CN114204696A - 一种无线充电系统耦合线圈传输性能优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线充电系统耦合线圈传输性能优化方法及系统，方法包括：构建无线充电系统模型并对所述无线充电系统模型进行仿真得到耦合线圈仿真性能参数；获取系统性能指标目标函数和耦合线圈性能目标函数；根据所述无线充电系统模型确定耦合线圈方程组；根据所述系统性能指标目标函数和所述耦合线圈性能目标函数利用非线性方程求解法求解所述耦合线圈方程组，得到耦合线圈电参数；根据耦合线圈电参数和所述耦合线圈仿真性能参数对无线充电系统中的耦合线圈进行调整。本发明提高无线充电系统的传输效率和稳定性。

Description

一种无线充电系统耦合线圈传输性能优化方法及系统

技术领域

本发明涉及无线充电系统领域，特别是涉及一种无线充电系统耦合线圈传输性能优化方法及系统。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)的概念最早是由美国科学家特斯拉提出的。2007年，麻省理工学院的研究者提出了磁谐振式无线电能传输的新方法。随后，这项技术受到了越来越多的关注，并在嵌入式医疗、手机、电动汽车充电以及深海能源勘探等领域得到了广泛应用。然而在实际应用中，无线充电系统耦合线圈的设计缺乏实际理论的指导，全部依赖于电磁场模型的仿真，因此需要大量的仿真数据才能得到耦合线圈的最优结构，增加了线圈设计的困难和复杂程度；而且耦合线圈直接决定了无线充电系统的传输性能，线圈耦合程度会使效率低会造成无线充电系统传输功率小，传输效率低以及过多的电能浪费。为了提高系统的传输功能，会选择加大线圈尺寸等方式，进而带来了系统成本的增加。同时，较差的耦合线圈也会对系统的安全稳定运行造成不利影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种无线充电系统耦合线圈传输性能优化方法及系统，以提高无线充电系统的传输效率和稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种无线充电系统耦合线圈传输性能优化方法，包括：

构建无线充电系统模型并对所述无线充电系统模型进行仿真得到耦合线圈仿真性能参数；

获取系统性能指标目标函数和耦合线圈性能目标函数；

根据所述无线充电系统模型确定耦合线圈方程组；

根据所述系统性能指标目标函数和所述耦合线圈性能目标函数利用非线性方程求解法求解所述耦合线圈方程组，得到耦合线圈电参数；

根据所述耦合线圈电参数和所述耦合线圈仿真性能参数对无线充电系统中的耦合线圈进行调整。

可选地，所述根据所述无线充电系统模型确定耦合线圈方程组，具体包括：

根据所述无线充电系统模型确定无线充电系统性能指标与耦合线圈电参数的关系；所述无线充电系统性能指标包括系统输出功率、输出效率、耦合系数和品质因数；所述耦合线圈电参数包括原边线圈自电感、副边线圈自电感、原边线圈电阻、副边线圈电阻和互电感；

根据所述无线充电系统性能指标与所述耦合线圈电参数的关系确定耦合线圈传输效率与所述耦合线圈电参数之间的关系；

根据所述无线充电系统性能指标与所述耦合线圈电参数的关系和所述耦合线圈传输效率与所述耦合线圈电参数之间的关系构建耦合线圈方程组。

可选地，所述根据所述系统性能指标目标函数和所述耦合线圈性能目标函数利用非线性方程求解法求解所述耦合线圈方程组，得到耦合线圈电参数，具体包括：

以所述系统性能指标目标函数和所述耦合线圈性能目标函数为约束条件，利用非线性方程求解法求解所述耦合线圈方程组，确定耦合线圈电参数；所述非线性方程求解法包括二分法、迭代法、牛顿法和割线法。

可选地，所述根据所述耦合线圈电参数和所述耦合线圈仿真性能参数对无线充电系统中的耦合线圈进行调整，具体包括：

将所述耦合线圈电参数与所述耦合线圈仿真性能参数进行对比，得到耦合线圈匝数调整量、轴径比调整量和系统工作角频率调整量；

利用所述耦合线圈匝数调整量、所述轴径比调整量和所述系统工作角频率调整量对所述耦合线圈进行调整。

可选地，所述系统性能指标目标函数的计算公式为：

P_o＝300,

η≥90％,

其中，P_o为系统额定输出功率；η为系统传输效率。

可选地，所述耦合线圈性能目标函数的计算公式为：

R_avg>100，

R_avg<200，

k>0.3，

Q>300，

η_max>99％，

其中，R_avg为线圈平均半径，k为耦合线圈间的耦合系数，Q为耦合线圈的品质因数，η_max为线圈的传输效率。

可选地，所述无线充电系统性能指标与所述耦合线圈电参数的关系的计算公式为：

其中，P_o为系统额定输出功率，I₂为副边线圈中的电流，R_L为无线充电系统模型的负载阻抗，ω为系统工作角频率，j为虚数单位，用于表示复阻抗，I₁为原边线圈中电流，L₁为原边线圈的自电感，L₂为副边线圈的自电感，R₁为原边线圈和副边线圈的电阻，R₂为副边线圈的电阻，M为耦合线圈原边线圈和副边线圈之间的互电感值，k为耦合线圈间的耦合系数，Q₁为原边耦合线圈的品质因数。

