一种无线充电线圈自感和互感的电性能参数计算方法技术

本发明专利技术提出一种无线充电线圈自感和互感的电性能参数计算方法，属于新能源汽车领域及电磁学领域。该方法首先获取不同形状线圈的自感函数、自感修正系数、互感函数和互感修正系数速查表；对任意线圈，获取该线圈几何参数，包括：线圈尺寸，导线半径，线圈匝数，两线圈间纵向距离和横向偏移，计算无量纲参数；根据线圈形状，利用几何参数和无量纲参数，通过速查表得到该线圈的自感函数，自感修正系数，互感函数和互感修正系数；最后利用公式，计算得到该线圈的电性能参数，包括：自感系数、互感系数和互感耦合系数。本发明专利技术利用线圈几何参数，经过查表和公式计算，即可得到线圈自感系数和互感系数较为准确的计算结果，方法简便，有很高的推广价值。

An electric performance parameter calculation method for self inductance and mutual inductance of a wireless charging coil

The invention provides a method for calculating the electrical performance parameters of the self inductance and mutual inductance of the wireless charging coil, which belongs to the field of new energy vehicles and the field of electromagnetics. This method first gets different shape of coil inductance, self inductance, mutual inductance coefficient function correction function and mutual correction coefficient of lookup tables; for arbitrary coil, the coil to obtain geometric parameters including coil size, wire radius, number of turns of the coil, two coil vertical distance and horizontal offset, calculating the dimensionless parameters according to the coil shape;, using geometric parameters and dimensionless parameters, get the function of the self inductance coil through the lookup tables, the correction coefficient of self inductance, mutual inductance and mutual inductance coefficient correction function; finally, using the formula, get the electrical performance parameters, the calculation of the coil includes: self inductance, mutual inductance and mutual inductance coupling coefficient. By using the geometric parameters of the coil and the calculation of the formula and the formula, the present invention can get the accurate calculation results of the self induction coefficient and the mutual inductance coefficient of the coil, and the method is simple and has high popularization value.

【技术实现步骤摘要】
一种无线充电线圈自感和互感的电性能参数计算方法
本专利技术属于新能源汽车领域及电磁学领域，特别涉及一种无线充电线圈自感和互感的电性能参数计算方法。
