用于无线充电系统磁耦合机构的多目标性能优化方法

本发明属于无线充电系统电能传输，尤其涉及一种用于无线充电系统磁耦合机构的多目标性能优化方法。

背景技术：

1、无线充电系统在无需电气连接的方式下可以实现供电设备与用电设备之间的电能传输，对比有线充电具有无机械接触、无电火花易绝缘等优势，能够增强充电过程中的安全性和便利性，其中，磁耦合谐振式因其具有功率大、传输距离长的优点，目前已经在agvs、机器人、无人机和电动汽车等领域广泛使用。

2、无线充电的ga和va通常被封装在盒子里面，采用液体冷却、风冷或复合相变材料等冷却设施也会增大无线充电系统的体积，无法满足高紧凑性的需求，在实际应用中，希望耦合机构所占的体积与重量尽可能的要小，而磁耦合系数和传输效率要尽可能的高。系统中的各类损耗将会转化为热量引起温度升高带来一定的安全问题，温度升高会影响磁耦合机构的性能，所以需要着重关注耦合机构的多目标优化设计问题。

3、在现有技术中，通常选择单一目标或者使用一个综合设计指标来进行优化，不能满足多目标优化的权衡问题，在多目标优化方面，通常以pareto理论对耦合机构的各项性能进行优化权衡。优化目标主要集中在电磁场的品质因数、互感、内阻和效率等方面，很少把热场中的耦合机构温度纳入优化目标。传统的参数扫描方法在计算pareto前沿时需要的优化时间较长，本发明提出的基于nsga-ii对耦合机构进行多目标pareto优化来解决温度、效率和体积的权衡问题可以远远降低无线充电磁耦合机构优化过程中的最优解寻找时间。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有技术中的问题，提供了一种用于无线充电系统磁耦合机构的多目标性能优化方法。

2、本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出用于无线充电系统磁耦合机构的多目标性能优化方法，所述方法包括以下步骤：

3、步骤一、根据无线充电系统拓扑，分析利兹线圈与磁芯的损耗，推导相关计算公式从而建立磁耦合机构的损耗模型和散热模型；

4、步骤二、使用nsga-ii加速参数优化过程，更快速的得到pareto最优解集并根据实际应用情况权衡选出适合的最优解，从而建立无线充电系统磁耦合机构多目标优化数学模型；

5、步骤三、通过步骤一、步骤二得到优化后的线圈长度，磁芯长度，磁芯宽度与磁芯之间的距离，选取磁耦合机构的最优参数。

6、进一步地，假设无线充电系统工作在理想状态，忽略系统中的损耗，输出功率的计算公式为：

7、

8、在ss补偿拓扑中，补偿电容的容值为：

9、

10、表示两个线圈之间的耦合情况k由以下式子得出：

11、

12、进一步地，所述损耗模型具体为：

13、利兹线圈的交流内阻的计算公式表示为：

14、

15、rcond_n为第n匝线圈的传导电阻，rprox_n为第n匝的邻近效应电阻，计算公式进一步表达为：

16、

17、其中，ln为第n匝线圈的长度，μ0为真空磁导率，rs为线圈的单股半径，σ为铜线电导率，n为线圈的总匝数，hn,y为线圈横截面上的磁场场强，i为交流电流的有效值；

18、具有高磁导率的磁芯的存在可以增强无线充电系统的空间磁场，在正弦激励下，根据bertotti铁耗分离理论，磁芯的损耗为：

19、pfe＝ph+pce+pex＝chfbmα+ccef2bm2+cexf1.5bm1.5

20、其中pfe为磁芯损耗，ph为磁滞损耗，pce为涡流损耗，pex为剩余损耗，bm为磁密幅值，ch、cce、cex为磁芯系数。

21、进一步地，所述散热模型具体为：

22、磁耦合机构的传导散热分为两部分，一是热量沿着外壳的传导，二是线圈和磁芯的中心热点向外表面的传导；

23、对于磁芯来说，可以等效为具有内热源的一维导热问题，磁芯的一端接触线圈，温度为t1，另一端接触外壳，温度为t2，厚度为δ，导热系数为λ，物体中内热源的大小为微分方程的通解为：

24、

25、对于外壳来说，热传导相当于无内热源的一维平壁的导热，则为0，接触磁芯一面的温度为t2，接触空气的一面温度为t3，可以得到其温度分布为：

26、

27、对于利兹线来说，可以等效成半径为r1的圆柱，外表面温度为t1，则圆柱坐标系中温度分布为：

28、

29、采用自然对流散热进行热量交换，对于对流散热，分以下三种情况：

30、外壳顶部相当于水平热面朝上的对流散热，尺寸为l1和l2，则平均对流换热系数为：

31、

32、其中，l为物体的特征长度，k为膜层温度的热导率，nu为平均努塞尔数，计算公式为：

33、

34、ra为格拉晓夫数，g为重力加速度，β为热膨胀系数，δt为温差，v为运动粘度，pr为普朗特数；

35、外壳底部等效为水平热面朝下的对流散热，nu为顶部的一半，所以对流系数也为顶部的一半；

36、对于外壳侧面，相当于竖直平板的自然对流

37、进一步地，在步骤二中，将kq和耦合机构的总重量作为效率的目标函数；其中，线圈系统的kq值越大，则系统最优效率越高。

38、进一步地，在步骤二中，约束条件为空间约束；磁耦合机构可承受的传输功率大于设计传输功率，当导线的选型确定时，发射线圈和接收线圈中的电流小于对应的耐流值，当补偿电容的选型确定时，则发射端、接收端的补偿电容两端的电压小于对应的耐压值。

39、进一步地，在步骤二中，磁耦合机构多目标优化模型由目标函数、决策变量和约束条件构成，磁耦合机构优化问题可以描述为在满足输出功率、器件电气应力的前提下，以传输效率最高、功率密度最大为目标，确定线圈和磁芯的尺寸；磁耦合机构多目标优化的模型如下:

40、minf＝[δt(l1,l2,lfe,dfe),v(l1,l2,lfe,dfe),

41、kq(l1,l2,lfe,dfe)]

42、

43、采用拉丁超立方的方式对nsga-ii种群进行初始化，使初始种群随机且分布均匀，为下一步种群迭代进化提供初始解；

44、首先,使用拉丁超立方抽样产生一定规模的初始种群，通过仿真获得优化目标的参数值，非支配排序后通过遗传算法的选择、交叉、变异三个基本操作得到第一代子代种群；其次,从第二代开始,将父代种群与子代种群合并后计算目标函数值,进行快速非支配排序,同时对每个非支配层中的个体进行拥挤度计算,根据非支配关系以及个体的拥挤度选取合适的个体组成新的父代种群；最后,通过遗传算法的基本操作产生新的子代种群。

45、本发明具有的有益效果是：

46、1.本发明对磁耦合谐振式无线充电系统磁耦合机构进行建模，建立了磁耦合机构损耗模型和散热模型，推导出关于系统损耗与散热的解析表达式。

47、2.目前本发明的优化目标主要集中在电磁场的品质因数、互感、内阻和效率等方面，很少把热场中的耦合机构温度纳入优化目标，本发明建立多目标优化模型来解决温度、效率和体积的权衡问题。

48、3.相比传统的参数扫描的方法，本发明使用非支配排序的多目标遗传算法可以加速参数优化过程，更快速的得到pareto最优解集并根据实际应用情况权衡选出适合的最优解，并采用拉丁超立方的方式对nsga-ii种群进行初始化，使初始种群随机且分布均匀。