CN114692299A - 一种电动汽车动态无线充电谐振线圈设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了无线充电领域内的一种电动汽车动态无线充电谐振线圈设计方法,包括如下步骤:步骤1,给定目标参数:根据无线充电系统的前后级电路以及功率等级需求,设定无线充电系统的前级输入电压Uin及输出电压Uout,系统输出功率Pout,原副边线圈的垂直距离;步骤2,选取动态无线充电系统谐振补偿网络及谐振频率;步骤3,确定谐振补偿网络中的谐振电感值;步骤4,确定谐振线圈互感系数;步骤5,利兹线选型;步骤6,确定约束条件;步骤7,线圈最小尺寸及绕线最大长度的确定;步骤8,谐振线圈绕制;步骤9,磁芯结构优化;步骤10,确定原边线圈摆放间距;在满足给定要求的前提下,实现谐振线圈电气性能和物理性能的最优化。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电领域内的谐振线圈设计方法。
背景技术
随着时代的发展,能源短缺与环境污染问题日益凸显,化石燃料的大量使用更是加剧了这一现象。传统的柴油汽车就是化石燃料的主要使用途径之一。为了解决上述问题,改善能源结构已经迫在眉睫。
电动汽车被许多研究人员视为传统柴油汽车的有效替代方案。其相关领域也被大量研究。目前,电动汽车难以普及的原因之一就是对的动力电池无法支撑其长时间行驶,而又缺少可靠、快速的充电方案。动态无线充电(Dynamic wireless Power Transmission)技术就是在地面铺设充电设备,在汽车行驶过程中为其充电,该技术能够有效地提高电动汽车的续航里程。
由于技术不成熟,电动汽车动态无线充电技术性能不能满足使用需求,该技术尚未得到大规模应用。谐振线圈就是限制无线充电性能的一个主要原因。作为DWPT的核心部件,谐振线圈的设计对系统的传输效率、传输功率及偏移容忍度等起到决定性的作用。目前的谐振线圈的设计方案大部分集中于其静态性能,且忽略了线圈参数对谐振补偿网络的影响。因此,亟待一个着眼与大功率、高效率、良好的动态性能及与谐振网络适应度的谐振线圈优化方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种电动汽车动态无线充电谐振线圈设计方法,使其在满足给定要求的前提下,实现谐振线圈电气性能和物理性能的最优化。
为实现上述目的,本发明还提供了一种电动汽车动态无线充电谐振线圈设计方法,包括如下步骤:
步骤1,给定目标参数:
根据无线充电系统的前后级电路以及功率等级需求,设定无线充电系统的前级输入电压Uin及输出电压Uout,系统输出功率Pout,原副边线圈的垂直距离;
步骤2,选取动态无线充电系统谐振补偿网络及谐振频率;
步骤3,确定谐振补偿网络中的谐振电感值;
步骤4,确定谐振线圈互感系数;
步骤5,利兹线选型;
步骤6,确定约束条件;
步骤7,线圈最小尺寸及绕线最大长度的确定;
步骤8,谐振线圈绕制;
步骤9,磁芯结构优化;
步骤10,确定原边线圈摆放间距。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于,从给定的设计目标及约束条件出发,对谐振线圈进行参数设计,使其在满足给定要求的前提下,实现谐振线圈电气性能和物理性能的最优化。
作为本发明的进一步改进,所述步骤2具体内容如下,
设定谐振补偿网络谐振频率为85KHz,根据谐振线圈间的相对位置不是恒定的,其相对位置总是在频繁、快速的发生变化,其位置变化方向主要在汽车移动方向上的特性,选取LCC-LCC拓扑作为线圈的谐振补偿网络,选取DD型线圈作为谐振线圈结构。
