CN112953034B - 一种用于电能无线传输的谐振器微结构的拓扑优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电能无线传输的谐振器微结构的拓扑优化方法，其包括以下步骤：基于电能无线传输环境及选材和尺寸限定条件，建立基本电能无线传输系统，使用二进制向量S作为第一金属贴片型谐振器、第二金属贴片型谐振器的设计变量，表征各子网格中金属贴片的有无；当所述发射线圈和所述接收线圈形状、尺寸大小相同时，以基本电能无线传输系统所需特定频点电能传输效率最大为设计目标，采用遗传算法对基本电能无线传输系统谐振器结构进行拓扑优化，获取设计变量S的最优解，进而获得谐振器的最优微结构，该发明通过拓扑优化对其构型进行设计，获取针对无线电能传输的最大效率金属谐振器结构可行解，该发明具有较强的通用性及较高的稳定性。

Description

一种用于电能无线传输的谐振器微结构的拓扑优化方法
技术领域
本发明涉及电能无线传输领域，尤其涉及一种用于电能无线传输的谐振器微结构的拓扑优化方法。
背景技术
随着人类进入电气时代，人类对电的需求也与日俱增，如何使得电能高效安全的传输是一个重要的问题。传统的有线输电方式会产生诸多弊端。例如电缆线自身内阻会消耗一定的电能，降低能量的传输效率；此外在传输过程中，由于摩擦、老化、尖端放电等因素可能会产生火花，影响设备供电的安全可靠性，降低设备的使用寿命。
无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)不同于传统的有线充电技术，它打破了传统电能传输需要载体的桎梏，是一种电源到载体之间无电气接触的新型导电方式。现如今WPT技术已经广泛应用于新能源汽车、无人机、手机、平板电脑等各个方面，给工业生产和人类生活中的电气设备的充电带来诸多便利。经过各国科研人员的不懈努力，无线电能传输技术发展至今，可分为感应耦合式、磁耦合谐振式、电场耦合式、微波输能、激光发射式和超声波式。其中磁耦合谐振式电能传输基于近场强耦合理论，通过收发线圈之间的耦合谐振作用实现电能的无线传输。该技术利用近场区的能量非辐射特性，使能量在具有相同谐振频率的发射线圈与接收线圈之间传递，而带外功率干扰较小，因此可以实现较高效率传输。
自从研究人员们提出WPT技术以来，新的支持技术不断改进，陆续提出了耦合型WPT、谐振型WPT、微波WPT技术等。其中耦合型WPT为非辐射型能量传输，通过使用发射线圈和接收线圈间磁耦合形成电能的空间传输。在耦合型基础上，提出了谐振型WPT，即发射线圈和接收线圈前分别放置谐振器，用以提高特定频率电能无线传输效率。由于谐振型WPT易于实现更高的传输效率，众多研究机构对其开展了深入研究。已有研究表明，几种常规形式谐振器均可以作为谐振型WPT的有效实现载体。适当的谐振器可以有效地控制自由空间中的EM场分布，降低倏逝波空间衰减。现有研究表明，开口环谐振器(Split Ring Resonator，SRR)是一种易于实现的谐振器形式，在高频外部激励下具有强的磁谐振特性，是一种可行的谐振器实现形式；一维、二维螺线管型金属谐振器均是基于典型电感器件设计的一种磁谐振器，外部场激励下表现出较强的磁谐振。以上所提用于WPT的谐振器均可有效提高无线电能传输效率，但仅通过对已有谐振器构型进行形状及尺寸优化实现对不同设计背景及约束下WPT的高效传输，已有构型显得力不从心，针对不同发射线圈、接收线圈、线圈间距离这些不同设计约束，有必要开发一种获得最佳平面谐振器微观结构的方法，以在不同需求下获得WPT的进一步改进。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种用于电能无线传输的谐振器微结构的拓扑优化方法，包括以下步骤：
S1：基于电能无线传输环境及选材和尺寸限定条件，建立基本电能无线传输系统，所述基本电能无线传输系统包括第一介质基板、第二介质基板、传输电能的发射线圈、接收传输电能的接收线圈、第一金属贴片型谐振器和第二金属贴片型谐振器；所述发射线圈和所述第一金属贴片型谐振器分别位于所述第一介质基板的两侧，所述接收线圈和所述第二金属贴片型谐振器分别位于所述第二介质基板的两侧；
