[发明专利]一种动态无线电能传输磁耦合机构的半解析互感计算方法

说明书

本发明提出一种动态无线电能传输磁耦合机构的半解析互感计算方法。在磁耦合机构的设计及优化过程中，本发明所述的互感计算方法全程仅需要一次有限元仿真，即可快速计算出不同接收端位置下以及不同接收端结构参数下的磁耦合机构互感，可以解决动态无线电能传输磁耦合机构互感计算过程中传统仿真计算方法存在的计算时间过长，仿真工作量大、计算机内存占用过大以及物理概念不清晰等问题，极大地提高互感计算速度和磁耦合机构的设计速度。同时，本发明所述方法给出了接收端各结构参数与互感的解析函数关系，揭示了磁耦合机构接收端不同结构参数对互感的影响，还可以为磁耦合机构的结构设计提供理论指导。

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，特别是涉及一种动态无线电能传输磁耦合机构的半解析互感计算方法。

背景技术

动态无线电能传输技术可以有效地提高电动汽车的续航里程，减少停车充电的时间，提升车辆充电的灵活性、安全性和环境适应性，从根本上解决目前限制电动汽车推广与应用的瓶颈问题。动态无线电能传输系统中，磁耦合机构是电磁能量无线传输的核心部件。互感直接决定磁耦合机构输出功率的最重要因素，与发射、接收线圈的结构及其相对位置等诸多参数有关，直接决定了动态无线电能传输系统的各项关键性能。因此，互感的计算以及互感与磁耦合机构各参数之间关系是磁耦合机构设计过程中的重点问题。

目前，动态无线电能传输磁耦合机构中互感主要有2种计算方法。第一种为解析计算法，以毕奥萨伐尔定律为基础，通过计算穿过线圈的互感磁通来计算互感。例如文献[S.Raju,R.Wu,M.Chan and C.P.Yue,Modeling ofMutual Coupling Between PlanarInductors in Wireless Power Applications,IEEE Transactions on PowerElectronics,2014]基于诺依曼方程给出了圆形空心线圈的互感计算方法。然而，解析计算方法仅适用于无磁芯的磁耦合机构。当磁芯或线圈的结构复杂时，磁场分布难以通过公式描述，使得互感无法解析计算。第二种方法为有限元仿真计算方法。该方法借助有限元仿真软件，通过仿真来获得互感。仿真计算方法可以计算复杂磁耦合机构中的互感，广泛地应用于动态无线电能传输系统中。然而，在设计或优化磁耦合机构的过程中，有限元仿真计算方法需要通过参数化扫描仿真来获得互感随磁耦合机构结构参数的变化关系。动辄上千次三维场仿真需要占用计算机大量的内存，消耗较多的时间，极大地增加了设计周期。同时，该方法无法将建立互感与结构参数的定量关系，使得磁耦合机构的设计缺乏理论的设计指导。

发明内容

本发明目的是为了解决现有动态无线电能传输磁耦合机构在计算互感过程中，传统有限元计算方法仿真工作量大、计算速度慢、缺乏理论基础等问题，提出了一种动态无线电能传输磁耦合机构的半解析互感计算方法。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种动态无线电能传输磁耦合机构的半解析互感计算方法，所述方法具体包括：

步骤1：建立发射端磁芯和发射线圈的有限元仿真模型，通过单次有限元仿真，获得额定发射电流激励I_T下，发射线圈在接收端平面z＝h的直线x＝0和直线y＝0上产生磁感应强度B的仿真分布结果；所述接收端平面指的是接收线圈所在的水平面即xy平面，额定发射电流I_T为磁耦合机构工作在额定状态下发射线圈中电流i_T的有效值，h为发射端上表面和接收端平面之间的垂直距离；

步骤2：提取接收端平面上磁感应强度的垂直分量B_z，并通过数值分析软件，提取接收端平面上磁感应强度垂直分量B_z的最大值，并通过高斯函数拟合提出磁场形状函数λ；

其中，磁感应强度是具有方向的空间矢量，能够沿x轴，y轴和z轴分解为磁感应强度水平分量B_x，B_y和垂直分量B_z；

步骤3：带入接收线圈在x轴上对应的位置x，求解互感位置函数M_x(x)；