CN112434461B - 无线电能传输的自动化耦合线圈优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明是无线电能传输的自动化耦合线圈优化设计方法。本发明根据WPT线圈的约束条件，分析线圈间能量传输效率与WPT线圈设计参数之间的函数关系，确定优化目标函数和优化变量；根据功率要求，选择合适规格的利兹线，再采用粒子群算法对设计参数进行寻优计算，确定粒子群的个体数量及种群迭代次数，同时设置每个粒子的初始参数。在迭代过程中，根据粒子的优化目标函数计算值，对粒子的参数进行更新。待迭代过程结束后，选择优化目标函数值最大的粒子参数。本发明搜索得到的线圈参数在满足设计约束的同时，可以使线圈间能量传输效率最高。自动化的设计过程可以节约大量的人力物力，而且目标明确、结果准确。

Description

无线电能传输的自动化耦合线圈优化设计方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输优化技术领域，是一种无线电能传输的自动化耦合线圈优化设计方法。

背景技术

WPT作为一种新兴技术，与传统的有线供电相比更加安全便捷，但明显的缺点是能量传输效率低下，对于长期工作的电器，提升1％的效率也能节约巨大的能源。作为WPT系统的电源端与负载端的纽带，耦合机构扮演了重要的角色，因为它很大程度上决定了系统的能量传输效率，特别是线圈间的能量传输效率。这里的耦合机构一般指的是耦合线圈及配套磁芯结构，耦合线圈包括发射端线圈以及接收端线圈。耦合线圈的设计参数一般包括线圈之间的距离，以及单个线圈的结构参数，如匝数、匝间距、各匝的半径等等。

目前大多数研究者在设计线圈时往往采用密绕的形式，并根据自感的需要确定线圈的匝数，这样做的目的是为了在有限的空间内获得较大的互感，从而提升能量传输效率和输出功率，但没有考虑到密绕时，线圈的交流内阻会显著增大，从而增加损耗，降低线圈间能量传输效率。为了确定比较合理的匝间距、匝数和最外匝半径，有些研究者根据研究经验或者曲线拟合的方式总结出最佳设计参数之间的关系，这样做的好处是简单迅速，但没有以传输效率为目标进行参数寻优，得不到全局最优参数组合。

也有研究者采用穷举法进行设计，也就是利用仿真或实验获取所有参数组合下的效率值，选择效率最高的一组。很明显，对于设计参数较多(三个及以上)的情形，采用穷举法工作量太大，设计过程盲目。

发明内容

本发明为解决线圈结构参数设计的盲目性问题，本发明提供了一种无线电能传输的自动化耦合线圈优化设计方法，本发明提供了以下技术方案：

一种无线电能传输的自动化耦合线圈优化设计方法，包括以下步骤：

步骤一：设计WPT线圈的约束，根据WPT线圈的约束，确定线圈间能量传输效率与WPT线圈设计参数之间函数关系，确定优化目标函数和优化变量；

步骤二：根据优化目标函数和优化变量，选择利兹线，记录利兹线的股数与每小股半径，记录所述利兹线的最大负载电流I_max；

步骤三：采用粒子群算法对设计参数进行寻优计算，确定粒子群的个体数量及种群迭代次数，同时设置每个粒子的初始参数；

步骤四：根据优化目标函数和设置的粒子的初始参数，建立粒子群模型，根据粒子群模型进行迭代计算，在每一次迭代中，计算每个粒子的优化目标函数值，并根据所述函数值调整每个粒子的参数值；

步骤五：待迭代过程结束后，选择优化目标函数值最大的粒子参数，根据设计参数间的最优函数关系，确定等效负载和工作频率。

优选地，所述步骤一具体为：

第一步：设计WPT线圈约束，所述WPT线圈约束具体为，设置输出功率P_out＝20W，线圈间距v＝7.5cm，最大半径限制为r_outmax＝100mm，等效负载电阻R_L＝2Ω，工作频率f满足100kHz＜f＜500kHz，设置原、副边的电路连接导线均为0.6m，设置原、副边线圈参数相同，且同轴放置；

第二步：根据WPT线圈约束，分析线圈间能量传输效率与WPT线圈设计参数之间的函数关系；

第三步：根据工作频率f、线圈的匝数N_t、、匝间距d和最外匝半径r_out，得到优化目标函数η(d,N_t,r_out)和优化变量ω_opt(d,N_t,r_out)。

优选地，所述步骤二具体为:

第一步：根据设计的WPT线圈约束，计算得到副边导线电流有效值，根据副边电流有效值选取利兹线；

第二步：当输出功率P_out＝20W，等效负载电阻R_L＝2Ω时，得到副边导线电流的有效值为

则选取直径为0.1mm，总股数为300的利兹线；

第三步：记录直径为0.1mm，总股数为300的利兹线的最大负载电流，记为I_max。

优选地，所述步骤三具体为：

第一步：采用粒子群算法进行寻优计算，先确定粒子群的个体数量和种群迭代次数；

第二步：设置每个粒子的初始参数，设置初始的匝数N_t、匝间距d和最外匝半径r_out，取粒子群种群数量为N，通过下式表示所述参数向量：

其中，pop为参数向量，

为第N个初始参数；

优选地，所述步骤四具体为：

第一步：设置迭代次数为i，则有pop_t+1(j,i)＝pop_t(j,i)+v_t+1(j,i)(j＝1,2,3)，其中v为速度向量，令i≤T，T为最大迭代次数，通过下式表示速度向量：

v_t+1(1,i)＝αv_t(1,i)+c₁r₁(pbest_t(1,i)-pop_t(1,i))+c₂r₂(gbest_t(1)-pop_t(1,i))

v_t+1(2,i)＝round(αv_t(2,i)+c₁r₃(pbest_t(2,i)-pop_t(2,i))+c₂r₄(gbest_t(2)-pop_t(2,i)))

v_t+1(3,i)＝αv_t(3,i)+c₁r₅(pbest_t(3,i)-pop_t(3,i))+c₂r₆(gbest_t(3)-pop_t(3,i))

其中，v_t+1(j,i)为速度向量，α,c₁,c₂均为结构参数，r_i(i＝1,2,...,6)，pbest_t(j,i)(j＝1,2,3)表示第i个个体在前t次迭代中取得最大目标函数值时对应的参数，pbest_t(j)(j＝1,2,3)表示种群在前t次迭代中，取得最大目标函数值的个体对应的参数；

第二步：更新计算每个粒子的优化变量ω_opt、等效负载电阻R_L、M、R₀，以及适应度函数值；

第三步：当t大于等于T时，则保存适应度函数值最高的粒子的参数及对应的负载电阻、工作频率，同时计算原边和副边的电流值I₁和I₂；当t小于T时，则重复步骤四。

优选地，所述粒子的初始参数包括初始的线圈匝数、初始的匝间距和初始的最外匝半径。

优选地，所述步骤五具体为：

第一步：根据计算的到的原、副边电流值I₁和I₂，当MAX(I₁,I₂)小于最大负载电流I_max时，则迭代过程结束，输出线圈的匝数N_t、、匝间距d、最外匝半径r_out和优化变量ω_opt(d,N_t,r_out)；

第二步：选择优化目标函数值最大的粒子参数，根据线圈间能量传输效率与设计参数间函数关系，确定等效负载和工作频率。

第三步：根据计算的到的原、副边电流值I₁和I₂，当MAX(I₁,I₂)小于最大负载电流I_max时，则返回步骤二。

本发明具有以下有益效果：

本申请所述的线圈自动化设计方法可以利用MATLAB或其他计算软件进行线圈参数的自动化搜索，搜索得到的线圈参数在满足设计约束的同时，可以使线圈间能量传输效率最高。自动化的设计过程可以节约大量的人力物力，而且目标明确、结果准确。

附图说明

图1是无线电能传输的自动化耦合线圈优化设计方法流程图。

图2是平面螺旋形利兹线圈的结构示意图。

图3是平面螺旋形利兹线圈的同心圆等效模型图。

图4是线圈间能量传输效率与设计参数之间的变化图像。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

按照图1所示流程图，本发明提供一种无线电能传输的自动化耦合线圈优化设计方法，包括如下步骤：

步骤一：设计WPT线圈的约束，根据WPT线圈的约束，确定线圈间能量传输效率与WPT线圈设计参数之间的函数关系，确定优化目标函数和优化变量；

步骤二：根据优化目标函数和优化变量，选择利兹线，记录利兹线的股数与每小股半径，记录所述利兹线的最大负载电流I_max；

步骤三：采用粒子群算法对设计参数进行寻优计算，确定粒子群的个体数量及种群迭代次数，同时设置每个粒子的初始参数；

步骤四：根据优化目标函数和设置的粒子的初始参数，建立粒子群函数，根据粒子群函数进行迭代计算，在每一次迭代中，计算每个粒子的优化目标函数值，并根据所述函数值调整每个粒子的参数值；

步骤五：待迭代过程结束后，选择优化目标函数值最大的粒子参数，根据线圈间能量传输效率与设计参数间函数关系，确定等效负载和工作频率。

具体实施例二：

应用于无线电能传输的自动化耦合线圈优化设计方法，它包括(1)常见设计约束下WPT系统的效率分析，(2)基于粒子群算法的参数寻优流程，(3)MATLAB自动设计程序。

