CN114334338B - 一种面向两轮轻载电动车无线充电线圈的优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向两轮轻载电动车无线充电线圈的优化设计方法，包括以下步骤：S1、选取圆形线圈结构，充电间距d为3cm‑6cm，接收端为半径不大于6cm的圆，选取每匝线圈间距ε＝Litz线直径，线圈和磁芯间距α＝Litz线半径；S2、根据无线充电系统设计功率P0和直流端输入电压Vin，计算原边线圈最大电流值本发明中，本发明面向二轮轻载电动车，因其功率和线圈尺寸较小，故而在诸如每匝线圈间距、线径、最外层线圈距离磁芯边缘距离等参数上具有较小的可选择性，从而可以设置小范围的离散参数集合，直接进行参数扫描，而不是像一般多目标优化一样，需要优化算法进行迭代。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电线圈技术领域，尤其涉及一种面向两轮轻载电动车无线充电线圈的优化设计方法。
背景技术
无线充电技术源于无线电能传输技术，其原理是充电器与用电装置之间以磁场传送能量，其可分为小功率无线充电和大功率无线充电两种类型，小功率无线充电常采用电磁感应式，大功率无线充电常采用谐振式，由供电设备将能量传送至用电装置，无线充电作为一种新型的充电方式，具备操作便捷、安全可靠和充电灵活等显著的优点，已经成为手机、智能家用电器、纯电动汽车、插电式混合动力汽车及二轮轻载电动车等设备的理想充电方式，具有非常广阔的市场前景。
对于二轮轻载电动车而言，二轮轻载电动车体积小，可用于放置充电线圈的位置空间有限，这对其充电装置的尺寸提出了严格要求，如何在保证充电功率等级、充电性能的情况下，设计出成本低、传输效率高的充电线圈对于充电装置来说就显得非常重要，因此，本发明提供一种面向两轮轻载电动车无线充电线圈的优化设计方法。
发明内容
为了解决上述背景技术中所提到的技术问题，而提出的一种面向两轮轻载电动车无线充电线圈的优化设计方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种面向两轮轻载电动车无线充电线圈的优化设计方法，包括以下步骤：
S1、选取圆形线圈结构，充电间距d为3cm-6cm，接收端为半径不大于6cm的圆，选取每匝线圈间距ε＝Litz线直径，线圈和磁芯间距α＝Litz线半径；
S2、根据无线充电系统设计功率P0和直流端输入电压Vin，计算原边线圈最大电流值对应线规查找合适规格的Litz线，以计算原边线圈互感最小值Mmin；
S3、计算最大单匝线圈互感值M1,以确定线圈缠绕位置：其中，k为耦合因子，Lp1为原边最大单匝线圈自感，Ls1为副边最大单匝线圈自感；
S4、绘制原边单匝发射线圈相对副边接收线圈互感随半径变化趋势图，并通过选取互感半径值确定线圈缠绕位置和线圈匝数N；
S5、计算传输损耗Loss和和线圈成本Cost，根据设计需求，对传输损耗Loss和线圈成本Cost分别取权重因子a和b，设置理想的损失函数：
Index＝a*Loss+b*Cost；
损失函数最大值为maxIndex，当Index＜maxIndex时，优化结束，否则，调整调整Litz线规格和线圈几何尺寸，重复上述过程。
作为上述技术方案的进一步描述：
原边线圈互感最小值的计算公式为：其中，Lsec为接收端自感，Q2通常取值为5～10，输出功率Pout≈P0，ω0＝2π×85kHz。
作为上述技术方案的进一步描述：
受限于线圈外围尺寸，当线圈铺满空间其自感仍然小于预设自感参数时，对发射线圈进行双层设计。
作为上述技术方案的进一步描述：
无线充电系统设计功率P0的范围为200w～1000w。
作为上述技术方案的进一步描述：
常用规格的Litz线的最大电流值Ipri,max范围为5.9A～19.65A。
作为上述技术方案的进一步描述：
在步骤S3中，根据线圈最大互感值计算公式：得M＝NpNsM1，其中，Np为原边线圈匝数，Ns为副边线圈匝数。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：首先，本发明面向二轮轻载电动车，因其功率和线圈尺寸较小，故而在诸如每匝线圈间距、线径、最外层线圈距离磁芯边缘距离等参数上具有较小的可选择性，从而可以设置小范围的离散参数集合，直接进行参数扫描，而不是像一般多目标优化一样，需要优化算法进行迭代，其次，本发明通过分析单匝线圈的感应特性，在最优值附近设置线圈几何变量的可允许离散参数集合，进行参数扫描，从而降低有限元分析可行域，免去多目标优化算法的寻优过程，简化并加快整个优化过程。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例提供的单匝线圈互感变化趋势示意图；
图2示出了根据本发明实施例提供的双层发射线圈的俯视示意图；
