| 专利名称： | 提高基于电磁感应耦合原理的电动汽车非接触式充电效率方法 | ||
| 专利名称(英文)： | Method for improving efficiency of ICPT (inductively coupled power transfer)-based non-contact charging for electric vehicle | ||
| 专利号： | CN201510157373.4 | 申请时间： | 20150403 |
| 公开号： | CN104779686A | 公开时间： | 20150715 |
| 申请人： | 天津大学 | ||
| 申请地址： | 300072 天津市南开区卫津路92号天津大学26楼E座 | ||
| 发明人： | 张镇; 贾炳南; 王江; 邓斌; 魏熙乐; 于海涛 | ||
| 分类号： | H02J7/02 | 主分类号： | H02J7/02 |
| 代理机构： | 天津才智专利商标代理有限公司 12108 | 代理人： | 吕志英 |
| 摘要： | 本发明提供一种提高基于电磁感应耦合原理的电动汽车非接触式充电效率方法，该方法包括步骤：电磁感应耦合系统模型的数据准备；调整副边线圈的频率因数，使得副边线圈的转移功率P2≤电动汽车的负载功率Pload，接着调整原边线圈和副边线圈的横截面积，使得原边线圈和副边线圈的电流密度小于原边线圈和副边线圈的最大电流密度；判断原边线圈和副边线圈的现有匝数是否小于原边线圈和副边线圈的最大匝数，并给原边线圈和副边线圈的现有匝数加一；检测原副边线圈的补偿拓扑结构和设备的ICPT系统相结合是否达到效率提高的要求，优化完成最终线圈。有益效果是该方法在一个2-kW功率的标准下检测所设计系统的正常运作性，实现了高达82％的效率，有效提高了无线充电的安全性以及能源的充分利用。 | ||
| 摘要(英文)： | The invention provides a method for improving the efficiency of ICPT (inductively coupled power transfer)-based non-contact charging for an electric vehicle. The method comprises the following steps : data of an ICPT system model are prepared; the frequency factor of a secondary side coil is adjusted to enable the transfer power P2 of the secondary side coil to be smaller than or equal to the load power Pload of the electric vehicle, and then the cross sectional areas of a primary side coil and the secondary side coil are adjusted to enable the current density of the primary side coil and the secondary side coil to be smaller than the maximum current density of the primary side coil and the secondary side coil; whether the current numbers of turns of the primary side coil and the secondary side coil are smaller than the maximum numbers of turns of the primary side coil and the secondary side coil is determined, and one is added to each of the current number of turns of the primary side coil and the current number of turns of the secondary side coil; whether combination of compensation