CN117012454A - 一种适用于无线电能传输的电缆及其传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于无线电能传输的电缆及其传输系统，包括正向导线、反向导线、外护套、金属套、屏蔽层、绝缘层；正向导线与反向导线交错排布，屏蔽层包裹正向导线和反向导线；绝缘层填充屏蔽层内部，使正向导线与反向导线相互相切，形成矩阵式排布；金属套包裹屏蔽层，外护套包裹金属层。本发明有益效果：提高无线充电系统的传输效率和安全性，抑制周围金属对电缆产生的影响降低涡流损耗。

Description

一种适用于无线电能传输的电缆及其传输系统

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，尤其是涉及一种适用于无线电能传输的电缆及其传输系统。

背景技术

随着电动汽车行业的飞速发展，电动汽车无线充电技术也开始逐渐从理论走向实践。作为电动汽车充电的重要组成部分，无线充电系统在实际应用中的发射端电缆通常会被布置在地下，并与发射线圈紧密连接。然而，在现有的设计中，由于电缆周围的金属会受到导线产生的感应磁场的影响，从而在电缆上产生涡流损耗。这不仅降低了系统的传输效率，同时还会导致电缆周围的磁场泄露，从而对系统的安全运行带来潜在的风险，针对问题，现有的无线充电系统，发射端电缆多采用平行双导线、同轴导线、多芯导线，然而这些电缆存在一些问题：平行双导线产生的磁场会在周围形成两个磁场强度峰值，在金属导体上产生涡流损耗，并带来邻近金属的局部过热，导致系统发热现象严重；同轴导线的磁场分布主要集中在电导线中心轴线附近，磁场随着与导线距离的增加而逐渐减弱，造成同轴导线周围金属导体的局部过热；多芯导线周围的磁场随距离增加衰减更快。在电动汽车无线充电场景下，电力线缆铺设环境周围存在很多金属，金属的存在会对上述三种电缆产生影响，使得损耗变大，降低传输效率。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种适用于无线电能传输的电缆及其传输系统，以提高无线充电系统的传输效率和安全性，抑制周围金属对电缆产生的影响降低涡流损耗。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种适用于无线电能传输的电缆及其传输系统。

进一步的，一种适用于无线电能传输的电缆，包括正向导线、反向导线、外护套、金属套、屏蔽层、绝缘层；正向导线与反向导线交错排布，屏蔽层包裹正向导线和反向导线；绝缘层填充屏蔽层内部，使正向导线与反向导线相互相切，形成矩阵式排布；金属套包裹屏蔽层，外护套包裹金属层；所述正向导线与反向导线的矩阵式排布满足以下关系：

f(K,N)＝FD,if(K+N)mod2＝0；RD,if(K+N)mod2≠0；

其中，f(K,N)-第K行第N列的导线方向；FD-正向导线；RD-反向导线；mod2-模运算(计算(K+N)除以2的余数)；K、N-索引数。

进一步的，所述外护套材质为高密度聚乙烯(PE)；所述金属套材质为铅套；所述屏蔽层材质为金属化纸作为屏蔽层的内层,外扎铜带作为屏蔽层的外层；所述绝缘层材质为高密度聚乙烯(PE)。

进一步的，一种适用于无线电能传输的传输系统，包括所述的一种适用于无线电能传输的电缆，包括若干发射线圈、接收线圈，发射线圈埋于地下，接收线圈位于地上，发射线圈配合接收线圈形成感应电流，实现无线电能传输；若干发射线圈之间通过所述电缆连接，用于降低电缆周围金属造成的涡流损耗。

进一步的，所述传输系统满足以下关系：

其中，B-电缆周围一点处所产生的磁场磁感应强度，d₁-正向导线到测点的距离；d₂-反向导线到测点的距离；B_total-传输系统总磁场；N-正向导线和反向导线的匝数；μ₀-真空的磁导率；I-电缆电流；r_i、r_j-第i匝正向导线到电缆表面处距离、第j匝正向导线到电缆表面处距离；x-观察点到电缆表面的距离。

进一步的，所述外护套、金属套、屏蔽层、绝缘层的厚度对所述传输系统的影响满足以下关系：

λ＝sqrt(2/(μσω))；

其中，R_i-外护套的厚度R1、金属套的厚度R2、屏蔽层的厚度R3、绝缘层的厚度R4中任一个；B_{layer_i}-该层对磁场的影响；B_final-总磁场；λ-该层对磁场的衰减常数；μ-材料的磁导率；σ-材料的电导率；ω-磁场的角频率。

