[发明专利]针对无线电能传输常用的圆盘形线圈的参数优化设计方法

说明书

本发明针对无线充电平面圆盘式线圈，提出一种综合考虑交流电阻和互感影响下的线圈参数优化方法。本发明根据无线充电系统的传输情况，先分析能量传输效率与充电线圈设计参数的函数关系，确认优化的目标函数和优化变量；利用遗传算法对线圈设计参数进行寻优计算，设置初代种群和进化代数；期间用轮盘赌策略确定个体的适应度，再经过交叉和变异计算，选出子代群体，重新计算个体参数的适应度；迭代n代之后，得到最大参数值，并对最大参数值时的匝数和匝间距进行编码，得到最优线圈参数。本发明这种设计过程可以减少设计阶段很大的工作量，而且结果很准确。

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域,特别涉及一种针对无线电能传输常用的圆盘形线圈的参数优化设计方法。

背景技术

无线电能传输技术是当今一个热门研究课题，其中磁耦合无线电能传输方法是一大主流研究方法，也是目前应用较多的方式。无线充电作为一种新兴技术，与传统的有线供电相比更加安全便捷，其非接触式和全密封性的特点从根本上避免了有线充电带来的弊端且更加安全，具有良好的应用场景和发展趋势。磁耦合线圈是整个无线电能传输系统的关键性设计，具有高品质因素并能产生均匀磁场的线圈是获得更高的传输效率和更稳定的输出功率的保证。然而磁耦合线圈可考虑的结构设计参数很多，一般包括像匝数、匝间距、外径、线圈间的传输距离等。因此如何根据传输指标在多参数情况下确定最佳设计参数是当前的一大研究热点。

通常情况下在设计线圈往往采用密绕的形式，但密绕情况下线圈的交流电阻会显著增大，从而增加损耗，降低线圈间能量传输效率。目前很多研究在进行线圈设计时很难同时满足增大互感和减小交流电阻，无法综合考虑交流内阻和互感的前提下的线圈参数优化问题，特别是针对线圈的匝间距，过小的匝间距会造成明显的邻近效应，增大线圈损耗；过大的匝间距会使互感较低，系统传输能效降低。

目前有些研究根据研究经验或者曲线拟合的方式总结出最佳设计参数之间的关系，但没有以传输效率作为目标进行参数寻优，得不到最优参数组合。虽然也有采用穷举法进行设计，也即利用仿真或实验获取所有参数组合下的效率值，但这种方法随着设计参数的增多，工作量会非常大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种综合考虑交流电阻和互感影响下的针对无线电能传输常用的圆盘形线圈的参数优化设计方法。

本发明所采用的技术方案是：本发明包括以下步骤：

A.确定耦合线圈工作频段，参考国际电信联盟和电磁环境限值的相关标准，结合高频逆变电源工作频率，综合确定系统的工作频段；

B.确定线圈间能量传输效率与线圈设计参数的表征关系，结合系统的频率、传输距离的条件，列出线圈设计过程的限制条件，确定优化变量和函数；

C.基于系统传输性能的目标，选择利兹线，并计算得到利兹线的单线数和外径，并记录利兹线最大负载电流；

D.利用遗传算法对设计参数进行寻优计算，设置初代种群和进化代数；

E.用轮盘赌策略确定个体的适应度，判断是否符合优化准则，再依据适应度选择再生个体，再经过交叉和变异计算，选出子代群体，重新计算个体参数的适应度；待迭代过程结束后，解码对应的最优线圈设计参数

进一步的，所述步骤A具体包括以下步骤：

A1.参考的国际电信联盟和电磁环境限值的相关标准为SAE-2954的标准；

A2.根据SAE-2954标准对无线充电核心频率的规定，且基于两线圈模式的无线充电系统，高频逆变电源工作频率选取为85kHz，此频率远小于离集肤效应的临界频率，因此影响交流电阻的主要因素是线圈的邻近效应。

进一步的，所述步骤B具体包括以下步骤：

B1.根据无线充电系统模型，建立无线充电模型等效示意图；