步骤一：确定线圈的设计约束，包括输出功率、原副端线圈间距、线圈的尺寸限制(如最大半径)、等效负载设计范围、工作频率设计范围等；并在约束条件下，分析线圈间能量传输效率与设计参数(线圈的匝数、匝间距、最外匝半径以及等效负载、工作频率等)之间的函数关系，确定优化目标函数及最佳等效负载、最佳工作频率与线圈参数(线圈的匝数、匝间距、最外匝半径)之间的关系；

步骤二：根据功率要求选择合适的利兹线，记录利兹线的股数与每小股半径；

步骤三：采用传统粒子群算法进行设计参数寻优。首先确定粒子群的个体数量及种群迭代次数，并设置每个粒子的初始参数(即初始的匝数、匝间距和最外匝半径)，假设取N个体的初始参数为

用向量pop表示为

迭代关系为，对于第i个个体，有pop_t+1(j,i)＝pop_t(j,i)+v_t+1(j,i)(j＝1,2,3)，其中v为速度向量，表示为

v_t+1(1,i)＝αv_t(1,i)+c₁r₁(pbest_t(1,i)-pop_t(1,i))+c₂r₂(gbest_t(1)-pop_t(1,i))

v_t+1(2,i)＝round(αv_t(2,i)+c₁r₃(pbest_t(2,i)-pop_t(2,i))+c₂r₄(gbest_t(2)-pop_t(2,i)))

v_t+1(3,i)＝αv_t(3,i)+c₁r₅(pbest_t(3,i)-pop_t(3,i))+c₂r₆(gbest_t(3)-pop_t(3,i))

其中α,c₁,c₂均为结构参数，r_i(i＝1,2,...,6)为随机数，防止迭代陷入局部最优；pbest_t(j,i)(j＝1,2,3)表示第i个个体在前t次迭代中取得最大目标函数值时对应的参数，pbest_t(j)(j＝1,2,3)表示种群在前t次迭代中，取得最大目标函数值的个体对应的参数。

步骤四：根据第一步得到的优化目标函数和第三步设置的粒子初始参数编写基于粒子群算法的MATLAB程序，并开始进行迭代计算，在每一次迭代中，计算每个粒子的优化目标函数值(要用到利兹线的结构参数和线圈的结构参数，即粒子的参数大小)，并根据函数值调整每个粒子的参数值；

步骤五：根据计算的到的原、副边电流值I₁和I₂，当MAX(I₁,I₂)小于最大负载电流I_max时，则迭代过程结束，输出线圈的匝数N_t、、匝间距d、最外匝半径r_out和优化变量ω_opt(d,N_t,r_out)；选择优化目标函数值最大的粒子参数，根据线圈间能量传输效率与设计参数间函数关系，确定等效负载和工作频率。根据计算的到的原、副边电流值I₁和I₂，当MAX(I₁,I₂)小于最大负载电流I_max时，则返回步骤二迭代结束后，选择优化目标函数值最大的粒子参数，并根据步骤一中得到的函数关系确定等效负载及工作频率(若等效负载或工作频率在设计约束中已经给定，则不需要进行设计)。

具体实施例三：

待设计参数为工作频率(f)、线圈的匝数(Nt)、匝间距(d)和最外匝半径(rout)。

步骤一：在上述约束下，经过理论分析，假设得到优化目标函数η(d,N_t,r_out)和最佳频率与线圈参数之间的关系为ω_opt(d,N_t,r_out)；

步骤二：根据输出功率和负载大小，可知副边导线电流有效值为

根据工程经验，可以选择0.1mm*300的利兹线或其它载流能力足够的利兹线进行设计；

步骤三：根据图2和图3所示，设置种群粒子数为5，迭代次数为40，各粒子的初始匝数、匝间距，最外匝半径分别为(6，2.5mm，100mm)，(7，3.5mm，90mm)，(8，4.0mm，95mm)，(9，4.5mm，85mm)，(6，3.5mm，90mm)；

步骤四：根据图1编写MATLAB程序，经过15小时的计算(计算机配置：Intel Corei5-7500:3.40GHz,RAM:8GB)，输出结果如下表，其中N为粒子群粒子个数，T为最大迭代次数。如图4结果表明，当分别为线圈参数分别为8，100mm，5.3mm，且工作频率为194kHz的时候，线圈间能量传输效率最高，其为96.4％。

以上所述仅是无线电能传输的自动化耦合线圈优化设计方法的优选实施方式，无线电能传输的自动化耦合线圈优化设计方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种无线电能传输的自动化耦合线圈优化设计方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤一：设计WPT线圈的约束，根据WPT线圈的约束，确定线圈间能量传输效率与WPT线圈设计参数之间的函数关系，确定优化目标函数和优化变量；

