[发明专利]基于SSP补偿的无线电能传输磁耦合系统结构参数优化方法

权利要求书

1.一种基于SSP补偿的无线电能传输磁耦合系统结构参数优化方法，其特征在于，首先，根据无线电能传输的应用场合要求确定基于SSP补偿的无线电能传输磁耦合系统的发射线圈最大外径R_pmaxout、接收线圈最大外径R_smaxout及传输距离d；接着，根据允许的发射线圈与接收线圈的最大厚度d_o以及传输距离d建立单匝平面螺旋线圈的电磁场有限元仿真模型或理论计算模型；然后，选择固定发射线圈的最优外径为R_pmaxout，则优化发射线圈的最优内径以及接收线圈的最优内外径，若优化得到的接收线圈最优外径超过接收线圈最大外径R_smaxout，则以接收线圈最大外径R_smaxout作为接收线圈最优外径，或选择固定接收线圈的最优外径为R_smaxout，则优化接收线圈的最优内径以及发射线圈的最优内外径，若优化得到的发射线圈最优外径超过发射线圈最大外径R_pmaxout，则以发射线圈最大外径R_pmaxout作为发射线圈最优外径，其中以发射线圈、接收线圈间的耦合系数最大为目标，通过仿真或理论计算分别确定平面螺旋发射线圈的最优内径R_pin、最优外径R_pout以及接收线圈的最优内径R_sin、最优外径R_sout，并得到此时单匝平面螺旋线圈模型的耦合系数k₀以及发射线圈和接收线圈的单匝平均电感L_p0、L_s0；再而，根据基于SSP补偿的无线电能传输磁耦合系统变压器漏感模型下的SSP补偿等效电路建立线圈损耗与发射线圈和接收线圈匝数以及并联补偿电容的关系式，并求解线圈损耗最小时，发射线圈和接收线圈匝数以及并联补偿电容值；而后，根据得到的发射线圈和接收线圈匝数以及并联补偿电容值建立多匝数线圈磁耦合系统仿真模型得到此时的耦合系数k₁及发射线圈、接收线圈的单匝平均电感L_p01、L_s01，并将此时得到的结果与单匝平面螺旋线圈模型得到的结果k₀、L_p0、L_s0作比较直至差值均小于5％；最后，根据发射线圈和接收线圈匝数以及并联补偿电容值即得到基于SSP补偿的无线电能传输磁耦合系统的变压器漏感模型的电阻和电感以及补偿网络参数，配置电路参数；该方法具体实现如下：

提供一基于SSP补偿的无线电能传输磁耦合系统，包括正对平行放置的无线电能发射线圈和无线电能接收线圈，所述无线电能发射线圈和无线电能接收线圈均为平面螺旋线圈结构，两者的内径、外径、导线线径以及匝数相同或不同，且两者的并联补偿电容的电容值等于或不等于谐振点处的电容值；

步骤S1、将基于SSP补偿的无线电能传输磁耦合系统等效为变压器漏感模型，并采用补偿漏感，建立基于SSP补偿的无线电能传输磁耦合系统的恒压型输出谐振拓扑；等效补偿漏感后的基于SSP补偿的无线电能传输磁耦合系统，包括原边回路和副边回路，所述原边回路包括串联连接的电压源、谐振电容C_p、原边等效漏感L_pk、激磁电感L_m，所述副边回路包括谐振电容C_s、副边等效漏感L_sk、并联补偿电容C_m、负载R_E，谐振电容C_s、副边等效漏感L_sk、负载R_E串联连接，并联补偿电容C_m与负载R_E并联连接；

步骤S2、确定基于SSP补偿的无线电能传输磁耦合系统的最大互感系数k：

首先，根据无线电能传输的应用场合要求确定基于SSP补偿的无线电能传输磁耦合系统的发射线圈最大外径R_pmaxout、接收线圈最大外径R_smaxout及传输距离d；

其次，发射线圈与接收线圈的厚度皆为d_o，根据允许的发射线圈与接收线圈的最大厚度d_o以及传输距离d建立单匝平面螺旋线圈的电磁场有限元仿真模型或理论计算模型；

而后，选择固定发射线圈的最优外径为R_pmaxout，则优化发射线圈的最优内径以及接收线圈的最优内外径，若优化得到的接收线圈最优外径超过接收线圈最大外径R_smaxout，则以接收线圈最大外径R_smaxout作为接收线圈最优外径，或选择固定接收线圈的最优外径为R_smaxout，则优化接收线圈的最优内径以及发射线圈的最优内外径，若优化得到的发射线圈最优外径超过发射线圈最大外径R_pmaxout，则以发射线圈最大外径R_pmaxout作为发射线圈最优外径，其中以发射线圈、接收线圈间的耦合系数最大为目标，通过仿真或理论计算分别确定平面螺旋发射线圈的最优内径R_pin、最优外径R_pout以及接收线圈的最优内径R_sin、最优外径R_sout；

