无线充电系统耦合线圈及其制备方法与流程

本发明涉及无线充电技术，具体地，涉及一种无线充电系统耦合线圈及其制备方法。

背景技术：

无线电能传输技术由于其安全、方便、环保等特点，在人们的生活中越来越受到重视。该技术涉及了电力电子电路、线圈电磁设计、自动控制、通信协议等多方面内容。目前关于无线充电的研究主要集中在无线充电电路拓扑、控制策略和线圈结构上，关于无线充电系统耦合线圈的设计方法的研究较少。然而耦合线圈作为无线充电系统中最重要的元件，不仅与电能传输功率和效率密切相关，而且一定程度上决定了无线充电装置的稳定性和可靠性。

现有的无线充电系统开发过程中，往往是根据经验确定线圈的电感量，然后根据尺寸限制手动绕制并不断调整至期待的电感量，参数设计和线圈绕制更多是基于经验不断尝试调整。然而这种设计方法无法实现参数的优化选取，根据经验绕制的线圈未必能与系统工作状态匹配从而导致电能传输效率较低，且可能需要多次调整从而导致线圈绕制的人工成本和时间成本增加，影响系统开发进程。少数国外文献研究了无线充电系统参数优化设计流程，但是设计方法只涉及到电感量的选取，没有涉及到利兹线结构和匝数的确定方法，也没有将线圈尺寸、距离等直观的设计要求包括在设计过程中，所以设计过程不完整、脱离实际生产制作。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种无线充电系统耦合线圈及其制备方法。

根据本发明提供的一种无线充电系统耦合线圈的制备方法，包括：

步骤S1、确定耦合线圈的耦合系数；

步骤S2、根据耦合系数，确定耦合线圈中发射线圈电感量L₁、耦合线圈中接收线圈L₂、耦合线圈中发射线圈工作电流I₁、耦合线圈中接收线圈工作电流I₂；

步骤S3、根据耦合线圈发射线圈工作电流确定发射线圈利兹线规格；根据耦合线圈接收线圈工作电流确定接收线圈利兹线规格；

步骤S4、根据耦合线圈中发射线圈电感量、接收线圈电感量，分别确定耦合线圈中发射线圈匝数、接收线圈匝数。

优选地，所述步骤S1包括：

步骤S11、在耦合系数参考表中选择与工作环境最接近的参数组合，将所述最接近的参数组合在耦合系数参考表中对应的耦合系数作为所述耦合线圈的耦合系数；

其中，所述耦合系数参考表的建立步骤为：选取多组不同的耦合线圈尺寸与充电距离的参数组合，通过实验或仿真得到在不同的线圈尺寸与充电距离的参数组合下耦合线圈的耦合系数。

优选地，所述步骤S2包括：

步骤S21、根据无线充电系统已知的充电功率P_out、充电电流I_out，计算负载电阻

步骤S22、给出耦合线圈发射线圈电感量L₁、耦合线圈接收线圈电感量L₂的初值，计算耦合线圈互感耦合线圈发射端内阻R_p＝1000L₁，耦合线圈接收端内阻Rs＝1000L₂，耦合线圈发射端等效电阻耦合线圈中发射线圈工作电流U1为无线充电系统的输入电压，耦合线圈中接收线圈电压U₂＝2πfMI₁，耦合线圈中接收线圈工作电流充电电流I_out＝I₂；f表示耦合线圈的工作频率；k表示耦合线圈的耦合系数；

步骤S23、通过改变L₁和L₂的值寻找充电电流、发射线圈工作电流、接收线圈工作电流均满足要求且令目标函数取最小值的耦合线圈中发射线圈电感量、接收线圈电感量，并计算满足要求时发射线圈工作电流和接收线圈工作电流。