可选地，所述耦合线圈传输效率与所述耦合线圈电参数之间的关系的计算公式为：

其中，η_max为线圈的传输效率，k为耦合线圈间的耦合系数，Q₁为原边耦合线圈的品质因数，Q₂为副边耦合线圈的品质因数。

可选地，所述耦合线圈方程组的计算公式包括：

其中，k为耦合线圈间的耦合系数，M为耦合线圈原边线圈和副边线圈之间的互电感值，L₁为原边线圈的自电感，L₂为副边线圈的自电感，a为耦合线圈轴径比，

为第一参数，Q为耦合线圈的品质因数，ω为系统工作角频率，L为线圈的自电感，μ₀为真空磁导率，N为耦合线圈匝数，r_a为耦合线圈导线单位长度的电阻，Δ为耦合系数的平方k²、原边耦合线圈的品质因数Q₁和副边线圈的品质因数Q₂的乘积和，η_max为线圈的传输效率，Q₁为原边耦合线圈的品质因数，Q₂为副边耦合线圈的品质因数，R为线圈工作在角频率ω时的电阻。

一种无线充电系统耦合线圈传输性能优化系统，包括：

构建模块，用于构建无线充电系统模型并对所述无线充电系统模型进行仿真得到耦合线圈仿真性能参数；

获取模块，用于获取系统性能指标目标函数和耦合线圈性能目标函数；

耦合线圈方程组确定模块，用于根据所述无线充电系统模型确定耦合线圈方程组；

求解模块，用于根据所述系统性能指标目标函数和所述耦合线圈性能目标函数利用非线性方程求解法求解所述耦合线圈方程组，得到耦合线圈电参数；

调整模块，用于根据所述耦合线圈电参数和所述耦合线圈仿真性能参数对无线充电系统中的耦合线圈进行调整。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明构建无线充电系统模型并对所述无线充电系统模型进行仿真得到耦合线圈仿真性能参数；获取系统性能指标目标函数和耦合线圈性能目标函数；根据所述无线充电系统模型确定耦合线圈方程组；根据所述系统性能指标目标函数和所述耦合线圈性能目标函数利用非线性方程求解法求解所述耦合线圈方程组，得到耦合线圈电参数；根据耦合线圈电参数和所述耦合线圈仿真性能参数对无线充电系统中的耦合线圈进行调整。本发明先计算耦合线圈电参数再对耦合线圈进行调整提高了无线充电系统的传输效率和稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的无线充电系统耦合线圈传输性能优化方法流程图；

图2为本发明提供的无线充电系统耦合线圈传输性能优化方法流程示意图；

图3为无线充电系统的结构示意图；

图4为建立的耦合线圈结构无线充电系统模型结构示意图；

图5为建立的耦合线圈结构示意图。

具体实施方式

下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种无线充电系统耦合线圈传输性能优化方法及系统，以提高无线充电系统的传输效率和稳定性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的一种无线充电系统耦合线圈传输性能优化方法，包括：

步骤301：构建无线充电系统模型并对所述无线充电系统模型进行仿真得到耦合线圈仿真性能参数。

步骤302：获取系统性能指标目标函数和耦合线圈性能目标函数。

步骤303：根据所述无线充电系统模型确定耦合线圈方程组。其中，所述步骤303，具体包括：根据所述无线充电系统模型确定无线充电系统性能指标与耦合线圈电参数的关系；所述无线充电系统性能指标包括系统输出功率、系统输出效率、耦合系数和品质因数；所述耦合线圈电参数包括原边线圈自电感、副边线圈自电感、原边线圈电阻、副边线圈电阻和互电感。根据所述无线充电系统性能指标与所述耦合线圈电参数的关系确定耦合线圈传输效率与所述耦合线圈电参数之间的关系。根据所述无线充电系统性能指标与所述耦合线圈电参数的关系和所述耦合线圈传输效率与所述耦合线圈电参数之间的关系构建耦合线圈方程组。

步骤304：根据所述系统性能指标目标函数和所述耦合线圈性能目标函数利用非线性方程求解法求解所述耦合线圈方程组，得到耦合线圈电参数。步骤304，具体包括：以所述系统性能指标目标函数和所述耦合线圈性能目标函数为约束条件，利用非线性方程求解法求解所述耦合线圈方程组，确定耦合线圈电参数；所述非线性方程求解法包括二分法、迭代法、牛顿法和割线法。