进一步的，利用梯度下降法优化所述电缆的配置，优化方法如下：

T1、初始化参数：选择一组初始的厚度R_i和衰减常数λ；

T2、计算目标函数：使用给定的R_i和λ，计算磁场强度B_final；

T3、计算梯度：计算B_final对每个参数R_i和λ的偏导数，这些偏导数构成梯度；

T4、更新参数：按照梯度的反方向更新R_i和λ，更新的步长由学习率learning_rate控制。

T5、判断B_final是否大于设置阈值φ，若否回到T2，根据已更新的参数调整输入值进行重复计算目标函数、计算梯度和更新参数；若是则转到T6；

T6、输出结果：输出最后的R_i和λ，以及对应的B_final。

进一步的，一种电子设备，包括处理器以及与处理器通信连接，且用于存储所述处理器可执行指令的存储器，所述处理器用于执行上述的优化方法。

相对于现有技术，本发明所述的一种适用于无线电能传输的电缆及其传输系统具有以下有益效果：

(1)本发明所述的一种适用于无线电能传输的电缆，多匝正向导线与反向导线交错排列，相互相切，称矩阵形状布置形成线芯，效果是正向与反向导线在临近金属上相同位置产生的磁场大小相等方向相反，从而在一定程度上抵消转轴金属内的磁场；

(2)本发明所述的一种适用于无线电能传输的传输系统，提出基于毕奥－萨伐尔定律的传输系统平衡方程，可以优化无线电能传输系统的性能，提高传输效率和距离，这些模型有助于理解系统行为，预测和控制磁场强度，以及设计和选择更好的材料，此外，这些优化可以提高系统在各种条件下的可靠性和稳定性，为电动汽车无线充电提供测试方法和保障。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的无线电能传输系统发射线圈电缆铺设示意图；

图2为本发明实施例所述的电缆洞穿周围金属局部示意图；

图3为本发明实施例所述的电缆横截面结构示意图；

图4为本发明实施例所述的电缆周围电磁特性分布图示意图；

图5为本发明实施例所述的平行双导线周围电磁特性分布图示意图；

图6为本发明实施例所述的优化方法流程图示意图；

图7为本发明实施例所述的电缆磁场变化数据图示意图。

附图标记说明：

1-正向导线；2-反向导线；3-绝缘层；4-屏蔽层；5-金属套；6-外护套。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种适用于无线电能传输的电缆，优选用于电动汽车无线充电领域。如图3所示，包括正向导线1、反向导线2、外护套6、金属套5、屏蔽层4、绝缘层3。正向导线1与反向导线2交错排布，其电流方向相反，屏蔽层4完整地包裹着正向导线1和反向导线2。绝缘层3填充屏蔽层4内部，使正向导线1与反向导线2相互相切，它们形成的线芯在横截面上呈矩阵式排布，优势在于正向导线1与反向导线2在临近金属上相同位置产生的磁场大小几乎相等且方向相反，从而在一定程度上抵消转轴金属内的磁场。正向导线1与反向导线2的矩阵式排布满足以下关系：

f(K,N)＝FD,if(K+N)mod2＝0；RD,if(K+N)mod2≠0 (1)

其中，f(K,N)-第K行第N列的导线方向；FD-正向导线1；RD-反向导线2；mod2-模运算(计算(K+N)除以2的余数)；K、N-索引数。式1举例说明，电缆有4*4的矩阵，1-1为正向，1-2为反向，1-3为正向……，即K-N为第K行第N列导线，当K+N之和为奇数时该导线是反向导线2，为偶数时为正向导线1。

进一步的，金属套5包裹屏蔽层4，外护套6包裹金属层，形成完整的电缆。

具体的，外护套6材质优选高密度聚乙烯(PE)或聚氯乙烯(PVC)；金属套5材质优选铅套、铝套或不锈钢套；屏蔽层4材质优选金属化纸或半导体纸带作为内屏蔽层4,外扎铜带或编织铜丝带作为外屏蔽层4；绝缘层3材质优选高密度聚乙烯(PE)或聚氯乙烯(PVC)。

