一种电动汽车动态无线供电系统中接收端构型的设计方法与流程

1.本发明属于无线电能传输技术领域，特别是涉及一种电动汽车动态无线供电系统中接收端构型的设计方法。


背景技术：

2.动态无线供电技术的提出为电动汽车摆脱续航里程短、停车充电频繁等瓶颈问题提供了一个根本的解决途径。区别于静态无线供电系统中“单对单”的充电模式，动态系统采用“单对多”的工作模式，即单个发射端需要向路面上方行驶的多辆车辆的接收端同时传输能量。而不同的车型，如电动汽车和电动客车等，对输出功率、输出电压和传输距离的需求却不相同。由于发射端供电导轨施工完成后无法进行更改，为了保证所有车辆均可以在发射导轨上方正常充电，需要根据不同车辆的技术指标来独立设计接收端。因此，接收端设计是动态无线供电技术中的关键问题。
3.动态无线供电系统中接收端构型的设计方法主要有解析设计方法和有限元设计方法两种。解析设计方法设计思路清晰，能够清楚地给出输出功率等设计指标与接收端结构参数之间的解析关系。但现有的解析设计方法且仅适用于空心线圈结构或磁芯构型简单的结构。对于磁芯结构复杂的动态磁耦合机构，目前接收端多采用有限元设计方法。然而，有限元设计方法在设计过程中过度依赖参数化扫描，仿真工作量大，设计时间长。此外，该方法缺乏系统的设计思路，无法为接收端各结构参数的选取提供理论指导。


技术实现要素：

4.本发明目的是为了解决现有电动汽车动态无线供电系统中，接收端构型设计过度依赖于有限元仿真导致的设计周期长、仿真工作量大、缺乏系统的设计思路和理论的设计指导等问题，提出了一种电动汽车动态无线供电系统中接收端构型的设计方法。
5.本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种电动汽车动态无线供电系统中接收端构型的设计方法，所述方法具体包括设计指标及限制条件确定、电气参数计算、结构参数设计和性能校验四个部分；
6.所述的设计指标及限制条件确定具体包含两个步骤：第一步，根据电动汽车的电池和底盘高度参数计算输出功率、输出电压和传输效率设计指标；第二步，基于底盘安装空间和侧移要求确定设计过程中的限制条件，对后续接收端的电气和结构参数设计提供约束；
7.所述的电气参数计算具体包含三个步骤：第一步，根据设计指标计算等效电阻re和接收线圈电流is；第二步根据设计指标确定接收线圈允许的最大内阻r
s-max
；第三步，计算接收线圈所需的开路电压u
oc-need
和所需互感m
need
；
8.所述的结构参数设计具体包含四个步骤：第一步，通过单次有限元仿真获得供电导轨在接收端平面的磁场分布，得到磁密幅值b
z-max
和形状参数σ，来为后续互感计算和线圈宽度设计提供参考；第二步，以底盘尺寸和偏移性能限制条件为约束，根据结构参数设计准
则依次完成线圈长度、线圈宽度、线圈连接方式和线圈中心距的设计；第三步，由线圈尺寸选择接收端磁芯尺寸，计算单匝接收线圈时互感；第四步，由计算得到的接收电流确定线径，根据所需互感完成接收线圈的匝数设计；至此完成接收端的结构的初步设计；
9.所述的性能校验具体包含两个步骤：第一步，基于初步设计结果，搭建仿真模型进行单次仿真，完成磁饱和校验；第二步，进行接收端效率校验，若满足设计指标，则设计完成，否则返回结构参数设计部分重新进行结构参数的调整。
10.进一步地，由式(1)和式(2)计算等效电阻re和接收线圈电流is；由式(3)确定接收线圈允许的最大内阻r
s-max
；由式(4)和式(5)计算接收线圈所需的开路电压u
oc-need
和所需互感m
need
；
11.式(1)至式(5)的表达式如下：
12.re＝(8/π2)
·rl
＝(8/π2)
·
(uo/io) (1)
13.其中，r
l
为电池的等效负载；re为负载电阻r
l
经过不控整流电流后的等效阻抗；uo为电池的充电电压；io为电池的充电电流；
[0014][0015][0016]