步骤305：根据耦合线圈电参数和所述耦合线圈仿真性能参数对无线充电系统中的耦合线圈进行调整。步骤305，具体包括：将所述耦合线圈电参数与所述耦合线圈仿真性能参数进行对比，得到耦合线圈匝数调整量、轴径比调整量和系统工作角频率调整量；利用所述耦合线圈匝数调整量、所述轴径比调整量和所述系统工作角频率调整量对所述耦合线圈进行调整。

其中，所述系统性能指标目标函数的计算公式为：

P_o＝300,

η≥90％,

其中，P_o为系统额定输出功率；η为系统传输效率。

其中，所述耦合线圈性能目标函数的计算公式为：

R_avg>100，

R_avg<200，

k>0.3，

Q>300，

η_max>99％，

其中，R_avg为线圈平均半径，k为耦合线圈间的耦合系数，Q为耦合线圈的品质因数，η_max为线圈的传输效率。

其中，所述无线充电系统性能指标与所述耦合线圈电参数的关系的计算公式为：

其中，P_o为系统额定输出功率，I₂为副边线圈中的电流，R_L为无线充电系统模型的负载阻抗，ω为系统工作角频率，j为虚数单位，用以表示复阻抗，I₁为原边线圈中电流，L₁为原边线圈的自电感，L₂为副边线圈的自电感，R₁为原边线圈和副边线圈的电阻，R₂为副边线圈的电阻，M为耦合线圈原边线圈和副边线圈之间的互电感值，k为耦合线圈间的耦合系数，Q₁为原边耦合线圈的品质因数，用来表示线圈损耗大小的量。

其中，所述耦合线圈传输效率与所述耦合线圈电参数之间的关系的计算公式为：

其中，η_max为线圈的传输效率，k为耦合线圈间的耦合系数，Q₁为原边耦合线圈的品质因数，用来表示原边线圈损耗大小的量，Q₂为副边耦合线圈的品质因数，用来表示副边线圈损耗大小的量。

其中，所述耦合线圈方程组的计算公式包括：

其中，k为耦合线圈间的耦合系数，M为耦合线圈原边线圈和副边线圈之间的互电感值，L₁为原边线圈的自电感，L₂为副边线圈的自电感，R_avg为耦合线圈平均半径R_avg＝(R_out+R_in)/2，a为耦合线圈轴径比a＝h/R_avg，h为线圈间的传输距离，

为第一参数，Q为耦合线圈的品质因数，ω为系统工作角频率，L为线圈的自电感，μ₀为真空磁导率，N为耦合线圈匝数，r_a为耦合线圈导线单位长度的电阻，Δ为耦合系数的平方k²、原边耦合线圈的品质因数Q₁和副边线圈的品质因数Q₂的乘积，η_max为线圈的传输效率，Q₁为原边耦合线圈的品质因数，Q₂为副边耦合线圈的品质因数，R为线圈工作在角频率ω时的电阻。

本发明提供的方法应用如图3所示的无线充电系统包括系统电源201、原边补偿网络202、逆变器、整流器、耦合线圈203、副边补偿网络204以及系统负载205；所述原边补偿网络202的输入端与系统电源201相连，原边补偿网络202的输出端与原边耦合线圈203，副边线圈204连接副边补偿网络205；副边补偿网络205与系统负载206连接，当无线充电系统中设置逆变器和整流器时，系统电源为整个无线充电系统提供电能，逆变器的输入端与系统电源相连，将系统电源提供的电能转化为高频交流电；逆变器的输出端与原边补偿网络相连，高频交流电经过原边补偿网络处理后输送给原边耦合线圈；原边耦合线圈以空间电磁场的方式实现电能的无线传输；副边补偿网络的输入端与副边耦合线圈相连，对副边耦合线圈接收到的电能进行处理；整流器的输入端与副边补偿网络相连，将副边补偿网络处理后的高频交流电转化为直流电，最终为与整流器输出端连接的系统负载供电；上述部件之间通过电缆连接。

本发明提高无线充电系统耦合线圈性能的设计方法通过计算求得耦合线圈最优效率方程，得到相应的参数值，并根据实际系统测试对所求得的耦合线圈电参数进一步优化，以提高无线充电系统的耦合线圈性能。具体步骤如图2所示。

步骤A、建立无线充电系统模型；无线充电系统模型包括：系统电源、原边补偿网络、耦合线圈、副边补偿网络和系统负载。具体为描述系统电源201的参数，描述系统负载206的参数，描述无线充电系统耦合线圈203、204的自电感、互电感、交流电阻的参数，描述原边补偿网络202和副边补偿网络205中的电容的参数，以及上述参数之间逻辑关系的表征。