再而，将求得的R_pin、R_sin及R_pout、R_sout作为发射线圈与接收线圈的内外径，根据允许的发射线圈与接收线圈的最大厚度d_o以及传输距离d建立单匝平面螺旋线圈的电磁场有限元仿真模型或理论计算模型，通过仿真或理论计算的方式得到此时单匝平面螺旋线圈模型的耦合系数k₀以及发射线圈和接收线圈的单匝平均电感L_p0、L_s0；

接着，建立互感M与发射线圈及接收线圈匝数N_p、N_s的关系式：

再由发射线圈和接收线圈的最优内径及最优外径得到发射线圈和接收线圈的平均匝长l_peq和l_seq：

那么发射线圈和接收线圈的线圈感量与线圈电阻表示成如下形式

其中ρ为线圈导线的电阻率；S_p为发射线圈导线的截面积；S_s为接收线圈导线的截面积；

步骤S3、推导基于SSP补偿的无线电能传输磁耦合系统变压器漏感模型下的SSP补偿等效电路输入及输出指标与基于SSP补偿的无线电能传输磁耦合系统发射线圈、接收线圈的电流I_P、I_S的关系：所述输入及输出指标包括无线电能传输磁耦合系统的输入电压U_in、角频率ω、输出电压U_o以及负载电阻R₀；

当仅考虑逆变输出的基波分量时，根据整流性负载在LC滤波电感极大，则得到以下关系：

U_{ab_1}为逆变输出基波电压有效值；U_e、I_e分别为整流桥输入电压、电流；

由SSP补偿电路输出特性U_e＝nU_{ab_1}，则得到系统的等效变比

根据变压器漏感模型下的SSP补偿等效电路，得到I_p和I_s的关系式：

其中Z_s＝jωL_sk+1/(jωC_s)+R_s+R_E/(1+jωC_mR_E)；

I_p和I_s是关于C_m的函数，若L_pk、L_sk分别与C_p、C_s完全谐振，则式(6)写为式(7)形式

在变压器漏感模型下，电感参数方程有

将变压器漏感模型下的电感方程代入I_p和I_s的关系式(7)，则得到I_p和I_s关于N_p、N_s的函数

得到发射线圈以及接收线圈的线径d_p和d_s关于C_m、N_p、N_s的表达式

其中J为工程需要所选择的电流密度大小；

那么基于SSP补偿的无线电能传输磁耦合系统的变压器漏感模型电感和电阻方程表示成以下形式

上式中R_p、R_s、L_pk、L_sk、L_m皆为C_m、N_p、N_s的函数，N_p、N_s分别为发射线圈的匝数和接收线圈的匝数；

线圈损耗分发射线圈损耗和接收线圈损耗，它们的关系如下

P_total(C_m,N_p,N_s)＝I_p(C_m,N_p,N_s)²R_p(C_m,N_p,N_s)+I_s(C_m)²R_s(C_m,N_s) (12)

由I_p、R_s、R_p、R_s表达式，得出线圈损耗总损耗P_total与C_m、N_p、N_s的关系式，求取线圈损耗总损耗P_total的最小值，即解出对应的最优的发射线圈及接收线圈匝数和并联补偿电容；

根据得到的最优的C_m、N_p、N_s即根据式(10)求解发射线圈和接收线圈的线径d_p和d_s；

步骤S4、建立多匝平面螺旋线圈的有限元仿真模型或理论计算模型：

以R_pin、R_sin及R_pout、R_sout作为发射与接收线圈的内外径，d_p作为发射线圈的厚度，d_s作为接收线圈的厚度，发射线圈和接收线圈匝数N_p、N_s来建立磁耦合系统仿真模型，利用多匝同心圆型线圈来近似等效平面螺旋线圈，采用均匀匝间距的绕制方式布置线圈；通过仿真或计算得到此时的耦合系数及收发线圈的单匝平均电感，记为k₁、L_p01、L_s01；将此时得到的结果k₁、L_p01、L_s01与步骤S2中单匝线圈模型得到的结果k₀、L_p0、L_s0作比较，如果前后两次结果的差值存在某个参数差大于5％，则令并回到步骤S3；否则进行下一步；

根据C_m、N_p、N_s的值得到基于SSP补偿的无线电能传输磁耦合系统的变压器漏感模型的电阻和电感以及补偿网络参数。