其中，η为接收端的传输效率指标；
[0017][0018][0019]
其中，i
p
为发射线圈中电流的有效值。
[0020]
进一步地，由式(6)进行接收端效率校验，式(6)的表达式如下：
[0021][0022]
其中，is为接收线圈中电流的有效值；rs为设计完成后接收线圈的计算内阻。
[0023]
进一步地，所述的结构参数设计准则包括接收线圈长度设计准则、接收线圈宽度设计准则、多个接收线圈连接方式设计准则、多个接收线圈中心距设计准则以及接收端磁芯设计准则。
[0024]
进一步地，所述的接收线圈长度设计准则具体为：
[0025]
在接收端设计过程中，接收线圈长度l
coil
应满足：
[0026]
0.75τ≤l
coil
≤τ (7)
[0027]
接收线圈长度l
coil
的具体取值由输出功率和长度比功率的权重决定；对功率密度的权重要求高时，应减小线圈长度，令接收线圈长度l
coil
的取值靠近0.75τ；对输出功率的权重要求高时，应增加线圈长度，令接收线圈长度l
coil
的取值靠近τ。
[0028]
进一步地，所述的接收线圈宽度设计准则具体为：
[0029]
在接收端设计过程中，接收线圈宽度w
coil
应满足：
[0030]
2.8σ≤w
coil
≤6σ (8)
[0031]
接收线圈宽度w
coil
的具体取值由输出功率和宽度比功率的权重决定。
[0032]
进一步地，所述的多个接收线圈连接方式设计准则具体为：
[0033]
(i)当-0.5τ+2kτ≤dc≤0.5τ+2kτ时，其中k为自然数，dc为相邻两个接收线圈之间的中心距，为了使接收线圈的输出功率最高，相邻两个接收线圈的绕向应相同，即相邻的接收线圈正向串联；
[0034]
(ii)当0.5τ+2kτ《dc≤1.5τ+2kτ时，为了使接收线圈的输出功率最高，相邻两个线圈的绕向应相反，即相邻的接收线圈反向串联。
[0035]
进一步地，所述的多个接收线圈中心距设计准则具体为：
[0036]
在设计多线圈结构接收端的过程中，令多个接收线圈中心距满足dc＝τ来最大化输出功率；当车辆底盘的安装空间有限时，多个接收线圈中心距满足dc＝l
coil
，以适量牺牲输出电压为代价来减小总长度，满足安装空间需求。
[0037]
进一步地，所述的接收端磁芯设计准则具体为：
[0038]
接收端磁芯采用软磁铁氧体材料的平板磁芯，磁芯长度l
core
满足：l
receiver
≤l
core
≤1.3l
receiver
，其中l
receiver
为多个接收线圈的总长度；磁芯宽度w
core
满足：w
coil
≤w
core
≤1.1w
coil
，磁芯厚度为接收端磁芯不出现磁饱和时的最低厚度。
[0039]
本发明的有益效果为：
[0040]
本发明提出了一种电动汽车动态无线供电系统中接收端构型的设计方法，该方法兼具了传统解析设计方法和有限元设计方法的优点，适用于磁芯结构复杂的动态无线供电磁耦合机构，解决传统解析设计方法中适用性窄的不足。同时，可以为接收端结构参数，如接收线圈长度、接收线圈宽度、多个接收线圈连接方式、多个接收线圈的中心距以及接收端磁芯尺寸的设计提供理论指导，设计全程仅需要少数几次仿真，解决了传统解析设计方法适用性窄和传统有限元仿真设计方法中设计周期慢的不足，同时为接收端的结构设计过程中主要结构参数的选取提供理论设计指导。
附图说明
[0041]
图1为本发明所述的电动汽车动态无线供电系统的示意图；
[0042]
图2为本发明所述的电动汽车动态无线供电系统的等效电路图；
[0043]
图3为本发明所述的一种电动汽车动态无线供电系统中接收端构型的设计方法框图；
[0044]
图4为本发明所述的最大化输出功率时多个接收线圈的中心距设计方式(dc＝τ)；
[0045]
图5为本发明所述的车辆底盘的安装空间有限时多个接收线圈的中心距排布方式(dc＝l
coil
)；
[0046]