步骤B、根据无线充电系统模型和实际需求，确定系统性能指标的目标函数。

步骤C、在保证性能指标的前提下，确定系统耦合线圈性能最优化的目标函数。

步骤D、利用无线充电系统模型和目标函数，求解使无线充电系统线圈性能最优的线圈参数。

步骤E、在实际系统中测试计算得到的耦合线圈电参数，并根据测试结果对耦合线圈电参数进行优化。

步骤A中，将系统电源201作为无线充电系统模型的源U₁，将系统负载206作为无线充电系统耦合线圈模型的负载R_L，以集总参数表示原边耦合线圈203、原边补偿网络202、副边耦合线圈204和副边补偿网络205，具体为：耦合线圈的自电感与线圈的电阻串联，耦合线圈之间的感性耦合作用等效表示为与线圈之间的互电感；在原边补偿网络202和副边补偿网络205中，电感的杂散电阻与电感串联，电容的杂散电阻与电容串联，电感和电容之间的连接方式取串联连接的拓扑结构。采用串联电容的补偿形式，既能保证无线充电系统达到谐振状态，具有最高的有功功率输出，又最大程度的简化了整个过程的计算强度。由此，所述的建模过程全面考虑了耦合线圈中的各种变量，具有很高的精度。

选取系统电源、系统负载、耦合线圈、原边补偿网络和副边补偿网络的特征变量，建立线圈和补偿网络的无线充电系统状态空间模型，进而得到系统模型。耦合线圈值通过计算求得，并根据实际系统测试对其进一步优化，以提高耦合线圈的传输性能。

步骤B中，系统性能指标包括耦合线圈的品质因数Q、耦合系数k、系统的传输功率P和传输效率η；系统性能指标的目标函数包括耦合线圈的品质因数Q、耦合系数k和传输效率η。其中品质因数为关于两线圈自电感L₁、L₂、角频率ω和线圈电阻R₁、R₂的函数，耦合系数k为关于两耦合线圈的自电感L₁、L₂和线圈间的互电感M的函数；传输效率η为关于品质因数Q和耦合系数k的函数；耦合线圈的品质因数Q＝ωL/R是用来表示线圈损耗大小的量，公式中的ω为无线充电系统工作的角频率，L为耦合线圈的自电感，R为线圈工作在角频率ω时的电阻；耦合系数k是用来表示线圈间耦合程度的量，

公式中的M为耦合线圈间的互电感，L₁和L₂为两耦合线圈的自电感。

所述步骤B中系统性能指标目标函数的确定过程如下：首先根据电源电压、耦合线圈的自电感、电阻和线圈间的互电感计算出原边的电流和副边负载的电流；再根据充电电流和负载计算出无线充电系统的输出功率，根据系统电源电压和原边电流计算出系统的输入功率；然后根据系统输入功率和输出功率，得到无线充电系统耦合线圈的传输效率；最后根据系统的传输效率，求得当系统取得最佳负载时线圈效率最高，后续用以表示无线充电系统耦合线圈的传输效率η_max。一般无线充电系统耦合线圈的效率较高，能达到95％以上。

步骤C中，制定系统耦合线圈性能最优化目标函数的前提是保证系统取得最优负载，原边补偿网络和原边线圈达到谐振状态，副边补偿网络和副边线圈达到谐振状态。在保证系统取得最优负载的前提下，综合考虑系统性能指标最优时的耦合线圈匝数、匝间距、线圈外径、线圈内径和线圈间的传输距离对无线充电系统的影响，具体包括：匝数、线圈外径和线圈内径与线圈自电感的函数L，线圈间互电感关于匝数、线圈内径、线圈外径和传输距离的函数M，线圈的电阻关于匝数，线圈内径、线圈外径和线圈导线单位长度的电阻值的函数R，品质因数关于线圈匝数、导线单位长度电阻和工作角频率的函数Q，耦合系数关于匝数、线圈内径、线圈外径和传输距离的函数k，线圈效率关于匝数，线圈内径、线圈外径、线圈间的传输距离和工作角频率的函数η_max等。如图5所示，考虑计算优化，将线圈的内径R_in和外径R_out用平均半径R_avg表示以减少变化参数，R_avg＝(R_out+R_in)/2为线圈平均半径，再将线圈的传输距离h与线圈平均半径R_avg的比值作为耦合线圈的轴径比a(a＝h/R_avg)来进一步简化目标函数；因此，得到系统耦合线圈性能最优化的目标函数包括：耦合线圈间的耦合系数k关于线圈轴径比、耦合线圈匝数和角频率的函数；耦合线圈品质因数Q关于线圈轴径比、线圈匝数和角频率的函数；耦合线圈传输效率η_max关于线圈轴径比、线圈匝数和角频率的函数。

