；参考2017年6月修订的SAE.J2954标准修订稿，文中对于WPT1(3.7kW)-WPT3(11kW)三个功率等级分别从盘式和圆形线圈两个线圈类型进行了线圈设计，并对不同距离等级下两种线圈尺寸进行了设计，故线圈类型选取盘式和圆形两种线圈类型进行分析，由于SAE中最大只有WPT3的尺寸，距离最大为Z3，范围为170mm-250mm，，因此传能距离可选择170mm-250mm，线圈尺寸可以参照SAE中适用于WPT3(11kW)和Z3传播距离的线圈尺寸，圆形线圈和盘式线圈示意图分别如图2和3所示。
c、确定测试方案：
选定测试点如图4所示，分别为线圈系统的中心点沿着X，Y，Z轴平行的方向分布，以中心为原点，测试点距离原点为分别为：0m、1m、3m、5m、7m、9m、10m，并在原点两侧对称分布，共13个点。
测试内容：主要为测试点的磁场强度，最后还包括无线充电系统自身的原副边线圈的自感互感等参数。
测试条件：在原副边加入10A的电流激励，在线圈周围设定20m×20m×20m的空气边界，这样便可以测量到线圈周围10m以内的磁场强度。
对于线圈类型：线圈参照步骤b中尺寸设计，盘式和圆形参数表如下表1和2，线圈传能距离设置相同的190mm。
表1圆形线圈设计尺寸
表2盘式线圈设计尺寸
对于线圈尺寸：由于影响系统间磁场强度的因素较多，除了线圈自身的影响因素外，仿真时采用的铁氧体同样会影响其磁场分布，所以铁氧体统一采用一样的体积和材质，不改变其位置和大小。另外还不改变线圈的间距，匝数以及相对位置，仅仅将线圈的外径向左向右向上向下各延伸相同的20mm距离，如图5所示。
对于线圈间距：保证其他条件均不改变，仅仅改变间距，采取等值10mm改变线圈间距进行测试。
测试评判方法：使用磁场测量仪探针测量相应点的磁场强度大小，使用LCR分析仪测试不同参数条件下，原副边线圈的自感，通过正接反接法(使用正接线圈测试的自感减去反接线圈测试的自感除以四得到互感)测试互感：将原副边线圈的两端正接一次，反接一次，分别用LCR分析仪测算自感就可以计算出互感，公式如下：
L正＝L1+L2+2M；
L反＝L1+L2-2M；
其中，L正为将两个线圈的接线两端正接(入线端接入线端，出线端接出线端)时LCR分析仪测试得到的自感值，L1为无线充电系统原边线圈自感，L2为无线充电系统副边线圈自感，L反为将两个线圈的接线两端反接时LCR分析仪测试得到的自感值，M为无线充电系统线圈互感。
d、计算评判参数的评判标准，得出最优参数值。
线圈的传输能量的能力往往用耦合系数k来表示，当k相同时可以认为两套线圈系统相同输入的情况下可以传输相同能量，实际充电时传输相同能量即可以认为达到相同效益，定义新的变量名为“单位耦合磁场强度”Q，因为k代表耦合程度的大小，k越大，说明副边能感应的电流值越大，磁场强度H更强，Q等于磁场强度值除以相应的k值，不同类型的线圈即可以计算Q进行对比。
其中，Q为单位耦合磁场强度，Q值越小，说明在相同的传输能量条件下，无线充电系统向周围辐射的散射磁场越小，即无线充电系统参数对多组系统间共存影响越小；H为磁场强度，k为耦合系数，M为无线充电系统线圈互感。
e、选取Q值较低的参数作为优势参数，确定对多组系统间共存影响最小的无线充电系统。
在得到多组Q参数后，对每个轴的Q值沿着相应轴的距离从-10m到10m作出曲线图，并且将同一参数不同变化条件下的x，y，z轴曲线画入一张图中，如图6所示，Sma，Mid，Lar分别代表着尺寸小的线圈/尺寸中等的线圈/尺寸大的线圈，图6(a)为x轴曲线，图6(b)为y轴曲线图，图6(c)为z轴曲线图。
在绘制出曲线图后，一个轴图中的曲线可能有多个，每一个曲线对应一个改变后的参数，由于Q值越低越好，分析每张图中分布最低的曲线，如果曲线不是每个点都分布最低，则选择出分布值低的点较多的曲线，其对应参数为优化参数。对x，y，z轴曲线采用类似的分析方法，最终选取在三个轴中两个轴或全部都占优的优化参数，在图6中，Mid型在x，y，z轴曲线中均占优势，因此可以选用Mid型作为此类参数的优化参数。