S2:将附有第一金属贴片型谐振器、第二金属贴片型谐振器的第一介质基板、第二介质基板侧面定义为设计域，将设计域离散为规则网格，所述第一金属贴片型谐振器和第二金属贴片型谐振器的微结构采用覆铜贴片形式进行设计, 使用二进制向量S作为第一金属贴片型谐振器、第二金属贴片型谐振器的设计变量，表征各子网格中金属贴片的有无；
S3:当所述发射线圈和所述接收线圈形状、大小相同时，以基本电能无线传输系统所需特定频点电能传输效率最大为设计目标，采用遗传算法对基本电能无线传输系统谐振器结构进行拓扑优化，获取设计变量S的最优解，进而获得谐振器的最优微结构。
进一步地，所述发射线圈和所述接收线圈同时设置为六边形开口环、圆形开口环、方形开口环或螺旋形中的任一种；且所述发射线圈和所述接收线圈间距离调整确定。
进一步地，所述第一金属贴片型谐振器和第二金属贴片型谐振器的微结构采用覆铜贴片形式进行设计,优化列式表示为：
Figure BDA0002985256650000031
其中：变量S的大小n等于第一金属贴片型谐振器或第二金属贴片型谐振器结构设计域所离散的子网格数量；η(S；fp)为特定频点处无线电能传输系统电能传输效率，fp表示最大传输效率对应的频点，a为贴片总数取值，作为面积约束条件用以限制第一金属贴片型谐振器或第二金属贴片型谐振器结构中所附贴片数量；
由于功率传输效率为传输系数S21的平方，因此公式(1)优化列式又表示为：
Figure BDA0002985256650000032
进一步地，所述当所述发射线圈和所述接收线圈形状、大小相同时，以基本电能无线传输系统所需特定频点电能传输效率最大为设计目标，采用遗传算法对基本电能无线传输系统谐振器结构进行拓扑优化，获取设计变量S的最优解，进而获得谐振器的最优微结构的过程如下：
S1:用设计变量S表示各基因序列每位基因的编码，基因序列中每位基因为二进制，表示贴片的有无，设置每代中个体数量为m，生成m个二进制向量作为初始种群变量；
S2:根据设计约束确定发射线圈及接收线圈形状、尺寸及距离的要求，在确定的发射线圈和接收线圈参数下，与各设计变量S所对应谐振器组合建立WPT 系统模型，通过数值计算方法计算包含本代各设计变量S所对应谐振器的WPT 系统模型的传输效率；
S3:从初始种群m个个体中选择传输效率最高的WPT系统对应的设计变量S 作为初始种群的最优个体，作为父本，生成下一代种群并进行下一代种群最优个体的选择，即进入迭代优化；在各代种群中，选出传输效率最高的WPT系统所对应设计变量为该代最优设计变量，作为下一代父本，上一代父本经过交叉变异，产生下一代新种群，针对新种群个体所对应的WPT系统计算传输效率、比较并进行排序，得到本代最优个体；
S4:从第n＝5代，将第n代最优个体的设计目标与其前4代最优个体的设计目标进行比较，当第n代最优个体的设计目标与前4代最优个体设计目标均相同，则认为第n代收敛，迭代优化过程停止，得到谐振器的最优微结构；
当该第n代最优个体的设计目标只要与前4代最优个体设计目标其中一代不相同，则认为第n代不收敛；
S5:选择第n代最优个体作为下一代的父本，产生下一代种群；n＝n+1,返回 S4。
进一步地，所述数值计算方法选择有限元法、时域有限差分法或矩量法中的任一种。
进一步地，包括第一介质基板、第二介质基板、传输电能的发射线圈、接收传输电能的接收线圈、第一金属贴片型谐振器和第二金属贴片型谐振器；
所述发射线圈和所述第一金属贴片型谐振器分别位于所述第一介质基板的两侧，所述接收线圈和所述第二金属贴片型谐振器分别位于所述第二介质基板的两侧；
所述第二金属贴片型谐振器与所述第一金属贴片型谐振器间隔一定的距离，所述第一金属贴片型谐振器贴附第一介质基板位置与所述第二金属贴片型谐振器贴附第二介质基板位置对称面内相同。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种用于电能无线传输的谐振器微结构的拓扑优化方法，满足谐振型无线电能传输对特定频率激励具有最大传输效率，所针对的无线电能传输系统由任意形状和尺寸的金属发射线圈和接收线圈组成，两线圈间距离根据实际需求背景进行设置，在两线圈基板背面刻蚀金属微结构，通过拓扑优化对其构型进行设计，获取针对无线电能传输的最大效率金属谐振器结构可行解，该发明具有较强的通用性及较高的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为基本电能无线传输系统的示意图；