图3示出了根据本发明实施例提供的双层发射线圈的侧视示意图；
图4示出了当前电动汽车的充电装置的无线充电线圈的优化设计方法流程示意图。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
当前关于充电线圈设计和优化方法主要面向电动汽车等大功率设备，其整体充电性能和设备成本与单体充电线圈关系密切，因而线圈设计和优化上也更为严格，对于常见圆形线圈，待确定和优化参数如以下表1所示：
表1
| Litz线 | # |
| 线圈匝数 | N |
| 线圈起始半径 | r0 |
| 线圈外径 | R |
| 线圈和磁芯间距 | α |
| 每匝线圈间距 | ε |
| 原副边线圈额定间距 | d |
| 磁芯厚度 | β |
当前面向电动汽车的充电装置的一般设计过程为：
(1)根据充电场景确定线圈外部尺寸；
(2)根据功率等级确定线圈流过最大电流，并以此确定Litz线规格；
(3)根据线圈流过最大电流确定线圈之间所需最小互感值；
(4)根据电路拓扑结构确定线圈自感值；
(5)初始化线圈匝数N，由外向内缠绕；
(6)进行有限元分析，对匝数N进行参数扫描，直至满足要求。
如图4所示，优化流程为：
(1)确定线圈自感、所需电能传输距离、线圈间互感；
(2)确定线圈待优化几何变量，以及相应的约束集，并初始化变量值；
(3)设定初始线圈匝数；
(4)进行有限元分析，求得线圈电性参数，自感和互感；
(5)若不满足要求，则更新线圈匝数N，执行步骤(4)，若满足要求，则进入下一步；
(6)判断磁芯是否出现磁饱，若是，增大磁芯厚度，执行步骤(4)，若不是，则进入下一步；
(7)计算损失函数Loss1，Loss2，······，LossN；
(8)计算目标函数OF＝Loss1+Loss2+······+LossN；
(9)判断目标函数OF是否收敛；
(10)若不收敛，进入寻优算法，更新待优化变量，返回步骤(4)，若收敛，判断所得优化参数是否满足要求；
(11)若是，则优化流程结束，若不是，更新损失函数比重，返回步骤(8)。
首先，上述充电线圈的设计和优化上往往需要建立多目标优化模型，利用智能算法对线圈的各项几何参数进行寻优，且每迭代一步都需要进行有限元分析，得到线圈的特征，进而求得目标函数值，但是，因线圈几何参数较多，加上智能算法效率低下，导致整个寻优过程需要耗费大量的时间和计算资源，其次，二轮轻载电动车体积小，可用于放置充电线圈的位置空间有限，往往出现互感值满足要求但是线圈自感过低的情况，目前尚无有效的优化设计方法。
以下通过实施例一，面向二轮轻载电动车的无线充电装置，通过设置充电线圈几何变量的可允许离散参数集合，降低有限元分析可行域，并手动选择部分参数，免去智能算法，从而加快整个优化过程。
实施例一
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种面向两轮轻载电动车无线充电线圈的优化设计方法，包括以下步骤：
S1、根据二轮轻载电动车实际使用情况，选取圆形线圈结构，便于安装，充电间距d为3cm-6cm，接收端为半径不大于6cm的圆，可根据实际情况进行调整，鉴于充电功率较小，严格优化发射线圈带来的收益小，选取每匝线圈间距ε＝Litz线直径，即紧密缠绕，线圈和磁芯间距α＝Litz线半径，即线圈紧贴磁芯，其中，发射线圈外部尺寸参考优化流程中的参数；
S2、根据无线充电系统设计功率P0和直流端输入电压Vin，估算原边线圈最大电流值对应线规查找合适规格的Litz线，以计算原边线圈互感最小值Mmin，其中，无线充电系统设计功率P0的范围为200w～1000w，常用规格的Litz线的最大电流值Ipri,max范围为5.9A～19.65A；
对于轻载电动车而言，常用规格如以下表2所示：
表2
| 规格 | 股数 | 外径(mm) | 截面积(mm2) | 电流(A) |
| 0.1*150 | 150 | 1.71 | 1.18 | 5.9 |
| 0.1*200 | 200 | 1.98 | 1.57 | 7.85 |
| 0.1*300 | 300 | 2.42 | 2.36 | 11.80 |
| 0.1*400 | 400 | 2.80 | 3.14 | 15.70 |
| 0.1*500 | 500 | 3.13 | 3.93 | 19.65 |
根据表2，可得到满足要求的原边线圈互感最小值，具体的，原边线圈互感最小值的计算公式为：其中，Lsec为接收端自感，Q2通常取值为5～10，输出功率Pout≈P0，ω0＝2π×85kHz；
S3、计算最大单匝线圈互感值M1：其中，k为所需耦合系数，Lp1为原边最大单匝线圈自感，Ls1为副边最大单匝线圈自感，以确定线圈缠绕位置；
根据线圈最大互感值M计算公式：得M＝NpNsM1，其中，Np为原边线圈匝数，Ns为副边线圈匝数；
