CN111146871B - 大功率非接触电能传输系统耦合线圈效率优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大功率非接触电能传输系统耦合线圈效率优化设计方法，包括搭建非接触电能传输系统模型；建立所述非接触电能传输系统等效电路；引入并计算系统原副边等效负载，输出功率和效率，推导最优输出功率与互感及等效负载值的关系，建立最优输出功率曲线，推导系统要求最低效率与互感及等效负载的关系，并建立等效率曲线，根据最优输出曲线和等效率曲线得到某一特定互感值；通过实际车辆耦合线圈安装空间及运行参数设计输出较为稳定的耦合线圈单元结构，基于耦合线圈单元结构，通过ANSYS有限元仿真得到互感，基于李兹线内阻计算得到原、副边线圈内阻，最后基于得到的某一特定互感值和得到的耦合线圈单元结构的互感对耦合线圈进行优化设计。

Description

大功率非接触电能传输系统耦合线圈效率优化设计方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术和无线能量传输领域，特别涉及一种大功率非接触电能传输系统耦合线圈效率优化设计方法。

背景技术

无线电能传输技术相比于传统的有线电能传输，安全性更高、便捷性更强。根据原理的不同，无线电能传输技术可大致分为三种：第一种是远场辐射式，该方式工作频率最高，传输距离远，但传输效率低、电磁污染严重；第二种是电磁共振式，该方式工作频率高、传输距离较远，但研究不够充分、技术不够成熟；第三种是电磁感应耦合式，该方式虽然传输距离较近，但传输功率大，传输效率高，技术最为成熟。

在大功率、近距离的场合，电磁感应耦合式电能传输技术得到了广泛的应用。传统的电磁感应耦合式电能传输技术工作方式一般如下：将直流电逆变为高频交流电，原边线圈和副边线圈通过电磁感应进行能量传递，在副边线圈后级接入整流电路以得到直流电。感应耦合电能传输系统中的线圈作为能量传输的载体，其铺设方式、参数设计等将对能量传递功率和效率等产生直接影响，因此对耦合线圈的研究显得尤为重要。

目前，国内外学者对感应电能传输系统中耦合线圈的研究，但大都针对功率或效率中的某一指标，采取不同的优化流程及评价方法，优化耦合线圈某一方面的性能参数，而没有给出系统的线圈参数设计方法。由于线圈参数设计时，功率、效率等重要性能指标对线圈匝数、互感等参数的要求往往相反，需要对耦合线圈参数进行全局设计。

因此，确有必要提供一种大功率非接触电能传输系统耦合线圈效率优化设计方法。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种大功率非接触电能传输系统耦合线圈效率优化设计方法。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种大功率非接触电能传输系统耦合线圈效率优化设计方法，该方法包括以下步骤：

S10，搭建非接触电能传输系统模型；

S11，基于非接触电能传输系统模型，建立非接触电能传输系统的等效电路；

S12，引入并计算非接触电能传输系统的原、副边等效负载Z₁和R_eq以及输出功率P_out和效率η；

S13，推导最优输出功率P_{out_opt}与互感M及等效负载的关系，并建立最优输出功率曲线W₁，推导系统要求最低效率η_rated与互感M及等效负载的关系，并建立等效率曲线W₂，根据最优输出曲线W₁和等效率曲线W₂得到某一特定互感值M_e；

S14，通过实际车辆耦合线圈安装空间及运行参数，设计原副边耦合线圈单元结构，使单一原边线圈始终对应单一副边线圈，此耦合线圈单元结构的输出较为稳定，避免了功率等级跳变的问题，基于耦合线圈单元结构，通过ANSYS有限元仿真得到互感M_e0，基于李兹线内阻计算得到原、副边线圈内阻R_p0、R_s0；

S15，基于步骤S13得到的某一特定互感值M_e和步骤S14得到的耦合线圈单元结构的互感M_e0、原、副边线圈内阻R_p0、R_s0，对非接触电能传输系统耦合线圈原、副边线圈匝数进行优化设计。