图2为基本电能无线传输系统的侧视图；
图3为基本电能无线传输系统的第一谐振器正视示意图；
图4为基本电能无线传输系统的第二谐振器正视示意图；
图5为采用遗传算法获得谐振器的最优微结构的流程示意图；
图6为本发明的电能无线传输系统谐振器对称形式示意图；
图7(a)为本发明的电能无线传输系统对称形式第一金属贴片型谐振器的正视图；
图7(b)为本发明的电能无线传输系统对称形式第二金属贴片型谐振器的正视图；
图8(a)为实施例所设计电能无线传输系统谐振器示意图，(b)为实施例所设计电能无线传输系统谐振器试件图；
图9为仿真及测试所得设计算例的S参数图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
一种用于电能无线传输的谐振器微结构的拓扑优化方法，包括以下步骤：
S1：基于电能无线传输环境及选材和尺寸限定条件，建立基本电能无线传输系统，图1为基本电能无线传输系统的示意图；图2为基本电能无线传输系统的侧视图；图3为基本电能无线传输系统的第一谐振器正视示意图；图4为基本电能无线传输系统的第二谐振器正视示意图；所述基本电能无线传输系统包括第一介质基板、第二介质基板、传输电能的发射线圈、接收传输电能的接收线圈、第一金属贴片型谐振器和第二金属贴片型谐振器；所述第一金属贴片型谐振器和所述第二金属贴片型谐振器用以提高发射线圈和接收线圈间电能传输效率，所述发射线圈和所述第一金属贴片型谐振器分别位于所述第一介质基板的两侧，所述接收线圈和所述第二金属贴片型谐振器分别位于所述第二介质基板的两侧；其中所述发射线圈和所述接收线圈也可称为发射器和接收器；
S2:将附有第一金属贴片型谐振器、第二金属贴片型谐振器的第一介质基板、第二介质基板侧面定义为设计域，将设计域离散为规则网格，所述第一金属贴片型谐振器和第二金属贴片型谐振器的微结构采用覆铜贴片形式进行设计, 使用二进制向量S作为第一金属贴片型谐振器、第二金属贴片型谐振器的设计变量，表征各子网格中金属贴片的有无；
S3:当所述发射线圈和所述接收线圈形状、大小相同时，以基本电能无线传输系统所需特定频点电能传输效率最大为设计目标，采用遗传算法对基本电能无线传输系统谐振器结构进行拓扑优化，获取设计变量S的最优解，进而获得谐振器的最优微结构。
进一步地，所述发射线圈和所述接收线圈同时设置为六边形开口环、圆形开口环、方形开口环或螺旋形中的任一种，所述发射线圈和所述接收线圈的尺寸在合理调整范围内及可制备前提下任意设置；且所述发射线圈和所述接收线圈间距离调整确定，发射线圈和接收线圈开口处为馈线端口，发射端馈电端口通过高频接头与发射源连接，接收端馈电端口通过高频接头与负载端连接。
进一步地，所述第一金属贴片型谐振器和第二金属贴片型谐振器的微结构采用覆铜贴片形式进行设计,优化列式表示为：
Figure BDA0002985256650000061
其中：变量S的大小n等于第一金属贴片型谐振器或第二金属贴片型谐振器结构设计域所离散的子网格数量；η(S；fp)为特定频点处无线电能传输系统电能传输效率，fp表示最大传输效率对应的频点，a为贴片总数取值，作为面积约束条件用以限制第一金属贴片型谐振器或第二金属贴片型谐振器结构中所附贴片数量；
由于功率传输效率为传输系数S21的平方，因此公式(1)优化列式又表示为：
Figure BDA0002985256650000062
图5为采用遗传算法获得谐振器的最优微结构的流程示意图；当所述发射线圈和所述接收线圈形状、大小相同时，以基本电能无线传输系统所需特定频点电能传输效率最大为设计目标，采用遗传算法对基本电能无线传输系统谐振器结构进行拓扑优化，获取设计变量S的最优解，进而获得谐振器的最优微结构的过程如下：