topological structures of the primary and secondary side coils and the ICPT system improves the efficiency is judged, and the final coil is finished through optimization. The method has the benefits that the normal operation of the designed system is detected under the 2kW power standard, the efficiency is as high as 82%, and the wireless charging safety and sufficient energy use are improved effectively. | ||
1.一种提高基于电磁感应耦合原理的电动汽车非接触式充电效率方法， 该方法是在原边线圈外接电源，通过电磁感应耦合副边线圈产生能量的条件 下进行对设备系统充电的，该设备系统包括道路导轨铺设的原边线圈和电动 汽车内置的副边线圈，通过电磁感应耦合系统的拓扑结构改变所述原副边线 圈的尺寸匝数和原副边线圈的相对位置来对电动汽车电池进行非接触式充 电，该方法包括以下步骤： A)电磁感应耦合系统模型的数据准备，包括原边线圈的输入电压设定为 220V，原边线圈的最大匝数设定为27匝，副边线圈的最大匝数设定为7匝， 原边线圈的最大电流密度设定为5A/mm2，副边线圈的最大电流密度设定为 4A/mm2，原边线圈和副边线圈的初始匝数均设定为1匝，原边线圈的横截面 积设定为2.5mm2，副边线圈的横截面积设定为10mm2，副边线圈的频率因数 设定为1； B)数据准备完成后，调整副边线圈的频率因数(6)，使得副边线圈的转 移功率P2≤电动汽车的负载功率Pload，接着调整原边线圈和副边线圈的横截面 积，使得原副边线圈的电流密度小于原副边线圈的最大电流密度； C)电流密度满足要求后，判断原边线圈和副边线圈的现有匝数是否小于 原边线圈和副边线圈的最大匝数，并给原边线圈和副边线圈的现有匝数加一； D)检测原副边线圈的补偿拓扑结构和设备的ICPT系统相结合是否达到 效率提高的要求(15)，优化完成最终线圈(18)。
2.根据权利要求1所述的提高基于电磁感应耦合原理的电动汽车非接触 式充电效率方法，其特征是：所述步骤A)中，原副边线圈的结构固定，初 始化原副边线圈的匝数(3)均为一匝，初始化原副边线圈的横截面积和副边 线圈的频率因数(4)，初始化原边线圈的电感和副边线圈的电感(5)。
3.根据权利要求1所述的提高基于电磁感应耦合原理的电动汽车非接触 式充电效率方法，其特征是：所述步骤B)中，判断副边线圈的转移功率和 负载功率(8)的大小关系，如果转移功率P2＞负载功率Pload，则必须增加副 边线圈的频率因数(6)，直到转移功率P2≤负载功率Pload，接着通过测量判断 原边线圈的电流密度和最大电流密度(9)的大小关系，判断副边线圈的电流 密度和最大电流密度(11)的大小关系，检查原副边线圈的电流密度是否小 于原副边线圈的最大电流密度；如果条件不满足，分别对应增大原边线圈的 横截面积(10)和增大副边线圈的横截面积(12)，直到电流密度满足要求。
4.根据权利要求1所述的提高基于电磁感应耦合原理的电动汽车非接触 式充电效率方法，其特征是：所述步骤C)中，电流密度满足要求后，判断 原边线圈的匝数和最大匝数(13)的大小关系，即检查原边线圈的匝数是否 小于已知的原边线圈的最大匝数，如果小于，则判断副边线圈的匝数和最大 匝数(16)的大小关系，即再检查副边线圈的匝数是否小于副边线圈的最大 匝数，如果不小于，则原边线圈匝数加一，副边线圈匝数(14)不变，如果 小于，则原边线圈匝数不变，副边线圈匝数(17)加一。
5.根据权利要求1所述的提高基于电磁感应耦合原理的电动汽车非接触 式充电效率方法，其特征是：所述步骤D)中，判断原边线圈的匝数和最大 匝数(13)的大小关系，即检查原边线圈的匝数是否小于原边线圈的最大匝 数，如果不小于，则检测原副边线圈的补偿拓扑结构和设备的ICPT系统相结 合是否达到效率提高的要求(15)，如果不满足，则需要改变原边线圈和副边 线圈的几何结构(2)，进行重新验证，如果满足，则优化完成。