在上述方案的基础上，步骤S10中，非接触电能传输系统模型包括：直流电源、逆变模块、无线电能传输模块和电压斩波模块；

所述逆变模块用于将直流电逆变为高频交流电，逆变模块的驱动频率为非接触电能传输系统的谐振频率；所述无线电能传输模块包括：原边能量发射模块和副边能量接收模块，原边能量发射模块用于接收高频交流电并产生交变电磁场，副边能量接收模块用于感生出同频率的高频交流电，实现能量传输；电压斩波模块用于实现电压的调节，最优负载的跟踪。

在上述方案的基础上，步骤S12中，原、副边等效负载Z₁和R_eq的计算公式分别为：

其中，ω为电源角频率，R_p为发射线圈内阻，R_s为接收线圈内阻，M为发射线圈与接收线圈间的互感，R_L为负载电阻，D为直流斩波占空比；

效率η的表达式为：

输出功率P_out的表达式为：

其中，U_{in_rated}与I_{p_rated}分别为非接触电能传输系统原边所能承受的电压、电流额定值。

在上述方案的基础上，步骤S13中，所述最优输出功率P_{out_opt}为当Z₁＝U_{in_rated}/I_{p_rated}时，非接触电能传输系统的电压、电流均达到最大值，输出功率最优，根据公式(4)作出最优输出功率P_{out_opt}与互感M及等效负载的关系曲线W₁；令η＝η_rated，基于公式(3)作出系统要求最低效率η_rated与互感M及等效负载的等效率曲线W₂。

在上述方案的基础上，步骤S13中，某一特定互感值M_e的计算公式如下：

式中：M_e为等效率曲线W₂与最优输出功率曲线W₁的交点，表示满足系统运行效率要求的最低互感值。

在上述方案的基础上，步骤S14中，李兹线内阻的计算公式为：

式中：K_c为长度修正系数，用于补偿因每股导线相互缠绕引起的长度增加量，取1.04～1.056；ρ为电导率，对于铜线而言，20℃时，ρ＝17.24*10^-9Ω·m；D_a为李兹线单股线圈的直径；N_a为单股线圈的股数；l为线圈的用线长度；f为频率；

将原边线圈内阻R_p0对应的参数代入公式(5)中求得原边线圈内阻R_p0，将副边线圈内阻R_s0对应的参数代入公式(5)中求得副边线圈内阻R_s0。

在上述方案的基础上，步骤S15中，耦合线圈原、副边匝数的计算公式如下所示：

式中：N_p为耦合线圈单元结构的原边线圈匝数；N_s为耦合线圈单元结构的副边线圈匝数。

耦合机构线圈优化结果为非接触电能传输系统在实现目标系统效率和目标系统输出功率的前提下的耦合机构优化设计方案。

本发明通过对非接触电能传输系统输出功率及效率的分析，对耦合线圈单元结构提出设计要求，并结合非接触供电城轨车辆系统应用场景，给出了线圈互感、匝数等参数的具体设计方法。对大功率非接触电能传输系统实际应用提供了实践指导。

附图说明

本发明有如下附图：

图1为本发明实施提供一种大功率非接触电能传输系统耦合线圈效率优化设计方法的流程图。

图2是本发明所述的非接触电能传输系统的电路图。

图3是简化后的非接触电能传输系统等效电路图。

图4是耦合机构设计示意图一。

图5是耦合机构设计示意图二。

图6是最优输出功率曲线W₁，等效率曲线W₂，及某一特定互感值M_e的示意图。

具体实施方式

以下结合附图1-6对本发明作进一步详细说明。

请参阅图1，本发明实施提供的一种大功率非接触电能传输系统耦合线圈效率优化设计方法，包括以下步骤：

S10，搭建非接触电能传输系统模型；

S11，基于非接触电能传输系统模型，建立所述非接触电能传输系统等效电路；

S12，引入并计算系统原副边等效负载Z₁和R_eq以及输出功率P_out和效率η；

S13，推导最优输出功率P_{out_opt}与互感M及等效负载值的关系，并建立最优输出功率曲线W₁，推导系统要求最低效率η_rated与互感M及等效负载的关系，并建立等效率曲线W₂，根据最优输出曲线W₁和等效率曲线W₂得到某一特定互感值M_e；