作为本发明的进一步改进,所述步骤3具体内容如下,
采用电压型逆变器,电路中的谐波三次谐波分量占基波含量可由如下公式(1)计算,
I1st为逆变器输出电流的基波,I3st为逆变器输出电流的三次谐波,Lf为谐振补偿网络中的谐振电感,M为谐振线圈的互感,Uout为输出电压;
原副边谐振线圈及谐振补偿网络是对称的,即谐振电感Lf=L1=L4,谐振线圈自感L=L2=L3,谐振电容Cf=C1=C4,补偿电容CP=C2=C3。
作为本发明的进一步改进,所述步骤4具体内容如下,
根据无线充电系统的功率公式(2),结合给定的输入电压、输出电压及确定的电感系数可以得到满足该功率等级所需要的互感系数;其中公式(2)如下所示:
M为谐振线圈互感,ω0为谐振角频率,Uin为输入电压,Lf为谐振电感值,Uout为输出电压。
作为本发明的进一步改进,所述步骤5具体内容如下,
根据上面计算得出的谐振电感参数及输入电压,由公式(3)计算得出谐振线圈中的电流,根据系统工作频率85KHz,选铜作为导线材料,计算其集肤深度,根据集肤深度,选用单股线径为0.1mm的利兹线;根据谐振线圈中的电流,按照1.5~2倍的电流裕度选择利兹线股数;其中公式(3)如下:
IL为谐振线圈电流。
作为本发明的进一步改进,所述步骤6具体内容如下,
根据实际的安装条件,确定谐振线圈的尺寸要求,尺寸要求包括谐振线圈的长度、宽度、高度三个维度;长宽主要限制谐振线圈的平面大小,高度限制谐振线圈的磁芯厚度和屏蔽板的厚度;
原副边线圈及谐振补偿网络采取对称结构,认为其相关参数完全一致,根据公式(4)与公式(5),结合输入输出功率、谐振电感值,可分别计算出满足谐振补偿网络中电压应力的耦合系数、自感参数;根据公式(6),可以得出满足传输效率需求的最大的谐振线圈的交流电阻;其中公式(4)、公式(5)和公式(6)如下所述:
在式(6)中:
Z1=jωL1;
在公式(4)与公式(5)中,Uc1和Uc2分别为发射端谐振电容电压和发射端补偿电容电压,k为谐振线圈耦合系数;
式(6)中R3和R4分别为谐振线圈L3与L4的内阻;
至此,谐振线圈所有的电气参数及其约束条件已经确定。
作为本发明的进一步改进,所述步骤7具体内容如下,
根据动态无线充电的特性,选用DD型线圈长宽比例为1.5,认为该比例下能够兼顾动态性能与静态性能。该线圈的磁芯结构采用平板式,覆盖在DD型线圈的上方,使其尺寸略大于DD型线圈的窗口尺寸,但小于线圈的外部尺寸;此时,线圈的最小尺寸的设定条件为:当在该传输距离及该谐振线圈尺寸下,对线圈由内向外进行绕制一圈,此时谐振线圈的耦合系数刚好满足上述约束条件;
根据选用的利兹线线型,求出其单位长度的交流电阻。然后求出谐振线圈的绕线最大长度,该长度定义为:当谐振线圈绕线为该长度时,谐振线圈的交流电阻等于满足传输效率的谐振线圈的最大交流电阻;
至此,谐振线圈的所有尺寸参数约束条件确定。
作为本发明的进一步改进,所述步骤8具体内容如下,
取上述谐振线圈的绕线最大长度的利兹线,以线圈的最大尺寸约束为DD型线圈外部尺寸,由外向内以平面螺旋密绕的方式进行绕制,绕制完成后,测量其互感值;若互感小于需求值,则减小谐振线圈外圈尺寸,再次进行绕制,直到满足互感需求值;若此时线圈绕线均处于最小线圈最小尺寸内,则需要更改约束条件,从而设计出满足需求的谐振线圈。
作为本发明的进一步改进,所述步骤9具体内容如下,
利用有限元仿真软件Maxwell对上述得到的线圈结构进行仿真计算,对与其磁芯中磁通密度大于0.3T的位置,加厚该处的磁芯,从而达到降低损耗与防止磁芯饱和的目的。