1.一种提高基于电磁感应耦合原理的电动汽车非接触式充电效率方法， 该方法是在原边线圈外接电源，通过电磁感应耦合副边线圈产生能量的条件 下进行对设备系统充电的，该设备系统包括道路导轨铺设的原边线圈和电动 汽车内置的副边线圈，通过电磁感应耦合系统的拓扑结构改变所述原副边线 圈的尺寸匝数和原副边线圈的相对位置来对电动汽车电池进行非接触式充 电，该方法包括以下步骤： A)电磁感应耦合系统模型的数据准备，包括原边线圈的输入电压设定为 220V，原边线圈的最大匝数设定为27匝，副边线圈的最大匝数设定为7匝， 原边线圈的最大电流密度设定为5A/mm2，副边线圈的最大电流密度设定为 4A/mm2，原边线圈和副边线圈的初始匝数均设定为1匝，原边线圈的横截面 积设定为2.5mm2，副边线圈的横截面积设定为10mm2，副边线圈的频率因数 设定为1； B)数据准备完成后，调整副边线圈的频率因数(6)，使得副边线圈的转 移功率P2≤电动汽车的负载功率Pload，接着调整原边线圈和副边线圈的横截面 积，使得原副边线圈的电流密度小于原副边线圈的最大电流密度； C)电流密度满足要求后，判断原边线圈和副边线圈的现有匝数是否小于 原边线圈和副边线圈的最大匝数，并给原边线圈和副边线圈的现有匝数加一； D)检测原副边线圈的补偿拓扑结构和设备的ICPT系统相结合是否达到 效率提高的要求(15)，优化完成最终线圈(18)。
2.根据权利要求1所述的提高基于电磁感应耦合原理的电动汽车非接触 式充电效率方法，其特征是：所述步骤A)中，原副边线圈的结构固定，初 始化原副边线圈的匝数(3)均为一匝，初始化原副边线圈的横截面积和副边 线圈的频率因数(4)，初始化原边线圈的电感和副边线圈的电感(5)。
3.根据权利要求1所述的提高基于电磁感应耦合原理的电动汽车非接触 式充电效率方法，其特征是：所述步骤B)中，判断副边线圈的转移功率和 负载功率(8)的大小关系，如果转移功率P2＞负载功率Pload，则必须增加副 边线圈的频率因数(6)，直到转移功率P2≤负载功率Pload，接着通过测量判断 原边线圈的电流密度和最大电流密度(9)的大小关系，判断副边线圈的电流 密度和最大电流密度(11)的大小关系，检查原副边线圈的电流密度是否小 于原副边线圈的最大电流密度；如果条件不满足，分别对应增大原边线圈的 横截面积(10)和增大副边线圈的横截面积(12)，直到电流密度满足要求。
4.根据权利要求1所述的提高基于电磁感应耦合原理的电动汽车非接触 式充电效率方法，其特征是：所述步骤C)中，电流密度满足要求后，判断 原边线圈的匝数和最大匝数(13)的大小关系，即检查原边线圈的匝数是否 小于已知的原边线圈的最大匝数，如果小于，则判断副边线圈的匝数和最大 匝数(16)的大小关系，即再检查副边线圈的匝数是否小于副边线圈的最大 匝数，如果不小于，则原边线圈匝数加一，副边线圈匝数(14)不变，如果 小于，则原边线圈匝数不变，副边线圈匝数(17)加一。
5.根据权利要求1所述的提高基于电磁感应耦合原理的电动汽车非接触 式充电效率方法，其特征是：所述步骤D)中，判断原边线圈的匝数和最大 匝数(13)的大小关系，即检查原边线圈的匝数是否小于原边线圈的最大匝 数，如果不小于，则检测原副边线圈的补偿拓扑结构和设备的ICPT系统相结 合是否达到效率提高的要求(15)，如果不满足，则需要改变原边线圈和副边 线圈的几何结构(2)，进行重新验证，如果满足，则优化完成。
翻译：技术领域
本发明提供一种提高基于电磁感应耦合原理的电动汽车非接触式充电效 率方法。
背景技术
在当前全球汽车工业面临金融危机和能源环境问题的巨大挑战的情况 下，发展电动汽车，实现汽车能源动力系统的电气化，推动传统汽车产业的 战略转型，在国际上已经形成了广泛共识。目前，我国已出台许多政策，扶 持和引导电动汽车行业的快速发展，政府意欲加速提高国内电动车产业的竞 争力，缩短成熟期，实现对国外汽车工业的“弯道超车”。电动汽车的发展步 入关键时期，机遇与挑战并存。
无线充电技术在电动汽车上的应用，是通过埋设于地表的一次线圈与固 定于车辆底盘的二次线圈的电磁耦合传输电能来实现的。随着电动汽车以及 移动机器人等的发展，无线充电的需求越来越大。对动力电池进行充电，具 有安全环保、全自动、免维护等一系列优点。目前常用的三种无线充电技术 中，因为ICPT和ERPT在中等距离的传输效率较高，更适合于电动汽车充电。
