CN116238355A - 一种谐振式电动汽车无线充电系统及其线圈的多参数目标优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及谐振式电动汽车无线充电系统，包括交流电压源，交流电压源与发射端电路的输入端相连，发射端电路的输出端与发射端主线圈相连，发射端主线圈通过线圈耦合将能量传输给接收端主线圈，接收端主线圈与接收端电路的输入端相连；所述射端主线圈和接收端主线圈均采用正方形的DD型线圈，线圈绕向一致，通电方向相同，且线圈各直角均做倒角处理。本发明还公开了谐振式电动汽车无线充电系统的线圈的多参数目标优化方法。本发明对DD型的主线圈进行了结构和空间排布上的优化，在减小线圈损耗即铜损及不增加成本的情况下，增强了线圈之间的耦合能力；将改进后的主线圈与常规的DD型线圈进行了对比，提升了无线充电效率，并增强了线圈的抗偏移特性。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车充电技术领域，尤其是一种谐振式电动汽车无线充电系统及其线圈的多参数目标优化方法。
背景技术
近年来，由于燃油汽车的广泛使用，化石能源的消耗，环境污染问题也日益严峻。节能减排成为全球关注和探索的话题，对新能源的开发利用，成为当今世界发展的主流。电动汽车因其经济性、环保等良好的优点，得到了广泛的关注。但由于目前电动汽车的电池存在体积大、质量大、储存容量小以及充电存在安全隐患等问题限制了电动汽车的推广应用，电动汽车的无线充电技术为解决上述问题提供了解决途径。
目前，无线充电技术主要有电场耦合式、磁场耦合式和电磁辐射式，其中，磁场耦合式为当前无线充电技术的主流，又可分为感应式和谐振式，感应式的机理类似于无补偿电路的可分离变压器，特点是在极近距离内传输效率很高，但效率会随传输距离的增大显著减小，故一般用于厘米级场景；谐振式充电技术是以电磁共振原理为基础，设置发射电路和接收电路的参数，使两者具有相同的谐振频率，在该谐振频率的电源激励的作用下，使整个电路达到一个“共振”的状态，实现电能的定向传输。一般由位于地面的逆变源、发射端补偿网络、发射线圈以及车载的接收线圈、接收端补偿网络和接收端电能变换装置组成，因其良好的性能，是当前无线充电的主要实现手段。
针对目前无线充电汽车效率低、鲁棒性差等问题，作为无线充电汽车的核心部分，线圈对系统性能的提升显得尤为重要。受路况和驾驶技术的影响，接收端不可避免地会相对于发射端发生横向偏移，随着偏移距离的增加，输出功率和传输效率均会降低，线圈的抗偏移特性普遍较差。
发明内容
为解决当前电动汽车无线充电系统充电效率低，线圈抗偏移特性差的问题，本发明的首要目的在于提供一种对线圈进行优化改进，提升电动汽车无线充电系统的传输效率以及抗偏移性能的谐振式电动汽车无线充电系统。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种谐振式电动汽车无线充电系统，包括用于为整个系统供电的交流电压源、发射端电路、发射端主线圈、接收端主线圈和接收端电路，交流电压源与发射端电路的输入端相连，发射端电路的输出端与发射端主线圈相连，发射端主线圈通过线圈耦合将能量传输给接收端主线圈，接收端主线圈与接收端电路的输入端相连；所述发射端电路由发射端保护电路、整流电路、高频逆变电路和发射端补偿网络组成，所述接收端电路由接收端补偿网络、整流滤波电路、接收端保护电路和储电设备组成，所述射端主线圈和接收端主线圈均采用正方形的DD型线圈，线圈绕向一致，通电方向相同，且线圈各直角均做倒角处理。
所述发射端补偿网络和接收端补偿网络采用双边LCC谐振补偿拓扑结构，发射端补偿网络包括一个发射端补偿线圈和两个补偿电容，接收端补偿网络包括一个接收端补偿线圈和两个补偿电容。
所述发射端主线圈向下依次设置发射端补偿线圈、发射端铁板、发射端铝板，所述接收端主线圈向上依次设置接收端补偿线圈、接收端铁板、接收端铝板，所述发射端主线圈和接收端主线圈位于同一中心轴线上。