图6为双极型发射导轨的结构示意图；
[0047]
图7为双极型发射导轨通电时在接收端平面的产生的磁场垂直分量bz在x＝0上的分布情况仿真结果图。
具体实施方式
[0048]
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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0049]
具体实施方式一
[0050]
如图1-图2所示，电动汽车动态无线供电系统采用“单对多”的工作模式，即单个发射端需要向路面上方行驶的多辆车辆的接收端同时传输能量。而不同的车型，如电动汽车和电动客车等，对输出功率、输出电压和传输距离的需求却不相同。为了保证所有车辆均可以在发射导轨上方正常充电，需要根据不同车辆的技术指标来独立设计接收端。
[0051]
为了解决现有电动汽车动态无线供电系统中，接收端构型设计过度依赖于有限元仿真导致的设计周期长、仿真工作量大、缺乏系统的设计思路和理论的设计指导等问题，本发明提出一种电动汽车动态无线供电系统中接收端构型的设计方法，如图3所示，所述方法具体包括设计指标及限制条件确定、电气参数计算、结构参数设计和性能校验四个部分；
[0052]
所述的设计指标及限制条件确定具体包含两个步骤：第一步，根据电动汽车的电池和底盘高度参数计算输出功率、输出电压和传输效率等设计指标；第二步，基于底盘安装空间和侧移要求确定设计过程中的限制条件，如线圈最大尺寸等，对后续接收端的电气和结构参数设计提供约束；
[0053]
所述的电气参数计算具体包含三个步骤：第一步，根据输出功率，输出电压等设计指标计算等效电阻re和接收线圈电流is；第二步根据传输效率设计指标确定接收线圈允许的最大内阻r
s-max
；第三步，计算接收线圈所需的开路电压u
oc-need
和所需互感m
need
；所述的第二部分(电气参数计算)的作用为根据设计指标完成接收线圈电流、感应电压和所需互感等电气参数计算，为第三部分中接收端结构设计提供指导；
[0054]
由式(1)和式(2)计算等效电阻re和接收线圈电流is；由式(3)确定接收线圈允许的最大内阻r
s-max
；由式(4)和式(5)计算接收线圈所需的开路电压u
oc-need
和所需互感m
need
；
[0055]
式(1)至式(5)的表达式如下：
[0056]
re＝(8/π2)
·rl
＝(8/π2)
·
(uo/io) (1)
[0057]
其中，r
l
为电池的等效负载；re为负载电阻r
l
经过不控整流电流后的等效阻抗；uo为电池的充电电压；io为电池的充电电流；
[0058][0059][0060]
其中，η为接收端的传输效率指标；
[0061][0062][0063]
其中，i
p
为发射线圈中电流的有效值。
[0064]
所述的第三部分(结构参数设计)的作用为以电气参数的计算结果为输入条件，以限制条件为约束，基于结构参数设计准则来完成接收端结构参数(接收线圈尺寸、匝数等)的设计。所述的结构参数设计具体包含四个步骤：第一步，通过单次有限元仿真获得供电导
轨在接收端平面的磁场分布，得到磁密幅值b
z-max
和形状参数σ，来为后续互感计算和线圈宽度设计提供参考；第二步，以底盘尺寸和偏移性能限制条件为约束，根据结构参数设计准则依次完成线圈长度、线圈宽度、线圈连接方式和线圈中心距的设计；第三步，由线圈尺寸选择接收端磁芯尺寸，计算单匝接收线圈时互感；第四步，由计算得到的接收电流确定线径，根据所需互感完成接收线圈的匝数设计；至此完成接收端的结构的初步设计，该设计结果可以满足系统对输出功率、侧移性能、底盘尺寸等设计指标和限制条件的要求；
[0065]
所述的性能校验具体包含两个步骤：第一步，基于初步设计结果，搭建仿真模型进行单次仿真，完成磁饱和校验；第二步，进行接收端效率校验，若满足设计指标，则设计完成，否则返回结构参数设计部分重新进行结构参数的调整。由式(6)进行接收端效率校验，式(6)的表达式如下：