优选地，在步骤S3中，针对发射线圈、接收线圈，分别通过如下步骤确定利兹线规格，具体包括：

步骤S31、计算趋肤深度和耦合线圈所需导体总截面积i＝1,2；

其中，μ₀为真空磁导率，σ为导体材料的电导率，f为耦合线圈的工作频率；

步骤S32、根据已知的利兹线规格选择单线线径小于2倍趋肤深度的利兹线规格；

步骤S33、针对选择出的每种利兹线规格，选取若干股利兹线，利兹线股数的选取标准为该种利兹线规格的利兹线导体总截面积大于所述耦合线圈所需导体总截面积A的最小股数；

步骤S34、得到单线线径和股数均满足要求的利兹线规格。

优选地，在步骤4中，针对发射线圈、接收线圈，分别通过如下步骤确定匝数，具体包括：

利用如下方形耦合线圈电感量计算公式：

$L_i={\mathrm{\μ}}_0{N}^2\frac{2.2d_{avg}}{1+3.47\mathrm{\ρ}}$

$d_{avg}=\frac{d_{in}+d_{out}}{2},\mathrm{\ρ}=\frac{d_{out}-d_{in}}{d_{out}+d_{in}},d_{in}=d_{out}-n*d$

确定分别满足发射线圈电感量L₁、耦合线圈中接收线圈L₂的耦合线圈匝数N和耦合线圈内外边长di_n、耦合线圈外边长d_out；

其中，μ₀为真空磁导率。

优选地，还包括步骤5、确定最优制备参数；

所述步骤5包括：

步骤S51、根据步骤S3确定的利兹线规格的单线线径、股数计算利兹线的交流电阻系数

其中，p为层数，层数为利兹线的股数开根向上取整得到；

步骤S52、计算耦合线圈交流电阻R_ac＝R_dc*F_r*N*2*(d_in+d_out)；

其中，Rdc为已知的利兹线的直流电阻；N为匝数；

步骤S53、将耦合线圈交流电阻最小的方案确定为最优制备参数。

优选地，还包括步骤6、根据所述最优制备参数制备耦合线圈。

根据本发明提供的一种耦合线圈，所述耦合线圈是根据上述的无线充电系统耦合线圈的制备方法得到的。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明建立起几何参数(线圈尺寸和充电距离)和系统技术参数(电感、耦合系数)的联系，使得耦合线圈制造贴合实际，设计门槛低，通用性强。

2、本发明考虑了高频趋肤效应和临近效应，利用更精准的交流电阻而非直流电阻估计线圈损耗，设计方案更加真实可信。

3、本发明可以在保证无线充电可靠、稳定、安全运行的前提下提供最优的设计方案以实现较高的效率或效率与重量权衡。

4、本发明的设计过程完整，设计结果具体，与实际生产制备一致，可以直接指导绕制线圈、器件选型。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请实施例提供的一种电动汽车无线充电系统耦合线圈设计方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的一种线圈耦合系数确定方法的流程图；

图3为本申请实施例提供的一种线圈电感量确定方法的流程图；

图4为本申请实施例提供的一种无线充电系统拓扑；

图5为本申请实施例提供的一种利兹线型号确定方法的流程图；

图6为本申请实施例提供的一种线圈匝数确定方法的流程图；

图7为本申请实施例提供的一种方形线圈结构；

图8为本申请实施例提供的一种最优设计方案确定方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种无线充电系统耦合线圈的制备方法，包括：线圈耦合系数的确定步骤、线圈电感量的确定步骤、利兹线型号的确定步骤、线圈匝数的确定步骤、最优设计方案的确定步骤。耦合线圈包括发射端和接收端，发射端即发射线圈、接收端即接收线圈。

本发明将无线充电系统耦合线圈设计这一复杂的工作分解成5个步骤，整个设计过程清晰明了，可操作性强，通过本发明设计出的方案可以满足技术指标，且通过选择最优设计方案可以实现较高的电能传输效率。

参考图1所示，为本实施例提供的一种电动汽车无线充电系统耦合线圈制备方法的流程图，其中，无线充电系统耦合线圈的制备方法包括：

步骤S1、确定线圈的耦合系数；

其中，根据线圈尺寸和充电距离确定线圈的耦合系数；

步骤S2、确定线圈的电感量；

其中，根据无线充电系统的技术指标和步骤S1确定的耦合系数，确定线圈电感量和工作电流；

步骤S3、确定利兹线型号；

其中，根据工作频率及步骤S2提供的工作电流从厂家提供的利兹线规格中确定利兹线型号；

步骤S4、确定线圈的匝数；

其中，根据线圈尺寸、步骤S2确定的电感量、步骤S3提供的利兹线型号确定线圈的匝数；

步骤S5、确定最优设计方案；

其中，计算并比较不同方案下线圈的交流电阻，选择内阻最小的最优设计方案以提高无线充电系统电能传输效率。

参考图2所示，所述步骤S1包括：

步骤S11、确定方形线圈尺寸标准参考值(mm)：350，400，450，500，550，600；确定距离标准参考值(mm)：150，175，200，225，250；