本发明的另一目的在于提供一种谐振式电动汽车无线充电系统的线圈的多参数目标优化方法，该方法包括下列顺序的步骤：
(1)对线圈结构进行优化，具体包括以下步骤：
(1a)通过对高频运行时的单匝矩形平面线圈的耦合系数k进行推导，单匝矩形平面线圈的边长分别为a，b，得出当矩形平面线圈面积s＝a*b不变，矩形平面线圈的边长比a/b越接近于1，矩形平面线圈之间的耦合能力即耦合系数k越强，且矩形平面线圈的绕组损耗就越小；
(1b)进行仿真验证：将两个完全相同的多匝矩形平面线圈进行同轴放置，固定矩形平面线圈匝数和线径，保持矩形平面线圈水平面积不变，将矩形平面线圈的边长作为唯一变量进行仿真分析，依次增大边长，获得对应的绕组损耗和耦合系数结果，结果表明，当长宽比越接近于1，矩形平面线圈的绕组损耗即铜耗越小，耦合系数k则越大；
(1c)将单一的多匝矩形平面线圈扩展至为双极线圈即DD线圈，以矩形平面线圈的边长为唯一变量进行仿真分析，与单极矩形平面线圈仿真结果相似，当长宽比越接近于1，矩形平面线圈的绕组损耗也就是铜耗越小，耦合系数k则越大；
(1d)通过观测矩形平面线圈的磁场分布发现，转角处角度越接近直角，其转角处的磁场不均匀现象越明显，由于圆形线圈磁场变化对空间改变不太灵敏，所以将圆形线圈与矩形平面线圈结合，将矩形平面线圈的直角设为圆倒角，从仿真中看到磁场分布得到极大改善，最终确定发射端主线圈和接收端主线圈选择为正方形的DD线圈，且线圈各直角均做倒角处理；
(2)对线圈空间位置进行优化，具体包括以下步骤：
(2a)分析常规的无线充电系统的DD线圈的磁通分布图，耦合系数与磁通关系式如下：
其中，Φm为主磁通；Φσ1和Φσ2为漏磁通，增强线圈间的耦合能力即耦合系数k，通过增大主磁通Φm实现；对平面线圈而言，磁通并非均匀地从发射线圈平面激发，离线圈中心处越近磁通越强，所以线圈间的磁耦合主要集中在线圈中心处，而常规的无线充电系统的DD线圈的接收端主线圈的尺寸小于发射端主线圈；
磁路欧姆定律为：
其中，R为磁阻；F为磁动势；l为磁通路径长度；S为磁通空间截面积；μ0为真空磁导率，Φ为磁通，将接收端主线圈的两侧向相互远离的方向平移，能够缩短主磁通Φm的磁通路径长度l，进而主磁通的磁阻Rm降低，主磁通Φm增大，从而达到增强线圈耦合能力的目的，至发射端主线圈和接收端主线圈中心完全垂直于线圈平面，耦合能力达到最大；
(2b)在上述线圈结构优化的基础上，通过仿真得到接收端主线圈两侧线圈偏移对应的耦合系数k和绕组损耗的结果。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一，本发明技术对DD型的主线圈进行了结构和空间排布上的优化，在减小线圈损耗即铜损及不增加成本的情况下，增强了线圈之间的耦合能力；第二，本发明将改进后的主线圈与以往常规的DD型线圈进行了对比，提升了无线充电效率，并增强了线圈的抗偏移特性。
附图说明
图1为谐振式电动汽车无线充电系统的电路框图；
图2为本发明中发射端主线圈和接收端主线圈的结构示意图；
图3为以双极方形线圈(DD线圈)的边长作为唯一变量进行分析，耦合系数k及绕组损耗变化图；
图4为线圈平移理论示意图；
图5为发射端主线圈和接收端主线圈安装的结构示意图；
图6为主线圈完全对齐耦合的对比图；
图7为主线圈x方向发生偏移的对比图；
图8为主线圈y方向发生偏移的对比图；
图9为主线圈z方向发生偏移的对比图；
图10为本发明的方法流程图。
具体实施方式
如图1、2所示，一种谐振式电动汽车无线充电系统，包括用于为整个系统供电的交流电压源、发射端电路、发射端主线圈4、接收端主线圈5和接收端电路，交流电压源与发射端电路的输入端相连，发射端电路的输出端与发射端主线圈4相连，发射端主线圈4通过线圈耦合将能量传输给接收端主线圈5，接收端主线圈5与接收端电路的输入端相连；所述发射端电路由发射端保护电路、整流电路、高频逆变电路和发射端补偿网络组成，所述接收端电路由接收端补偿网络、整流滤波电路、接收端保护电路和储电设备组成，所述射端主线圈和接收端主线圈5均采用正方形的DD型线圈，线圈绕向一致，通电方向相同，且线圈各直角均做倒角处理。所述整流电路和高频逆变电路，将工频50Hz的交流电压源转换为高频的交流电，满足补偿网络的谐振频率，达到最大传输效率。