技术介绍
随着电池能量密度的不断提升，电动汽车的续驶里程可能不再成为问题。但如何把电能从电网转移到车上，会成为电动汽车推广的瓶颈。电动汽车动力电池充电呈现以下几类解决方案：有线充电、换电和无线能量传输(无线充电)。无线能量传输是指不借助导线，利用电磁感应原理或者其他相关交流感应技术，实现一定距离的电能传送。无线充电所具有的使用便利性、充电安全性、车-网电能传输灵活性、无人驾驶电动车辆适用性等独特优点，使得无线充电技术具有较为广阔的发展空间。目前，车用无线能量传输主要采用磁耦合谐振式无线电能传输(Magnetically-CoupledResonantWirelessPowerTransfer)的方式，这一技术是由麻省理工学院在2007年提出的。针对这一技术，目前主要的研究热点和技术难点集中在以下三个方面：无线充电线圈的设计，无线充电电路结构的设计，电力变换器设计与控制。其中，无线充电线圈设计的目的是实现大功率、高效、抗偏移能力强的无线能量传输。而线圈设计需要建立在计算线圈自感系数和互感系数的基础上。目前常用的线圈自感系数和互感系数的计算方法有：1.采用经验公式计算：这一计算方法中，计算自感系数和互感系数的经验公式大多针对圆形线圈，对方形线圈等其他形状难以计算，且部分公式计算复杂；2.通过建立磁场模型计算：这种方法计算量大，过程复杂，不适于工程技术应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种无线充电线圈自感和互感的电性能参数计算方法。本专利技术利用线圈几何参数，经过查表和公式计算，即可得到线圈自感系数、互感系数和互感耦合系数较为准确的计算结果，方法简便，在实际工程中有很高的推广价值。本专利技术提出一种无线充电线圈自感和互感的电性能参数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：1)获取不同形状线圈分别对应的自感函数L0(r/a)速查表，自感修正系数ε(n，r/a)速查表，互感函数f(x/a，d/a)速查表和互感修正系数τ(n，r/a)速查表；2)选取任意线圈i，获取该线圈几何参数，包括：线圈尺寸ai，导线半径ri，线圈匝数ni，两线圈间纵向距离di，两线圈间横向偏移xi；3)对步骤2)选取的线圈i计算无量纲参数，包括：无量纲线径ri/ai，无量纲距离di/ai，无量纲偏移xi/ai；4)根据线圈i的形状，通过步骤1)获取的该线圈形状对应的四张速查表，利用该线圈的几何参数和无量纲参数，查表得到该线圈i对应的函数和修正系数，包括：自感函数L0(ri/ai)，自感修正系数ε(ni，ri/ai)，互感函数f(xi/ai，di/ai)，互感修正系数τ(ni，ri/ai)；5)将线圈i对应的几何参数、函数和修正系数代入以下公式，计算得到该线圈的自感系数L、互感系数M和互感耦合系数κ；计算公式如下：自感系数：互感耦合系数：互感系数：M＝L·κ或本专利技术的特点及有益效果在于：本专利技术提出一种无线充电线圈自感和互感的电性能参数计算方法可以用于多种形状的线圈，适用范围广，且计算过程简单,查找表的使用具有通用性，对于一种形状的线圈，只需进行一次获取操作，下次设计、他人设计时可不断重复使用；计算量小，易实现快速计算，更适用于工程领域应用。本专利技术的计算方法既可以用于无线充电线圈设计阶段，对线圈尺寸、抗错位能力进行快速计算并辅助设计；也可用于无线充电系统测试，对无线充电线圈抗偏移能力、功率承载能力和线圈效率进行评估，可以简化无线充电系统的分析过程。附图说明图1是本专利技术的一种无线充电线圈自感和互感的电性能参数计算方法流程框图。图2是本专利技术实施例的无线充电方形线圈几何参数示意图。具体实施方式本专利技术提出的一种无线充电线圈自感和互感的电性能参数计算方法，下面结合附图及具体实施例进一步详细说明如下。本专利技术提出的一种无线充电线圈自感和互感的电性能参数计算方法，整体流程如图1所示，包括以下步骤：1)获取不同形状线圈分别对应的自感函数L0(r/a)速查表，自感修正系数ε(n，r/a)速查表，互感函数f(x/a，d/a)速查表和互感修正系数τ(n，r/a)速查表；为了对自感系数、互感系数和互感耦合系数计算公式中L0(r/a)，ε(n，r/a)，f(x/a，d/a)，τ(n，r/a)这几个未知量进行标定并制作成速查表，以便其他设计和测试无线充电系统的工程师直接使用，本专利技术利用MathCAD软件，建立了一个磁场数据仿真模型，利用磁场分布公式(毕奥-萨伐尔定律)和磁通量积分的方法，得到了这几个未知量的速查表(lookuptable)。