S1:用设计变量S表示各基因序列每位基因的编码，基因序列中每位基因为二进制，表示贴片的有无，设置每代中个体数量为m，生成m个二进制向量作为初始种群变量；
S2:根据设计约束确定发射线圈及接收线圈形状、尺寸及距离的要求，在确定的发射线圈和接收线圈参数下，与各设计变量S所对应谐振器组合建立WPT 系统模型，通过数值计算方法计算包含本代各设计变量S所对应谐振器的WPT 系统模型的传输效率；
S3:从初始种群m个个体中选择传输效率最高的WPT系统对应的设计变量S 作为初始种群的最优个体，作为父本，生成下一代种群并进行下一代种群最优个体的选择，即进入迭代优化；在各代种群中，选出传输效率最高的WPT系统所对应设计变量为该代最优设计变量，作为下一代父本，上一代父本经过交叉变异，产生下一代新种群，针对新种群个体所对应的WPT系统计算传输效率、比较并进行排序，得到本代最优个体；
S4:从第n＝5代，将第n代最优个体的设计目标与其前4代最优个体的设计目标进行比较，当第n代最优个体的设计目标与前4代最优个体设计目标均相同，则认为第n代收敛，迭代优化过程停止，得到谐振器的最优微结构；
当该第n代最优个体的设计目标只要与前4代最优个体设计目标其中任意一代不相同，则认为第n代不收敛；
S5:选择第n代最优个体作为下一代的父本，产生下一代种群；n＝n+1,返回 S4。
进一步地：所述数值计算方法选择有限元法(FFM)、时域有限差分法(FDFD) 或矩量法(MoM)中的任一种。
一种基于拓扑优化谐振器的电能无线传输系统，包括第一介质基板、第二介质基板、传输电能的发射线圈、接收传输电能的接收线圈、第一金属贴片型谐振器和第二金属贴片型谐振器；
所述发射线圈和所述第一金属贴片型谐振器分别位于所述第一介质基板的两侧，所述接收线圈和所述第二金属贴片型谐振器分别位于所述第二介质基板的两侧；
所述第二金属贴片型谐振器与所述第一金属贴片型谐振器间隔一定的距离，所述第一金属贴片型谐振器贴附第一介质基板位置与所述第二金属贴片型谐振器贴附第二介质基板位置对称面内相同；为提高优化效率，降低设计变量向量长度，第一金属贴片型谐振器与第二金属贴片型谐振器结构成对称设置；
所述发射线圈和所述接收线圈同时设置为六边形开口环、圆形开口环、方形开口环或螺旋形中的任一种；且所述发射线圈和所述接收线圈间距离调整确定。
实施例：图6为本发明的电能无线传输系统谐振器对称形式示意图；
图7(a)为本发明的电能无线传输系统对称形式第一金属贴片型谐振器的正视图；
图7(b)为本发明的电能无线传输系统对称形式第二金属贴片型谐振器的正视图；
图8为实施例所设计电能无线传输系统谐振器示意图和试件图；图9为仿真及测试所得设计算例的S参数示意图，介质基板材料是Rogers RO3003，介质基板厚度0.5mm，介质板两侧导体为铜，铜层的厚度是0.02mm；基板尺寸 62mm×40mm，发射线圈和接收线圈外边沿12mm×12mm，内边沿为8mm×8mm，铜环中心距横向一侧边沿距离15.5mm，距上下侧边沿距离20mm。
由于工作频率与两板间传输距离相关，为便于比较，我们设定一个确定的发射器和接收器间距，两板间距5mm，发射与接收线圈上馈电间隙宽度为1.5mm。选择1GHz作为特定工作频率。
为进一步提高传输效率，使用本申请的优化方法对设计域内部微结构进行设计，该方法是一种通用方法，为了提高迭代效率，引入对谐振器的对称性设置以减小设计变量的尺寸，图6、图7的对称形式被应用在设计中，由于谐振器的对称性，可使用该二进制数向量对微结构的四分之一设计域进行编码，四分之一设计域尺寸为30.1mm×30.1mm。对微结构进行拓扑优化，四分之一设计域离散为15×15个网格；每个子网格尺寸为2mm×2mm；为保证各相邻贴片的连接，子网格内贴片尺寸为2.1mm×2.1mm。经过多代优化，所得微结构如图8，其S21如图9 所示，S21在1GH在处最大值为0.4dB(0.955)，即效率在1GHz处为90.2％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于电能无线传输的谐振器微结构的拓扑优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：基于电能无线传输环境及选材和尺寸限定条件，建立基本电能无线传输系统，所述基本电能无线传输系统包括第一介质基板、第二介质基板、传输电能的发射线圈、接收传输电能的接收线圈、第一金属贴片型谐振器和第二金属贴片型谐振器；所述发射线圈和所述第一金属贴片型谐振器分别位于所述第一介质基板的两侧，所述接收线圈和所述第二金属贴片型谐振器分别位于所述第二介质基板的两侧；