作为本发明的进一步改进,所述步骤10具体内容如下,
根据原边线圈间的环流约束与公式(2)可得到原边线圈间的最小互感系数,当原边线圈间的互感系数等于该值时,定义该原边线圈间距为最小原边线圈间距;根据上述得到的谐振线圈,测量得到谐振线圈在给定的传输距离上,在汽车行驶方向的互感系数与偏移量的关系曲线,以偏移量为X轴,互感系数为Y轴;使该曲线在X轴正方向分别移动a,2a,3a,……,na(a值大于最小原边线圈间距),然后对这些曲线与原始曲线一起求和,得到的新的曲线为等效互感系数与位置的关系,取其中令等效互感曲线与位置关系曲线波动率最小的a值,即为原边线圈摆放的间距。
附图说明
图1为本发明谐振补偿电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明:
如图1所示的一种细长类零件端部自动化锻造装置,具体步骤如下,
步骤1,给定目标参数:
根据无线充电系统的前后级电路以及功率等级需求,设定无线充电系统的前级输入电压Uin(即外部充电端口电压)及输出电压Uout(即电池充电电压),系统输出功率Pout,原副边线圈的垂直距离。
步骤2,选取动态无线充电系统谐振补偿网络及谐振频率;
根据SAE(美国汽车工程师协会)发布的无线充电相关标准SAE J2954,设定谐振补偿网络谐振频率为85KHz。以下所有参数都是基于该频率设计。在选择系统的谐振拓扑补偿网络及谐振线圈结构时,考虑到电动汽车动态无线充电的特性。区别与静态无线充电系统,动态无线充电系统的主要特点是:谐振线圈间的相对位置不是恒定的,其相对位置总是在频繁、快速的发生变化,其位置变化方向主要在汽车移动方向上。根据以上特性选取LCC-LCC拓扑作为线圈的谐振补偿网络。选取DD型线圈作为谐振线圈结构。
步骤3,确定谐振补偿网络中的谐振电感值;
采用电压型逆变器,电路中的谐波三次谐波分量占基波含量可由如下公式(1)计算,
I1st为逆变器输出电流的基波,I3st为逆变器输出电流的三次谐波,Lf为谐振补偿网络中的谐振电感,M为谐振线圈的互感,Uout为输出电压;
需要注意的是,本系统原副边谐振线圈及谐振补偿网络是对称的。因此视原副边的电气参数完全一致,不作区分。即认为谐振电感Lf=L1=L4,谐振线圈自感L=L2=L3,谐振电容Cf=C1=C4,补偿电容CP=C2=C3。其中参数定义参考附图1。
步骤4,确定谐振线圈互感系数;
根据无线充电系统的功率公式(2),结合给定的输入电压、输出电压及确定的电感系数可以得到满足该功率等级所需要的互感系数;其中公式(2)如下所示:
M为谐振线圈互感,ω0为谐振角频率,Uin为输入电压,Lf为谐振电感值,Uout为输出电压。
步骤5,利兹线选型;
根据上面计算得出的谐振电感参数及输入电压,由公式(3)计算得出谐振线圈中的电流,根据系统工作频率85KHz,选铜作为导线材料,计算其集肤深度,根据集肤深度,选用单股线径为0.1mm的利兹线;根据谐振线圈中的电流,按照1.5~2倍的电流裕度选择利兹线股数;其中公式(3)如下:
IL为谐振线圈电流。
步骤6,确定约束条件;
根据实际的安装条件,确定谐振线圈的尺寸要求,尺寸要求包括谐振线圈的长度、宽度、高度三个维度;长宽主要限制谐振线圈的平面大小,高度主要限制谐振线圈的磁芯厚度和屏蔽板的厚度;
在本无线充电系统中,原副边线圈及谐振补偿网络采取对称结构,认为其相关参数完全一致,因此接收端谐振补偿网络中电容电压和发射端公式类似。根据公式(4)与公式(5),结合输入输出功率、谐振电感值,可分别计算出满足谐振补偿网络中电压应力的耦合系数、自感参数。根据公式(6),可以得出满足传输效率需求的最大的谐振线圈的交流电阻;其中公式(4)、公式(5)和公式(6)如下所述:
在式(6)中:
Z1=jωL1;
在公式(4)与公式(5)中,Uc1和Uc2分别为发射端谐振电容电压和发射端补偿电容电压,k为谐振线圈耦合系数,其他参数定义参考图1;
式(6)中R3和R4分别为谐振线圈L3与L4的内阻,其他参数定义参考图1;
至此,谐振线圈所有的电气参数及其约束条件已经确定。
步骤7,线圈最小尺寸及绕线最大长度的确定;
根据动态无线充电的特性,选用DD型线圈长宽比例为1.5,认为该比例下能够兼顾动态性能与静态性能。该线圈的磁芯结构采用平板式,覆盖在DD型线圈的上方,使其尺寸略大于DD型线圈的窗口尺寸,但小于线圈的外部尺寸。此时,线圈的最小尺寸的设定条件为:当在该传输距离及该谐振线圈尺寸下,对线圈由内向外进行绕制一圈,此时谐振线圈的耦合系数刚好满足上述约束条件;
根据选用的利兹线线型,求出其单位长度的交流电阻。然后求出谐振线圈的绕线最大长度,该长度定义为:当谐振线圈绕线为该长度时,谐振线圈的交流电阻等于满足传输效率的谐振线圈的最大交流电阻;
至此,谐振线圈的所有尺寸参数约束条件确定。
步骤8,谐振线圈绕制;
取上述谐振线圈的绕线最大长度的利兹线,以线圈的最大尺寸约束为DD型线圈外部尺寸,由外向内以平面螺旋密绕的方式进行绕制,绕制完成后,测量其互感值;若互感小于需求值,则减小谐振线圈外圈尺寸,再次进行绕制,直到满足互感需求值;若此时线圈绕线均处于最小线圈最小尺寸内,则需要更改约束条件,从而设计出满足需求的谐振线圈。
步骤9,磁芯结构优化;
利用有限元仿真软件Maxwell对上述得到的线圈结构进行仿真计算,对与其磁芯中磁通密度大于0.3T的位置,加厚该处的磁芯,从而达到降低损耗与防止磁芯饱和的目的。
步骤10,确定原边线圈摆放间距;
根据原边线圈间的环流约束与公式(2)可得到原边线圈间的最小互感系数,当原边线圈间的互感系数等于该值时,定义该原边线圈间距为最小原边线圈间距;根据上述得到的谐振线圈,测量得到谐振线圈在给定的传输距离上,在汽车行驶方向的互感系数与偏移量的关系曲线,以偏移量为X轴,互感系数为Y轴;使该曲线在X轴正方向分别移动a,2a,3a,……,na(a值大于最小原边线圈间距),然后对这些曲线与原始曲线一起求和,得到的新的曲线为等效互感系数与位置的关系,取其中令等效互感曲线与位置关系曲线波动率最小的a值,即为原边线圈摆放的间距。
本发明中,1)给定目标参数:根据无线充电系统的应用需求,给定无线充电系统的设计目标,目标包括输入电压,输出电压,输出功率,传输效率,传输距离。
2)选取动态无线充电系统谐振补偿网络及谐振频率:针对动态无线充电的特性,选取系统的谐振补偿网络以及谐振线圈结构。选取LCC-LCC拓扑作为线圈的谐振补偿网络,该补偿网络具有谐振电容与线圈的耦合状态及负载大小无关,输出呈恒流特性的特点,适用于动态无线充电中耦合状态快速频繁变化的特点,恒流特性适合用于电动汽车电池充电。选取DD型线圈作为谐振线圈结构,该线圈结构具有良好的偏移容忍度,适用于动态无线充电。根据电动汽车相关标准,设定谐振补偿网络谐振频率为85KHz。
3)设定约束条件:根据无线充电系统的使用场景,设定无线充电系统的约束条件,条件包括:
谐振线圈尺寸:谐振线圈尺寸约束包括对谐振线圈的长度、宽度、高度三个维度的约束,这一约束取决于谐振线圈的安装条件。
谐振补偿网络中电容的电压应力:该电容电压应力包括LCC-LCC谐振补偿网络中的谐振电容上的电压应力与补偿电容上的电压应力。