步骤C中系统耦合线圈最优化目标函数的确定过程如下：首先利用无线充电系统模型，计算得到耦合线圈性能指标最优时传输效率；分别计算耦合线圈自电感L₁、L₂，耦合线圈电阻R₁、R₂和耦合线圈间的互电感M分别关于匝数，线圈外径和线圈内径，单位长度的线圈导线的电阻，传输距离和角频率的函数；考虑计算优化，将线圈的内径R_in和外径R_out用平均半径R_avg表示以减少变化参数，R_avg＝(R_out+R_in)/2为线圈平均半径，再将线圈的传输距离h与线圈平均半径R_avg的比值作为耦合线圈的轴径比a(a＝h/R_avg)来进一步简化目标函数；最后将线圈导线的直径与线圈匝数、线圈平均半径之间的关系，线圈导线的直径作为约束条件，得到品质因数Q，耦合系数k和传输效率η_max关于匝数、轴径比和工作角频率的函数。

在保证系统取得最优负载，且原边线圈与补偿网络处于谐振状态，副边线圈与副边网络处于谐振状态的前提下再确定系统耦合线圈性能最优化的目标函数，这就使得本发明的方法能够在达到无线充电系统其他单元传输效率最优的基础上，进一步提高了耦合传输线圈的传输性能，实现了对系统性能指标和耦合线圈性能最优化目标的全面优化。

步骤D中，线圈参数的求解过程如下：耦合系数、品质因数和传输效率求解过程如下：首先根据步骤B列出无线充电系统模型系统各单元之间的特征变量，得到传输效率与各特征变量之间的函数关系；然后根据步骤C求得线圈的自电感、电阻和线圈间互电感等性能指标与线圈轴径比、线圈匝数、导线单位长度的电阻和工作角频率的函数关系，进而得到线圈轴径比、线圈匝数、导线单位长度的电阻和工作角频率与耦合系数、品质因数的函数关系；再而得到线圈平轴径比、线圈匝数、导线单位长度的电阻和工作角频率与传输效率的函数关系，确立待求解的耦合线圈方程；最后将线圈导线的直径与线圈匝数、线圈平均半径之间的关系，以及线圈导线的直径作为约束条件；利用非线性方程求解方法求解方程，得到品质因数Q，耦合系数k和传输效率η_max关于匝数、轴径比和工作角频率的最优解。

传输效率方程的求解过程中，线圈匝数为平均半径和线圈导线直径的比值，所求得的线圈尺寸在实际应用中往往受到环境的限制，传输功率也会限制约束导线的直径。耦合线圈电参数方程组的求解过程中，系统性能最优负载指标目标函数为强约束条件，而耦合线圈性能最优化目标函数为弱约束条件；即求解过程应优先满足性能指标约束条件，然后在此基础上实现耦合线圈性能的最优化。非线性方程求解方法可采用二分法、迭代法、牛顿法、割线法、延拓法、最速下降法等方法。

步骤E中的耦合线圈电参数优化过程如下：首先根据计算得到的耦合线圈电参数值绕制耦合线圈；然后实际测量线圈的自电感，角频率w下的线圈电阻R以及线圈间的互电感，并计算出线圈的耦合系数k和品质因数Q；进而根据绕制的耦合线圈搭建实际系统，测量实际系统的输出功率、传输效率等性能指标，再基于测量结果对线圈的参数值进行调整；最后得到满足性能指标要求，并且传输效率最优的无线充电系统。

基于测量结果对耦合线圈的参数值进行调整的具体方法如下：首先根据无线充电系统模型和实际系统，明确系统性能指标与耦合线圈电参数的变化关系；再确定耦合线圈中各参数与线圈性能指标的关系；然后针对测量结果，利用耦合线圈中各参数之间的耦合关系，以及系统性能指标和耦合线圈性能指标随耦合线圈电参数的变化关系，对一个或多个耦合线圈电参数的值进行小幅调整，以使实际系统满足性能指标和耦合线圈性能最优化的要求；最后在实际系统中对耦合线圈电参数值的调整结果进行验证，如果满足要求，将调整后的值确定为最终值；如果尚未满足要求，则继续调整。

实际系统的输出功率、传输效率等性能指标采用功率分析仪进行测量；耦合线圈的性能指标参数采用阻抗网络分析仪测量，输入电压，输入电流，输出电压，输出电流和系统负载采用示波器或者万用表进行测量。

实际测试优化过程中只需对计算得到的耦合线圈电参数值进行小幅调整即可满足性能指标和耦合线圈性能最优化的设计要求；而耦合线圈电参数值的计算过程则可以通过编写程序模块化实现，这就大大简化了设计流程，提高了设计效率。

本发明具有以下优点和有益效果：1、建立在高精度无线充电系统模型的基础上，采用先计算后仿真验证的方式，具有极高的准确性；2、保证系统取得最优负载性能指标的同时，实现耦合线圈性能的最优化，达到系统的全面优化；3、实现方式简单，减少了仿真的工作量，提高了设计效率。