Claims (6)
1.一种无线充电系统参数对多组系统间共存影响的测试评判方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选取无线充电系统自身的参数和多组系统间的参数，并分析参数的测试范围；
(2)通过控制变量法改变无线充电系统自身的参数中某一参数的值，测试无线充电系统在一定范围内的磁场强度变化情况和无线充电系统自身的原副边线圈的自感互感参数；
(3)通过改变测量点与无线充电系统的距离，测试系统间距离变化时磁场的变化情况；
(4)通过磁场强度与无线系统自身的耦合系数组合得出的新系数Q，判断参数对于系统间共存的影响大小；
其中，新系数Q的计算公式为：
其中，Q为单位耦合磁场强度，Q值越小，无线充电系统参数对多组系统间共存影响越小；H为磁场强度，k为耦合系数，M为无线充电系统线圈互感，L1为无线充电系统原边线圈自感，L2为无线充电系统副边线圈自感；
(5)选取Q值较低的参数作为优势参数，确定对多组系统间共存影响最小的无线充电系统。
2.根据权利要求1所述的一种无线充电系统参数对多组系统间共存影响的测试评判方法，其特征在于：步骤(1)中无线充电系统自身的参数为系统内参数，包括谐振线圈的种类、尺寸和传能距离，多组系统间的参数为系统间参数，包括系统间距。
3.根据权利要求1所述的一种无线充电系统参数对多组系统间共存影响的测试评判方法，其特征在于：步骤(1)中参数的测试范围参考SAE协会标准，选定其中1至2种线圈种类，自主设定与标准中类似的线圈尺寸，设定标准中已框定的传能距离变化范围。
4.根据权利要求1所述的一种无线充电系统参数对多组系统间共存影响的测试评判方法，其特征在于：步骤(2)中包括以下几种情况：
情况一：当线圈种类改变时，保持其尺寸与所参考尺寸一致，传能距离不变；
情况二：在改变线圈尺寸时，仅仅将线圈最外圈往外扩大/往里缩小相同的尺寸，其他圈线圈相应变化，不改变尺寸中其他变量和线圈种类、传能距离；
情况三：在改变线圈传能距离时只等距离改变距离，不改变尺寸和线圈种类；
然后在相应的测试点使用磁场测量仪进行磁场强度测试，使用LCR分析仪测试自感并用正接反接法测试互感参数；公式为：
L正＝L1+L2+2M；
L反＝L1+L2-2M；
其中，L正为将两个线圈的接线两端正接时LCR分析仪测试得到的自感值，L1为无线充电系统原边线圈自感，L2为无线充电系统副边线圈自感，L反为将两个线圈的接线两端反接时LCR分析仪测试得到的自感值，M为无线充电系统线圈互感。
5.根据权利要求1所述的一种无线充电系统参数对多组系统间共存影响的测试评判方法，其特征在于：步骤(3)中通过参照磁场干扰(EMC)测试法中的3m、10m测试法，设置距离线圈中心点左右n处作为测试点，最远测试点设置距离线圈中心点为10m，然后需要等距离涵盖3m距离测试点，共n个点，包括线圈中心点在内共n+1个点，而从线圈中心点出发一共有3个方向(x，y，z)，每个方向都分布相同距离的n+1个测试点。
6.根据权利要求1所述的一种无线充电系统参数对多组系统间共存影响的测试评判方法，其特征在于，步骤(5)中选取Q值较低的参数作为优势参数的方法为：
在得到多组Q参数后，对x，y，z轴的Q值沿着相应轴的距离从-10m到10m作出曲线图，并且将同一参数不同变化条件下的x，y，z轴曲线画入一张图中，在绘制出曲线图后，一个轴图中的曲线有多个，每一个曲线对应一个改变后的参数，由于Q值越低越好，分析每张图中分布最低的曲线，如果曲线不是每个点都分布最低，则选择出分布值低的点较多的曲线，其对应参数为优化参数，最终选取在三个轴中两个轴或全部都占优的优化参数作为此类参数的优化参数。
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