S2:将附有第一金属贴片型谐振器、第二金属贴片型谐振器的第一介质基板、第二介质基板侧面定义为设计域，将设计域离散为规则网格，所述第一金属贴片型谐振器和第二金属贴片型谐振器的微结构采用覆铜贴片形式进行设计,优化列式表示为：
Figure FDA0003200530090000011
其中：变量S的大小n等于第一金属贴片型谐振器或第二金属贴片型谐振器结构设计域所离散的子网格数量；η(S；fp)为特定频点处无线电能传输系统电能传输效率，fp表示最大传输效率对应的频点，a为贴片总数取值，作为面积约束条件用以限制第一金属贴片型谐振器或第二金属贴片型谐振器结构中所附贴片数量；
由于功率传输效率为传输系数S21的平方，因此公式(1)优化列式又表示为：
Figure FDA0003200530090000012
使用二进制向量S作为第一金属贴片型谐振器、第二金属贴片型谐振器的设计变量，表征各子网格中金属贴片的有无；
S3:当所述发射线圈和所述接收线圈形状、大小相同时，以基本电能无线传输系统所需特定频点电能传输效率最大为设计目标，采用遗传算法对基本电能无线传输系统谐振器结构进行拓扑优化，获取设计变量S的最优解，进而获得谐振器的最优微结构。
2.根据权利要求1所述的一种用于电能无线传输的谐振器微结构的拓扑优化方法，其特征还在于：所述发射线圈和所述接收线圈同时设置为六边形开口环、圆形开口环、方形开口环或螺旋形中的任一种；且所述发射线圈和所述接收线圈间距离调整确定。
3.根据权利要求1所述一种用于电能无线传输的谐振器微结构的拓扑优化方法，其特征还在于：所述当所述发射线圈和所述接收线圈形状、大小相同时，以基本电能无线传输系统所需特定频点电能传输效率最大为设计目标，采用遗传算法对基本电能无线传输系统谐振器结构进行拓扑优化，获取设计变量S的最优解，进而获得谐振器的最优微结构的过程如下：
S1:用设计变量S表示各基因序列每位基因的编码，基因序列中每位基因为二进制，表示贴片的有无，设置每代中个体数量为m，生成m个二进制向量作为初始种群变量；
S2:根据设计约束确定发射线圈及接收线圈形状、尺寸及距离的要求，在确定的发射线圈和接收线圈参数下，与各设计变量S所对应谐振器组合建立WPT系统模型，通过数值计算方法计算包含本代各设计变量S所对应谐振器的WPT系统模型的传输效率；
S3:从初始种群m个个体中选择传输效率最高的WPT系统对应的设计变量S作为初始种群的最优个体，作为父本，生成下一代种群并进行下一代种群最优个体的选择，即进入迭代优化；在各代种群中，选出传输效率最高的WPT系统所对应设计变量为该代最优设计变量，作为下一代父本，上一代父本经过交叉变异，产生下一代新种群，针对新种群个体所对应的WPT系统计算传输效率、比较并进行排序，得到本代最优个体；
S4:从第n＝5代，将第n代最优个体的设计目标与其前4代最优个体的设计目标进行比较，当第n代最优个体的设计目标与前4代最优个体设计目标均相同，则认为第n代收敛，迭代优化过程停止，得到谐振器的最优微结构；
当该第n代最优个体的设计目标只要与前4代最优个体设计目标其中一代不相同，则认为第n代不收敛；
S5:选择第n代最优个体作为下一代的父本，产生下一代种群；n＝n+1,返回S4。
4.根据权利要求3所述一种用于电能无线传输的谐振器微结构的拓扑优化方法，其特征还在于：所述数值计算方法选择有限元法、时域有限差分法或矩量法中的任一种。
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