对于二轮轻载电动车，其可利用的放置接收线圈空间相对固定，线圈缠绕时由外向内缠满即可，根据上述公式可知，最大互感值M对应于最大单匝线圈互感值M1，因此，可以通过寻找最大单匝线圈互感值M1来确定最优线圈位置缠绕位置；
S4、绘制原边单匝发射线圈相对副边接收线圈互感随半径变化趋势图，经仿真验证后具有如图1所示的特征，非对称，有极值，通过选取互感半径值确定线圈缠绕位置和线圈匝数N；
假设线外径为2mm，匝数取20，紧密缠绕时，线圈总宽度为20mm，根据图1，以横轴20mm的窗口截取曲线较大值对应的端点坐标，互感最大值则线圈起始半径r0＝90mm，外径R＝100mm；
S5、受限于线圈外围尺寸，当线圈铺满空间其自感仍然小于预设自感参数，则对发射线圈进行双层设计，提高线圈自感值，其中，预设自感参数即发射线圈自感值，参考优化流程中参数，发射线圈双层设计结构示意图如图2和图3所示；
S6、计算传输损耗Loss和和线圈成本Cost，根据设计需求，对传输损耗Loss和线圈成本Cost分别取权重因子a和b，设置理想的损失函数：
Index＝a*Loss+b*Cost；
损失函数最大值为maxIndex，当Index＜maxIndex时，优化结束，否则，调整调整Litz线规格和线圈几何尺寸，重复上述过程，其中，若逐级增大Litz线，即选取股数更多的线型，可降低传输损耗，同时成本上升，减小线圈外围尺寸可降低线圈成本，同时损耗增大。
首先，本发明面向二轮轻载电动车，因其功率和线圈尺寸较小，故而在诸如每匝线圈间距、线径、最外层线圈距离磁芯边缘距离等参数上具有较小的可选择性，从而可以设置小范围的离散参数集合，直接进行参数扫描，而不是像一般多目标优化一样，需要优化算法进行迭代；
其次，本发明通过分析单匝线圈的感应特性，在最优值附近设置线圈几何变量的可允许离散参数集合，进行参数扫描，从而降低有限元分析可行域，免去多目标优化算法的寻优过程，简化并加快整个优化过程。
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 (6)
1.一种面向两轮轻载电动车无线充电线圈的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选取圆形线圈结构，充电间距d为3cm-6cm，接收端为半径不大于6cm的圆，选取每匝线圈间距ε＝Litz线直径，线圈和磁芯间距α＝Litz线半径；
S2、根据无线充电系统设计功率P0和直流端输入电压Vin，计算原边线圈最大电流值对应线规查找合适规格的Litz线，以计算原边线圈互感最小值Mmin；
S3、计算最大单匝线圈互感值M1,以确定线圈缠绕位置：其中，k为耦合因子，Lp1为原边最大单匝线圈自感，Ls1为副边最大单匝线圈自感，通过寻找最大单匝线圈互感值M1来确定最优线圈位置缠绕位置；
S4、绘制原边单匝发射线圈相对副边接收线圈互感随半径变化趋势图，并通过选取互感半径值确定线圈缠绕位置和线圈匝数N；
S5、计算传输损耗Loss和和线圈成本Cost，根据设计需求，对传输损耗Loss和线圈成本Cost分别取权重因子a和b，设置理想的损失函数：
Index＝a*Loss+b*Cost；
损失函数最大值为maxIndex，当Index＜maxIndex时，优化结束，否则，调整调整Litz线规格和线圈几何尺寸，重复上述过程；
通过分析单匝线圈的感应特性，在最优值附近设置线圈几何变量的可允许离散参数集合，进行参数扫描，降低有限元分析可行域，免去多目标优化算法的寻优过程，简化并加快整个优化过程。
2.根据权利要求1所述的一种面向两轮轻载电动车无线充电线圈的优化设计方法，其特征在于，原边线圈互感最小值的计算公式为：其中，Lsec为接收端自感，Q2取值为5～10，输出功率Pout＝P0，ω0＝2π×85kHz。
3.根据权利要求1所述的一种面向两轮轻载电动车无线充电线圈的优化设计方法，其特征在于，受限于线圈外围尺寸，当线圈铺满空间其自感仍然小于预设自感参数时，对发射线圈进行双层设计。
4.根据权利要求1所述的一种面向两轮轻载电动车无线充电线圈的优化设计方法，其特征在于，无线充电系统设计功率P0的范围为200w～1000w。
5.根据权利要求1所述的一种面向两轮轻载电动车无线充电线圈的优化设计方法，其特征在于，常用规格的Litz线的最大电流值Ipri,max范围为5.9A～19.65A。
6.根据权利要求1所述的一种面向两轮轻载电动车无线充电线圈的优化设计方法，其特征在于，在步骤S3中，根据线圈最大互感值计算公式：得M＝NpNsM1，其中，Np为原边线圈匝数，Ns为副边线圈匝数。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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