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CN118571616B - 动态无线充电渗透型发射端线圈及其参数设计方法 - Google Patents

动态无线充电渗透型发射端线圈及其参数设计方法 Download PDF

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CN118571616B CN202411008482.5A CN202411008482A CN118571616B CN 118571616 B CN118571616 B CN 118571616B CN 202411008482 A CN202411008482 A CN 202411008482A CN 118571616 B CN118571616 B CN 118571616B
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Abstract

本发明属于无线电能传输领域，具体涉及了一种动态无线充电渗透型发射端线圈及其参数设计方法，旨在解决的现有动态无线充电系统中接收端线圈跨过两相邻发射线圈交接处时，不可避免地存在耦合系数降低的问题。本发明包括：所述第一发射线圈和第二发射线圈形状相同；所述第一发射线圈为在平面矩形线圈的基础上主体部分的第一端增加第一凸出部分和第二端增加第一凹陷部分；所述补偿线圈的第一端增加与第一凹陷部分匹配的第二凸出部分，补偿线圈的第二端增加与第一凹陷部分尺寸相同的第二凹陷部分。本发明以接收端线圈通过两相邻发射线圈交接区域的平均能量传输功率最高和成本最低为目标优化函数，通过优化算法完成线圈设计。

Description

动态无线充电渗透型发射端线圈及其参数设计方法
技术领域
本发明属于无线充电技术领域，具体涉及了一种动态无线充电渗透型发射端线圈及其参数设计方法。
背景技术
在动态无线充电系统中，随着接收端线圈的移动，当接收端线圈跨过两相邻发射线圈交接处时，不可避免地存在耦合系数降低的问题，从而导致传输功率与效率跌落。从耦合线圈结构与形状的设计上减轻这种接收端线圈处于相邻发射线圈交接处的耦合降低问题。
CN115985616A公开了一种交接排布发射线圈结构，该线圈结构分为两种技术方案：第一种方案是两发射线圈交界处采用紧密交叉编织，型成两线圈的公共交接短边；第二种方案是部分重叠交接部分侧边。但由于交接部分仍可视为矩型线圈侧边，保持输出电压稳定性效果有限。
文献《电动汽车无线供电电磁耦合机构能效特性及优化方法研究》中对交界处采用补偿线圈的渗透型线圈进行了优化设计，通过有限元仿真获得了不同补偿线圈与发射线圈匝数比对互感影响曲线。但并未对线圈尺寸进行设计，且优化过程中采用试凑法，应用于不同场合时仍需大量仿真建模。
因此，对交接处发射线圈的设计需对线圈形状参数进行计算，且在优化计算过程中不依赖建模，基于解析式进行优化设计，这是本发明的主要创新点。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即现有动态无线充电系统中接收端线圈跨过两相邻发射线圈交接处时，不可避免地存在耦合系数降低的问题，本发明提供了一种动态无线充电渗透型发射端线圈，所述线圈包括：第一发射线圈、补偿线圈和第二发射线圈；
所述第一发射线圈和第二发射线圈形状相同；
所述第一发射线圈为在平面矩形线圈的基础上主体部分的第一端增加第一凸出部分和第二端增加第一凹陷部分；
所述补偿线圈的第一端增加与第一凹陷部分匹配的第二凸出部分，补偿线圈的第二端增加与第一凹陷部分尺寸相同的第二凹陷部分。
进一步地，补偿线圈主体部分的长边长、第二凸出部分的长边长与第二凹陷部分的长边长之和小于或等于接收端线圈主体部分的长边长、第一凸出部分的长边长与第一凹陷部分的长边长之和的1/2。
进一步地，第一凸出部分的短边长、第一凹陷部分的短边长、第二凸出部分的短边长和第二凹陷部分的短边长均小于或等于补偿线圈主体部分的短边长的1/4。
进一步地，第一发射线圈、第二发射线圈和补偿线圈，匝数、匝间距、所用利兹线股数、宽度和激励相同。
进一步地，对应的接收端线圈的长边长大于或等于第一凹陷部分的长边长与线圈厚度之和。
