[发明专利]大功率非接触电能传输系统耦合线圈效率优化设计方法

说明书

本发明提供了一种大功率非接触电能传输系统耦合线圈效率优化设计方法，包括搭建非接触电能传输系统模型；建立所述非接触电能传输系统等效电路；引入并计算系统原副边等效负载，输出功率和效率，推导最优输出功率与互感及等效负载值的关系，建立最优输出功率曲线，推导系统要求最低效率与互感及等效负载的关系，并建立等效率曲线，根据最优输出曲线和等效率曲线得到某一特定互感值；通过实际车辆耦合线圈安装空间及运行参数设计输出较为稳定的耦合线圈单元结构，基于耦合线圈单元结构，通过ANSYS有限元仿真得到互感，基于李兹线内阻计算得到原、副边线圈内阻，最后基于得到的某一特定互感值和得到的耦合线圈单元结构的互感对耦合线圈进行优化设计。

技术领域

本发明涉及电力电子技术和无线能量传输领域，特别涉及一种大功率非接触电能传输系统耦合线圈效率优化设计方法。

背景技术

无线电能传输技术相比于传统的有线电能传输，安全性更高、便捷性更强。根据原理的不同，无线电能传输技术可大致分为三种：第一种是远场辐射式，该方式工作频率最高，传输距离远，但传输效率低、电磁污染严重；第二种是电磁共振式，该方式工作频率高、传输距离较远，但研究不够充分、技术不够成熟；第三种是电磁感应耦合式，该方式虽然传输距离较近，但传输功率大，传输效率高，技术最为成熟。

在大功率、近距离的场合，电磁感应耦合式电能传输技术得到了广泛的应用。传统的电磁感应耦合式电能传输技术工作方式一般如下：将直流电逆变为高频交流电，原边线圈和副边线圈通过电磁感应进行能量传递，在副边线圈后级接入整流电路以得到直流电。感应耦合电能传输系统中的线圈作为能量传输的载体，其铺设方式、参数设计等将对能量传递功率和效率等产生直接影响，因此对耦合线圈的研究显得尤为重要。

目前，国内外学者对感应电能传输系统中耦合线圈的研究，但大都针对功率或效率中的某一指标，采取不同的优化流程及评价方法，优化耦合线圈某一方面的性能参数，而没有给出系统的线圈参数设计方法。由于线圈参数设计时，功率、效率等重要性能指标对线圈匝数、互感等参数的要求往往相反，需要对耦合线圈参数进行全局设计。

因此，确有必要提供一种大功率非接触电能传输系统耦合线圈效率优化设计方法。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种大功率非接触电能传输系统耦合线圈效率优化设计方法。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种大功率非接触电能传输系统耦合线圈效率优化设计方法，该方法包括以下步骤：

S10，搭建非接触电能传输系统模型；

S11，基于非接触电能传输系统模型，建立非接触电能传输系统的等效电路；

S12，引入并计算非接触电能传输系统的原、副边等效负载Z₁和R_eq以及输出功率P_out和效率η；

S13，推导最优输出功率P_{out_opt}与互感M及等效负载的关系，并建立最优输出功率曲线W₁，推导系统要求最低效率η_rated与互感M及等效负载的关系，并建立等效率曲线W₂，根据最优输出曲线W₁和等效率曲线W₂得到某一特定互感值M_e；

S14，通过实际车辆耦合线圈安装空间及运行参数，设计原副边耦合线圈单元结构，使单一原边线圈始终对应单一副边线圈，此耦合线圈单元结构的输出较为稳定，避免了功率等级跳变的问题，基于耦合线圈单元结构，通过ANSYS有限元仿真得到互感M_e0，基于李兹线内阻计算得到原、副边线圈内阻R_p0、R_s0；