[0066][0067]
其中，is为接收线圈中电流的有效值；rs为设计完成后接收线圈的计算内阻。
[0068]
所述的结构参数设计准则包括接收线圈长度设计准则、接收线圈宽度设计准则、多个接收线圈连接方式设计准则、多个接收线圈中心距设计准则以及接收端磁芯设计准则。
[0069]
所述的接收线圈长度设计准则具体为：
[0070]
在接收端设计过程中，接收线圈长度l
coil
应满足：
[0071]
0.75τ≤l
coil
≤τ (7)
[0072]
其中，τ为发射线圈的极距，即发射线圈产生的磁场中，相邻两个等效磁极之间的距离；在推荐范围内，接收线圈长度l
coil
的具体取值由输出功率和长度比功率的权重决定；对功率密度的权重要求高时，应减小线圈长度，令接收线圈长度l
coil
的取值靠近0.75τ；对输出功率的权重要求高时，应增加线圈长度，令接收线圈长度l
coil
的取值靠近τ。
[0073]
所述的接收线圈宽度设计准则具体为：
[0074]
在接收端设计过程中，接收线圈宽度w
coil
应满足：
[0075]
2.8σ≤w
coil
≤6σ (8)
[0076]
其中，σ为发射磁场的形状函数，发射线圈在接收端平面产生的磁场沿侧移方向呈高斯函数分布，其中高斯函数的形状函数即为σ。
[0077]
在推荐范围内，接收线圈宽度w
coil
的具体取值由输出功率和宽度比功率的权重决定，随着接收线圈宽度w
coil
增加，接收线圈的自感和内阻也会增大，导致系统电压应力增大，效率降低。因此，在实际应用中，为了兼顾输出功率、宽度比功率和系统效率，线圈宽度w
coil
通常选为4σ。
[0078]
所述的多个接收线圈连接方式设计准则具体为：
[0079]
(i)当-0.5τ+2kτ≤dc≤0.5τ+2kτ时，其中k为自然数，dc为相邻两个接收线圈之间的中心距，为了使接收线圈的输出功率最高，相邻两个接收线圈的绕向应相同，即相邻的接收线圈正向串联；
[0080]
(ii)当0.5τ+2kτ《dc≤1.5τ+2kτ时，为了使接收线圈的输出功率最高，相邻两个线圈的绕向应相反，即相邻的接收线圈反向串联。
[0081]
所述的多个接收线圈中心距设计准则具体为：
[0082]
如图4所示，在设计多线圈结构接收端的过程中，令多个接收线圈中心距满足dc＝τ来最大化输出功率；如图5所示，当车辆底盘的安装空间有限时，多个接收线圈中心距满足dc＝l
coil
，以适量牺牲输出电压为代价来减小总长度，满足安装空间需求。
[0083]
所述的接收端磁芯设计准则具体为：
[0084]
接收端磁芯采用软磁铁氧体材料的平板磁芯，磁芯长度l
core
满足：l
receiver
≤l
core
≤1.3l
receiver
，其中l
receiver
为多个接收线圈的总长度；磁芯宽度w
core
满足：w
coil
≤w
core
≤1.1w
coil
，磁芯厚度为接收端磁芯不出现磁饱和时的最低厚度。
[0085]
本发明提出了一种电动汽车动态无线供电系统中接收端构型的设计方法，该方法兼具了传统解析设计方法和有限元设计方法的优点，适用于磁芯结构复杂的动态无线供电磁耦合机构，解决传统解析设计方法中适用性窄的不足。同时，可以为接收端结构参数设计提供理论指导，设计全程仅需要少数几次仿真，解决了传统有限元仿真设计方法中设计时间长，设计思路不清晰的不足。
[0086]
具体实施方式二
[0087]
为了具体说明本发明提出的设计方法在接收端设计中应用，本发明以双极型发射导轨为例，给出了功率等级为30kw的接收端设计实例。设计实例中，双极型发射导轨的结构示意图如附图6所示，结构参数如表1所示，系统采用常用的串联-串联(ss)补偿方式，接收端采用不控整流电路。
[0088]
表1双极型发射导轨的结构参数
[0089][0090][0091]
第一部分：设计指标和限制条件确定