原边线圈间的环流:对于动态无线充电,过近的原边线圈间距会导致原边线圈间互感系数过大,使原边线圈间产生感应电流。定义该环流为:对某原边线圈,其相邻线圈在其中产生的流过谐振电感的电流。
4)确定谐振补偿网络中的谐振电感值:对于电压型逆变器,谐振电感值决定补偿网络中谐波含量。因此,该值需保证谐波含量小于10%。
5)计算谐振线圈互感值:根据系统传输功率,谐振网络参数计算谐振线圈互感值。
6)计算原副边线圈电流:根据系统传输功率,结合输入输出电压及谐振补偿网络参数,计算原副边线圈电流。
7)确定谐振线圈利兹线选型:根据系统工作频率,利兹线材料,计算其集肤深度,选择单股线径。根据原副边线圈电流,选取利兹线股数。
8)计算谐振线圈互感值及耦合系数:根据系统传输功率,谐振补偿网络参数,计算谐振线圈互感值要求。根据谐振补偿网络电容电压应力约束求得耦合系数约束。
9)确定DD线圈长宽比:综合考虑谐振线圈的静态与动态性能,确定线圈长宽比例为1.5:1。
10)确定线圈最小尺寸:根据耦合系数约束,得到谐振线圈最小尺寸约束。
11)确定绕线最大长度:根据效率需求,求得谐振线圈允许的最大交流电阻,从而确定绕线的最大长度。
12)确定线圈磁芯结构:根据DD型线圈窗口尺寸,设定磁芯尺寸。
13)优化磁芯损耗:根据仿真软件得出上述磁芯结构的磁通密度分布,对于电动汽车常用的锰锌铁氧体磁芯,对其磁通密度大于0.3特斯拉处磁芯进行加厚或叠层处理。
14)设定原边线圈间距:根据环流值的约束,可得原边线圈的最小间距。根据上述线圈在汽车行驶方向偏移时的互感曲线,定义副边线圈对所有原边线圈之和为等效互感系数,找出使得副边线圈位置发生偏移时,在原边线圈间距大于该最小间距的情况下,使得副边线圈的等效互感系数波动最小的原边线圈间距,定义该点为最优原边线圈间距。
本发明从基本的实际使用需求出发,针对动态无线充电系统DD型线圈,在满足了基本功率传输与输入输出等级的前提下,涵盖了利兹线的线规,无线充电系统的谐振补偿网络拓扑且考虑到其中补偿元件的电压应力,对线圈的长宽比例,磁芯结构进行优化,最优化原边线圈的摆放间距,更适用于对动态无线充电系统的线圈进行优化。所采用的谐振补偿网络及设计方法均更适用于动态无线充电,能最优化无线充电系统的动态性能。
本发明不局限于上述实施例,在本公开的技术方案的基础上,本领域的技术人员根据所公开的技术内容,不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形,这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种电动汽车动态无线充电谐振线圈设计方法,其特征在于:包括如下步骤,
步骤1,给定目标参数:
根据无线充电系统的前后级电路以及功率等级需求,设定无线充电系统的前级输入电压Uin及输出电压Uout,系统输出功率Pout,原副边线圈的垂直距离;
步骤2,选取动态无线充电系统谐振补偿网络及谐振频率;
步骤3,确定谐振补偿网络中的谐振电感值;
步骤4,确定谐振线圈互感系数;
步骤5,利兹线选型;
步骤6,确定约束条件;
步骤7,线圈最小尺寸及绕线最大长度的确定;
步骤8,谐振线圈绕制;
步骤9,磁芯结构优化;
步骤10,确定原边线圈摆放间距。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车动态无线充电谐振线圈设计方法,其特征在于:所述步骤2具体内容如下,