步骤二：根据优化目标函数和优化变量，选择利兹线，记录利兹线的股数与每小股半径，记录所述利兹线的最大负载电流I_max；

步骤三：采用粒子群算法对设计参数进行寻优计算，确定粒子群的个体数量及种群迭代次数，同时设置每个粒子的初始参数；

步骤四：根据优化目标函数和设置的粒子的初始参数，建立粒子群函数，根据粒子群函数进行迭代计算，在每一次迭代中，计算每个粒子的优化目标函数值，并根据所述函数值调整每个粒子的参数值；

所述步骤四具体为：

第一步：设置迭代次数为i，则有pop_t+1(j,i)＝pop_t(j,i)+v_t+1(j,i)(j＝1,2,3)，其中v为速度向量，令i≤T，T为最大迭代次数，通过下式表示速度向量：

v_t+1(1,i)＝αv_t(1,i)+c₁r₁(pbest_t(1,i)-pop_t(1,i))+c₂r₂(gbest_t(1)-pop_t(1,i))

v_t+1(2,i)＝round(αv_t(2,i)+c₁r₃(pbest_t(2,i)-pop_t(2,i))+c₂r₄(gbest_t(2)-pop_t(2,i)))

v_t+1(3,i)＝αv_t(3,i)+c₁r₅(pbest_t(3,i)-pop_t(3,i))+c₂r₆(gbest_t(3)-pop_t(3,i))

其中，v_t+1(j,i)为速度向量，α,c₁,c₂均为结构参数，r_i(i＝1,2,…,6)，pbest_t(j,i)(j＝1,2,3)表示第i个个体在前t次迭代中取得最大目标函数值时对应的参数，pbest_t(j)(j＝1,2,3)表示种群在前t次迭代中，取得最大目标函数值的个体对应的参数；

第二步：更新计算每个粒子的优化变量ω_opt、等效负载电阻R_L、M、R₀，以及适应度函数值；

第三步：当t大于等于T时，则保存适应度函数值最高的粒子的参数及对应的负载电阻、工作频率，同时计算原边和副边的电流值I₁和I₂；当t小于T时，则重复步骤四；

步骤五：待迭代过程结束后，选择优化目标函数值最大的粒子参数，根据线圈间能量传输效率与设计参数间函数关系，确定等效负载和工作频率；

所述步骤五具体为：

第一步：根据计算的到的原、副边电流值I₁和I₂，当MAX(I₁,I₂)小于最大负载电流I_max时，则迭代过程结束，输出线圈的匝数N_t、匝间距d、最外匝半径r_out和优化变量ω_opt(d,N_t,r_out)；

第二步：选择优化目标函数值最大的粒子参数，根据线圈间能量传输效率与设计参数间函数关系，确定等效负载和工作频率；

第三步：根据计算的到的原、副边电流值I₁和I₂，当MAX(I₁,I₂)不小于最大负载电流I_max时，则返回步骤二。

2.根据权利要求1所述的一种无线电能传输的自动化耦合线圈优化设计方法，其特征是：所述步骤一具体为：

第一步：设计WPT线圈约束，所述WPT线圈约束具体为，设置输出功率P_out＝20W，线圈间距v＝7.5cm，最大半径限制为r_outmax＝100mm，等效负载电阻R_L＝2Ω，工作频率f满足100kHz＜f＜500kHz，设置原、副边的电路连接导线均为0.6m，设置原、副边线圈参数相同，且同轴放置；

第二步：根据WPT线圈约束，确定线圈间能量传输效率与WPT线圈约束的函数关系；

第三步：根据工作频率f、线圈的匝数N_t、匝间距d和最外匝半径r_out，得到优化目标函数η(d,N_t,r_out)和优化变量ω_opt(d,N_t,r_out)。

3.根据权利要求1所述的一种无线电能传输的自动化耦合线圈优化设计方法，其特征是：所述步骤二具体为:

第一步：根据设计的WPT线圈约束，计算得到副边导线电流有效值，根据副边电流有效值选取利兹线；

第二步：当输出功率P_out＝20W，等效负载电阻R_L＝2Ω时，得到副边导线电流的有效值为

则选取直径为0.1mm，总股数为300的利兹线；

第三步：记录直径为0.1mm，总股数为300的利兹线的最大负载电流，记为I_max。

4.根据权利要求1所述的一种无线电能传输的自动化耦合线圈优化设计方法，其特征是：所述步骤三具体为：

第一步：采用粒子群算法进行寻优计算，先确定粒子群的个体数量和种群迭代次数；

第二步：设置每个粒子的初始参数，设置初始的匝数N_t、匝间距d和最外匝半径r_out，设定取N粒子群种群数量，根据N个初始参数确定参数向量，通过下式表示所述参数向量：

其中，pop为参数向量，

为第N个初始参数。

5.根据权利要求4所述的一种无线电能传输的自动化耦合线圈优化设计方法，其特征是：所述粒子的初始参数包括初始的线圈匝数、初始的匝间距和初始的最外匝半径。

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