所述发射端补偿网络和接收端补偿网络采用双边LCC谐振补偿拓扑结构，发射端补偿网络包括一个发射端补偿线圈3和两个补偿电容，接收端补偿网络包括一个接收端补偿线圈6和两个补偿电容。谐振补偿拓扑可增大系统的传输功率，提高线圈的传输效率，降低无功功率需求。
如图2所示为线圈结构和空间位置均优化过的发射端主线圈4(大)和接收端主线圈5(小)。两个线圈均为正方形式的DD线圈，且都经过倒角处理，接收端主线圈5的两个单线圈分别向相互远离的方向平移，至发射端主线圈4和接收端主线圈5的中心连线完全垂直于线圈平面时，线圈的耦合能力达到最大。
如图3所示，将两个完全相同的DD线圈进行同轴放置，线圈匝数为两匝，线径为4mm，耦合距离为40mm，线圈水平面积为8×10-2mm2(DD线圈的面积为两个相同的单一矩形平面线圈的面积之和，4×10-2mm2+4×10-2mm2)。输入的交流电流峰值为5A，频率为85kHz。固定线圈匝数和线径，保持线圈水平面积不变，将矩形线圈的边长作为唯一变量进行仿真分析，依次增大边长，获得对应的绕组损耗和耦合系数结果。结果表明，当长宽比越接近于1，线圈的绕组损耗也就是铜耗越小，耦合系数k则越大。
如图4所示，接收端主线圈5分别向两侧平移的过程中，减小了主磁通Φm的磁路长度l，使得主磁通的磁阻Rm减小，主磁通Φm增大，最终提升线圈之间的耦合能力。当发射端主线圈4与接收端主线圈5的中心完全垂直于线圈平面时，线圈的耦合能力达到最大。
如图5所示，所述发射端主线圈4向下依次设置发射端补偿线圈3、发射端铁板2、发射端铝板1，所述接收端主线圈5向上依次设置接收端补偿线圈6、接收端铁板7、接收端铝板8，所述发射端主线圈4和接收端主线圈5位于同一中心轴线上。图5组成的线圈系统模型，铝板和铁板用于进行磁屏蔽，提升聚磁能力。所述发射端主线圈4和接收端主线圈5应满足电动汽车充电标准，气隙为150mm。
如图6所示为发射端主线圈4和接收端主线圈5完全对齐耦合时的效率变化图，本发明相较以往常规线圈系统模型，效率有极大提升。
如图7、8、9所示为主线圈分别向x、y、z方向有一定的偏移，系统的传输效率随偏移的变化图。根据比较，本发明所改进的线圈的抗偏移能力有明显提升。
如图10所示，本方法包括下列顺序的步骤：
(1)对线圈结构进行优化，具体包括以下步骤：
(1a)通过对高频运行时的单匝矩形平面线圈的耦合系数k进行推导，单匝矩形平面线圈的边长分别为a，b，得出当矩形平面线圈面积s＝a*b不变，矩形平面线圈的边长比a/b越接近于1，矩形平面线圈之间的耦合能力即耦合系数k越强，且矩形平面线圈的绕组损耗就越小；
(1b)进行仿真验证：将两个完全相同的多匝矩形平面线圈进行同轴放置，固定矩形平面线圈匝数和线径，保持矩形平面线圈水平面积不变，将矩形平面线圈的边长作为唯一变量进行仿真分析，依次增大边长，获得对应的绕组损耗和耦合系数结果，结果表明，当长宽比越接近于1，矩形平面线圈的绕组损耗即铜耗越小，耦合系数k则越大；
(1c)将单一的多匝矩形平面线圈扩展至为双极线圈即DD线圈，以矩形平面线圈的边长为唯一变量进行仿真分析，与单极矩形平面线圈仿真结果相似，当长宽比越接近于1，矩形平面线圈的绕组损耗也就是铜耗越小，耦合系数k则越大；
(1d)通过观测矩形平面线圈的磁场分布发现，转角处角度越接近直角，其转角处的磁场不均匀现象越明显，由于圆形线圈磁场变化对空间改变不太灵敏，所以将圆形线圈与矩形平面线圈结合，将矩形平面线圈的直角设为圆倒角，从仿真中看到磁场分布得到极大改善，最终确定发射端主线圈4和接收端主线圈5选择为正方形的DD线圈，且线圈各直角均做倒角处理；
(2)对线圈空间位置进行优化，具体包括以下步骤：
(2a)分析常规的无线充电系统的DD线圈的磁通分布图，耦合系数与磁通关系式如下：
其中，Φm为主磁通；Φσ1和Φσ2为漏磁通，增强线圈间的耦合能力即耦合系数k，通过增大主磁通Φm实现；对平面线圈而言，磁通并非均匀地从发射线圈平面激发，离线圈中心处越近磁通越强，所以线圈间的磁耦合主要集中在线圈中心处，而常规的无线充电系统的DD线圈的接收端主线圈5的尺寸小于发射端主线圈4；