本发明的另一方面，提出一种动态无线充电渗透型发射端线圈的参数设计方法，用于对上述的动态无线充电渗透型发射端线圈进行参数设计为：
步骤S1，建立第一发射线圈和补偿线圈与接收端线圈间的互感值；
步骤S2，基于所述互感值进行最小二乘法拟合，获得互感值回归表达式；
步骤S3，基于所述互感值回归表达式，计算输出功率与互感值回归表达式关系表达式和平均输出功率与互感值回归表达式关系表达式；
步骤S4，基于所述关系表达式，通过多目标优化算法，获取最终的发射端线圈参数。
进一步地，第一发射线圈与接收端线圈互感值的计算方法为：
；
其中，表示发射端线圈第i匝与接收端线圈第j匝之间的互感，表示发射线圈的匝数，表示接收端线圈的匝数，表示磁导率，表示发射线圈第i匝的1/2长边长，表示发射线圈第i匝的1/2短边长，表示接收端线圈第j匝的1/2短边长；表示接收端线圈第j匝的1/2的长边长，m、n和h分别表示接收端线圈第j匝的中心点坐标；
M表示发射端线圈与接收端线圈互感。
进一步地，所述互感值回归表达式为：
；
其中，A、B和C表示待拟合的系数，表示发射线圈或补偿线圈主体部分与接收端线圈的互感值、表示发射线圈或补偿线圈凸出部分与接收端线圈的互感值、分别表示发射线圈与接收端线圈的互感值，表示补偿线圈凹陷部分与接收端线圈的互感值，表示发射线圈或补偿线圈与接收端线圈的互感值。
进一步地，所述输出功率与互感值回归表达式关系表达式和平均输出功率与互感值回归表达式关系表达式为：
；
；
其中，表示输出功率，表示开关角频率，表示发射端线圈与接收端线圈互感，表示等效负载电阻，表示输出电压，表示接收端线圈贴合第一发射线圈第二侧接合处时刻，表示接收端线圈贴合第二发射线圈第一侧接合处时刻的时刻。
进一步地，所述多目标优化算法，包括：
平均功率目标优化函数为：
增加的最外围匝利兹线长度为：
则总增加利兹线长度为：
式中，p为利兹线外径，q为匝间距，a为发射线圈和补偿线圈匝数；
增加磁芯面积为：
则成本优化目标方程为：
其中，表示每米利兹线价格，表示铁氧体磁芯每平方米价格，表示，表示渗透部分长度，表示补偿线圈中空长度。
本发明的有益效果：
（1）本发明针对现有动态无线充电系统中接收端线圈跨过两相邻发射线圈交接处时，不可避免地存在耦合系数降低的问题，采用渗透型结构的发射线圈交接方式，并在两相邻发射线圈之间添加渗透型补偿线圈。通过有限元仿真拟合渗透部分长度和补偿线圈中空部分长度的系数曲线，获得互感与凸出部分面积的拟合解析式。以接收端线圈通过两相邻发射线圈交接区域的平均能量传输功率最高和成本最低为目标优化函数，通过优化算法完成线圈设计。
（2）针对接收端线圈处于两发射线圈接合处时情况下，降低了输出功率跌落。对比同样长宽的普通矩形线圈，可通过上述计算或Ansys仿真证明含补偿线圈的渗透型线圈设计相比于普通平面矩形线圈具有更高的平均耦合系数和平均功率。
（3）通过拟合互感解析式，避免了后续设计中的仿真试凑。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明实施例中动态无线充电渗透型发射端线圈的结构示意图；
图2是本发明实施例中第一发射线圈和补偿线圈区域划分的示意图；
图3是本发明实施例中发射线圈与接收端线圈的参数示意图；
图4是本发明实施例中接收端线圈位置变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步地详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请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申请。
为了更清晰地对本发明一种动态无线充电渗透型发射端线圈进行说明，下面结合图1对本发明实施例中组成部分展开详述。
本发明第一实施例的一种动态无线充电渗透型发射端线圈，包括第一发射线圈、补偿线圈和第二发射线圈，各组成部分描述如下：
所述第一发射线圈和第二发射线圈形状相同；
所述第一发射线圈为在平面矩形线圈的基础上主体部分的第一端增加第一凸出部分和第二端增加第一凹陷部分；
所述补偿线圈的第一端增加与第一凹陷部分匹配的第二凸出部分，补偿线圈的第二端增加与第一凹陷部分尺寸相同的第二凹陷部分。