S14，通过实际车辆耦合线圈安装空间及运行参数，设计原副边耦合线圈单元结构，使单一原边线圈始终对应单一副边线圈，此耦合线圈单元结构的输出较为稳定，避免了功率等级跳变的问题，基于耦合线圈单元结构，通过ANSYS有限元仿真得到互感M_e0，基于李兹线内阻计算得到原、副边线圈内阻R_p0、R_s0，参阅图4，图5；

S15，基于步骤S13得到的某一特定互感值M_e和步骤S14得到的耦合线圈单元结构的互感M_e0、原、副边线圈内阻R_p0、R_s0，对非接触电能传输系统耦合线圈原、副边线圈匝数进行优化设计。

请参阅图2，本发明实施的非接触电能传输系统结构包括：直流电源；逆变模块，所述逆变模块用于将直流电逆变为高频交流电；无线电能传输模块，包括原边能量发射模块和副边能量接收模块，原边能量发射模块接收高频交流电并产生交变电磁场，副边能量接收模块感生出同频率的高频交流电，实现能量传输；电压斩波模块，实现电压的调节，最优负载的跟踪。

在上述方案的基础上，步骤S12中，原、副边等效负载Z₁和R_eq的计算公式分别为：

其中，ω为电源角频率，R_p为发射线圈内阻，R_s为接收线圈内阻，M为发射线圈与接收线圈间的互感，R_L为负载电阻，D为直流斩波占空比；

效率η的表达式为：

输出功率P_out的表达式为：

其中，U_{in_rated}与I_{p_rated}分别为非接触电能传输系统原边所能承受的电压、电流额定值。

在上述方案的基础上，步骤S13中，所述最优输出功率P_{out_opt}为当Z₁＝U_{in_rated}/I_{p_rated}时，非接触电能传输系统的电压、电流均达到最大值，输出功率最优，根据公式(4)作出最优输出功率P_{out_opt}与互感M及等效负载的关系曲线W₁；令η＝η_rated，基于公式(3)作出系统要求最低效率η_rated与互感M及等效负载的等效率曲线W₂。

在上述方案的基础上，步骤S13中，某一特定互感值M_e的计算公式如下：

式中：M_e为等效率曲线W₂与最优输出功率曲线W₁的交点，表示满足系统运行效率要求的最低互感值，根据所述曲线，可得到结论：当互感值大于某一特定值M_e时，等效负载跟踪所述最优输出功率曲线W₁，所述系统效率始终在所述曲线W₂范围内，及效率始终大于所述系统要求最低效率η_rated。

在上述方案的基础上，步骤S14中，李兹线内阻的计算公式为：

式中：K_c为长度修正系数，用于补偿因每股导线相互缠绕引起的长度增加量，取1.04～1.056；ρ为电导率，对于铜线而言，20℃时，ρ＝17.24*10^-9Ω·m；D_a为李兹线单股线圈的直径；N_a为单股线圈的股数；l为线圈的用线长度；f为频率；

将原边线圈内阻R_p0对应的参数代入公式(5)中求得原边线圈内阻R_p0，将副边线圈内阻R_s0对应的参数代入公式(5)中求得副边线圈内阻R_s0。

在上述方案的基础上，步骤S15中，耦合线圈原、副边匝数的计算公式如下所示：

式中：N_p为耦合线圈单元结构的原边线圈匝数；N_s为耦合线圈单元结构的副边线圈匝数。

本发明通过对非接触电能传输系统输出功率及效率的分析，对耦合线圈单元结构提出设计要求，并结合非接触供电城轨车辆系统应用场景，给出了线圈互感、匝数等参数的具体设计方法。对大功率非接触电能传输系统实际应用提供了实践指导。