本发明还提供一种无线充电系统耦合线圈传输性能优化方法在实际应用中的具体工作流程。

本实施例中，针对一种两线圈结构、采用串联电容进行补偿的无线充电系统，采用本发明的设计方法，通过设计耦合线圈及其串联补偿电容的值来提高系统的传输性能，具体步骤如下：

步骤A、建立包含系统电源、原边补偿网络、原边耦合线圈、副边耦合线圈和副边补偿网络和系统负载的无线充电系统模型。

将交流电源作为无线充电系统模型的源U₁；并将系统最优负载R_opt作为无线充电系统模型的负载

原边耦合线圈、副边耦合耦合线圈、原边补偿网络和副边补偿网络的建模过程中考虑两个线圈的自电感L₁、L₂，互电感M，电阻R₁、R₂，其中，原边耦合线圈和副边耦合线圈的电参数首先通过电磁模型仿真得到；以及根据L₁、L₂计算得到的原副边补偿网络，补偿网络均采用的串联补偿电容C₁、C₂。进而得到两线圈结构、采用串联电容进行补偿的无线充电系统的模型，如图4所示。其中，模型的源U_S、原边线圈的自电感L₁、原边线圈的串联补偿电容C₁和原边线圈的电阻R₁串联构成原边线圈回路；副边线圈的自电感L₂、副边线圈的串联补偿电容C₂、副边线圈的电阻R₂串联和模型负载R_L构成副边线圈回路；互电感M用以表示线圈之间的感性耦合作用。在上述模型的基础上，采用示波器测量电源电压U₁，采用阻抗分析仪测量负载R_L、耦合线圈的自电感阻抗L₁和L₂、耦合线圈的电阻R₁和R₂，补偿网络的电容值C₁和C₂，以便实际测量得到模型中各参数的值。

步骤B、根据实际需求，确定系统性能指标的目标函数值，其中系统性能指标为输出功率和目标传输效率。

根据实际需求，确定无线充电系统的额定输出功率P_o为300W，其目标传输效率η为90％。根据输出功率确定副边线圈回路所需电流I₂，并计算出所需导线直径。综上，能够得到耦合线圈的限制条件如公式(1)所示：

其中，P_o为系统额定输出功率，单位为W；η为系统传输效率。

步骤C、在保证性能指标的前提下，确定系统耦合线圈性能最优化的目标函数。

在保证系统输出功率和传输效率等性能指标达到要求的前提下，进一步考虑系统性能指标最优时的耦合线圈电参数，制定系统耦合线圈性能最优化的目标函数，具体包括：耦合线圈间的耦合系数k、耦合线圈的品质因数Q和线圈的传输效率η_max；然后根据线圈实际尺寸限制得到线圈平均半径R_avg，如公式(2)所示，R_avg为线圈平均半径，为线圈内半径和外半径之和的一半，单位为mm：

R_avg>100， (2)

R_avg<200，

k>0.3，

Q>300，

η_max>99％，

步骤D、利用无线充电系统模型和目标函数，求解使无线充电系统耦合线圈性能最优的系统各部分参数。

首先根据图4所示的无线充电系统模型，列出无线充电系统各参数之间的函数关系，如公式(3)所示：

其中，ω为系统工作角频率，

为为无线充电系统模型的源电压，R_L为模型的负载阻抗，

为原边线圈中的电流，

为副边线圈中的电流，R_opt为无线充电系统取得最高效率时的最优负载，

I₁和I₂分别为原边线圈和副边线圈中的电流，L₁和L₂分别为原边线圈和副边线圈的自电感，R₁、R₂分别为原边线圈和副边线圈的电阻，C₁和C₂分别为原边线圈和副边线圈的串联补偿电容；M为耦合线圈原边线圈和副边线圈之间的互电感值；k为耦合线圈间的耦合系数，是表示线圈间耦合程度的物理量，Q₁，Q₂分别为原副边耦合线圈的品质因数，Δ为耦合系数的平方k²、原边耦合线圈的品质因数Q₁和副边线圈的品质因数Q₂的乘积，η_max为耦合线圈在负载最优时的传输效率，P_o为线圈输出功率。

然后求得系统输出功率(公式6)、耦合系数(公式7)、品质因数(公式8、公式9)等性能指标与耦合线圈电参数L₁，L₂，R₁，R₂和M的函数关系，进而得到耦合线圈传输效率与L₁，L₂，R₁，R₂和M的函数关系，如公式11所示。

最后将公式12-14代入公式6-11，求得耦合线圈的轴径比、耦合线圈的匝数、系统工作的角频率与耦合线圈耦合系数的函数关系如公式15所示，耦合线圈的轴径比、耦合线圈的匝数、系统工作的角频率与耦合线圈品质因数的函数关系如公式16所示，耦合线圈的轴径比、耦合线圈的匝数、系统工作的角频率、负载电阻、与耦合线圈传输效率的函数关系如公式18所示，列出其余无线充电系统各参数之间的函数关系，如公式12-18所示：