设定谐振补偿网络谐振频率为85KHz,根据谐振线圈间的相对位置不是恒定的,其相对位置总是在频繁、快速的发生变化,其位置变化方向主要在汽车移动方向上的特性,选取LCC-LCC拓扑作为线圈的谐振补偿网络,选取DD型线圈作为谐振线圈结构。
6.根据权利要求5所述的一种电动汽车动态无线充电谐振线圈设计方法,其特征在于:所述步骤6具体内容如下,
根据实际的安装条件,确定谐振线圈的尺寸要求,尺寸要求包括谐振线圈的长度、宽度、高度三个维度;长宽主要限制谐振线圈的平面大小,高度限制谐振线圈的磁芯厚度和屏蔽板的厚度;
原副边线圈及谐振补偿网络采取对称结构,认为其相关参数完全一致,根据公式(4)与公式(5),结合输入输出功率、谐振电感值,可分别计算出满足谐振补偿网络中电压应力的耦合系数、自感参数;根据公式(6),可以得出满足传输效率需求的最大的谐振线圈的交流电阻;其中公式(4)、公式(5)和公式(6)如下所述:
在式(6)中:
Z1=jωL1;
在公式(4)与公式(5)中,Uc1和Uc2分别为发射端谐振电容电压和发射端补偿电容电压,k为谐振线圈耦合系数;
式(6)中R3和R4分别为谐振线圈L3与L4的内阻;
至此,谐振线圈所有的电气参数及其约束条件已经确定。
7.根据权利要求6所述的一种电动汽车动态无线充电谐振线圈设计方法,其特征在于:所述步骤7具体内容如下,
根据动态无线充电的特性,选用DD型线圈长宽比例为1.5,认为该比例下能够兼顾动态性能与静态性能;该线圈的磁芯结构采用平板式,覆盖在DD型线圈的上方,使其尺寸略大于DD型线圈的窗口尺寸,但小于线圈的外部尺寸;此时,线圈的最小尺寸的设定条件为:当在该传输距离及该谐振线圈尺寸下,对线圈由内向外进行绕制一圈,此时谐振线圈的耦合系数刚好满足上述约束条件;
根据选用的利兹线线型,求出其单位长度的交流电阻;然后求出谐振线圈的绕线最大长度,该长度定义为:当谐振线圈绕线为该长度时,谐振线圈的交流电阻等于满足传输效率的谐振线圈的最大交流电阻;
至此,谐振线圈的所有尺寸参数约束条件确定。
8.根据权利要求7所述的一种电动汽车动态无线充电谐振线圈设计方法,其特征在于:所述步骤8具体内容如下,
取上述谐振线圈的绕线最大长度的利兹线,以线圈的最大尺寸约束为DD型线圈外部尺寸,由外向内以平面螺旋密绕的方式进行绕制,绕制完成后,测量其互感值;若互感小于需求值,则减小谐振线圈外圈尺寸,再次进行绕制,直到满足互感需求值;若此时线圈绕线均处于最小线圈最小尺寸内,则需要更改约束条件,从而设计出满足需求的谐振线圈。
9.根据权利要求8所述的一种电动汽车动态无线充电谐振线圈设计方法,其特征在于:所述步骤9具体内容如下,
利用有限元仿真软件Maxwell对上述得到的线圈结构进行仿真计算,对与其磁芯中磁通密度大于0.3T的位置,加厚该处的磁芯,从而达到降低损耗与防止磁芯饱和的目的。
10.据权利要求9述的一种电动汽车动态无线充电谐振线圈设计方法,其特征在于:所述步骤10具体内容如下,
根据原边线圈间的环流约束与公式(2)可得到原边线圈间的最小互感系数,当原边线圈间的互感系数等于该值时,定义该原边线圈间距为最小原边线圈间距;根据上述得到的谐振线圈,测量得到谐振线圈在给定的传输距离上,在汽车行驶方向的互感系数与偏移量的关系曲线,以偏移量为X轴,互感系数为Y轴;使该曲线在X轴正方向分别移动a,2a,3a,……,na(a值大于最小原边线圈间距),然后对这些曲线与原始曲线一起求和,得到的新的曲线为等效互感系数与位置的关系,取其中令等效互感曲线与位置关系曲线波动率最小的a值,即为原边线圈摆放的间距。
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