磁路欧姆定律为：
其中，R为磁阻；F为磁动势；l为磁通路径长度；S为磁通空间截面积；μ0为真空磁导率，Φ为磁通，将接收端主线圈5的两侧向相互远离的方向平移，能够缩短主磁通Φm的磁通路径长度l，进而主磁通的磁阻Rm降低，主磁通Φm增大，从而达到增强线圈耦合能力的目的，至发射端主线圈4和接收端主线圈5中心完全垂直于线圈平面，耦合能力达到最大；
(2b)在上述线圈结构优化的基础上，通过仿真得到接收端主线圈5两侧线圈偏移对应的耦合系数k和绕组损耗的结果。
如图10所示，首先确定两个主线圈的尺寸，然后保持发射端主线圈4不动，将接收端主线圈5分别向两侧平移，当两个主线圈的中心完全对齐时，确定主线圈的空间位置；接着，通过控制变量法，确定主线圈耦合能力达到最大的铁氧体和铝板的尺寸，最后通过分析电阻与补偿线圈匝数等关系，确定补偿线圈的尺寸。线圈系统搭建完成，观察线圈系统模型的耦合能力是否提升，若提升，则线圈系统模型搭建成功；若并未提升，则需重新检查设计
综上所述，本发明技术对DD型的主线圈进行了结构和空间排布上的优化，在减小线圈损耗即铜损及不增加成本的情况下，增强了线圈之间的耦合能力；本发明将改进后的主线圈与以往常规的DD型线圈进行了对比，提升了无线充电效率，并增强了线圈的抗偏移特性。
Claims (4)
1.一种谐振式电动汽车无线充电系统，包括用于为整个系统供电的交流电压源、发射端电路、发射端主线圈、接收端主线圈和接收端电路，交流电压源与发射端电路的输入端相连，发射端电路的输出端与发射端主线圈相连，发射端主线圈通过线圈耦合将能量传输给接收端主线圈，接收端主线圈与接收端电路的输入端相连；所述发射端电路由发射端保护电路、整流电路、高频逆变电路和发射端补偿网络组成，所述接收端电路由接收端补偿网络、整流滤波电路、接收端保护电路和储电设备组成，其特征在于：所述射端主线圈和接收端主线圈均采用正方形的DD型线圈，线圈绕向一致，通电方向相同，且线圈各直角均做倒角处理。
2.根据权利要求1所述的谐振式电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述发射端补偿网络和接收端补偿网络采用双边LCC谐振补偿拓扑结构，发射端补偿网络包括一个发射端补偿线圈和两个补偿电容，接收端补偿网络包括一个接收端补偿线圈和两个补偿电容。
3.根据权利要求1所述的谐振式电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述发射端主线圈向下依次设置发射端补偿线圈、发射端铁板、发射端铝板，所述接收端主线圈向上依次设置接收端补偿线圈、接收端铁板、接收端铝板，所述发射端主线圈和接收端主线圈位于同一中心轴线上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的谐振式电动汽车无线充电系统的线圈的多参数目标优化方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：
(1)对线圈结构进行优化，具体包括以下步骤：
(1a)通过对高频运行时的单匝矩形平面线圈的耦合系数k进行推导，单匝矩形平面线圈的边长分别为a，b，得出当矩形平面线圈面积s＝a*b不变，矩形平面线圈的边长比a/b越接近于1，矩形平面线圈之间的耦合能力即耦合系数k越强，且矩形平面线圈的绕组损耗就越小；
(1b)进行仿真验证：将两个完全相同的多匝矩形平面线圈进行同轴放置，固定矩形平面线圈匝数和线径，保持矩形平面线圈水平面积不变，将矩形平面线圈的边长作为唯一变量进行仿真分析，依次增大边长，获得对应的绕组损耗和耦合系数结果，结果表明，当长宽比越接近于1，矩形平面线圈的绕组损耗即铜耗越小，耦合系数k则越大；
(1c)将单一的多匝矩形平面线圈扩展至为双极线圈即DD线圈，以矩形平面线圈的边长为唯一变量进行仿真分析，与单极矩形平面线圈仿真结果相似，当长宽比越接近于1，矩形平面线圈的绕组损耗也就是铜耗越小，耦合系数k则越大；