其中，R_out为耦合线圈外半径，R_in为耦合线圈内半径，R_avg为线圈的平均半径，其值等于线圈内半径和外半径之和的一半，N为耦合线圈匝数，

是由N和R_avg决定的数值，μ₀为真空磁导率，a＝h/d_avg为耦合线圈轴径比，ω为系统工作角频率，r_a为耦合线圈导线单位长度的电阻。l为绕制耦合线圈的利兹线长度，h为耦合线圈间的传输距离。

再根据设计要求确立待求解的耦合线圈方程组(公式15-18)；最后将性能指标目标函数和耦合线圈性能最优化目标函数作为约束条件，利用二分法、迭代法、牛顿法、割线法等非线性方程求解方法求解耦合线圈方程组，得到耦合线圈的匝数，耦合线圈的轴径比和系统工作的角频率等耦合线圈的物理参数，进而得到L₁，L₂，R₁，R₂和M等耦合线圈的电参数。

步骤E、在实际系统中测试计算得到的耦合线圈电参数(L₁、L₂、R₁、R₂和M)，并根据测试结果对耦合线圈物理参数(匝数、耦合线圈的轴径比和系统工作的角频率)进行优化。

首先根据耦合线圈电磁模型仿真结果得到的L₁，L₂，R₁，R₂、M和公式3，计算出原副边补偿网络的C₁和C₂，然后搭建实际系统；然后根据公式12-14通过编写程序模块化实现L₁，L₂，R₁，R₂和M的计算，并根据计算结果搭建实际系统；然后用阻抗网络分析仪分别测量通过仿真和通过计算得到的L₁，L₂，R₁，R₂和M，功率分析仪测量实际系统的输出功率、传输效率等性能指标，并用示波器或者万用表测量耦合线圈的输入电压、输入电流、输出电压和输出电流；然后对比通过仿真和通过计算得到的耦合线圈性能参数，再根据公式12、13、14中耦合线圈的轴径比、耦合线圈的匝数、系统工作的角频率与L₁，L₂，R₁，R₂和M之间的关系，以及系统性能指标和耦合线圈性能指标随耦合线圈的轴径比、耦合线圈的匝数、系统工作的角频率的变化关系，对一个或多个耦合线圈的参数值进行小幅调整，可以通过增加轴径比或轴的方式增加耦合线圈的自电感L₁、L₂和互电感M，减小工作角频率以减小耦合线圈的电阻R₁、R₂，并在实际系统中对耦合线圈电参数值的调整结果进行验证；最后得到满足公式(2)中的性能指标要求，并且耦合线圈性能最优的无线充电系统。

本发明提供的一种无线充电系统耦合线圈传输性能优化系统，包括：

构建模块，用于构建无线充电系统模型并对所述无线充电系统模型进行仿真得到耦合线圈仿真性能参数。

获取模块，用于获取系统性能指标目标函数和耦合线圈性能目标函数。

耦合线圈方程组确定模块，用于根据所述无线充电系统模型确定耦合线圈方程组。

求解模块，用于根据所述系统性能指标目标函数和所述耦合线圈性能目标函数利用非线性方程求解法求解所述耦合线圈方程组，得到耦合线圈电参数。

调整模块，用于根据耦合线圈电参数和所述耦合线圈仿真性能参数对无线充电系统中的耦合线圈进行调整。

本发明的目的是提高当前无线充电系统耦合线圈性能，简化反复的线圈仿真设计。本发明可为无线充电系统耦合线圈结构和参数的设计提供依据，进而提高无线充电系统的传输效率和稳定性，并实现系统性能指标和耦合线圈指标的全面优化、提高设计效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种无线充电系统耦合线圈传输性能优化方法，其特征在于，包括：

构建无线充电系统模型并对所述无线充电系统模型进行仿真得到耦合线圈仿真性能参数；

获取系统性能指标目标函数和耦合线圈性能目标函数；

根据所述无线充电系统模型确定耦合线圈方程组；

根据所述系统性能指标目标函数和所述耦合线圈性能目标函数利用非线性方程求解法求解所述耦合线圈方程组，得到耦合线圈电参数；

根据所述耦合线圈电参数和所述耦合线圈仿真性能参数对无线充电系统中的耦合线圈进行调整。

2.根据权利要求1所述的无线充电系统耦合线圈传输性能优化方法，其特征在于，所述根据所述无线充电系统模型确定耦合线圈方程组，具体包括：

根据所述无线充电系统模型确定无线充电系统性能指标与耦合线圈电参数的关系；所述无线充电系统性能指标包括系统输出功率、系统输出效率、耦合系数和品质因数；所述耦合线圈电参数包括原边线圈自电感、副边线圈自电感、原边线圈电阻、副边线圈电阻和互电感；