另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种大功率非接触电能传输系统耦合线圈效率优化设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S10，搭建非接触电能传输系统模型；

S11，基于非接触电能传输系统模型，建立非接触电能传输系统的等效电路；

S12，引入并计算非接触电能传输系统的原、副边等效负载Z₁、R_eq以及输出功率P_out和效率η；

S13，推导最优输出功率P_{out_opt}与互感M及等效负载的关系，并建立最优输出功率曲线W₁，推导系统要求最低效率η_rated与互感M及等效负载的关系，并建立等效率曲线W₂，根据最优输出功率曲线W₁和等效率曲线W₂得到某一特定互感值M_e；

S14，通过实际车辆耦合线圈安装空间及运行参数，设计原副边耦合线圈单元结构，使单一原边线圈始终对应单一副边线圈，基于耦合线圈单元结构，通过ANSYS有限元仿真得到单匝原边线圈与单匝副边线圈的互感M_e0，基于李兹线内阻计算得到单匝原、副边线圈内阻R_p0、R_s0；

S15，基于步骤S13得到的某一特定互感值M_e和步骤S14得到的耦合线圈单元结构的互感M_e0、原、副边线圈内阻R_p0、R_s0，对非接触电能传输系统耦合线圈原、副边线圈匝数进行优化设计；

步骤S12中，原、副边等效负载Z₁、R_eq的计算公式分别为：

其中，ω为电源角频率，R_p为发射线圈内阻，R_s为接收线圈内阻，M为发射线圈与接收线圈间的互感，R_L为负载电阻，D为直流斩波占空比；

效率η的表达式为：

输出功率P_out的表达式为：

其中，U_{in_rated}与I_{p_rated}分别为非接触电能传输系统原边所能承受的电压、电流额定值；

步骤S13中，所述最优输出功率P_{out_opt}为当Z₁＝U_{in_rated}/I_{p_rated}时，非接触电能传输系统的电压、电流均达到最大值，输出功率最优，根据公式(4)作出最优输出功率P_{out_opt}与互感M及等效负载的关系的最优输出功率曲线W₁；令η＝η_rated，基于公式(3)作出系统要求最低效率η_rated与互感M及等效负载的等效率曲线W₂；

步骤S13中，某一特定互感值M_e的计算公式如下：

式中：M_e为等效率曲线W₂与最优输出功率曲线W₁的交点，表示满足系统运行效率要求的最低互感值；

步骤S14中，李兹线内阻的计算公式为：

式中：K_c为长度修正系数，用于补偿因每股导线相互缠绕引起的长度增加量，取1.04～1.056；ρ为电导率，对于铜线而言，20℃时，ρ＝17.24*10^-9Ω·m；D_a为李兹线单股线圈的直径；N_a为单股线圈的股数；l为线圈的用线长度；f为频率；

将原边线圈内阻R_p0对应的参数代入公式(5)中求得原边线圈内阻R_p0，将副边线圈内阻R_s0对应的参数代入公式(5)中求得副边线圈内阻R_s0；

步骤S15中，耦合线圈原、副边线圈匝数的计算公式如下所示：

式中：N_p为耦合线圈单元结构的原边线圈匝数；N_s为耦合线圈单元结构的副边线圈匝数。

2.如权利要求1所述的大功率非接触电能传输系统耦合线圈效率优化设计方法，其特征在于，步骤S10中，非接触电能传输系统模型包括：直流电源、逆变模块、无线电能传输模块和电压斩波模块；

所述逆变模块用于将直流电逆变为高频交流电，逆变模块的驱动频率为非接触电能传输系统的谐振频率；所述无线电能传输模块包括：原边能量发射模块和副边能量接收模块，原边能量发射模块用于接收高频交流电并产生交变电磁场，副边能量接收模块用于感生出同频率的高频交流电，实现能量传输；电压斩波模块用于实现电压的调节，最优负载的跟踪。

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