一种适用于无线电能传输的传输系统，优选用于电动汽车无线充电领域。基于所述的一种适用于无线电能传输的电缆，利用正向和反向导线2的交错排列形成的矩阵式电缆以削弱产生的电磁场。如图1-2所示，传输系统包括若干发射线圈、接收线圈，发射线圈埋于地下，接收线圈位于地上，发射线圈配合接收线圈形成感应电流，实现无线电能传输。若干发射线圈之间通过电缆连接，用于降低电缆周围金属造成的涡流损耗。具体的，基于毕奥－萨伐尔定律，传输系统满足以下关系：

其中，B-电缆周围一点处所产生的磁场磁感应强度，d₁-正向导线1到测点的距离；d₂-反向导线2到测点的距离；B_total-传输系统总磁场；N-正向导线1和反向导线2的匝数；μ₀-真空的磁导率；I-电缆电流；r_i、r_j-第i匝正向导线1到电缆表面处距离、第j匝正向导线1到电缆表面处距离；x-观察点到电缆表面的距离。对于一个具有正向和反向导线2的矩阵，总磁场是由所有导线的磁场贡献的叠加。每个导线的磁场贡献取决于其电流和位置。然而，由于正向和反向导线2的电流方向相反，它们产生的磁场在空间中的方向也是相反的。假设有一个K*N的矩阵，其中每个元素代表一个导线，其电流为I,电缆的设计也遵循正向导线1和反向导线2匝数一致。如图4-5所示，采用矩阵排布相同匝数的正向导线1和反向导线2其周围的磁场强度较于常见的平行双导线要弱一些。

接下来，需要考虑外护套6、金属套5、屏蔽层4和绝缘层3的影响。这些层的厚度和空间位置关系可以改变磁场的分布和强度，从而影响涡流损耗。外护套6、金属套5、屏蔽层4、绝缘层3的厚度对所述传输系统的影响满足以下关系：

λ＝sqrt(2/(μσω)) (6)

其中，R_i-外护套6的厚度R1、金属套5的厚度R2、屏蔽层4的厚度R3、绝缘层3的厚度R4中任一个；B_{layer_i}-该层对磁场的影响；B_final-总磁场；λ-该层对磁场的衰减常数；μ-材料的磁导率；σ-材料的电导率；ω-磁场的角频率(声明R是从层的内表面到外表面的距离，λ是磁场在该层中的衰减常数)。基于电磁学中的法拉第定律和安培定律，式4描述了在对应的套或层中的从矩阵中间位置到观察点处的磁场强度的总和，表示磁场在传输系统中的传播和衰减，式6说明衰减常数λ与材料的磁性、电性和频率有关，式5则是描述了在外护套6、金属套5、屏蔽层4、绝缘层3和正向导线1、反向导线2共同作用下电缆传输电能时对传输系统造成的总磁场影响。这些公式可以用来模拟和优化电磁场在传输系统中的传播和衰减，为提高传输效率和信号质量提供定量分析。如图7所示，假设电缆通有大小为2A的电流，共四匝导线，即正向导线1和反向导线2各两匝，电缆中心向外部延伸线上的磁场变化，可以看出随着距离的增加，磁场强度减小逐渐趋向为零。

进一步的，根据式5，为了最小化电缆磁场强度对其在传输系统中周围金属的涡流影响，可利用梯度下降法优化电缆的配置。首先通过上述公式找出正向导线1匝数N1、反向导线2匝数、外护套6材质及厚度R1、金属套5材质及厚度R2、屏蔽层4材质及厚度R3、绝缘层3材质及厚度R4对总磁场的影响，然后利用算法限制这些参数。如图6所示，优化方法包括但不限于以下方法：

T1、初始化参数：选择一组初始的厚度R_i和衰减常数λ，这些值可以是随机的，也可以是基于某种启发式的，可凭经验进行适当赋值；

T2、计算目标函数：使用给定的R_i和λ，计算磁场强度B_final；

T3、计算梯度：计算B_final对每个参数R_i和λ的偏导数，这些偏导数构成梯度；

T4、更新参数：按照梯度的反方向更新R_i和λ，更新的步长由学习率learning_rate控制，num_iterations是迭代次数，控制优化过程的总步数。

T5、判断B_final是否大于设置阈值φ，若否回到T2，根据已更新的参数调整输入值进行重复计算目标函数、计算梯度和更新参数；若是则转到T6；

T6、输出结果：输出最后的R_i和λ，以及对应的B_final，得到正向导线1匝数N1、反向导线2匝数、外护套6材质及厚度R1、金属套5材质及厚度R2、屏蔽层4材质及厚度R3、绝缘层3材质及厚度R4。