感应耦合电能传输技术ICPT将传统变压器的感应耦合磁路分开，实现电 源与负载单元之间无物理连接的能量耦合。通过设计原副线圈的不同几何结 构，并对原副线圈的匝数、横截面积及其相对位置等参数变量进行优化和比 较，最后得出一种最优的基于ICPT系统的电动汽车非接触式充电效率的方 法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种提高基于电磁感应耦合原理 的电动汽车非接触式充电效率方法，其目的是设计最优化的ICPT系统来为电 动汽车电池充电，接近达到效率传输的最大化。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种提高基于电磁感应 耦合原理的电动汽车非接触式充电效率方法，该方法是在原边线圈外接电源， 通过电磁感应耦合副边线圈产生能量的条件下进行对设备系统充电的，该设 备系统包括道路导轨铺设的原边线圈和电动汽车内置的副边线圈，通过电磁 感应耦合系统的拓扑结构改变所述原副边线圈的尺寸匝数和原副边线圈的相 对位置来对电动汽车电池进行非接触式充电，该方法包括以下步骤：
A)电磁感应耦合系统模型的数据准备，包括原边线圈的输入电压设定为 220V，原边线圈的最大匝数设定为27匝，副边线圈的最大匝数设定为7匝， 原边线圈的最大电流密度设定为5A/mm2，副边线圈的最大电流密度设定为 4A/mm2，原边线圈和副边线圈的初始匝数均设定为1匝，原边线圈的横截面 积设定为2.5mm2，副边线圈的横截面积设定为10mm2，副边线圈的频率因数 设定为1。
B)数据准备完成后，调整副边线圈的频率因数，使得副边线圈的转移功 率P2≤电动汽车的负载功率Pload，接着调整原边线圈和副边线圈的横截面积， 使得原副边线圈的电流密度小于原副边线圈的最大电流密度。
C)电流密度满足要求后，判断原边线圈和副边线圈的现有匝数是否小于 原边线圈和副边线圈的最大匝数，并给原边线圈和副边线圈的现有匝数加一。
D)检测原副边线圈的补偿拓扑结构和设备的ICPT系统相结合是否达到 效率提高的要求，优化完成最终线圈。
本发明的效果是该方法所提出的提高基于ICPT系统应用到电动汽车电 池充电的理想最优化设计途径可以实现对汽车电池充电的能源利用率接近最 大化。通过进行不同的测试，在一个2-kW功率的标准下检测所设计系统的正 常运作性，结果表明该方法帮助实现了一个高达82％的效率，这个效率甚至 可以在一个有着15cm大空气沟道的环境下实现，有效提高了无线充电的安全 性以及能源充分利用性。
附图说明
图1为本发明的带补偿的ICPT设计系统框图。
图中：
1、原副边线圈的结构固定，输入电压设定，初始化原副边线圈的最大匝 数和最大电流密度2、改变线圈的几何结构3、初始化原副边线圈的匝数 4、初始化原副边线圈的横截面积和副边线圈的频率因数5、初始化原边线 圈的电感和副边线圈的电感6、增加副边线圈的频率因数7、根据原副边 线圈的补偿拓扑结构的特点8、判断副边线圈的转移功率和负载功率的大小 关系式9、判断原边线圈的电流密度和最大电流密度的大小关系式10、增 大原边线圈的横截面积11、判断副边线圈的电流密度和最大电流密度的大 小关系式12、增大副边线圈的横截面积13、判断原边线圈的匝数和最大 匝数的大小关系式14、原边线圈匝数加一，副边线圈匝数不变15、原副 边线圈的补偿拓扑结构和设备的ICPT系统相结合是否达到效率提高的要求 16、判断副边线圈的匝数和最大匝数的大小关系式17、副边线圈匝数加一， 原边线圈匝数不变18、优化最终线圈
具体实施方式
结合附图对本发明的提高基于电磁感应耦合原理的电动汽车非接触式充 电效率方法加以说明。
本发明的提高基于电磁感应耦合原理的电动汽车非接触式充电效率方法 是基于ICPT系统应用到电动汽车电池充电的理想最优化设计途径，定义一个 新的设计因数KD，它和最优数量线圈的横截面积、线圈恰当的区域位置、补 偿电容等参数有关。通过设计理想最优化的ICPT系统，同时利用它的四个最 常用的补偿拓扑结构，得出最优的补偿拓扑结构。其中ICPT系统对四个基本 的补偿拓扑结构的共振频率表明了相关分叉现象的缺失和最小铜块材料的利 用效果。
本发明的提高基于电磁感应耦合原理的电动汽车非接触式充电效率方 法，该方法是在原边线圈外接电源，通过电磁感应耦合副边线圈产生能量的 条件下进行对设备系统充电的，该设备系统包括道路导轨铺设的原边线圈和 电动汽车内置的副边线圈，通过电磁感应耦合系统的拓扑结构改变所述原副 边线圈的尺寸匝数和原副边线圈的相对位置来对电动汽车电池进行非接触式 充电，该方法包括以下步骤：