具体步骤如下：1-1)获取自感函数L0(r/a)速查表；具体步骤如下：1-1-1)将线圈几何参数输入MathCAD文档；选取任一形状的线圈(本专利技术所涉及的线圈形状包含各种正多边形的线圈及圆形的线圈)，将导线半径r(单位为m，取值范围和间隔根据r/a的需求范围和间隔确定)、单匝线圈尺寸a＝1m(对于方形线圈指方形的边长，对于圆形线圈指圆的直径，对于正多边形线圈指多边形边长)、线圈匝数n＝1输入到MathCAD文档中，并得到r/a的值；若初级线圈和次级线圈是正多边形线圈，则进入步骤1-1-2)；如果初级线圈和次级线圈是圆形线圈，则进入步骤1-1-3)；1-1-2)建立统一的直导线段磁场函数(如果初级线圈和次级线圈是圆形线圈，跳过这一步)。建立统一的直导线段磁场函数Bz(x1，y1，z1，x2，y2，z2，x，y，z)，其中A(x1，y1，z1)和B(x2，y2，z2)分别为直导线两端点的坐标，P(x，y，z)为待测点的坐标，该函数描述的磁场方向是垂直于线圈平面的方向(z方向)。这一函数为分段函数：记待测点P到导线距离为dP，：当dP＜r时，则假设磁感应强度为0(即忽略线内的磁场)；当dP＞r时，则利用毕奥-萨伐尔定律计算磁感应强度：其中：l0是积分变量；lAB是直导线段AB的长度；d＝2r，即导线直径；即在上的投影大小；I是大小为1安培的虚电流，μ0＝4π×10-7牛顿/安培2是真空磁导率。1-1-3)建立线圈磁场函数。对于方形和其他正多边形线圈，由于线圈由多条直导线段组成，所以线圈磁场函数Bz(x，y，z)由多个首尾相连的直导线段磁场函数Bz(x1，y1，z1，x2，y2，z2，x，y，z)相加得到；对于圆形线圈，其中，θ是积分变量，R是整个线圈的半径。1-1-4)计算线圈自感系数L；在线圈平面范围内对垂直方向的磁场Bz(x，y，z)进行积分得到磁通量(这里x,y,z的取值范围是线圈所围成的平面的范围)，再除以1安培的虚电流，即可得到边长1m单匝线圈自感系数L，该结果即为步骤1-1-1)中r/a所对应的L0(r/a)的值1-1-5)重复步骤1-1-1)至1-1-4)，针对不同类型的线圈，根据应用所需范围，分别计算不同r/a对应的L0(r/a)，将每种线圈对应的结果列成该种线圈的自感函数L0(r/a)速查表。1-2)获取自感修正系数ε(n，r/a)速查表；具体步骤如下：1-2-1)将线圈几何参数输入MathCAD文档；选取任一类型的线圈，将导线半径r(单位为m，取值范围和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线充电线圈自感和互感的电性能参数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：1)获取不同形状线圈分别对应的自感函数L0(r/a)速查表，自感修正系数ε(n，r/a)速查表，互感函数f(x/a，d/a)速查表和互感修正系数τ(n，r/a)速查表；2)选取任意线圈i，获取该线圈几何参数，包括：线圈尺寸ai，导线半径ri，线圈匝数ni，两线圈间纵向距离di，两线圈间横向偏移xi；3)对步骤2)选取的线圈i计算无量纲参数，包括：无量纲线径ri/ai，无量纲距离di/ai，无量纲偏移xi/ai；4)根据线圈i的形状，通过步骤1)获取的该线圈形状对应的四张速查表，利用该线圈的几何参数和无量纲参数，查表得到该线圈i对应的函数和修正系数，包括：自感函数L0(ri/ai)，自感修正系数ε(ni，ri/ai)，互感函数f(xi/ai，di/ai)，互感修正系数τ(ni，ri/ai)；5)将线圈i对应的几何参数、函数和修正系数代入以下公式，计算得到该线圈的自感系数L、互感系数M和互感耦合系数κ；计算公式如下：自感系数：

【技术特征摘要】
1.一种无线充电线圈自感和互感的电性能参数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：1)获取不同形状线圈分别对应的自感函数L0(r/a)速查表，自感修正系数ε(n，r/a)速查表，互感函数f(x/a，d/a)速查表和互感修正系数τ(n，r/a)速查表；2)选取任意线圈i，获取该线圈几何参数，包括：线圈尺寸ai，导线半径ri，线圈匝数ni，两线圈间纵向距离di，两线圈间横向偏移xi；3)对步骤2)选取的线圈i计算无量纲参数，包括：无量纲线径ri/ai，无量纲距离di/ai，无量纲偏移xi/ai；4)根据线圈i的形状，通过步骤1)获取的该线圈形状对应的四张速查表，利用该线圈的几何参数和无量纲参数，查表得到该