进一步的，上述方法为一种比较基本的梯度下降法，在实际运用中可添加更多的环境变量，包括但不限于各层之间的空间位置，电缆功率，磁场的方向及相位等等。通过对线径、线间距、屏蔽材料的调整优化直至达到最佳电磁屏蔽效果，减小系统电缆传输损耗。一种电子设备，包括处理器以及与处理器通信连接，且用于存储所述处理器可执行指令的存储器，所述处理器用于执行上述梯度下降优化方法。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。上述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适用于无线电能传输的电缆，其特征在于：包括正向导线、反向导线、外护套、金属套、屏蔽层、绝缘层；

正向导线与反向导线交错排布，屏蔽层包裹正向导线和反向导线；

绝缘层填充屏蔽层内部，使正向导线与反向导线相互相切，形成矩阵式排布；

金属套包裹屏蔽层，外护套包裹金属层；

所述正向导线与反向导线的矩阵式排布满足以下关系：

f(K，N)＝FD，if(K+N)mod2＝0；RD，if(K+N)mod2≠0；

其中，f(K，N)-第K行第N列的导线方向；FD-正向导线；RD-反向导线；mod2-模运算(计算(K+N)除以2的余数)；K、N-索引数。

2.根据权利要求1所述的一种适用于无线电能传输的电缆，其特征在于：所述外护套材质为高密度聚乙烯(PE)；

所述金属套材质为铅套；

所述屏蔽层材质为金属化纸作为屏蔽层的内层，外扎铜带作为屏蔽层的外层；

所述绝缘层材质为高密度聚乙烯(PE)。

3.一种适用于无线电能传输的传输系统，包括权利要求1-2任一项所述的一种适用于无线电能传输的电缆，其特征在于：包括若干发射线圈、接收线圈，发射线圈埋于地下，接收线圈位于地上，发射线圈配合接收线圈形成感应电流，实现无线电能传输；

若干发射线圈之间通过所述电缆连接，用于降低电缆周围金属造成的涡流损耗。

4.根据权利要求3所述的一种适用于无线电能传输的传输系统，其特征在于：所述传输系统满足以下关系：

其中，B-电缆周围一点处所产生的磁场磁感应强度，d₁-正向导线到测点的距离；d₂-反向导线到测点的距离；B_total-传输系统总磁场；N-正向导线和反向导线的匝数；μ₀-真空的磁导率；I-电缆电流；r_i、r_j-第i匝正向导线到电缆表面处距离、第j匝正向导线到电缆表面处距离；x-观察点到电缆表面的距离。

5.根据权利要求4所述的一种适用于无线电能传输的传输系统，其特征在于：所述外护套、金属套、屏蔽层、绝缘层的厚度对所述传输系统的影响满足以下关系：

λ＝sqrt(2/(μσω))；

其中，R_i-外护套的厚度R1、金属套的厚度R2、屏蔽层的厚度R3、绝缘层的厚度R4中任一个；B_{layer_i}-该层对磁场的影响；B_final-总磁场；λ-该层对磁场的衰减常数；μ-材料的磁导率；σ-材料的电导率；ω-磁场的角频率。

6.根据权利要求5所述的一种适用于无线电能传输的传输系统，其特征在于：利用梯度下降法优化所述电缆的配置，优化方法如下：

T1、初始化参数：选择一组初始的厚度R_i和衰减常数λ；

T2、计算目标函数：使用给定的R_i和λ，计算磁场强度B_final；

T3、计算梯度：计算B_final对每个参数R_i和λ的偏导数，这些偏导数构成梯度；

T4、更新参数：按照梯度的反方向更新R_i和λ，更新的步长由学习率learning_rate控制；

T5、判断B_final是否大于设置阈值φ，若否回到T2，根据已更新的参数调整输入值进行重复计算目标函数、计算梯度和更新参数；若是则转到T6；

T6、输出结果：输出最后的R_i和λ，以及对应的B_final。

7.一种电子设备，包括处理器以及与处理器通信连接，且用于存储所述处理器可执行指令的存储器，其特征在于：所述处理器用于执行上述权利要求6所述的优化方法。