步骤S12、利用有限元仿真软件分析不同尺寸线圈组合和距离下的耦合系数(默认发射线圈尺寸较大，共计105组数据)；其中，有限元仿真软件可以采用日本JSOL公司开发的电磁场分析软件JMAG；

步骤S13、将数据整理成Excel表格；

步骤S14、根据指定的线圈尺寸和充电距离选择最接近的一组标准参考值，确定耦合系数。

参考图3所示，所述步骤S2包括：

步骤S21、确定无线充电系统拓扑，参考图4，根据无线充电系统已知的充电功率Pout、充电电流Iout，计算负载电阻

步骤S22、给出耦合线圈发射端电感量L₁、耦合线圈接收端电感量L₂的初值，计算耦合线圈互感耦合线圈发射端内阻R_p＝1000L₁，耦合线圈接收端内阻Rs＝1000L₂，耦合线圈发射端等效电阻耦合线圈中发射线圈电流U1为无线充电系统的输入电压，耦合线圈中接收线圈电压U₂＝2πfMI₁，耦合线圈中接收线圈电流充电电流I_out＝I₂；f表示耦合线圈的工作频率；k表示耦合线圈的耦合系数；

步骤S23、通过改变L₁和L₂的值寻找充电电流、发射线圈电流、接收线圈电流均满足要求且令目标函数取最小值的耦合线圈电感量，并计算满足要求时发射线圈电流和接收线圈电流作为耦合线圈工作电流，其中，耦合线圈电感量是指耦合线圈发射端电感量L₁、耦合线圈接收端电感量L₂。

步骤2本质是带有约束条件的最优化求解，可以通过借助数学求解软件如Matlab进行。

参考图5所示，所述步骤S3包括：

步骤S31、给出工作频率f和线圈工作电流I_i(步骤S2确定，对于发射线圈，其工作电流为I₁，对于接收线圈其工作电流为I₂)，计算趋肤深度和所需的导体总截面积A(mm²)i＝1,2，下标1对应发射线圈，下标2对应接收线圈；

其中，μ₀为真空磁导率，σ为导体材料的电导率，f为工作频率。

步骤S32、根据厂家提供的利兹线规格选择单线线径小于2倍趋肤深度的利兹线；

步骤S33、从每种满足要求的线径中选择适当股数的利兹线，股数确定的标准为利兹线导体总截面积大于A的最小股数；

步骤S34、确定单线线径和股数均满足要求的利兹线规格。

参考图6所示，所述步骤S4包括：

步骤S41、根据有限元仿真的数据确定方形耦合线圈电感量Li(对于发射线圈，其电感量为L₁，对于接收线圈其电感量为L₂)的计算公式

其中，d_in＝d_out-n*d，d_in、d_out分别为耦合线圈的内边长、外边长，参照图7，N为耦合线圈匝数，d为利兹线的直径。

步骤S42、根据步骤S2确定的耦合线圈发射端电感量L₁、耦合线圈接收端电感量L₂，利用方形耦合线圈电感量计算公式，确定满足耦合线圈电感量的耦合线圈匝数N和耦合线圈内外边长di_n、耦合线圈外边长d_out。

参考图8所示，所述步骤S5包括：

步骤S51、根据步骤S3确定的利兹线规格的单线线径、股数计算利兹线的交流电阻系数

其中，p为层数，层数为利兹线的股数开根向上取整得到；如股数为120对应的层数为11。

步骤S52、根据厂家提供的利兹线的直流电阻Rdc、匝数N、步骤S51确定的交流电阻系数Fr以及步骤S4确定的内外边长di_n、d_out计算线圈的交流电阻R_ac＝R_dc*F_r*N*2*(d_in+d_out)；

步骤S53、选择线圈交流电阻最小的方案作为最优设计方案以实现较高效率。

本发明还提供一种按照所述无线充电系统耦合线圈的制备方法中的步骤流程制备得到的耦合线圈。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。