A)电磁感应耦合系统模型的数据准备，包括原边线圈的输入电压设定为 220V，原边线圈的最大匝数设定为27匝，副边线圈的最大匝数设定为7匝， 原边线圈的最大电流密度设定为5A/mm2，副边线圈的最大电流密度设定为 4A/mm2，原边线圈和副边线圈的初始匝数均设定为1匝，原边线圈的横截面 积设定为2.5mm2，副边线圈的横截面积设定为10mm2，副边线圈的频率因数 设定为1。
B)数据准备完成后，调整副边线圈的频率因数6，使得副边线圈的转移 功率P2≤电动汽车的负载功率Pload，接着调整原边线圈和副边线圈的横截面积， 使得原副边线圈的电流密度小于原副边线圈的最大电流密度。
C)电流密度满足要求后，判断原边线圈和副边线圈的现有匝数是否小于 原边线圈和副边线圈的最大匝数，并给原边线圈和副边线圈的现有匝数加一。
D)检测原副边线圈的补偿拓扑结构和设备的ICPT系统相结合是否达到 效率提高的要求15，优化完成最终线圈18。
所述步骤A)中，原副边线圈的结构固定，初始化原副边线圈的匝数3 均为一匝，初始化原副边线圈的横截面积4，初始化原边线圈的电感和副边线 圈的电感5。
所述步骤B)中，判断副边线圈的转移功率和负载功率8的大小关系， 如果转移功率P2＞负载功率Pload，则必须增加副边线圈的频率因数6，直到转 移功率P2≤负载功率Pload，接着通过测量判断原边线圈的电流密度和最大电流 密度9的大小关系，判断副边线圈的电流密度和最大电流密度11的大小关系， 检查副边线圈的电流密度是否小于原副边线圈的最大电流密度；如果条件不 满足，分别对应增大原边线圈的横截面积10和增大副边线圈的横截面积12， 直到电流密度满足要求。
所述步骤C)中，电流密度满足要求后，判断原边线圈的匝数和最大匝 数13的大小关系，即检查原边线圈的匝数是否小于已知的原边线圈的最大匝 数，如果小于，则判断副边线圈的匝数和最大匝数16的大小关系，再检查副 边线圈的匝数是否小于副边线圈的最大匝数，如果不小于，则原边线圈匝数 加一，副边线圈匝数14不变，如果小于，则原边线圈匝数不变，副边线圈匝 数17加一。
所述步骤D)中，判断原边线圈的匝数和最大匝数13的大小关系，即检 查原边线圈的匝数是否小于原边线圈的最大匝数，如果不小于，则检查原副 边线圈的补偿拓扑结构和该设备的ICPT系统结合是否达到效率提高的要求 15，如果不满足，则需要改变原边线圈和副边线圈的几何结构2，进行重新验 证，如果满足，则优化完成。
如图1所示，ICPT系统的优化过程需要知道一些如线圈匝数、供电电压、 线圈的最大电流密度和横截面积等初步参数，即原边线圈的输入电压设定为 220V，原边线圈的最大匝数设定为27匝，副边线圈的最大匝数设定为7匝， 原边线圈的最大电流密度设定为5A/mm2，副边线圈的最大电流密度设定为 4A/mm2，原边线圈和副边线圈的初始匝数均设定为1匝，原边线圈的横截面 积设定为2.5mm2，副边线圈的横截面积设定为10mm2，副边线圈的频率因数 设定为1。
如图1所示流程，在数据准备完成后，判断副边线圈的转移功率和负载 功率8的大小关系，如果转移功率P2＞负载功率Pload，则必须适当增加副边 线圈的频率因数6，直到转移功率P2≤负载功率Pload，接下来判断原边线圈的 电流密度和最大电流密度5A/mm2的大小关系式9和判断副边线圈的电流密度 和最大电流密度4A/mm2的大小关系式11，检查原副边线圈的电流密度是否 小于原副边线圈的最大电流密度；如果条件不满足，分别对应增大原边线圈 的横截面积10和增大副边线圈的横截面积12，增加0.2mm2给原边线圈和副 边线圈相应的横截面积为设定的2.5mm2、10mm2，直到电流密度满足设定的 原边线圈的最大电流密度为5A/mm2、副边线圈的最大电流密度为4A/mm2的 要求。
电流密度满足要求后，判断原边线圈的匝数和最大匝数27匝的大小关系 式13，即检查原边线圈的匝数是否小于已知的原边线圈的最大匝数，如果小 于，则判断副边线圈的匝数和最大匝数7匝的大小关系式16，即再检查副边 线圈的匝数是否小于已知的副边线圈的最大匝数，如果不小于，则原边线圈 匝数加一，副边线圈匝数14不变，返回重新设计，如果小于，则原边线圈匝 数不变，副边线圈匝数17加一，返回重新设计。
判断原边线圈的匝数和最大匝数27匝的大小关系式13，即检查原边线圈 的匝数是否小于已知的原边线圈的最大匝数，如果不小于，则检测原副边线 圈的补偿拓扑结构和设备的ICPT系统相结合是否达到效率提高的要求15， 如果不满足，则需要改变线圈的几何结构2，然后重新验证优化，如果满足， 则优化完成最终线圈18。