(1d)通过观测矩形平面线圈的磁场分布发现，转角处角度越接近直角，其转角处的磁场不均匀现象越明显，由于圆形线圈磁场变化对空间改变不太灵敏，所以将圆形线圈与矩形平面线圈结合，将矩形平面线圈的直角设为圆倒角，从仿真中看到磁场分布得到极大改善，最终确定发射端主线圈和接收端主线圈选择为正方形的DD线圈，且线圈各直角均做倒角处理；
(2)对线圈空间位置进行优化，具体包括以下步骤：
(2a)分析常规的无线充电系统的DD线圈的磁通分布图，耦合系数与磁通关系式如下：
其中，Φm为主磁通；Φσ1和Φσ2为漏磁通，增强线圈间的耦合能力即耦合系数k，通过增大主磁通Φm实现；对平面线圈而言，磁通并非均匀地从发射线圈平面激发，离线圈中心处越近磁通越强，所以线圈间的磁耦合主要集中在线圈中心处，而常规的无线充电系统的DD线圈的接收端主线圈的尺寸小于发射端主线圈；
磁路欧姆定律为：
其中，R为磁阻；F为磁动势；l为磁通路径长度；S为磁通空间截面积；μ0为真空磁导率，Φ为磁通，将接收端主线圈的两侧向相互远离的方向平移，能够缩短主磁通Φm的磁通路径长度l，进而主磁通的磁阻Rm降低，主磁通Φm增大，从而达到增强线圈耦合能力的目的，至发射端主线圈和接收端主线圈中心完全垂直于线圈平面，耦合能力达到最大；
(2b)在上述线圈结构优化的基础上，通过仿真得到接收端主线圈两侧线圈偏移对应的耦合系数k和绕组损耗的结果。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310472976.8A CN116238355A (zh) | 2023-04-28 | 2023-04-28 | 一种谐振式电动汽车无线充电系统及其线圈的多参数目标优化方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202310472976.8A CN116238355A (zh) | 2023-04-28 | 2023-04-28 | 一种谐振式电动汽车无线充电系统及其线圈的多参数目标优化方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116238355A true CN116238355A (zh) | 2023-06-09 |
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ID=86635259
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310472976.8A Pending CN116238355A (zh) | 2023-04-28 | 2023-04-28 | 一种谐振式电动汽车无线充电系统及其线圈的多参数目标优化方法 |
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| Country | Link |
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| CN (1) | CN116238355A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117227519A (zh) * | 2023-09-01 | 2023-12-15 | 内蒙古科技大学 | 一种电动汽车用高互操作性无线充电机器人及方法 |
| CN118446068A (zh) * | 2024-07-08 | 2024-08-06 | 惠州市德立电子有限公司 | 用于车载无线充电系统的电感优化方法 |
-
2023
- 2023-04-28 CN CN202310472976.8A patent/CN116238355A/zh active Pending
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