[0092]
设计实例以最高输出功率为30kw电动轿车作为应用对象。接收端的设计指标和限制条件如表2所示。
[0093]
表2接收端的设计指标
[0094][0095]
第二部分：电气参数计算
[0096]
在确定设计指标和限制条件后，第二部分进行接收端的电气参数计算。由表2中可知，充电电压为610v，充电功率为30kw，可以计算出负载电阻r
l
为：
[0097]rl
＝uo/io＝u
2o
/p
out
＝(610v)2/30kw＝12.4ω (9)
[0098]
系统采用不控整流电路，因此等效电阻re为：
[0099]
re＝(8/π2)
·rl
＝(8/π2)
·
12.4ω＝10.05ω (10)
[0100]
此时接收线圈中电流is为：
[0101][0102]
由接收端效率确定允许的最大内阻r
s-max
:
[0103][0104]
得到等效电阻re和最大内阻r
s-max
后，即可求出接收端所需的开路电压u
oc-need
满足：
[0105][0106]
代入发射电流i
p
和谐振频率f即可求出满足接收端输出功率要求时系统所需要的互感m
need
：
[0107][0108]
第三部分：结构参数设计
[0109]
完成电气参数计算后，第三部分进行接收端的结构参数设计。第一步建立供电导轨的仿真模型，获得接收端平面的磁场分布结果，通过有限仿真可知接收端平面的磁场分量bz在x＝0时的分布情况如附图7所示。
[0110]
从图中可以得到磁密幅值b
z-max
＝608.13μt，通过数值分析软件的曲线拟合功能得到形状参数σ＝0.17211m。
[0111]
第二步，根据所需互感m
need
来进行接收端的结构参数设计。
[0112]
对于接收线圈长度l
coil
，根据式(7)，综合考虑输出功率和长度比功率后，将接收线圈的长度设计为500mm。将l
coil
＝500mm代入长度系数的表达式k
l
中可得：
[0113][0114]
对于接收线圈宽度w
coil
，为了满足设计指标对侧移性能的要求，根据式(8)，综合
考虑输出功率和宽度比功率后，将线圈宽度定为800mm。将w
coil
＝800mm代入宽度系数kw的表达式可得：
[0115][0116]
基于接收线圈中心距的设计准则，综合考虑输出功率和底盘安装空间后，接收端使用两个接收线圈串联结构。两个接收线圈缠绕方向相反，紧邻放置，即dc＝l
coil
＝500mm。线圈个数q＝2，代入间距系数kd的表达式可得：
[0117][0118]
根据接收绕组的尺寸和底盘尺寸，选择接收端磁芯的长宽为1300mm*800mm兼顾输出性能和屏蔽能力。因此根据经验选择磁芯厚度为10mm。由磁芯长度，可得磁芯系数满足kc＝1.906。
[0119]
此时可得接收线圈为1匝时，磁耦合机构的互感为：
[0120][0121]
根据接收线圈的电流is，选择接收线圈的线径为d＝10mm。根据接收线圈的外尺寸和线径，可得满足互感需求时接收线圈的匝数ns：
[0122][0123]
其中匝数系数kn的表达式为：
[0124][0125]
其中，k
l-i
,k
w-i
分别为第i匝接收线圈的长度系数和宽度系数；
[0126]
第四部分：性能校验
[0127]
完成接收端的结构设计后，最后一步进行的是效率校验部分，基于设计完成的磁耦合机构接收端，计算可以得到接收端的内阻为0.228ω。将计算内阻代入式(6)中得到接收端的效率η满足：
[0128][0129]
由上式可知，设计完成的接收端满足设计指标中对效率的要求，设计完成。设计完成的接收端的具体参数如表3所示。
[0130]
表3设计完成的30kw功率等级接收端的结构参数
[0131][0132]
以上对本发明所提出的一种电动汽车动态无线供电系统中接收端构型的设计方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。