在本实施例中，补偿线圈主体部分的长边长、第二凸出部分的长边长与第二凹陷部分的长边长之和小于或等于接收端线圈主体部分的长边长、第一凸出部分的长边长与第一凹陷部分的长边长之和的1/2。第一凸出部分的短边长、第一凹陷部分的短边长、第二凸出部分的短边长和第二凹陷部分的短边长均小于或等于补偿线圈主体部分的短边长的1/4。第一发射线圈、第二发射线圈和补偿线圈，匝数、匝间距、所用利兹线股数、宽度和激励相同。对应的接收端线圈的长边长大于或等于第一凹陷部分的长边长与线圈厚度之和。
如图1所示，将第一发射线圈的长边方向定义为X方向，将第一发射线圈的短边方向定义为Y方向；参照图1中最左侧部分，所述第一凸出部分为，在第一发射线圈的第一侧以90°弯折向X负方向延伸设定长度后，以90°弯折向Y正方向延伸不超过短边长的1/4，之后以90°弯折向X正方向延伸直至延伸到第一发射线圈的第一侧首次弯折的对应位置时以90°弯折继续构成主体部分。
第一凹陷部分则是在第一发射线圈的长边向X正方向延伸至短边交接线处以90°弯折向Y负方向延伸不超过短变长的1/4，之后以90°弯折向X负方向延伸与第一凸出部分相同的距离后，以90°弯折向Y方向延伸至与轴对称位置，以90°弯折向X正方向延伸至短边位置继续构成主体部分。
如图1中的接收端线圈为平面矩形线圈表示为矩形曲线。且接收端线圈、补偿线圈和发射线圈背面均覆盖铁氧体磁芯。接收端线圈的长边长大于或等于第一突出部分的长边长。
所述发射端线圈参数确认方法为：
如图2所示，将发射端线圈分为多个等效线圈，主体部分L10、第一凸出部分L11、第一凹陷部分的两侧分别为L12和L13、第二凸出部分L21、第二凹陷部分的两侧分别为L22和L23；图2中L12长度m1与L11长度m3相同，由于实际绕制需求和切换平滑因素，切换区域总长度应小于接收端线圈宽度的一半，以保证当接收端线圈左侧边缘达到切换区域时，中心点已经通过切换区域：
；
其中，d为发射线圈绕组宽度，m1为接收端线圈长度。
参见图3，需要分别计算各个等效线圈L10、L11、L12、L20、L21、L22与接收端线圈的互感M10、M11、M12、M20、M21、M22.
步骤S1，建立第一发射线圈和补偿线圈与接收端线圈间的互感值；
在本实施例中，第一发射线圈和补偿线圈与接收端线圈互感值的计算方法为：
其中，表示发射端线圈第i匝与接收端线圈第j匝之间的互感，表示发射线圈的匝数，表示接收端线圈的匝数，表示磁导率，表示发射线圈第i匝的1/2长边长，表示发射线圈第i匝的1/2短边长，表示接收端线圈第j匝的1/2短边长；表示接收端线圈第j匝的1/2的长边长，m、n和h分别表示接收端线圈第j匝的中心点坐标；
M表示发射端线圈与接收端线圈的互感。
步骤S2，基于所述互感值进行最小二乘法拟合，获得互感值回归表达式；
在本实施例中，所述互感值回归表达式为：
其中，A、B和C表示待拟合的系数，表示发射线圈或补偿线圈主体部分与接收端线圈的互感值、表示发射线圈或补偿线圈凸出部分与接收端线圈的互感值、分别表示发射线圈与接收端线圈的互感值，表示补偿线圈凹陷部分与接收端线圈的互感值，表示发射线圈或补偿线圈与接收端线圈的互感值。
步骤S3，基于所述互感值回归表达式，计算输出功率与互感值回归表达式关系表达式和平均输出功率与互感值回归表达式关系表达式；
在本实施例中，所述输出功率与互感值回归表达式关系表达式和平均输出功率与互感值回归表达式关系表达式为：
；
；
其中，表示输出功率，表示开关角频率，表示发射端线圈与接收端线圈互感，表示等效负载电阻，表示输出电压，表示接收端线圈贴合第一发射线圈第二侧接合处时刻，表示接收端线圈贴合第二发射线圈第一侧接合处时刻的时刻。
参见图4，在图4中虚线框表示接收端线圈的位置，t 0为接收线圈开始接近第一发射线圈右侧接合处时刻的位置关系，t 1为接收线圈离开第二发射线圈左侧接合处时刻的位置关系。
步骤S4，基于所述关系表达式，通过多目标优化算法，获取最终的发射端线圈参数。
在本实施例中，所述多目标优化算法，包括：
平均功率目标优化函数为：
；
增加的最外围匝利兹线长度为：
则总增加利兹线长度为：
式中，p为利兹线外径，q为匝间距，a为发射线圈和补偿线圈匝数；
增加磁芯面积为：
则成本优化目标方程为：
其中，表示每米利兹线价格，表示铁氧体磁芯每平方米价格，表示，表示渗透部分长度，表示补偿线圈中空长度。