根据所述无线充电系统性能指标与所述耦合线圈电参数的关系确定耦合线圈传输效率与所述耦合线圈电参数之间的关系；

根据所述无线充电系统性能指标与所述耦合线圈电参数的关系和所述耦合线圈传输效率与所述耦合线圈电参数之间的关系构建耦合线圈方程组。

3.根据权利要求1所述的无线充电系统耦合线圈传输性能优化方法，其特征在于，所述根据所述系统性能指标目标函数和所述耦合线圈性能目标函数利用非线性方程求解法求解所述耦合线圈方程组，得到耦合线圈电参数，具体包括：

以所述系统性能指标目标函数和所述耦合线圈性能目标函数为约束条件，利用非线性方程求解法求解所述耦合线圈方程组，确定耦合线圈电参数；所述非线性方程求解法包括二分法、迭代法、牛顿法和割线法。

4.根据权利要求1所述的无线充电系统耦合线圈传输性能优化方法，其特征在于，所述根据所述耦合线圈电参数和所述耦合线圈仿真性能参数对无线充电系统中的耦合线圈进行调整，具体包括：

将所述耦合线圈电参数与所述耦合线圈仿真性能参数进行对比，得到耦合线圈匝数调整量、轴径比调整量和系统工作角频率调整量；

利用所述耦合线圈匝数调整量、所述轴径比调整量和所述系统工作角频率调整量对所述耦合线圈进行调整。

5.根据权利要求1所述的无线充电系统耦合线圈传输性能优化方法，其特征在于，所述系统性能指标目标函数的计算公式为：

P_o＝300,

η≥90％,

其中，P_o为系统额定输出功率；η为系统传输效率。

6.根据权利要求1所述的无线充电系统耦合线圈传输性能优化方法，其特征在于，所述耦合线圈性能目标函数的计算公式为：

R_avg>100，

R_avg<200，

k>0.3，

Q>300，

η_max>99％，

其中，R_avg为线圈平均半径，k为耦合线圈间的耦合系数，Q为耦合线圈的品质因数，η_max为线圈的传输效率。

7.根据权利要求2所述的无线充电系统耦合线圈传输性能优化方法，其特征在于，所述无线充电系统性能指标与所述耦合线圈电参数的关系的计算公式为：

其中，P_o为系统额定输出功率，I₂为副边线圈中的电流，R_L为无线充电系统模型的负载阻抗，ω为系统工作角频率，j为虚数单位，用以表示复阻抗，I₁为原边线圈中电流，L₁为原边线圈的自电感，L₂为副边线圈的自电感，R₁为原边线圈和副边线圈的电阻，R₂为副边线圈的电阻，M为耦合线圈原边线圈和副边线圈之间的互电感值，k为耦合线圈间的耦合系数，Q₁为原边耦合线圈的品质因数。

8.根据权利要求2所述的无线充电系统耦合线圈传输性能优化方法，其特征在于，所述耦合线圈传输效率与所述耦合线圈电参数之间的关系的计算公式为：

其中，η_max为线圈的传输效率，k为耦合线圈间的耦合系数，Q₁为原边耦合线圈的品质因数，Q₂为副边耦合线圈的品质因数。

9.根据权利要求2所述的无线充电系统耦合线圈传输性能优化方法，其特征在于，所述耦合线圈方程组的计算公式包括：

其中，k为耦合线圈间的耦合系数，M为耦合线圈原边线圈和副边线圈之间的互电感值，L₁为原边线圈的自电感，L₂为副边线圈的自电感，a为耦合线圈轴径比，

为第一参数，Q为耦合线圈的品质因数，ω为系统工作角频率，L为线圈的自电感，μ₀为真空磁导率，N为耦合线圈匝数，r_a为耦合线圈导线单位长度的电阻，Δ为耦合系数的平方k²，原边耦合线圈品质因数和副边耦合线圈品质因数的乘积，η_max为线圈的传输效率，Q₁为原边耦合线圈的品质因数，Q₂为副边耦合线圈的品质因数，R为线圈工作在角频率ω时的电阻。

10.一种无线充电系统耦合线圈传输性能优化系统，其特征在于，包括：

构建模块，用于构建无线充电系统模型并对所述无线充电系统模型进行仿真得到耦合线圈仿真性能参数；

获取模块，用于获取系统性能指标目标函数和耦合线圈性能目标函数；

耦合线圈方程组确定模块，用于根据所述无线充电系统模型确定耦合线圈方程组；

求解模块，用于根据所述系统性能指标目标函数和所述耦合线圈性能目标函数利用非线性方程求解法求解所述耦合线圈方程组，得到耦合线圈电参数；

调整模块，用于根据所述耦合线圈电参数和所述耦合线圈仿真性能参数对无线充电系统中的耦合线圈进行调整。

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