线圈i对应的函数和修正系数，包括：自感函数L0(ri/ai)，自感修正系数ε(ni，ri/ai)，互感函数f(xi/ai，di/ai)，互感修正系数τ(ni，ri/ai)；5)将线圈i对应的几何参数、函数和修正系数代入以下公式，计算得到该线圈的自感系数L、互感系数M和互感耦合系数κ；计算公式如下：自感系数：互感耦合系数：互感系数：M＝L·κ或2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中自感函数L0(r/a)速查表，获取步骤如下：1-1)获取自感函数L0(r/a)速查表；具体步骤如下：1-1-1)将线圈几何参数输入MathCAD文档；选取任一形状的线圈，将导线半径r，单位为m，单匝线圈尺寸a＝1m，线圈匝数n＝1输入到MathCAD文档中，并得到r/a的值；若初级线圈和次级线圈是正多边形线圈，则进入步骤1-1-2)；若初级线圈和次级线圈是圆形线圈，则进入步骤1-1-3)；1-1-2)建立统一的直导线段磁场函数；建立统一的直导线段磁场函数Bz(x1，y1，z1，x2，y2，z2，x，y，z)，其中A(x1，y1，z1)和B(x2，y2，z2)分别为直导线两端点的坐标，P(x，y，z)为待测点的坐标；记待测点P到导线距离为dP：当dP＜r时，则磁感应强度为0；当dP＞r时，则利用毕奥-萨伐尔定律计算磁感应强度：其中：l0是积分变量；lAB是直导线段AB的长度；d＝2r，即导线直径；即在上的投影大小；I是大小为1安培的虚电流，μ0＝4π×10-7牛顿/安培2是真空磁导率；1-1-3)建立线圈磁场函数；对于正多边形线圈，线圈磁场函数Bz(x，y，z)由多个首尾相连的直导线段磁场函数Bz(x1，y1，z1，x2，y2，z2，x，y，z)相加得到；对于圆形线圈，其中，θ是积分变量，R是整个线圈的半径；1-1-4)计算线圈自感系数L；在线圈平面范围内对垂直方向的磁场Bz(x，y，z)进行积分得到磁通量，再除以1安培的虚电流，得到边长1m单匝线圈自感系数L，该结果即为步骤1-1-1)中中r/a所对应的L0(r/a)的值；1-1-5)重复步骤1-1-1)至1-1-4)，针对不同类型的线圈，根据应用所需范围，分别计算不同r/a对应的L0(r/a)，将每种线圈对应的结果列成该种线圈的自感函数L0(r/a)速查表。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中自感修正系数ε(n，r/a)速查表，获取步骤如下：1-2-1)将线圈几何参数输入MathCAD文档；选取任一类型的线圈，将导线半径r，单位为m，线圈尺寸a＝1m，线圈匝数n，n＞1，输入到MathCAD文档中，并得到r/a的值；若初级线圈和次级线圈是正多边形线圈，则进入步骤1-2-2)；若初级线圈和次级线圈是圆形线圈，则进入步骤1-2-3)；1-2-2)建立统一的直导线段磁场函数；建立统一的直导线段磁场函数Bz(x1，y1，z1，x2，y2，z2，x，y，z)，其中A(x1，y1，z1)和B(x2，y2，z2)分别为直导线两端点的坐标，P(x，y，z)为待测点的坐标；记待测点P到导线距离为dP：当dP＜r时，则磁感应强度为0；当dP＞r时，则利用毕奥-萨伐尔定律计算磁感应强度：其中，l0是积分变量；lAB是直导线段的长度；d＝2r，即导线直径；即在上的投影大小；I是大小为1安培的虚电流，μ0＝4π×10-7牛顿/安培2，是真空磁导率；1-2-3)建立线圈磁场函数；对于正多边形线圈，线圈磁场函数Bz(x，y，z)由多个首尾相连的直导线段磁场函数Bz(x1，y1，z1，x2，y2，z2，x，y，z)相加得到；对于圆形线圈，其中，θ是积分变量；R(n)＝R-2(n-1)r,是每一匝线圈圆的半径；R是整个线圈的半径,I是大小为1安培的虚电流；1-2-4)计算线圈自感系数L；在线圈平面对第1匝到第n匝的每一匝线圈垂直方向的磁场Bz(x，y，z)进行积分，并将第1匝到第n匝的积分结果相加，得到总磁通量，再除以1安培的虚电流，得到线圈自感系数L；1-2-5)计算自感修正系数ε(n，r/a)；根据公式：L＝a·n2·L0(r/a)·ε(n，r/a)，其中L由步骤1-2-4)得到，a和n由步骤1-2-1)得到，对应的L0(r/a)由L0(r/a)速查表获取...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨福源，石秉坤，欧阳明高，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11