本实施例的多目标优化算法，就是以到时段内平均功率和线圈总成本为目标，基于典型的SS补偿拓扑进行计算；将f1、f2作为优化函数，l1, m0作为优化变量，结合迭代优化算法进行优化计算，获取优化方案，完成渗透型线圈设计。对比同样长宽的普通矩形线圈，可通过上述计算或Ansys仿真结果证明含补偿线圈的渗透型线圈设计相比于普通平面矩形线圈具有更高的平均耦合系数和平均功率。
上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种动态无线充电渗透型发射端线圈的参数设计方法，其特征在于，所述参数设计方法用于对动态无线充电渗透型发射端线圈进行参数设计，所述发射端线圈包括第一发射线圈、补偿线圈和第二发射线圈；
所述第一发射线圈和第二发射线圈形状相同；
所述第一发射线圈为在平面矩形线圈的基础上主体部分的第一端增加第一凸出部分和第二端增加第一凹陷部分；
所述补偿线圈的第一端增加与第一凹陷部分匹配的第二凸出部分，补偿线圈的第二端增加与第一凹陷部分尺寸相同的第二凹陷部分；
补偿线圈主体部分的长边长、第二凸出部分的长边长与第二凹陷部分的长边长之和小于或等于接收端线圈主体部分的长边长、第一凸出部分的长边长与第一凹陷部分的长边长之和的1/2；
第一凸出部分的短边长、第一凹陷部分的短边长、第二凸出部分的短边长和第二凹陷部分的短边长均小于或等于补偿线圈主体部分的短边长的1/4；
第一发射线圈、第二发射线圈和补偿线圈，匝数、匝间距、所用利兹线股数、宽度和激励相同；
对应的接收端线圈的长边长大于或等于第一凹陷部分的长边长与线圈厚度之和；
所述发射端线圈参数设计方法为：
步骤S1，建立第一发射线圈和补偿线圈与接收端线圈间的互感值；
步骤S2，基于所述互感值进行最小二乘法拟合，获得互感值回归表达式；
步骤S3，基于所述互感值回归表达式，计算输出功率与互感值回归表达式关系表达式和平均输出功率与互感值回归表达式关系表达式；
步骤S4，基于所述关系表达式，通过多目标优化算法，获取最终的发射端线圈参数。
2.根据权利要求1所述的动态无线充电渗透型发射端线圈的参数设计方法，其特征在于，第一发射线圈和补偿线圈与接收端线圈互感值的计算方法为：
其中，Mij表示发射端线圈第i匝与接收端线圈第j匝之间的互感，Nt表示发射线圈的匝数，Nr表示接收端线圈的匝数，μ0表示磁导率，bi表示发射线圈第i匝的1/2长边长，ai表示发射线圈第i匝的1/2短边长，cj表示接收端线圈第j匝的1/2短边长；dj表示接收端线圈第j匝的1/2的长边长，m、n和h分别表示接收端线圈第j匝的中心点坐标；
M表示发射端线圈与接收端线圈的互感。
3.根据权利要求2所述的动态无线充电渗透型发射端线圈的参数设计方法，其特征在于，所述互感值回归表达式为：
Mk＝A·Mk0+B·Mkl+C·(Mk2+Mk3)；
其中，A、B和C表示待拟合的系数，Mk0表示发射线圈或补偿线圈主体部分与接收端线圈的互感值、Mkl表示发射线圈或补偿线圈凸出部分与接收端线圈的互感值、Mk2分别表示发射线圈与接收端线圈的互感值，Mk3表示补偿线圈凹陷部分与接收端线圈的互感值，Mk表示发射线圈或补偿线圈与接收端线圈的互感值。
4.根据权利要求3所述的动态无线充电渗透型发射端线圈的参数设计方法，其特征在于，所述输出功率与互感值回归表达式关系表达式和平均输出功率与互感值回归表达式关系表达式为：
其中，Pout表示输出功率，ω表示开关角频率，M表示发射端线圈与接收端线圈互感，RL表示等效负载电阻，U表示输出电压，t0表示接收端线圈贴合第一发射线圈第二侧接合处时刻，ε1表示接收端线圈贴合第二发射线圈第一侧接合处时刻的时刻。
5.根据权利要求4所述的动态无线充电渗透型发射端线圈的参数设计方法，其特征在于，所述多目标优化算法，包括：
平均功率目标优化函数为：
增加的最外围匝利兹线长度为：
D0＝2(d+2m0+n1)；
则总增加利兹线长度为：
式中，p为利兹线外径，q为匝间距，a为发射线圈和补偿线圈匝数；
增加磁芯面积为：
S＝n1·I1，
则成本优化目标方程为：
f2＝D·x+S·y；
其中，X表示每米利兹线价格，y表示铁氧体磁芯每平方米价格，n1表示，l1表示渗透部分长度，m0表示补偿线圈中空长度。
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